Siklus detak pengolah dan siklus mesin
Satuan di luar sistem · besaran: selang penyerentakan dan ukuran kerja hitung
Pada musim gugur 2004 Intel membatalkan pengembangan sebuah pengolah yang seharusnya berjalan pada sepuluh gigahertz, dan itu bukan kegagalan teknis melainkan pengakuan atas sebuah dinding fisika: keping yang dipacu dua kali lebih cepat menuntut daya empat kali lipat dan begitu saja meleleh. Perlombaan frekuensi yang berlangsung tiga puluh tahun berakhir dalam satu hari, dan bersamanya berakhir pula kebiasaan menilai mesin dari angka pada kotaknya.
Siklus itu sendiri adalah selang antara dua tepi isyarat detak, langkah yang dengannya semua bagian keping yang serentak berpindah keadaan sekaligus. Kebalikannya adalah frekuensi, maka satu siklus pada lima gigahertz berlangsung dua persepuluh nanodetik; dalam waktu itu cahaya menempuh enam sentimeter, sedangkan isyarat pada jalur tembaga bahkan kurang dari itu — kurang dari lebar keping itu sendiri.
01 · Definisi
Siklus adalah kala isyarat detak, yakni selang antara dua tepi searah yang padanya unsur-unsur serentak pada keping berganti keadaan bersama-sama. Siklus mesin adalah bilangan bulat siklus detak yang dipakai pengolah untuk menuntaskan satu tindakan; pada mesin berban berjalan tempatnya diambil ukuran terbalik — jumlah siklus tiap perintah, yang kebalikannya sendiri menyatakan berapa perintah keluar dari ban berjalan dalam satu siklus.
Panjang satu siklus tidak ditetapkan oleh alam melainkan oleh cara jalur digelar pada keping: ia tak boleh lebih pendek daripada jalan terlambat antara dua pengunci, termasuk tundaan pengunci itu sendiri dan cadangan bagi sebaran parameter. Dari sinilah muncul siasat lazim perancang — memotong jalan logika yang panjang menjadi dua tingkat ban berjalan: siklus menjadi separuh, frekuensi menjadi dua kali, dan perintah kini menaiki seluruh tangga.
Namun yang membatasi frekuensi bukanlah logika melainkan daya: pemakaian dinamis tumbuh seiring frekuensi dan seiring kuadrat tegangan, sedangkan tegangan harus dinaikkan agar rangkaian sempat mengikuti pada frekuensi yang lebih tinggi. Karena itu panas berjalan kira-kira seperti pangkat tiga frekuensi, dan pada ketergantungan pangkat tiga inilah perlombaan gigahertz berhenti di sekitar empat.
Akhirnya, siklus adalah satuan yang panjangnya tidak tetap. Pengaturan daya mengubah frekuensi ratusan kali tiap detik menyesuaikan beban dan suhu, sehingga dari jumlah siklus tak dapat disimpulkan waktu yang berlalu, tetapi dapat disimpulkan kerja yang terlaksana: pencacah siklus tidak menghitung detik melainkan langkah perhitungan, dan di situlah nilainya yang sebenarnya.
Bawalah frekuensi dengan penggeser dan perhatikan dua lengkung yang menjauh ke arah berlawanan. Yang hijau adalah jarak yang sempat ditempuh isyarat dalam satu siklus: makin tinggi frekuensi, makin pendek jarak itu, dan pada lima gigahertz ia ternyata lebih kecil daripada keping itu sendiri. Yang merah tua adalah berapa siklus yang dihabiskan satu perjalanan ke memori: tundaannya dalam nanodetik hampir tak berubah, sehingga dalam siklus ia hanya bertambah.
Dengan memotong kerja menjadi tingkat-tingkat, perancang memendekkan siklus, tetapi satu perintah kini menaiki seluruh tangga itu, dan tundaannya sendiri bukan berkurang melainkan bertambah. Keuntungan baru muncul ketika tingkat-tingkat terisi perintah yang berbeda-beda, sedangkan pada cabang yang salah diramal ban berjalan harus dikosongkan seluruhnya — makin dalam, makin mahal.
02 · Konversi
Frekuensi, kala, kerja
Masukkan sebuah frekuensi atau panjang siklus, maka kartu akan menunjukkan kebalikannya, jarak tempuh isyarat dalam satu siklus, dan harga akses memori dalam siklus. Keluarga pertama tepat menurut takrifnya, yang kedua bersandar pada nilai rata-rata satu inti, yang ketiga pada tundaan lazim jenjang memori masa kini.
Laju isyarat pada jalur diambil enam persepuluh laju cahaya; dalam setelan halus kartu ini ia dapat diubah menjadi setengah.
Menurut frekuensi hanya inti yang serupa dapat dibandingkan, sebab jumlah siklus tiap perintah berbeda beberapa kali lipat antararsitektur: mesin yang satu mengambil empat perintah dalam satu siklus, yang lain nyaris satu saja. Justru karena itu angka dalam gigahertz meninggalkan iklan, dan tempatnya diisi kumpulan uji yang tidak lagi mengukur siklus melainkan kerja yang terlaksana.
| Nilai | Catatan | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Orde besaran
skala logaritma: dari satu siklus sampai jendela waktu penjadwal04 · Alat ukur
Apa yang menetapkan siklus dan apa yang menghitungnya
Sumber siklus adalah kepingan kuarsa, yang biasanya bergetar pada beberapa puluh megahertz dengan ketepatan sekitar sepersepuluh juta. Gigahertz pada keping tidak datang darinya melainkan dari melipatgandakan frekuensi acuan itu, sehingga kemantapan seluruh mesin diwarisi dari sepotong mineral sebesar butir beras.
Gelang kunci fase membandingkan frekuensi osilator yang telah dibagi dengan frekuensi acuan dan menalanya sampai fasenya berimpit; dengan mengubah pembagi, frekuensi berubah sambil berjalan. Justru ia yang membolehkan pengaturan daya menurunkan siklus saat menganggur ke beberapa ratus megahertz dan mengangkatnya ke turbo selama beberapa detik, selama cadangan panas masih ada.
Di dalam inti duduk pencatat-pencatat yang menghitung siklus, perintah yang tuntas, luput memori singgahan dan cabang yang salah diramal, dan semuanya dapat dibaca langsung dari program yang sedang berjalan. Dari angka-angka itu diperoleh jumlah siklus tiap perintah — satu-satunya ukuran jujur tentang seberapa baik kode itu duduk pada keping tertentu.
Untuk melihat siklus itu sendiri diperlukan alat yang menangkap tepi dengan kejelian beberapa pikodetik, dan alat yang sama pula menunjukkan hal-hal yang membuat frekuensi tak dapat dinaikkan lagi: getar fase, kedatangan isyarat yang tak rata di berbagai sudut keping, dan melesaknya tepi pada saluran yang panjang.
05 · Aturan penulisan
Siklus dan hertz bukanlah hal yang sama
Frekuensi ditulis dalam hertz, awalannya dengan huruf besar pada mega dan giga, sedangkan jumlah siklus ditulis sebagai bilangan bulat tanpa satuan apa pun, karena siklus bukan satuan SI. Angka kinerja ditulis dengan huruf besar tanpa titik dan dengan menyebutkan inti mana yang dimaksud; mencampur frekuensi dan kinerja dalam satu besaran tidak dibolehkan.
Penulisan pertama mencampur dua besaran yang berbeda: jumlah siklus tanpa dimensi, sedangkan hertz mengukur frekuensi. Yang kedua melanggar huruf besar pada awalan, yang wajib pada mega dan giga. Yang ketiga membandingkan menurut frekuensi arsitektur yang siklus tiap perintahnya berbeda beberapa kali lipat, dan dari perbandingan semacam itu tidak lahir apa-apa. Yang keempat menganggap besaran yang berubah sebagai tetap.
06 · Satuan tetangga
Di sebelahnya berdiri satuan-satuan yang mengukur kerja yang sama dari sisi lain: hertz sebagai frekuensi isyarat itu sendiri, jumlah operasi titik mengambang tiap detik, dan jumlah perintah yang jatuh pada satu siklus. Semuanya menyusul satu dari yang lain begitu frekuensi dan perangai ban berjalan diketahui.
frekuensi, satuan SI
ukuran tanpa dimensi
ukuran kerja hitung
Di antara lembar-lembar Simetrium di sebelahnya berdiri hertz, yang memberi frekuensi, sekon dan awalan pecahannya, unix time, tempat batasnya juga ditetapkan oleh kata mesin, dan bit s bita, yang dipakai mengukur apa yang dibawa satu siklus.
07 · Bagian sejarah
Tiga puluh tahun perlombaan dan satu hari pembatalan
Pengolah pertama pada satu keping berjalan pada frekuensi yang dilewati keping masa kini dalam sepersekian mikrodetik, dan satu perintah menghabiskan delapan siklus baginya. Siklus mesin waktu itu adalah pengertian yang harfiah: membaca perintah, menguraikannya, mengambil data, menghitung dan menulis — setiap tingkat memakan siklusnya sendiri, dan semuanya berjalan berurutan dengan ketat.
Begitu tingkat-tingkat belajar bekerja serentak pada perintah yang berbeda, ukuran yang biasa pun patah: perintah tetap berjalan lima siklus, tetapi keluar dari ban berjalan pada setiap siklus. Hitungan harus dibalik dan orang berbicara tentang siklus tiap perintah, yang pada mesin yang baik turun di bawah satu — artinya dalam satu siklus lebih dari satu perintah selesai.
Sebuah arsitektur dengan ban berjalan tiga puluh satu tingkat dibangun demi frekuensi dan menabrak panas: sepuluh gigahertz yang dijanjikan menuntut pendinginan yang tak terbayangkan dalam kotak di atas meja. Rencana itu ditutup dan industri berpaling kepada banyak inti — bukan karena itu lebih baik, melainkan karena pertumbuhan pangkat tiga pemakaian daya tidak menyisakan jalan lain.
Inti masa kini tidak punya satu frekuensi: saat menganggur ia turun ke beberapa ratus megahertz, saat berbeban ia menanjak ke lima gigahertz dan menahannya selama cadangan panas mencukupi. Angka pada kartu menjadi janji dalam keadaan yang menguntungkan, dan membandingkan mesin dengannya telah ditinggalkan baik oleh pembuat maupun peninjau.
Satuan yang panjangnya berubah selagi diukur
Siklus tersusun tidak nyaman bagi ahli ukur: panjangnya ditetapkan bukan oleh acuan baku melainkan oleh cara jalur digelar pada keping, dan ia berubah pada pengolah yang sama ratusan kali tiap detik, karena pengaturan daya menyesuaikan frekuensi dengan beban dan suhu. Karena itu pencacah siklus tidak berguna untuk mengukur waktu, walau dari luar tampak seperti jam, dan program yang memercayainya akan meleset sebanyak frekuensi bergeser.
Sebaliknya, untuk tugas yang karenanya siklus itu lahir, ia lebih cocok daripada satuan waktu mana pun. Dengan menghitung siklus kita mengukur bukan lamanya waktu melainkan besarnya kerja hitung, dan karena itu jumlah siklus tiap perintah tetap dapat dibandingkan pada setiap perubahan frekuensi — ia berbicara tentang seberapa baik kode itu duduk pada keping, bukan tentang berapa detik telah berlalu.
Katalog · satuan ukuran
Satu lembar untuk tiap besaran
Tujuh satuan dasar SI, dua puluh dua satuan turunan bernama sendiri, dan besaran di luar sistem yang tanpanya teknik maupun penanggalan tidak akan berjalan.