Suorittimen kellojakso ja konejakso
Järjestelmän ulkopuolinen yksikkö · suure: tahdistusväli ja laskentatyön mitta
Syksyllä 2004 Intel perui suorittimen kehityksen, jonka piti käydä kymmenellä gigahertsillä, eikä se ollut tekninen epäonnistuminen vaan fyysisen seinän tunnustaminen: kaksi kertaa kovempaa ajettu siru vaati nelinkertaisen tehon ja yksinkertaisesti suli. Kolmekymmentä vuotta jatkunut taajuuskilpajuoksu päättyi yhteen ainoaan päivään, ja sen mukana tapa arvioida konetta laatikon numeron perusteella.
Itse jakso on kellosignaalin kahden reunan väli, juuri se askel, jolla sirun kaikki tahdistetut osat kytkeytyvät yhtä aikaa. Sen käänteisluku on taajuus, ja siksi jakso viidellä gigahertsillä kestää kaksi kymmenesosaa nanosekuntia, joiden aikana valo ehtii kuusi senttiä ja signaali kuparijohdinta pitkin vielä vähemmän — vähemmän kuin siru on leveä.
01 · Määritelmä
Jakso on kellosignaalin jaksonpituus, siis kahden samanlaisen reunan väli, joilla sirun tahdistetut osat vaihtavat tilaa yhdessä. Konejakso on kokonainen määrä kellojaksoja, joiden aikana suoritin tekee päättyneen toimen; liukuhihnakoneessa se korvataan käänteisellä mitalla — jaksojen määrällä käskyä kohti, jonka oma käänteisluku kertoo, montako käskyä poistuu liukuhihnalta yhdessä jaksossa.
Jakson pituutta ei aseta luonto vaan sirun johdotus: se ei saa olla lyhyempi kuin hitain reitti kahden kiikun välillä, kiikun oma viive ja parametrien hajonnan varmuusvara mukaan luettuina. Tästä suunnittelijan tavanomainen ote — katkaista pitkä logiikkareitti kahdeksi liukuhihnan portaaksi: jakso puolittuu, taajuus kaksinkertaistuu, ja käsky kulkee nyt koko portaikon.
Taajuutta ei kuitenkaan rajoita logiikka vaan teho: dynaaminen kulutus kasvaa taajuuden ja jännitteen neliön mukana, ja jännitettä on nostettava, jotta piiri ehtisi mukaan kohonneella taajuudella. Lämpö käy siksi suunnilleen taajuuden kuutiona, ja tähän kuutiolliseen riippuvuuteen gigahertsien kilpajuoksu pysähtyi noin neljän kohdalla.
Lopuksi jakso on yksikkö, jonka pituus ei pysy vakiona. Tehonhallinta muuttaa taajuutta satoja kertoja sekunnissa kuorman ja lämpötilan mukaan, eikä jaksojen määrästä siksi voi päätellä kulunutta aikaa — kylläkin tehdyn työn: jaksolaskuri ei laske sekunteja vaan laskennan askelia, ja siinä on sen todellinen arvo.
Vie taajuutta liukusäätimellä ja seuraa kahta käyrää, jotka erkanevat vastakkaisiin suuntiin. Vihreä on matka, jonka signaali ehtii yhdessä jaksossa: mitä korkeampi taajuus, sitä lyhyempi tuo matka, ja viidellä gigahertsillä se osoittautuu pienemmäksi kuin siru itse. Karmiininpunainen on se, mitä käynti muistissa maksaa jaksoina: sen viive nanosekunteina tuskin muuttuu, ja jaksoina se siksi vain kasvaa.
Katkaistuaan työn portaiksi suunnittelija lyhentää jaksoa, mutta yksi käsky kulkee nyt koko tuon portaikon, eikä sen oma viive pienene vaan kasvaa. Hyöty ilmaantuu vasta, kun portaat ovat täynnä eri käskyjä, ja väärin arvatussa hypyssä liukuhihna on tyhjennettävä kokonaan — mitä syvempi se on, sitä kalliimmaksi se käy.
02 · Muunnos
Taajuus, jakso, työ
Anna taajuus tai jakson pituus, niin lehti näyttää käänteisluvun, signaalin matkan yhdessä jaksossa ja muistikäyntien hinnan jaksoina. Ensimmäinen perhe on määritelmän mukaan tarkka, toinen nojaa ytimen keskiarvoihin, kolmas nykyisen muistihierarkian tyypillisiin viiveisiin.
Signaalin nopeudeksi johdinta pitkin on otettu kuusi kymmenesosaa valon nopeudesta; lehden hienommissa asetuksissa sen voi vaihtaa puoleen.
Taajuuden perusteella voi verrata vain samanlaisia ytimiä, sillä jaksojen määrä käskyä kohti eroaa arkkitehtuurien välillä moninkertaisesti: toinen kone ottaa neljä käskyä yhdessä jaksossa, toinen tuskin yhden. Juuri siksi gigahertsiluku katosi mainoksista, ja sen tilalle tulivat testisarjat, jotka eivät enää mittaa jaksoja vaan tehtyä työtä.
| Arvo | Huomautus | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Suuruusluokat
logaritminen asteikko: jaksosta vuorottajan aikaikkunaan04 · Mittalaitteet
Millä jakso asetetaan ja millä se lasketaan
Jakson lähteenä on kvartsilevy, joka värähtelee tavallisesti muutamalla kymmenellä megahertsillä noin kymmenen miljoonasosan tarkkuudella. Sirun gigahertsit eivät tule siitä vaan tämän vertailutaajuuden monikertaistamisesta, joten koko koneen vakaus peritään riisinjyvän kokoiselta mineraalinpalalta.
Vaihelukittu silmukka vertaa oskillaattorin jaettua taajuutta vertailutaajuuteen ja säätää sitä, kunnes vaiheet osuvat yhteen; jakajaa muuttamalla taajuus muuttuu ajon aikana. Juuri se sallii tehonhallinnan laskea jakson lepotilassa muutamaan sataan megahertsiin ja nostaa sen turboon muutamaksi sekunniksi, niin kauan kuin lämpövaraa riittää.
Ytimen sisällä on rekistereitä, jotka laskevat jaksoja, päättyneitä käskyjä, välimuistihuteja ja väärin arvattuja hyppyjä, ja niitä voi lukea suoraan käynnissä olevasta ohjelmasta. Näistä luvuista saadaan jaksojen määrä käskyä kohti — ainoa rehellinen mitta sille, miten hyvin koodi on asettunut tietylle sirulle.
Itse jakson näkemiseen tarvitaan laite, joka nappaa reunat muutaman pikosekunnin erotuskyvyllä, ja sama laite näyttää nekin asiat, joiden vuoksi taajuutta ei voi enää nostaa: vaihevärinä, signaalin saapumisen vinous sirun eri kulmiin ja reunan lässähtäminen pitkällä johdolla.
05 · Kirjoitussäännöt
Jaksot ja hertsit eivät ole sama asia
Taajuus kirjoitetaan hertseinä, etuliite isolla mega- ja gigatasolla, kun taas jaksojen määrä kirjoitetaan kokonaislukuna ilman mitään yksikköä, koska jakso ei ole SI-yksikkö. Suorituskykyluvut kirjoitetaan isoin kirjaimin ilman pisteitä ja mainiten, mitä ydintä ne koskevat; taajuuden ja suorituskyvyn sekoittaminen yhdeksi suureeksi ei ole sallittua.
Ensimmäinen kirjoitustapa sekoittaa kaksi eri suuretta: jaksojen määrä on ulottuvuudeton, kun taas hertsi mittaa taajuutta. Toinen rikkoo etuliitteen kirjainkokoa vastaan, joka on pakollinen mega- ja gigatasolla. Kolmas vertaa taajuuden perusteella arkkitehtuureja, joiden jaksot käskyä kohti eroavat moninkertaisesti, eikä sellaisesta vertailusta seuraa mitään. Neljäs ottaa muuttuvan suureen vakiona.
06 · Naapuriyksiköt
Vieressä ovat yksiköt, jotka mittaavat samaa työtä muilta puolilta: hertsi itse signaalin taajuutena, liukulukutoimitusten määrä sekunnissa ja käskyjen määrä yhtä jaksoa kohti. Kaikki johtuvat toisistaan heti, kun taajuus ja liukuhihnan käytös tunnetaan.
taajuus, SI-yksikkö
ulottuvuudeton mitta
laskentatyön mitta
Simetriumin korteista vieressä ovat hertsi, joka antaa taajuuden, sekunti ja sen osakerrannaiset, unix time, jossa rajan asettaa niin ikään konesana, ja bitti s tavu, joilla mitataan sitä, mitä jakso kantaa.
07 · Historiallinen osa
Kolmekymmentä vuotta kilpajuoksua ja yksi peruutuksen päivä
Ensimmäinen yhden sirun suoritin kävi taajuudella, jonka nykyinen siru ohittaa mikrosekunnin murto-osassa, ja yhteen käskyyn kului siltä kahdeksan jaksoa. Konejakso oli silloin kirjaimellinen käsite: käskyn lukeminen, tulkitseminen, tietojen haku, laskeminen ja kirjoittaminen — jokainen porras vei oman jaksonsa, ja kaikki kulkivat tiukasti vuorollaan.
Heti kun portaat oppivat työskentelemään yhtä aikaa eri käskyillä, tuttu mitta rikkoutui: käsky vei yhä viisi jaksoa mutta poistui liukuhihnalta joka jakso. Laskenta oli käännettävä ja puhuttava jaksoista käskyä kohti, mikä hyvässä koneessa laski alle yhden — toisin sanoen yhdessä jaksossa valmistuu enemmän kuin yksi käsky.
Kolmenkymmenenyhden portaan liukuhihnalla varustettu arkkitehtuuri rakennettiin taajuuden vuoksi ja törmäsi lämpöön: luvatut kymmenen gigahertsiä vaativat jäähdytyksen, joka oli pöytäkoneen kotelossa mahdoton. Hanke lopetettiin, ja ala kääntyi monen ytimen puoleen — ei siksi että se olisi parempi, vaan siksi ettei kulutuksen kuutiollinen kasvu jättänyt muuta tietä.
Nykyisellä ytimellä ei ole yhtä taajuutta: lepotilassa se laskee muutamaan sataan megahertsiin, kuorman alla nousee viiteen gigahertsiin ja pitää ne niin kauan kuin lämpövaraa riittää. Lehden luvusta tuli lupaus suotuisissa oloissa, ja koneiden vertaamisesta sen perusteella ovat luopuneet niin valmistajat kuin arvostelijatkin.
Yksikkö, jonka pituus muuttuu mittauksen kuluessa
Jakso on metrologille hankalasti järjestetty: sen pituutta ei aseta normaali vaan sirun johdotus, ja se muuttuu samassa suorittimessa satoja kertoja sekunnissa, koska tehonhallinta sovittaa taajuuden kuormaan ja lämpötilaan. Siksi jaksolaskuri ei kelpaa ajan mittaamiseen, vaikka se ulkoa näyttää kellolta, ja siihen luottava ohjelma erehtyy sen verran kuin taajuus on liikkunut.
Sen sijaan siihen tehtävään, jota varten jakso syntyi, se sopii paremmin kuin mikään aikayksikkö. Jaksoja laskemalla emme mittaa kestoa vaan laskentatyön määrää, ja siksi jaksojen määrä käskyä kohti pysyy vertailukelpoisena taajuuden kaikissa muutoksissa — se kertoo, miten hyvin koodi on asettunut sirulle, ei siitä montako sekuntia on kulunut.
Luettelo · mittayksiköt
Kortti jokaiselle suureelle
Seitsemän SI-perusyksikköä, kaksikymmentäkaksi johdettua omine nimineen ja järjestelmän ulkopuolisia suureita, joita ilman ei toimisi tekniikka eikä kalenteri.