Taktrate - Wikipedia

Die -Taktrate bezieht sich typischerweise auf die Frequenz, mit der ein Chip wie eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), ein Kern eines Multicore-Prozessors, ausgeführt wird und als Indikator für den Prozessor verwendet wird Geschwindigkeit. Es wird in Taktzyklen pro Sekunde oder dessen Äquivalent, der SI-Einheit Hertz (Hz), gemessen. Die Taktrate der ersten Computergeneration wurde in Hertz oder Kilohertz (kHz) gemessen. Im 21. Jahrhundert wird die Geschwindigkeit moderner CPUs jedoch üblicherweise in Gigahertz (GHz) angegeben. Diese Metrik ist am nützlichsten, wenn Prozessoren innerhalb derselben Familie verglichen werden und andere Funktionen beibehalten werden, die die Leistung beeinträchtigen können. Grafikkarten- und CPU-Hersteller wählen normalerweise ihre leistungsstärksten Einheiten aus einer Produktionscharge aus und legen ihre maximale Taktrate höher fest, wodurch ein höherer Preis erzielt wird.

Bestimmende Faktoren [ edit ]

Binning

Hersteller moderner Prozessoren erheben in der Regel höhere Prämienpreise für Prozessoren, die höher arbeiten Taktraten, eine Praxis namens Binning. Für eine gegebene CPU werden die Taktraten am Ende des Fertigungsprozesses durch tatsächliche Tests jedes Prozessors bestimmt. Chiphersteller veröffentlichen eine Spezifikation für "maximale Taktrate" und testen Chips, bevor sie sie verkaufen, um sicherzustellen, dass sie diese Spezifikation erfüllen, selbst wenn die kompliziertesten Anweisungen mit den Datenmustern ausgeführt werden, deren Eingewöhnung am längsten dauert (Testen bei Temperatur und Spannung) das führt die niedrigste Leistung). Prozessoren, die erfolgreich auf die Einhaltung eines bestimmten Satzes von Standards getestet wurden, können mit einer höheren Taktrate, z. B. 3,50 GHz, gekennzeichnet werden, während diejenigen, die die Standards der höheren Taktrate nicht erfüllen, jedoch die Standards einer niedrigeren Taktrate erfüllen, mit dem gekennzeichnet werden können geringere Taktrate, z. B. 3,3 GHz, und zu einem niedrigeren Preis verkauft. ^[1]

Engineering [ edit ]

Die Taktrate einer CPU wird normalerweise durch die Frequenz eines Oszillators bestimmt Kristall. Ein Quarzoszillator erzeugt typischerweise eine feste Sinuswelle - das Frequenzreferenzsignal. Eine elektronische Schaltung übersetzt dies in eine Rechteckwelle mit der gleichen Frequenz für digitale Elektronikanwendungen (oder bei Verwendung eines CPU-Multiplizierers ein bestimmtes Vielfaches der Quarzreferenzfrequenz). Das Taktverteilungsnetzwerk in der CPU überträgt dieses Taktsignal an alle Teile, die es benötigen. Ein A / D-Wandler hat einen "Takt" -Pin, der von einem ähnlichen System zur Einstellung der Abtastrate angesteuert wird. Wenn bei einer bestimmten CPU der Quarz durch einen anderen Quarz ersetzt wird, der bei der halben Frequenz oszilliert ("Untertaktung"), wird die CPU im Allgemeinen mit der halben Leistung betrieben und verringert die von der CPU erzeugte Abwärme. Umgekehrt versuchen einige Leute, die Leistung einer CPU zu erhöhen, indem sie den Oszillatorkristall durch einen Quarz mit höherer Frequenz ersetzen ("Übertakten"). ^[2] Der Umfang des Übertaktens ist jedoch durch die Zeit begrenzt, in der sich die CPU nach jedem Impuls einpendelt. und durch die zusätzliche Wärme erzeugt.

Nach jedem Taktimpuls benötigen die Signalleitungen in der CPU Zeit, um sich in ihrem neuen Zustand zu befinden. Das heißt, jede Signalleitung muss den Übergang von 0 auf 1 oder von 1 auf 0 beenden. Wenn der nächste Taktimpuls davor kommt, sind die Ergebnisse falsch. Beim Übergang wird etwas Energie als Wärme verschwendet (meistens in den Ansteuertransistoren). Bei der Ausführung komplizierter Anweisungen, die viele Übergänge verursachen, wird umso mehr Wärme erzeugt, je höher die Taktrate ist. Transistoren können durch übermäßige Hitze beschädigt werden.

Es gibt auch eine untere Grenze der Taktrate, sofern nicht ein vollständig statischer Kern verwendet wird.

Historische Meilensteine ​​und aktuelle Aufzeichnungen [ edit ]

Der erste elektromechanische Allzweckcomputer, der Z3, arbeitete mit einer Frequenz von etwa 5–10 Hz. Der erste elektronische Universalcomputer, der ENIAC, verwendete in seiner Fahrradeinheit einen 100-kHz-Takt. Da jeder Befehl 20 Zyklen benötigte, hatte er eine Befehlsrate von 5 kHz.

Der erste kommerzielle PC, der Altair 8800 (von MITS), verwendete eine Intel 8080-CPU mit einer Taktrate von 2 MHz (2 Millionen Zyklen pro Sekunde). Der ursprüngliche IBM-PC (ca. 1981) hatte eine Taktrate von 4,77 MHz (4,772,727 Zyklen pro Sekunde). 1992 brachen sowohl Hewlett-Packard als auch Digital Equipment Corporation die schwierige Grenze von 100 MHz mit RISC-Techniken im PA-7100 bzw. AXP 21064 DEC Alpha. 1995 lief der P5-Pentium-Chip von Intel mit 100 MHz (100 Millionen Zyklen pro Sekunde). AMD erreichte am 6. März 2000 den Meilenstein von 1 GHz einige Monate vor Intel. Im Jahr 2002 wurde ein Intel Pentium 4-Modell als erste CPU mit einer Taktrate von 3 GHz eingeführt (drei Milliarden Zyklen pro Sekunde, entsprechend ~ 3,3 × 10 ^-10 Sekunden oder 0,33 Nanosekunden pro Zyklus). Seitdem ist die Taktrate der Produktionsprozessoren viel langsamer gestiegen, wobei Leistungsverbesserungen durch andere Designänderungen hervorgerufen wurden.

Ab 2011 ^[update] ist der Guinness-Weltrekord für die höchste CPU-Taktrate ein übertakteter AMD-Bulldozer-basierter FX-8150-Chip mit 8,429 GHz. Es übertraf den bisherigen Rekord, einen AMD FX "Piledriver" -Chip von 8,308 GHz. ^[3]

Ab Mitte 2013 ^[update] ist die höchste Taktrate auf einem Produktionsprozessor der IBM zEC12. Bei 5,5 GHz getaktet, wurde im August 2012 veröffentlicht.

Research [ edit ]

Ingenieure finden immer neue Wege, um CPUs zu entwerfen, die sich schneller einpendeln oder etwas weniger Energie pro Übergang benötigen, diese Grenzen zurückschieben und neue CPUs produzieren das kann mit etwas höheren Taktraten laufen. Die letztendlichen Grenzen der Energie pro Übergang werden beim reversiblen Berechnen untersucht.

Die erste vollständig reversible CPU, das Pendulum, wurde Ende der 1990er Jahre am MIT mit Standard-CMOS-Transistoren implementiert. ^{[4] [5] [6] [6] [7]}

Außerdem suchen Ingenieure nach neuen Wegen, um CPUs so zu entwerfen, dass sie mehr Anweisungen pro Taktzyklus ausführen, wodurch ein niedrigerer CPI (Zyklus oder Taktzyklus pro Befehl) erreicht wird Sie laufen möglicherweise mit der gleichen oder einer niedrigeren Taktrate wie ältere CPUs. Dies wird durch Architekturtechniken wie Befehlspipelining und Out-of-Order-Ausführung erreicht, die versucht, die Parallelität auf Befehlsebene im Code auszunutzen.

Vergleichen [ edit ]

Die Taktfrequenz einer CPU ist am nützlichsten für Vergleiche zwischen CPUs in derselben Familie. Die Taktrate ist nur einer von mehreren Faktoren, die die Leistung beim Vergleich von Prozessoren in verschiedenen Familien beeinflussen können. Beispielsweise ist ein IBM-PC mit einer Intel 80486-CPU, die mit 50 MHz betrieben wird, etwa doppelt so schnell (nur intern) wie einer mit der gleichen CPU und dem gleichen Speicher, die mit 25 MHz laufen, während dies bei MIPS R4000 nicht der Fall ist die gleiche Taktrate wie die beiden sind unterschiedliche Prozessoren, die unterschiedliche Architekturen und Mikroarchitekturen implementieren. Ferner wird manchmal ein Maß für die "kumulative Taktrate" angenommen, indem die Gesamtkerne genommen und mit der Gesamttaktrate multipliziert werden (z. B. Dual-Core-2,8-GHz-Prozessor wird als kumulativer Prozessor mit 5,6 GHz betrachtet). Beim Vergleich der Leistung von CPUs sind viele andere Faktoren zu berücksichtigen, beispielsweise die Breite des Datenbusses der CPU, die Latenz des Speichers und die Cache-Architektur.

Die Taktrate allein wird im Allgemeinen als ungenaues Maß für die Leistung beim Vergleich verschiedener CPU-Familien betrachtet. Software-Benchmarks sind nützlicher. Taktraten können manchmal irreführend sein, da der Arbeitsaufwand, den verschiedene CPUs in einem Zyklus ausführen können, unterschiedlich ist. Superskalare Prozessoren können zum Beispiel mehr als einen Befehl pro Zyklus ausführen (im Durchschnitt), es ist jedoch nicht ungewöhnlich, dass sie in einem Taktzyklus "weniger" ausführen. Außerdem können Subskalar-CPUs oder die Verwendung von Parallelität die Leistung des Computers unabhängig von der Taktrate beeinflussen.

Siehe auch [ edit ]

Referenzen [ edit

Dieser Artikel basiert auf Material aus Kostenloses Online-Wörterbuch für Computing vor dem 1. November 2008 und unter den "relicensing" -Bestimmungen der GFDL, Version 1.3 oder höher, aufgenommen.