Processorns klockcykel och maskincykeln
Enhet utanför systemet · storhet: ett intervall för samgång och ett mått på räknearbete
Hösten 2004 ställde Intel in utvecklingen av en processor som skulle gå på tio gigahertz, och det var inget tekniskt misslyckande utan ett erkännande av en fysisk vägg: ett chip som drevs dubbelt så fort krävde fyra gånger effekten och smälte helt enkelt. Frekvenskapplöpningen, som pågått i trettio år, tog slut på en enda dag, och med den vanan att döma en maskin efter siffran på lådan.
Cykeln själv är intervallet mellan två flanker av klocksignalen, just det steg med vilket alla synkrona delar av chippet slår om på en gång. Dess invers är frekvensen, och därför varar en cykel vid fem gigahertz två tiondelar av en nanosekund, under vilka ljuset hinner sex centimeter och en signal längs en kopparledare ännu mindre — mindre än chippet är brett.
01 · Definition
Cykeln är klocksignalens period, alltså intervallet mellan två likadana flanker där chippets synkrona element byter tillstånd tillsammans. Maskincykeln är ett helt antal klockcykler under vilket processorn utför en avslutad handling; i en pipelinemaskin ersätts den av det omvända måttet — antalet cykler per instruktion, vars egen invers säger hur många instruktioner som lämnar pipelinen på en cykel.
Längden på en cykel sätts inte av naturen utan av chippets ledningsdragning: den får inte vara kortare än den långsammaste vägen mellan två vippor, inklusive vippans egen fördröjning och en marginal för spridningen i parametrar. Därav konstruktörens vanliga grepp — att skära en lång logikväg i två pipelinesteg: cykeln blir hälften så lång, frekvensen dubbelt så hög, och instruktionen går nu hela trappan.
Vad som begränsar frekvensen är dock inte logiken utan effekten: den dynamiska förbrukningen växer med frekvensen och med kvadraten på spänningen, och spänningen måste höjas för att kretsen ska hinna med vid den högre frekvensen. Värmen går därför ungefär som frekvensen i kubik, och på detta kubiska beroende stannade gigahertzkapplöpningen vid omkring fyra.
Slutligen är cykeln en enhet vars längd inte är beständig. Strömstyrningen ändrar frekvensen hundratals gånger i sekunden, anpassad efter last och temperatur, och därför går det inte att av antalet cykler döma om förfluten tid — men väl om utfört arbete: cykelräknaren räknar inte sekunder utan steg av beräkning, och däri ligger dess verkliga värde.
För frekvensen med reglaget och följ två kurvor som går isär åt var sitt håll. Den gröna är den sträcka en signal hinner på en cykel: ju högre frekvens, desto kortare den vägen, och vid fem gigahertz visar den sig mindre än chippet självt. Den karmosinröda är vad ett anrop till minnet kostar i cykler: dess fördröjning i nanosekunder ändras knappast, och i cykler växer den därför bara.
Genom att skära arbetet i steg förkortar konstruktören cykeln, men en enda instruktion går nu hela den trappan, och dess egen fördröjning minskar inte utan växer. Vinsten uppstår först när stegen är fyllda med olika instruktioner, och vid ett felgissat hopp måste pipelinen tömmas helt — ju djupare den är, desto dyrare.
02 · Omräkning
Frekvens, period, arbete
Ange en frekvens eller en cykellängd, och bladet visar inversen, signalens väg på en cykel och kostnaden för minnesåtkomster i cykler. Den första familjen är exakt per definition, den andra vilar på medelvärden för en kärna, den tredje på de typiska fördröjningarna i dagens minneshierarki.
Signalens hastighet längs en ledare är satt till sex tiondelar av ljusets hastighet; i bladets finare inställningar kan den ändras till hälften.
Efter frekvens kan endast lika kärnor jämföras, ty antalet cykler per instruktion skiljer sig flerfaldigt mellan arkitekturer: den ena maskinen tar fyra instruktioner på en cykel, den andra knappt en. Just därför försvann gigahertzsiffran ur reklamen, och i dess ställe kom provsviter som inte längre mäter cykler utan utfört arbete.
| Värde | Anmärkning | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Storleksordningar
logaritmisk skala: från cykeln till schemaläggarens tidsfönster04 · Mätinstrument
Vad som sätter cykeln och vad som räknar den
Cykelns källa är en kvartsplatta, som vanligen svänger vid några tiotal megahertz med en noggrannhet på omkring tio miljondelar. Gigahertzen på chippet kommer inte från den utan från mångfaldigandet av denna referensfrekvens, så att hela maskinens stabilitet ärvs från en bit mineral stor som ett riskorn.
Den faslåsta slingan jämför oscillatorns delade frekvens med referensen och justerar den tills faserna sammanfaller; genom att ändra delaren ändras frekvensen i gång. Just den låter strömstyrningen sänka cykeln till några hundra megahertz i vila och lyfta den i turbo några sekunder, så länge värmemarginal finns.
Inne i kärnan sitter register som räknar cykler, avslutade instruktioner, cachemissar och felgissade hopp, och de går att läsa direkt ur det körande programmet. Ur dessa tal fås antalet cykler per instruktion — det enda ärliga måttet på hur väl koden lagt sig på ett visst chip.
För att se cykeln själv krävs ett instrument som fångar flanker med en upplösning på några pikosekunder, och detsamma visar de saker för vilkas skull frekvensen inte kan höjas vidare: fasdarr, snedhet i signalens ankomst till chippets olika hörn och flankens sjunkande på en lång ledning.
05 · Skrivregler
Cykler och hertz är inte samma sak
Frekvensen skrivs i hertz, med versalt prefix för mega och giga, medan ett antal cykler skrivs som ett helt tal utan någon enhet, eftersom cykeln inte är en SI-enhet. Prestandatal skrivs med versaler utan punkter och med angivelse av vilken kärna de avser; att blanda frekvens och prestanda i en storhet är inte tillåtet.
Den första skrivningen blandar två skilda storheter: ett antal cykler är dimensionslöst, medan hertz mäter frekvens. Den andra bryter mot prefixets versalform, obligatorisk vid mega och giga. Den tredje jämför efter frekvens arkitekturer vilkas cykler per instruktion skiljer sig flerfaldigt, och av en sådan jämförelse följer intet. Den fjärde tar en föränderlig storhet för en fast.
06 · Grannenheter
Bredvid står de enheter som mäter samma arbete från andra håll: hertz som signalens egen frekvens, antalet flyttalsoperationer per sekund och antalet instruktioner som faller på en cykel. Alla följer ur varandra så snart frekvensen och pipelinens beteende är kända.
frekvens, SI-enhet
ett dimensionslöst mått
ett mått på räknearbete
Bland Simetriums datablad står bredvid hertz, som anger frekvensen, sekund och dess delprefix, unix time, där gränsen likaså sätts av maskinordet, och biten s byten, med vilka man mäter det en cykel bär.
07 · Historisk del
Trettio års kapplöpning och en dags avblåsning
Den första processorn på ett enda chip gick på en frekvens som ett chip av i dag passerar på en bråkdel av en mikrosekund, och en instruktion tog den åtta cykler. Maskincykeln var då ett bokstavligt begrepp: läsa instruktionen, tyda den, hämta data, räkna och skriva — varje steg tog sin cykel, och alla gick strikt i tur och ordning.
Så snart stegen lärt sig arbeta samtidigt på olika instruktioner brast det vana måttet: en instruktion tog alltjämt fem cykler men lämnade pipelinen varje cykel. Räkningen fick vändas och man talade om cykler per instruktion, vilket hos en god maskin sjönk under ett — det vill säga, på en enda cykel blir mer än en instruktion färdig.
En arkitektur med en pipeline på trettioen steg byggdes för frekvensens skull och gick emot värmen: de utlovade tio gigahertzen krävde en kylning som var otänkbar i ett skrivbordschassi. Projektet lades ned och branschen vände sig mot många kärnor — inte för att det är bättre, utan för att den kubiska tillväxten i förbrukning inte lämnade någon annan väg.
En kärna av i dag har ingen enda frekvens: i vila sjunker den till några hundra megahertz, under last stiger den mot fem gigahertz och håller dem så länge värmemarginalen räcker. Siffran på bladet blev ett löfte under gynnsamma villkor, och att jämföra maskiner efter den har både tillverkare och recensenter slutat med.
En enhet vars längd ändras under mätningens gång
Cykeln är obekvämt inrättad för metrologen: dess längd sätts inte av en normal utan av chippets ledningsdragning, och den ändras hos en och samma processor hundratals gånger i sekunden, då strömstyrningen anpassar frekvensen efter last och temperatur. Därför duger cykelräknaren inte till att mäta tid, fastän den utanpå ser ut som ett ur, och ett program som litar på den missar med så mycket som frekvensen har rört sig.
För den uppgift däremot som cykeln uppstod för passar den bättre än någon tidsenhet. Genom att räkna cykler mäter vi inte varaktighet utan omfattningen av räknearbete, och därför förblir antalet cykler per instruktion jämförbart vid varje ändring av frekvensen — det talar om hur väl koden lagt sig på chippet, inte om hur många sekunder som gått.
Katalog · måttenheter
Ett datablad för varje storhet
Sju SI-basenheter, tjugotvå härledda med egna namn och storheter utanför systemet som varken tekniken eller kalendern klarar sig utan.