¿Cuál es la base física detrás de la velocidad del reloj?

Answer 1

El ‘reloj’ es la parte de una CPU que sincroniza la propagación de señales eléctricas a través de sus muchos transistores. Es como el coxswain en la parte trasera de un bote de remos gritando “golpe”. para que todos sepan cuándo remar. La velocidad del reloj es la velocidad a la que el reloj emite su “golpe”. señal.

En general, aumentar la velocidad del reloj aumenta la velocidad a la que la CPU realiza operaciones. Sin embargo, hay límites a la velocidad con la que puede ejecutar el reloj antes de que las partes del chip que hacen el trabajo (los transistores) ya no puedan seguir el ritmo. El coxswain grita “golpe” cien veces por segundo si los remeros no pueden remar tan rápido.

Para una discusión de los factores que actualmente limitan la velocidad de las CPU modernas, recomiendo la respuesta de Jonathan Kang a ¿Por qué no han aumentado las velocidades de reloj de la CPU en los últimos 5 años?

Uno de los factores que Kang menciona es el consumo de energía, que aumenta a medida que aumenta la velocidad del reloj. Además de agotar las baterías de los dispositivos móviles, el alto consumo de energía es un problema porque la mayor parte de la energía que consume la CPU se convierte en calor en el chip. Para evitar que el chip se queme, este calor debe eliminarse continuamente mediante dispositivos de enfriamiento. Esta creciente necesidad de refrigeración limita la velocidad del reloj, ya que la mayoría de los usuarios no quieren ventiladores ruidosos, refrigeración líquida complicada o computadoras que son esencialmente calentadores de espacio.

El artículo que vinculó discute un nuevo hallazgo que sus descubridores esperan que pueda ayudar a reducir la energía consumida a una frecuencia dada, permitiendo así aumentar la velocidad del reloj mientras se mantiene el consumo de energía donde está ahora.

Uno de los determinantes más importantes de cuánta energía utiliza una CPU es el voltaje al que opera. El tipo de transistor utilizado en estas CPU depende de un efecto de capacitancia para acumular carga en un semiconductor, convirtiéndolo temporalmente en un conductor. A medida que aumenta el voltaje en un condensador, la carga aumenta linealmente. Para cambiar el transistor a un estado encendido, necesita una cierta cantidad de carga y, por lo tanto, necesita una cierta cantidad de voltaje.

El descubrimiento mencionado en el artículo es potencialmente una forma de acumular carga a un ritmo mucho más rápido que los dispositivos actuales, en relación con el voltaje. Es decir, obtener la misma cantidad de carga requerirá un voltaje menor. Reducir el voltaje permitiría que la CPU funcione a una velocidad de reloj más alta mientras mantiene el mismo consumo de energía.

Answer 2

La mayoría de los circuitos lógicos, particularmente desde el cambio a CMOS, apenas consumen energía en un estado estable. Es la transición entre niveles lógicos lo que consume energía, y esa energía se usa para cargar y descargar la capacitancia de la interconexión entre puertas lógicas individuales. La corriente que fluye para hacer esa carga y descarga lo hace a través de transistores que están haciendo la transición de saturado a circuito abierto o viceversa, y están momentáneamente en la región lineal, por lo que tienen una resistencia significativa (1Kohm más o menos) y el calor es generado por I ^ 2.R efectos.

Es habitual utilizar circuitos sincrónicos, donde todas las transiciones lógicas tienen lugar al mismo tiempo, impulsadas por una onda cuadrada llamada reloj. La sincronización asegura, por ejemplo, que todos los bits en un registro se mueven a la vez, por lo que no tenemos ninguna ambigüedad sobre si los nuevos valores han llegado o no.

La velocidad de ese reloj depende en gran medida del tiempo que tarda cada puerta lógica en completar la transición de un estado a otro: pasar de 0 a 1 o 1 a 0. Ese tiempo, el tiempo de subida está relacionado con la resistencia antes mencionada en modo lineal y la capacitancia de conexión de los buses entre las puertas. El siguiente borde del reloj no debe intentarse antes de que se hayan resuelto los efectos de los anteriores.

Por lo tanto, para cualquier bit de tecnología en particular, hecho con transistores de un tamaño particular, e interconexiones de una longitud y disposición particular, habrá una pausa mínima entre relojes: una frecuencia de reloj máxima. Superar esa frecuencia y los resultados se vuelven impredecibles (léase: incorrecto ).

Del mismo modo, como se mencionó anteriormente, el dispositivo solo se calienta durante las transiciones entre niveles, habrá un límite superior completamente separado en la frecuencia del reloj causada por los efectos térmicos: cuántas puertas están cambiando de estado, qué tan apretada está la matriz, qué enfriamiento los arreglos son

Por lo tanto, tenemos un reloj para que todo funcione correctamente, y el límite superior de la velocidad de ese reloj está determinado por dos factores independientes

• El tiempo de subida de las puertas individuales.
• La disipación térmica de todo el dispositivo.

Answer 3

La velocidad del reloj es esencialmente el mecanismo de pasos que regula las operaciones de la computadora. Sobre una base conceptual, cada instrucción toma un ciclo de reloj para buscar, un ciclo de reloj para recuperar el operando, un ciclo de reloj para realizar la operación o decisión y luego cargar la siguiente instrucción.

Las velocidades del reloj se maximizan cuando se necesita todo el período del reloj para realizar la operación debido a las limitaciones de obtener los datos y realizar la operación.

Una computadora más rápida debe realizar esas operaciones en un período de tiempo más corto. Cuando eso se logra, se puede aumentar la frecuencia del reloj, disminuyendo el período del reloj y la computadora puede seguir las instrucciones en menos tiempo.