Taktni ciklus procesora i mašinski ciklus
Jedinica izvan sistema · veličina: razmak usklađivanja i mera računskog rada
U jesen 2004. godine Intel je otkazao razvoj procesora koji je trebalo da radi na deset gigaherca, i to nije bio tehnički neuspeh nego priznanje fizičkog zida: čip teran dvostruko brže tražio je četvorostruku snagu i prosto se topio. Trka učestanosti, koja je trajala trideset godina, završila se u jednom danu, a s njom i navika da se mašina ceni po broju na kutiji.
Sam takt je razmak između dve ivice taktnog signala, upravo onaj korak kojim svi usklađeni delovi čipa prebacuju stanje odjednom. Njegova recipročna vrednost je učestanost, i zato takt na pet gigaherca traje dve desetine nanosekunde, za koje svetlost stigne šest santimetara, a signal po bakarnoj vezi još manje — manje nego što je čip širok.
01 · Definicija
Takt je perioda taktnog signala, to jest razmak između dve istoimene ivice pri kojima usklađeni elementi čipa zajedno menjaju stanje. Mašinski ciklus je ceo broj taktova za koji procesor izvrši završenu radnju; u mašini sa protočnom obradom zamenjuje ga obrnuta mera — broj taktova po naredbi, čija sopstvena recipročna vrednost kazuje koliko naredbi napusti protočnu obradu u jednom taktu.
Dužinu takta ne zadaje priroda nego razvođenje veza na čipu: ne sme biti kraća od najsporijeg puta između dva flip-flopa, uključujući kašnjenje samog flip-flopa i rezervu za rasipanje parametara. Otuda uobičajen zahvat projektanta — preseći dug logički put na dva stepena protočne obrade: takt se prepolovi, učestanost udvostruči, a naredba sada prolazi celo stepenište.
Učestanost, međutim, ne ograničava logika nego snaga: dinamička potrošnja raste sa učestanošću i sa kvadratom napona, a napon se mora podići da bi kolo stiglo na povećanoj učestanosti. Toplota zato ide otprilike kao kub učestanosti, i na toj kubnoj zavisnosti trka gigaherca je stala oko četiri.
Najzad, takt je jedinica čija dužina nije postojana. Upravljanje napajanjem menja učestanost stotinama puta u sekundi, prilagođavajući se opterećenju i temperaturi, i zato se po broju taktova ne može suditi o proteklom vremenu, ali se može suditi o obavljenom radu: brojač taktova ne broji sekunde nego korake računanja, i u tome je njegova prava vrednost.
Vodite učestanost klizačem i pratite dve krive koje se razilaze na suprotne strane. Zelena je rastojanje koje signal stigne u jednom taktu: što je učestanost viša, to je taj put kraći, a na pet gigaherca ispada manji od samog čipa. Grimizna je ono što u taktovima košta obraćanje memoriji: njeno kašnjenje u nanosekundama jedva da se menja, pa u taktovima samo raste.
Presekavši rad na stepene, projektant skraćuje takt, ali jedna jedina naredba sada prolazi celo to stepenište, i njeno sopstveno kašnjenje se ne smanjuje nego raste. Dobitak se javlja tek kada su stepeni ispunjeni različitim naredbama, a pri pogrešno predviđenom skoku protočnu obradu treba isprazniti celu — što je dublja, to skuplje ispada.
02 · Pretvaranje
Učestanost, perioda, rad
Unesite učestanost ili dužinu takta, i list će pokazati recipročnu vrednost, put signala u jednom taktu i cenu obraćanja memoriji u taktovima. Prva porodica je tačna po definiciji, druga se oslanja na prosečne vrednosti jezgra, treća na tipična kašnjenja današnje memorijske hijerarhije.
Brzina signala po vezi uzeta je kao šest desetina brzine svetlosti; u finijim podešavanjima lista može se promeniti na polovinu.
Po učestanosti se mogu porediti samo istovetna jezgra, jer se broj taktova po naredbi među arhitekturama razlikuje višestruko: jedna mašina uzme u taktu četiri naredbe, druga jedva jednu. Upravo zato je broj u gigahercima nestao iz reklama, a na njegovo mesto došli su skupovi testova koji više ne mere taktove nego obavljen rad.
| Vrednost | Napomena | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Redovi veličina
logaritamska skala: od takta do vremenskog prozora raspoređivača04 · Merni instrumenti
Čime se takt zadaje i čime se broji
Izvor takta je pločica kvarca koja obično titra na nekoliko desetina megaherca sa tačnošću od oko deset milionitih delova. Gigaherci na čipu ne dolaze od nje nego od umnožavanja te referentne učestanosti, tako da se postojanost cele mašine nasleđuje od komadića minerala veličine zrna pirinča.
Fazna petlja poredi podeljenu učestanost oscilatora sa referentnom i doteruje ga dok se faze ne poklope; menjanjem delitelja učestanost se menja u hodu. Upravo ona dopušta upravljanju napajanjem da takt u mirovanju spusti na nekoliko stotina megaherca i da ga digne u turbo na nekoliko sekundi, dokle ima toplotne rezerve.
Unutar jezgra sede registri koji broje taktove, završene naredbe, promašaje keša i pogrešno predviđene skokove, a čitati se mogu neposredno iz programa koji radi. Iz tih brojeva dobija se broj taktova po naredbi — jedina poštena mera toga koliko se dobro kod položio na određeni čip.
Da bi se video sam takt, potreban je uređaj koji hvata ivice sa razlaganjem od nekoliko pikosekundi, a isti pokazuje i ono zbog čega se učestanost ne može dizati dalje: treperenje faze, nejednak dolazak signala u različite uglove čipa i uleganje ivice na dugom vodu.
05 · Pravila pisanja
Taktovi i herci nisu isto
Učestanost se piše u hercima, sa velikim slovom predmetka kod mega i giga, dok se broj taktova piše kao ceo broj bez ikakve jedinice, jer takt nije jedinica SI. Pokazatelji učinka pišu se velikim slovima bez tačaka i uz navođenje na koje se jezgro odnose; mešati učestanost i učinak u jednu veličinu nije dopušteno.
Prvi zapis meša dve različite veličine: broj taktova je bezdimenzion, dok herc meri učestanost. Drugi krši veličinu slova predmetka, obaveznu kod mega i giga. Treći poredi po učestanosti arhitekture čiji se taktovi po naredbi razlikuju višestruko, a iz takvog poređenja ne sledi ništa. Četvrti uzima promenljivu veličinu za postojanu.
06 · Susedne jedinice
Pored stoje jedinice koje mere isti rad s drugih strana: herc kao učestanost samog signala, broj operacija u pokretnom zarezu u sekundi i broj naredbi koje otpadaju na jedan takt. Sve slede jedna iz druge čim se znaju učestanost i ponašanje protočne obrade.
učestanost, jedinica SI
bezdimenziona mera
mera računskog rada
Od listova Simetrijuma pored stoje herc, koji zadaje učestanost, sekunda i njegovi deoni predmeci, unix time, gde granicu takođe određuje mašinska reč, i bit s bajt, kojima se meri ono što takt nosi.
07 · Istorijski deo
Trideset godina trke i jedan dan otkazivanja
Prvi procesor na jednom jedinom čipu radio je na učestanosti koju današnji čip prođe za delić mikrosekunde, a jedna naredba mu je uzimala osam taktova. Mašinski ciklus je tada bio doslovan pojam: pročitati naredbu, razložiti je, uzeti podatke, izračunati i upisati — svaki stepen je uzimao svoj takt, i svi su išli strogo redom.
Čim su stepeni naučili da rade istovremeno na različitim naredbama, uobičajena mera se slomila: naredba je i dalje išla pet taktova, ali je iz protočne obrade izlazila svakog takta. Brojanje je trebalo obrnuti i govoriti o taktovima po naredbi, koji su kod dobre mašine pali ispod jedinice — to jest, u jednom taktu se završi više od jedne naredbe.
Arhitektura sa protočnom obradom od trideset jednog stepena bila je građena zarad učestanosti i naletela je na toplotu: obećanih deset gigaherca tražilo je hlađenje nezamislivo u stonom kućištu. Projekat je zatvoren, a struka se okrenula ka mnogim jezgrima — ne zato što je bolje, nego zato što kubni rast potrošnje nije ostavio drugog puta.
Današnje jezgro nema jednu učestanost: u mirovanju pada na nekoliko stotina megaherca, pod opterećenjem se penje ka pet gigaherca i drži ih dokle traje toplotna rezerva. Broj sa lista postao je obećanje pod povoljnim uslovima, a porediti mašine po njemu prestali su i proizvođači i ocenjivači.
Jedinica čija se dužina menja tokom merenja
Takt je za metrologa nezgodno uređen: njegovu dužinu ne zadaje etalon nego razvođenje veza na čipu, i ona se kod istog procesora menja stotinama puta u sekundi, jer upravljanje napajanjem prilagođava učestanost opterećenju i temperaturi. Zato brojač taktova ne valja za merenje vremena, mada spolja liči na sat, a program koji mu veruje pogreši onoliko koliko se učestanost pomerila.
Zato pak za zadatak zbog kojeg je takt i nastao, on odgovara bolje od bilo koje jedinice vremena. Brojeći taktove, ne merimo trajanje nego obim računskog rada, i zato broj taktova po naredbi ostaje uporediv pri svakoj promeni učestanosti — govori o tome koliko se dobro kod položio na čip, a ne o tome koliko je sekundi prošlo.
Katalog · merne jedinice
List za svaku veličinu
Sedam osnovnih jedinica SI, dvadeset dve izvedene sa sopstvenim imenom i veličine van sistema, bez kojih ne bi radila ni tehnika ni kalendar.