Ο κύκλος ρολογιού του επεξεργαστή και ο κύκλος μηχανής
Μονάδα εκτός συστήματος · μέγεθος: διάστημα συγχρονισμού και μέτρο υπολογιστικού έργου
Το φθινόπωρο του 2004 η Intel ακύρωσε την ανάπτυξη ενός επεξεργαστή που έπρεπε να δουλεύει στα δέκα γιγαχέρτς, και δεν ήταν τεχνική αποτυχία αλλά παραδοχή ενός φυσικού τείχους: ένα ψηφίδιο που το έσπρωχναν διπλάσια γρήγορα απαιτούσε τετραπλάσια ισχύ και απλούστατα έλιωνε. Ο αγώνας των συχνοτήτων, που κρατούσε τριάντα χρόνια, τελείωσε μέσα σε μία μέρα, και μαζί του η συνήθεια να κρίνεται μια μηχανή από τον αριθμό στο κουτί.
Ο ίδιος ο κύκλος είναι το διάστημα ανάμεσα σε δύο μέτωπα του σήματος ρολογιού, ακριβώς εκείνο το βήμα με το οποίο όλα τα σύγχρονα μέρη του ψηφιδίου μεταπίπτουν μαζί. Το αντίστροφό του είναι η συχνότητα, και γι' αυτό ένας κύκλος στα πέντε γιγαχέρτς κρατά δύο δέκατα του νανοδευτερολέπτου, μέσα στα οποία το φως προλαβαίνει έξι εκατοστά, ενώ ένα σήμα πάνω σε χάλκινη γραμμή ακόμη λιγότερο — λιγότερο από το πλάτος του ψηφιδίου.
01 · Ορισμός
Ο κύκλος είναι η περίοδος του σήματος ρολογιού, δηλαδή το διάστημα ανάμεσα σε δύο ομώνυμα μέτωπα, στα οποία τα σύγχρονα στοιχεία του ψηφιδίου αλλάζουν κατάσταση μαζί. Ο κύκλος μηχανής είναι ακέραιος αριθμός κύκλων ρολογιού μέσα στους οποίους ο επεξεργαστής εκτελεί μια ολοκληρωμένη ενέργεια· σε μηχανή με διοχέτευση τον αντικαθιστά το αντίστροφο μέτρο — ο αριθμός κύκλων ανά εντολή, του οποίου το δικό του αντίστροφο λέει πόσες εντολές βγαίνουν από τη διοχέτευση σε έναν κύκλο.
Το μήκος ενός κύκλου δεν το ορίζει η φύση αλλά η χάραξη των διαδρομών πάνω στο ψηφίδιο: δεν επιτρέπεται να είναι κοντύτερο από την πιο αργή διαδρομή ανάμεσα σε δύο φλιπ-φλοπ, μαζί με την καθυστέρηση του ίδιου του φλιπ-φλοπ και ένα περιθώριο για τη διασπορά των παραμέτρων. Από εκεί και η συνηθισμένη κίνηση του σχεδιαστή — να κόψει μια μακριά λογική διαδρομή σε δύο βαθμίδες διοχέτευσης: ο κύκλος μισεύει, η συχνότητα διπλασιάζεται, και η εντολή ανεβαίνει τώρα ολόκληρη τη σκάλα.
Αυτό όμως που περιορίζει τη συχνότητα δεν είναι η λογική αλλά η ισχύς: η δυναμική κατανάλωση αυξάνεται με τη συχνότητα και με το τετράγωνο της τάσης, και η τάση πρέπει να ανέβει ώστε το κύκλωμα να προλαβαίνει στην αυξημένη συχνότητα. Η θερμότητα πηγαίνει επομένως περίπου σαν τον κύβο της συχνότητας, και πάνω σ' αυτή την κυβική εξάρτηση ο αγώνας των γιγαχέρτς σταμάτησε γύρω στα τέσσερα.
Τέλος, ο κύκλος είναι μονάδα της οποίας το μήκος δεν είναι σταθερό. Η διαχείριση της τροφοδοσίας αλλάζει τη συχνότητα εκατοντάδες φορές το δευτερόλεπτο, προσαρμοζόμενη στο φορτίο και στη θερμοκρασία, και γι' αυτό από τον αριθμό των κύκλων δεν κρίνεται ο χρόνος που πέρασε, κρίνεται όμως το έργο που έγινε: ο μετρητής κύκλων δεν μετρά δευτερόλεπτα αλλά βήματα υπολογισμού, και σ' αυτό βρίσκεται η πραγματική του αξία.
Οδηγήστε τη συχνότητα με τον ολισθητήρα και παρακολουθήστε δύο καμπύλες που απομακρύνονται προς αντίθετες μεριές. Η πράσινη είναι η απόσταση που προλαβαίνει ένα σήμα σε έναν κύκλο: όσο υψηλότερη η συχνότητα, τόσο κοντύτερη η διαδρομή, και στα πέντε γιγαχέρτς αποδεικνύεται μικρότερη από το ίδιο το ψηφίδιο. Η βαθυκόκκινη είναι το τι κοστίζει σε κύκλους μια προσπέλαση στη μνήμη: η καθυστέρησή της σε νανοδευτερόλεπτα σχεδόν δεν αλλάζει, οπότε σε κύκλους μόνο μεγαλώνει.
Κόβοντας το έργο σε βαθμίδες, ο σχεδιαστής κονταίνει τον κύκλο, αλλά μία μόνο εντολή ανεβαίνει τώρα ολόκληρη εκείνη τη σκάλα, και η δική της καθυστέρηση δεν μικραίνει αλλά μεγαλώνει. Το κέρδος εμφανίζεται μόνο όταν οι βαθμίδες είναι γεμάτες με διαφορετικές εντολές, και σε μια κακά προβλεφθείσα διακλάδωση η διοχέτευση πρέπει να αδειάσει ολόκληρη — όσο βαθύτερη είναι, τόσο ακριβότερα βγαίνει.
02 · Μετατροπή
Συχνότητα, περίοδος, έργο
Δώστε μια συχνότητα ή ένα μήκος κύκλου, και το δελτίο θα δείξει το αντίστροφο, τη διαδρομή του σήματος σε έναν κύκλο και το κόστος των προσπελάσεων στη μνήμη σε κύκλους. Η πρώτη οικογένεια είναι ακριβής εξ ορισμού, η δεύτερη στηρίζεται σε μέσες τιμές ενός πυρήνα, η τρίτη στις τυπικές καθυστερήσεις της σημερινής ιεραρχίας μνήμης.
Η ταχύτητα του σήματος πάνω σε γραμμή λαμβάνεται ως έξι δέκατα της ταχύτητας του φωτός· στις λεπτότερες ρυθμίσεις του δελτίου μπορεί να αλλάξει στο μισό.
Κατά συχνότητα μπορούν να συγκριθούν μόνο όμοιοι πυρήνες, γιατί ο αριθμός κύκλων ανά εντολή διαφέρει ανάμεσα σε αρχιτεκτονικές πολλαπλάσια: η μία μηχανή παίρνει τέσσερις εντολές σε έναν κύκλο, η άλλη μόλις μία. Ακριβώς γι' αυτό ο αριθμός σε γιγαχέρτς έφυγε από τις διαφημίσεις, και στη θέση του ήρθαν σειρές δοκιμών που δεν μετρούν πια κύκλους αλλά έργο που έγινε.
| Τιμή | Σημείωση | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Τάξεις μεγέθους
λογαριθμική κλίμακα: από τον κύκλο ως το χρονικό παράθυρο του χρονοδρομολογητή04 · Όργανα μέτρησης
Με τι ορίζεται ο κύκλος και με τι μετριέται
Πηγή του κύκλου είναι μια πλακέτα χαλαζία, που ταλαντώνεται συνήθως σε μερικές δεκάδες μεγαχέρτς με ακρίβεια περίπου δέκα εκατομμυριοστών. Τα γιγαχέρτς πάνω στο ψηφίδιο δεν προέρχονται από αυτήν αλλά από τον πολλαπλασιασμό αυτής της συχνότητας αναφοράς, ώστε η σταθερότητα ολόκληρης της μηχανής κληρονομείται από ένα κομμάτι ορυκτού στο μέγεθος κόκκου ρυζιού.
Ο βρόχος κλειδώματος φάσης συγκρίνει τη διαιρεμένη συχνότητα του ταλαντωτή με εκείνη της αναφοράς και τον ρυθμίζει ώσπου να συμπέσουν οι φάσεις· αλλάζοντας τον διαιρέτη, η συχνότητα αλλάζει εν κινήσει. Αυτός ακριβώς επιτρέπει στη διαχείριση της τροφοδοσίας να κατεβάσει τον κύκλο σε ηρεμία στα μερικές εκατοντάδες μεγαχέρτς και να τον σηκώσει στο τούρμπο για λίγα δευτερόλεπτα, όσο υπάρχει θερμικό περιθώριο.
Μέσα στον πυρήνα κάθονται καταχωρητές που μετρούν κύκλους, ολοκληρωμένες εντολές, αστοχίες της κρυφής μνήμης και κακά προβλεφθείσες διακλαδώσεις, και διαβάζονται κατευθείαν από το πρόγραμμα που τρέχει. Από αυτούς τους αριθμούς βγαίνει ο αριθμός κύκλων ανά εντολή — το μόνο τίμιο μέτρο του πόσο καλά κάθισε ο κώδικας πάνω σε ένα ορισμένο ψηφίδιο.
Για να δει κανείς τον ίδιο τον κύκλο χρειάζεται όργανο που πιάνει τα μέτωπα με διακριτική ικανότητα λίγων πικοδευτερολέπτων, και το ίδιο δείχνει και τα πράγματα εξαιτίας των οποίων η συχνότητα δεν μπορεί να ανέβει πιο ψηλά: το τρέμουλο φάσης, την άνιση άφιξη του σήματος στις διάφορες γωνιές του ψηφιδίου και το κάθισμα του μετώπου σε μακριά γραμμή.
05 · Κανόνες γραφής
Οι κύκλοι και τα χερτς δεν είναι το ίδιο
Η συχνότητα γράφεται σε χερτς, με το πρόθεμα κεφαλαίο στο μέγα και στο γίγα, ενώ ο αριθμός των κύκλων γράφεται ως ακέραιος χωρίς καμία μονάδα, αφού ο κύκλος δεν είναι μονάδα SI. Οι δείκτες επίδοσης γράφονται με κεφαλαία χωρίς τελείες και με αναφορά σε ποιον πυρήνα αφορούν· να ανακατεύεται συχνότητα και επίδοση σε ένα μέγεθος δεν επιτρέπεται.
Η πρώτη γραφή ανακατεύει δύο διαφορετικά μεγέθη: ο αριθμός κύκλων είναι αδιάστατος, ενώ το χερτς μετρά συχνότητα. Η δεύτερη παραβιάζει το κεφαλαίο του προθέματος, υποχρεωτικό στο μέγα και στο γίγα. Η τρίτη συγκρίνει κατά συχνότητα αρχιτεκτονικές των οποίων οι κύκλοι ανά εντολή διαφέρουν πολλαπλάσια, και από τέτοια σύγκριση δεν προκύπτει τίποτε. Η τέταρτη παίρνει μεταβλητό μέγεθος για σταθερό.
06 · Γειτονικές μονάδες
Δίπλα στέκουν οι μονάδες που μετρούν το ίδιο έργο από άλλες μεριές: το χερτς ως συχνότητα του ίδιου του σήματος, ο αριθμός πράξεων κινητής υποδιαστολής ανά δευτερόλεπτο και ο αριθμός εντολών που αναλογούν σε έναν κύκλο. Όλες προκύπτουν η μία από την άλλη μόλις γίνουν γνωστά η συχνότητα και η συμπεριφορά της διοχέτευσης.
συχνότητα, μονάδα SI
αδιάστατο μέτρο
μέτρο υπολογιστικού έργου
Από τα δελτία του Simetrium δίπλα στέκονται χερτς, που δίνει τη συχνότητα, δευτερόλεπτο και τα υποπολλαπλάσια προθέματά του, unix time, όπου το όριο το θέτει επίσης η λέξη μηχανής, και το δυφίο s το ψηφιολέξιο, με τα οποία μετριέται αυτό που κουβαλά ένας κύκλος.
07 · Ιστορικό μέρος
Τριάντα χρόνια αγώνα και μία μέρα ακύρωσης
Ο πρώτος επεξεργαστής σε ένα μόνο ψηφίδιο δούλευε σε συχνότητα που ένα σημερινό ψηφίδιο τη διαβαίνει σε κλάσμα μικροδευτερολέπτου, και μία εντολή του έπαιρνε οκτώ κύκλους. Ο κύκλος μηχανής ήταν τότε έννοια κυριολεκτική: ανάγνωση της εντολής, αποκωδικοποίηση, άντληση των δεδομένων, υπολογισμός και εγγραφή — κάθε βαθμίδα έπαιρνε τον δικό της κύκλο, και όλες πήγαιναν αυστηρά με τη σειρά.
Μόλις οι βαθμίδες έμαθαν να δουλεύουν ταυτόχρονα σε διαφορετικές εντολές, το συνηθισμένο μέτρο έσπασε: η εντολή έπαιρνε ακόμη πέντε κύκλους, αλλά έβγαινε από τη διοχέτευση κάθε κύκλο. Χρειάστηκε να γυρίσει η μέτρηση ανάποδα και να μιλούν για κύκλους ανά εντολή, που σε μια καλή μηχανή έπεσαν κάτω από τη μονάδα — δηλαδή σε έναν κύκλο ολοκληρώνεται περισσότερη από μία εντολή.
Μια αρχιτεκτονική με διοχέτευση τριάντα ενός βαθμίδων χτίστηκε χάριν της συχνότητας και προσέκρουσε στη θερμότητα: τα υποσχεμένα δέκα γιγαχέρτς απαιτούσαν ψύξη αδιανόητη σε κουτί γραφείου. Το έργο έκλεισε, και ο κλάδος στράφηκε στους πολλούς πυρήνες — όχι επειδή είναι καλύτερο, αλλά επειδή η κυβική αύξηση της κατανάλωσης δεν άφησε άλλον δρόμο.
Ένας σημερινός πυρήνας δεν έχει μία συχνότητα: σε ηρεμία πέφτει σε μερικές εκατοντάδες μεγαχέρτς, υπό φορτίο ανεβαίνει προς τα πέντε γιγαχέρτς και τα κρατά όσο υπάρχει θερμικό περιθώριο. Ο αριθμός του δελτίου έγινε υπόσχεση υπό ευνοϊκές συνθήκες, και το να συγκρίνουν μηχανές με βάση αυτόν το έπαψαν και οι κατασκευαστές και οι κριτικοί.
Μονάδα της οποίας το μήκος αλλάζει κατά τη μέτρηση
Ο κύκλος είναι για τον μετρολόγο άβολα φτιαγμένος: το μήκος του δεν το ορίζει πρότυπο αλλά η χάραξη των διαδρομών πάνω στο ψηφίδιο, και αλλάζει στον ίδιο επεξεργαστή εκατοντάδες φορές το δευτερόλεπτο, αφού η διαχείριση της τροφοδοσίας προσαρμόζει τη συχνότητα στο φορτίο και στη θερμοκρασία. Γι' αυτό ο μετρητής κύκλων δεν κάνει για μέτρηση χρόνου, αν και απ' έξω μοιάζει με ρολόι, και ένα πρόγραμμα που τον εμπιστεύεται σφάλλει τόσο όσο μετακινήθηκε η συχνότητα.
Αντίθετα, για την εργασία χάριν της οποίας γεννήθηκε ο κύκλος, ταιριάζει καλύτερα από κάθε μονάδα χρόνου. Μετρώντας κύκλους, δεν μετρούμε διάρκεια αλλά τον όγκο του υπολογιστικού έργου, και γι' αυτό ο αριθμός κύκλων ανά εντολή παραμένει συγκρίσιμος σε κάθε αλλαγή συχνότητας — μιλά για το πόσο καλά κάθισε ο κώδικας πάνω στο ψηφίδιο, όχι για το πόσα δευτερόλεπτα πέρασαν.
Κατάλογος · μονάδες μέτρησης
Ένα δελτίο για κάθε μέγεθος
Επτά βασικές μονάδες SI, είκοσι δύο παράγωγες με δικό τους όνομα και μεγέθη εκτός συστήματος, χωρίς τα οποία δεν θα λειτουργούσε ούτε η τεχνική ούτε το ημερολόγιο.