Kitaran denyut pemproses dan kitaran mesin
Unit di luar sistem · kuantiti: sela penyegerakan dan ukuran kerja pengiraan
Pada musim luruh 2004 Intel membatalkan pembangunan sebuah pemproses yang sepatutnya berjalan pada sepuluh gigahertz, dan itu bukan kegagalan teknikal melainkan pengakuan terhadap sebuah dinding fizik: cip yang dipacu dua kali lebih pantas menuntut kuasa empat kali ganda lalu lebur begitu sahaja. Perlumbaan frekuensi yang berlarutan tiga puluh tahun berakhir dalam satu hari, dan bersamanya berakhir juga kebiasaan menilai mesin daripada angka pada kotaknya.
Kitaran itu sendiri ialah sela antara dua pinggir isyarat denyut, langkah yang dengannya semua bahagian cip yang segerak bertukar keadaan serentak. Salingannya ialah frekuensi, maka satu kitaran pada lima gigahertz berlangsung dua persepuluh nanosaat; dalam masa itu cahaya melalui enam sentimeter, manakala isyarat pada lorong kuprum lebih kurang daripada itu — kurang daripada lebar cip itu sendiri.
01 · Definisi
Kitaran ialah kala isyarat denyut, iaitu sela antara dua pinggir searah yang padanya unsur-unsur segerak pada cip bertukar keadaan bersama. Kitaran mesin ialah bilangan bulat kitaran denyut yang digunakan pemproses untuk menyiapkan satu tindakan; pada mesin bertalian paip tempatnya diambil oleh ukuran songsang — bilangan kitaran bagi setiap arahan, dan salingannya pula memberitahu berapa arahan meninggalkan talian paip dalam satu kitaran.
Panjang satu kitaran bukan ditetapkan oleh alam melainkan oleh cara lorong dibentang pada cip: ia tidak boleh lebih pendek daripada laluan paling lambat antara dua selak, termasuk kelewatan selak itu sendiri dan sandaran bagi serakan parameter. Dari sinilah datang helah biasa pereka — memotong laluan logik yang panjang kepada dua peringkat talian paip: kitaran menjadi separuh, frekuensi menjadi dua kali ganda, dan arahan kini menaiki seluruh tangga.
Namun yang mengehadkan frekuensi bukanlah logik melainkan kuasa: penggunaan dinamik membesar seiring frekuensi dan seiring kuasa dua voltan, sedangkan voltan pula perlu dinaikkan supaya litar sempat mengejar pada frekuensi yang lebih tinggi. Oleh sebab itu haba berjalan lebih kurang seperti kuasa tiga frekuensi, dan pada pergantungan kuasa tiga inilah perlumbaan gigahertz terhenti sekitar empat.
Akhir sekali, kitaran ialah unit yang panjangnya tidak tetap. Pengurusan kuasa mengubah frekuensi ratusan kali setiap saat mengikut beban dan suhu, maka daripada bilangan kitaran tidak dapat dinilai masa yang berlalu, tetapi dapat dinilai kerja yang disiapkan: pembilang kitaran tidak membilang saat melainkan langkah pengiraan, dan di situlah nilainya yang sebenar.
Bawalah frekuensi dengan penggelongsor dan perhatikan dua lengkung yang menjauh ke arah bertentangan. Yang hijau ialah jarak yang sempat dilalui isyarat dalam satu kitaran: semakin tinggi frekuensi, semakin pendek jarak itu, dan pada lima gigahertz ia ternyata lebih kecil daripada cip itu sendiri. Yang merah tua ialah berapa kitaran yang dibayar bagi satu perjalanan ke ingatan: kelewatannya dalam nanosaat hampir tidak berubah, maka dalam kitaran ia hanya bertambah.
Dengan memotong kerja kepada peringkat, pereka memendekkan kitaran, tetapi satu arahan kini menaiki seluruh tangga itu, dan kelewatannya sendiri bukan berkurang melainkan bertambah. Keuntungan hanya muncul apabila peringkat-peringkat terisi arahan yang berlainan, manakala pada cabang yang tersalah ramal talian paip terpaksa dikosongkan sepenuhnya — semakin dalam, semakin mahal.
02 · Konversi
Frekuensi, kala, kerja
Masukkan sebuah frekuensi atau panjang kitaran, maka kad akan menunjukkan salingannya, jarak yang dilalui isyarat dalam satu kitaran, dan harga capaian ingatan dalam kitaran. Keluarga pertama tepat menurut takrifnya, yang kedua bersandar pada nilai purata satu teras, yang ketiga pada kelewatan lazim susun lapis ingatan masa kini.
Laju isyarat pada lorong diambil enam persepuluh laju cahaya; dalam tetapan halus kad ini ia boleh ditukar kepada separuh.
Mengikut frekuensi hanya teras yang serupa boleh dibandingkan, kerana bilangan kitaran bagi setiap arahan berbeza beberapa kali ganda antara seni bina: satu mesin mengambil empat arahan dalam satu kitaran, satu lagi hampir-hampir satu sahaja. Justeru itulah angka dalam gigahertz meninggalkan iklan, dan tempatnya diisi kumpulan ujian yang tidak lagi mengukur kitaran melainkan kerja yang disiapkan.
| Nilai | Catatan | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Orde besaran
skala logaritma: dari satu kitaran hingga tingkap masa penjadual04 · Alat ukur
Apa yang menetapkan kitaran dan apa yang mengiranya
Punca kitaran ialah kepingan kuarza, yang biasanya bergetar pada beberapa puluh megahertz dengan kejituan kira-kira sepersepuluh juta. Gigahertz pada cip bukan datang daripadanya melainkan daripada mendarabkan frekuensi rujukan itu, sehingga kemantapan seluruh mesin diwarisi daripada seketul galian sebesar butir beras.
Gelung kunci fasa membandingkan frekuensi pengayun yang telah dibahagi dengan frekuensi rujukan dan menalanya sehingga fasa bertindih; dengan menukar pembahagi, frekuensi berubah semasa berjalan. Justeru ia yang membenarkan pengurusan kuasa menurunkan kitaran ketika lapang ke beberapa ratus megahertz dan mengangkatnya ke turbo selama beberapa saat, selagi ada sandaran haba.
Di dalam teras duduk daftar-daftar yang membilang kitaran, arahan yang selesai, terlepas ingatan cache dan cabang yang tersalah ramal, dan semuanya boleh dibaca terus daripada atur cara yang sedang berjalan. Daripada angka-angka itu diperoleh bilangan kitaran bagi setiap arahan — satu-satunya ukuran jujur tentang sebaik mana kod itu duduk pada sesebuah cip.
Untuk melihat kitaran itu sendiri diperlukan alat yang menangkap pinggir dengan leraian beberapa pikosaat, dan alat yang sama juga menunjukkan perkara yang menyebabkan frekuensi tidak boleh dinaikkan lagi: getaran fasa, ketibaan isyarat yang tidak sama rata di sudut-sudut cip, dan pinggir yang melendut pada talian yang panjang.
05 · Aturan penulisan
Kitaran dan hertz bukan perkara yang sama
Frekuensi ditulis dalam hertz, awalannya dengan huruf besar pada mega dan giga, manakala bilangan kitaran ditulis sebagai nombor bulat tanpa sebarang unit, kerana kitaran bukan unit SI. Petunjuk prestasi ditulis dengan huruf besar tanpa noktah dan dengan menyatakan teras yang mana; mencampurkan frekuensi dengan prestasi dalam satu kuantiti tidak dibenarkan.
Tulisan pertama mencampurkan dua kuantiti yang berbeza: bilangan kitaran tanpa matra, manakala hertz mengukur frekuensi. Yang kedua melanggar huruf besar pada awalan, yang wajib pada mega dan giga. Yang ketiga membandingkan mengikut frekuensi seni bina yang kitaran bagi setiap arahannya berbeza beberapa kali ganda, dan daripada perbandingan sebegitu tiada apa-apa yang menyusul. Yang keempat menganggap kuantiti yang berubah sebagai tetap.
06 · Satuan tetangga
Di sebelahnya berdiri unit-unit yang mengukur kerja yang sama dari sudut lain: hertz sebagai frekuensi isyarat itu sendiri, bilangan operasi titik terapung setiap saat, dan bilangan arahan yang jatuh pada satu kitaran. Semuanya menyusul satu daripada yang lain sebaik sahaja frekuensi dan perangai talian paip diketahui.
frekuensi, unit SI
ukuran tanpa matra
ukuran kerja pengiraan
Di antara helaian-helaian Simetrium di sebelahnya terdapat hertz, yang memberi frekuensi, sekon serta awalan pecahannya, unix time, di mana hadnya juga ditetapkan oleh perkataan mesin, dan bit s bait, yang digunakan mengukur apa yang dibawa satu kitaran.
07 · Bagian sejarah
Tiga puluh tahun perlumbaan dan satu hari pembatalan
Pemproses pertama pada satu cip berjalan pada frekuensi yang dilalui cip masa kini dalam sepersekian mikrosaat, dan satu arahan menelan lapan kitaran baginya. Kitaran mesin pada waktu itu ialah pengertian yang harfiah: membaca arahan, menyahkodnya, mengambil data, mengira dan menulis — setiap peringkat mengambil kitarannya sendiri, dan semuanya berjalan mengikut giliran dengan ketat.
Sebaik sahaja peringkat-peringkat belajar bekerja serentak pada arahan yang berlainan, ukuran yang biasa pun patah: arahan masih berjalan lima kitaran, tetapi keluar dari talian paip pada setiap kitaran. Bilangan terpaksa dibalikkan dan orang bercakap tentang kitaran bagi setiap arahan, yang pada mesin yang baik jatuh di bawah satu — bermakna dalam satu kitaran lebih daripada satu arahan siap.
Sebuah seni bina dengan talian paip tiga puluh satu peringkat dibina demi frekuensi lalu terlanggar haba: sepuluh gigahertz yang dijanjikan menuntut penyejukan yang tidak terbayang dalam kotak di atas meja. Projek itu ditutup dan industri berpaling kepada banyak teras — bukan kerana itu lebih baik, tetapi kerana pertumbuhan kuasa tiga penggunaan tidak meninggalkan jalan lain.
Teras masa kini tidak mempunyai satu frekuensi: ketika lapang ia turun ke beberapa ratus megahertz, ketika berbeban ia mendaki ke lima gigahertz dan menahannya selagi sandaran haba mencukupi. Angka pada kad menjadi janji dalam keadaan yang memihak, dan membandingkan mesin dengannya telah ditinggalkan sama ada oleh pengeluar mahupun pengulas.
Unit yang panjangnya berubah semasa diukur
Kitaran tersusun secara tidak selesa bagi ahli metrologi: panjangnya ditetapkan bukan oleh piawai melainkan oleh cara lorong dibentang pada cip, dan ia berubah pada pemproses yang sama ratusan kali setiap saat, kerana pengurusan kuasa menyesuaikan frekuensi dengan beban dan suhu. Oleh itu pembilang kitaran tidak sesuai untuk mengukur masa, walaupun dari luar kelihatan seperti jam, dan atur cara yang mempercayainya akan tersasar sebanyak frekuensi telah beralih.
Sebaliknya, bagi tugas yang kerananya kitaran itu lahir, ia lebih sesuai daripada mana-mana unit masa. Dengan membilang kitaran kita mengukur bukan tempoh melainkan jumlah kerja pengiraan, dan oleh sebab itu bilangan kitaran bagi setiap arahan kekal boleh dibandingkan pada setiap perubahan frekuensi — ia bercakap tentang sebaik mana kod itu duduk pada cip, bukan tentang berapa saat telah berlalu.
Katalog · satuan ukuran
Satu lembar untuk tiap besaran
Tujuh unit asas SI, dua puluh dua unit terbitan bernama sendiri, dan kuantiti di luar sistem yang tanpanya teknik mahupun kalendar tidak akan berjalan.