A processzor órajelciklusa és a gépi ciklus
Rendszeren kívüli egység · mennyiség: az együtemezés köze és a számítási munka mértéke
2004 őszén az Intel lemondta egy olyan processzor fejlesztését, amelynek tíz gigahertzen kellett volna futnia, és ez nem műszaki kudarc volt, hanem egy fizikai fal beismerése: a kétszer gyorsabban hajtott lapka négyszeres teljesítményt kívánt, és egyszerűen megolvadt. A harminc évig tartó frekvenciaverseny egyetlen nap alatt véget ért, és vele az a szokás is, hogy a gépet a dobozon álló szám szerint ítéljék meg.
Maga a ciklus az órajel két éle közti köz, éppen az a lépés, amellyel a lapka minden együtemezett része egyszerre vált. Reciproka a frekvencia, és ezért egy ciklus öt gigahertzen két tized nanoszekundumig tart, amely alatt a fény hat centimétert ér el, a jel pedig rézvezetéken még annyit sem — kevesebbet, mint a lapka szélessége.
01 · Meghatározás
A ciklus az órajel periódusa, vagyis két azonos él közti köz, amelyeknél a lapka együtemezett elemei együtt váltanak állapotot. A gépi ciklus egész számú órajelciklus, amely alatt a processzor befejezett műveletet hajt végre; futószalagos gépben a fordított mérték váltja fel — az utasításonkénti ciklusszám, amelynek saját reciproka azt mondja meg, hány utasítás hagyja el a futószalagot egy ciklus alatt.
Egy ciklus hosszát nem a természet szabja meg, hanem a lapka huzalozása: nem lehet rövidebb a két tároló közti leglassúbb útnál, beleértve magának a tárolónak a késését és egy tartalékot a paraméterek szórására. Innen a tervező szokásos fogása — hosszú logikai utat két futószalag-fokozatra vágni: a ciklus felére rövidül, a frekvencia kétszereződik, az utasítás pedig most az egész lépcsőt végigjárja.
A frekvenciát azonban nem a logika korlátozza, hanem a teljesítmény: a dinamikus fogyasztás a frekvenciával és a feszültség négyzetével nő, a feszültséget pedig emelni kell, hogy az áramkör a megnövelt frekvencián győzze. A hő ezért nagyjából a frekvencia köbe szerint megy, és ezen a köbös függésen állt meg a gigahertzek versenye négy körül.
Végül a ciklus olyan egység, amelynek hossza nem állandó. Az energiagazdálkodás másodpercenként százszor változtatja a frekvenciát a terheléshez és a hőmérséklethez igazodva, és ezért a ciklusok számából nem lehet az eltelt időre következtetni, az elvégzett munkára viszont igen: a ciklusszámláló nem másodperceket számol, hanem a számítás lépéseit, és ebben rejlik igazi értéke.
Vezesse a frekvenciát a csúszkával, és figyeljen két görbét, amelyek ellentétes irányba tartanak. A zöld az a távolság, amelyet a jel egy ciklus alatt megtesz: minél magasabb a frekvencia, annál rövidebb ez az út, és öt gigahertzen kisebbnek bizonyul magánál a lapkánál. A bíbor az, amennyibe ciklusokban egy memóriafordulás kerül: késése nanoszekundumban alig változik, ciklusokban tehát csak nő.
Miután a munkát fokozatokra vágta, a tervező rövidíti a ciklust, de egyetlen utasítás most az egész lépcsőt végigjárja, és saját késése nem csökken, hanem nő. A nyereség csak akkor jelenik meg, ha a fokozatok különböző utasításokkal vannak tele, rosszul megjósolt ugrásnál pedig a futószalagot egészében ki kell üríteni — minél mélyebb, annál drágábban jön ki.
02 · Átszámítás
Frekvencia, periódus, munka
Adjon meg frekvenciát vagy ciklushosszt, és a lap megmutatja a reciprokot, a jel útját egy ciklus alatt és a memóriahozzáférések árát ciklusokban. Az első család meghatározás szerint pontos, a második egy mag átlagértékeire támaszkodik, a harmadik a mai memóriahierarchia jellemző késéseire.
A jel terjedési sebessége vezetéken a fénysebesség hat tizedének van véve; a lap finomabb beállításaiban a felére változtatható.
Frekvencia szerint csak egyforma magok hasonlíthatók össze, mert az utasításonkénti ciklusszám az architektúrák között többszörösen eltér: az egyik gép egy ciklus alatt négy utasítást vesz, a másik alig egyet. Éppen ezért tűnt el a gigahertzben megadott szám a reklámokból, és helyére próbasorozatok léptek, amelyek már nem ciklust mérnek, hanem elvégzett munkát.
| Érték | Megjegyzés | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Nagyságrendek
logaritmikus skála: a ciklustól az ütemező időablakáig04 · Mérőeszközök
Mi adja meg a ciklust és mi számolja
A ciklus forrása egy kvarclapocska, amely rendszerint néhány tíz megahertzen rezeg, mintegy tízmilliomod pontossággal. A lapkán a gigahertzek nem tőle származnak, hanem ennek a viszonyítási frekvenciának a sokszorozásából, úgyhogy az egész gép állandóságát egy rizsszem nagyságú ásványdarabtól örökli.
A fáziszárt hurok az oszcillátor osztott frekvenciáját összeveti a viszonyítási frekvenciával, és addig hangolja, amíg a fázisok egybe nem esnek; az osztó változtatásával a frekvencia menet közben változik. Éppen ez engedi meg az energiagazdálkodásnak, hogy a ciklust nyugalomban néhány száz megahertzre süllyessze, és turbóba emelje pár másodpercre, amíg hőtartalék van.
A magon belül regiszterek ülnek, amelyek ciklust, befejezett utasítást, gyorsítótár-melléfogást és rosszul megjósolt ugrást számolnak, és olvashatók egyenesen a futó programból. E számokból adódik az utasításonkénti ciklusszám — az egyetlen becsületes mérték arra, mennyire jól ült rá a kód egy adott lapkára.
Ahhoz, hogy magát a ciklust lássuk, olyan műszer kell, amely néhány pikoszekundum felbontással kapja el az éleket, és ugyanaz mutatja azokat a dolgokat is, amelyek miatt a frekvenciát nem lehet tovább emelni: a fázisremegést, a jel érkezésének ferdeségét a lapka különböző sarkaiba és az él megrogyását hosszú vezetéken.
05 · Írásszabályok
A ciklus és a hertz nem ugyanaz
A frekvenciát hertzben írjuk, az előtagot mega és giga esetén nagybetűvel, a ciklusok számát viszont egész számként, mindenféle egység nélkül, minthogy a ciklus nem SI-egység. A teljesítménymutatókat nagybetűvel, pont nélkül írjuk, megjelölve, melyik magra vonatkoznak; frekvenciát és teljesítményt egy mennyiségbe keverni nem szabad.
Az első írásmód két különböző mennyiséget kever: a ciklusok száma dimenziótlan, a hertz viszont frekvenciát mér. A második megsérti az előtag betűméretét, amely mega és giga esetén kötelező. A harmadik frekvencia szerint hasonlít össze olyan architektúrákat, amelyek utasításonkénti ciklusszáma többszörösen eltér, és ilyen összevetésből semmi sem következik. A negyedik változó mennyiséget vesz állandónak.
06 · Szomszédos egységek
Mellette azok az egységek állnak, amelyek ugyanazt a munkát más oldalról mérik: a hertz mint magának a jelnek a frekvenciája, a lebegőpontos műveletek száma másodpercenként és az egy ciklusra jutó utasítások száma. Mind egymásból következik, mihelyt ismert a frekvencia és a futószalag viselkedése.
frekvencia, SI-egység
dimenziótlan mérték
a számítási munka mértéke
A Simetrium adatlapjai közül mellette áll hertz, amely a frekvenciát megadja, másodperc és annak törtrészelőtagjai, unix time, ahol a határt szintén a gépi szó szabja meg, és a bit s a bájt, amelyekkel azt mérik, amit egy ciklus visz.
07 · Történeti rész
Harminc év verseny és egy nap lemondás
Az első, egyetlen lapkán megvalósult processzor olyan frekvencián futott, amelyet egy mai lapka a mikroszekundum töredéke alatt hagy maga mögött, és egy utasítás nyolc ciklusába került. A gépi ciklus akkor szó szerinti fogalom volt: az utasítás beolvasása, megfejtése, az adatok elővétele, a számolás és az írás — minden fokozat a maga ciklusát vette el, és mind szigorúan sorban ment.
Amint a fokozatok megtanultak egyszerre különböző utasításokon dolgozni, a megszokott mérték eltört: az utasítás továbbra is öt ciklust vett, de minden ciklusban elhagyta a futószalagot. A számlálást meg kellett fordítani, és utasításonkénti ciklusszámról beszélni, amely jó gépnél egy alá süllyedt — azaz egyetlen ciklus alatt több mint egy utasítás készül el.
A harmincegy fokozatú futószalaggal épült architektúra a frekvencia kedvéért készült, és a hőbe ütközött: a megígért tíz gigahertz olyan hűtést kívánt, amely asztali házban elképzelhetetlen volt. A tervet lezárták, és az iparág a sok mag felé fordult — nem azért, mert az jobb, hanem mert a fogyasztás köbös növekedése más utat nem hagyott.
A mai magnak nincs egyetlen frekvenciája: nyugalomban néhány száz megahertzre süllyed, terhelés alatt öt gigahertz felé emelkedik, és addig tartja, amíg a hőtartalék bírja. Az adatlapon álló szám kedvező feltételek melletti ígéretté vált, és eszerint gépeket összehasonlítani a gyártók és a bírálók egyaránt abbahagyták.
Egység, amelynek hossza a mérés közben változik
A ciklus a metrológus számára kényelmetlenül van berendezve: hosszát nem etalon szabja meg, hanem a lapka huzalozása, és ugyanannál a processzornál másodpercenként százszor változik, mivel az energiagazdálkodás a frekvenciát a terheléshez és a hőmérséklethez igazítja. Ezért a ciklusszámláló időmérésre nem alkalmas, bár kívülről órának látszik, és az a program, amely benne bízik, annyit téved, amennyit a frekvencia elmozdult.
Arra a feladatra viszont, amelyért a ciklus megszületett, jobban illik minden időegységnél. Ciklusokat számlálva nem időtartamot mérünk, hanem a számítási munka mennyiségét, és ezért az utasításonkénti ciklusszám a frekvencia bármely változásánál összehasonlítható marad — arról beszél, mennyire jól ült rá a kód a lapkára, nem arról, hány másodperc telt el.
Katalógus · mértékegységek
Minden mennyiségnek egy adatlap
Hét SI-alapegység, huszonkét saját nevű származtatott és a rendszeren kívüli mennyiségek, amelyek nélkül sem a technika, sem a naptár nem működne.