İşlemcinin saat çevrimi ve makine çevrimi
Sistem dışı birim · büyüklük: eşzamanlama aralığı ve hesap işinin ölçüsü
2004 sonbaharında Intel, on gigahertzde çalışması gereken bir işlemcinin geliştirilmesini iptal etti; bu teknik bir başarısızlık değil, fiziksel bir duvarın kabulüydü: iki kat hızlı sürülen bir yonga dört kat güç istiyor ve düpedüz eriyordu. Otuz yıl süren sıklık yarışı tek bir günde bitti, onunla birlikte bir makineyi kutunun üstündeki sayıya bakarak yargılama alışkanlığı da.
Çevrimin kendisi, saat sinyalinin iki kenarı arasındaki aralıktır; yonganın bütün eşzamanlı parçalarının hep birlikte durum değiştirdiği o adım. Tersi sıklıktır, bu yüzden beş gigahertzde bir çevrim nanosaniyenin onda ikisi kadar sürer; bu süre içinde ışık altı santimetre yol alır, bakır bir yol üzerindeki sinyal ise daha da azını — yonganın genişliğinden azını.
01 · Tanım
Çevrim, saat sinyalinin dönemidir; yani yonganın eşzamanlı öğelerinin birlikte durum değiştirdiği aynı yönlü iki kenar arasındaki aralık. Makine çevrimi, işlemcinin tamamlanmış bir işlemi yaptığı tam sayıda saat çevrimidir; şeritli bir makinede yerini ters ölçü alır — komut başına çevrim sayısı, ki onun kendi tersi bir çevrimde şeritten kaç komutun çıktığını söyler.
Bir çevrimin uzunluğunu doğa değil, yonga üzerindeki yolların döşenişi belirler: iki saklayıcı arasındaki en yavaş yoldan kısa olamaz; buna saklayıcının kendi gecikmesi ve değişkenlerin saçılması için bir pay da dahildir. Tasarımcının alışılmış hamlesi buradan gelir — uzun bir mantık yolunu iki şerit basamağına kesmek: çevrim yarıya iner, sıklık ikiye katlanır, komut ise artık bütün merdiveni çıkar.
Ne var ki sıklığı sınırlayan mantık değil, güçtür: devingen tüketim sıklıkla ve gerilimin karesiyle büyür, gerilimi de devrenin artan sıklığa yetişmesi için yükseltmek gerekir. Isı bu yüzden aşağı yukarı sıklığın küpü gibi gider, ve bu küpsel bağımlılıkta gigahertz yarışı dört dolayında durdu.
Son olarak çevrim, uzunluğu sabit olmayan bir birimdir. Güç yönetimi sıklığı yüke ve sıcaklığa göre saniyede yüzlerce kez değiştirir, bu yüzden çevrim sayısından geçen zamana hükmedilemez; yapılan işe ise hükmedilebilir: çevrim sayacı saniye değil, hesabın adımlarını sayar, gerçek değeri de buradadır.
Sıklığı sürgüyle sürün ve ters yönlere ayrılan iki eğriyi izleyin. Yeşil olan, sinyalin bir çevrimde alabildiği yoldur: sıklık ne kadar yüksekse bu yol o kadar kısadır, beş gigahertzde ise yonganın kendisinden küçük çıkar. Koyu kırmızı olan, belleğe bir başvurunun çevrim cinsinden bedelidir: gecikmesi nanosaniye olarak nerdeyse değişmez, dolayısıyla çevrim cinsinden yalnızca büyür.
İşi basamaklara keserek tasarımcı çevrimi kısaltır, ama tek bir komut artık o merdivenin tamamını çıkar ve kendi gecikmesi azalmaz, artar. Kazanç ancak basamaklar farklı komutlarla dolduğunda ortaya çıkar; yanlış öngörülen bir dalda ise şeridi baştan sona boşaltmak gerekir — ne kadar derinse o kadar pahalıya gelir.
02 · Dönüşüm
Sıklık, dönem, iş
Bir sıklık ya da çevrim uzunluğu girin; künye tersini, sinyalin bir çevrimdeki yolunu ve bellek başvurularının çevrim cinsinden bedelini gösterecek. İlk aile tanım gereği kesindir, ikincisi bir çekirdeğin ortalama değerlerine dayanır, üçüncüsü bugünkü bellek basamaklanmasının olağan gecikmelerine.
Sinyalin bir yol üzerindeki hızı ışık hızının onda altısı olarak alınmıştır; künyenin ince ayarlarında yarıya çevrilebilir.
Sıklığa bakarak yalnızca aynı çekirdekler karşılaştırılabilir, çünkü komut başına çevrim sayısı mimariler arasında kat kat değişir: bir makine bir çevrimde dört komut alır, öteki güçbela birini. Gigahertz sayısının reklamlardan çekilmesi tam da bundandır; yerine artık çevrim değil, yapılan işi ölçen sınama takımları geldi.
| Değer | Açıklama | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Büyüklük mertebeleri
logaritmik ölçek: çevrimden çizelgeleyicinin zaman penceresine04 · Ölçüm aletleri
Çevrimi ne belirler, onu ne sayar
Çevrimin kaynağı bir kuvars levhacıktır; genellikle birkaç on megahertzde, yaklaşık on milyonda bir doğrulukla titrer. Yongadaki gigahertzler ondan değil, bu dayanak sıklığın katlanmasından gelir; böylece bütün makinenin kararlılığı bir pirinç tanesi büyüklüğündeki madensel parçadan miras kalır.
Evre kilitli döngü, salıngacın bölünmüş sıklığını dayanak sıklıkla karşılaştırır ve evreler çakışana dek onu ayarlar; böleni değiştirmekle sıklık çalışırken değişir. Güç yönetiminin çevrimi boştayken birkaç yüz megahertze indirmesine ve ısı payı kaldıkça birkaç saniyeliğine turboya kaldırmasına imkân veren tam da odur.
Çekirdeğin içinde çevrimleri, tamamlanmış komutları, ön bellek ıskalamalarını ve yanlış öngörülen dalları sayan yazmaçlar oturur; bunlar çalışan programdan doğrudan okunabilir. Bu sayılardan komut başına çevrim sayısı elde edilir — kodun belirli bir yongaya ne kadar iyi oturduğunun tek dürüst ölçüsü.
Çevrimin kendisini görmek için kenarları birkaç pikosaniye çözünürlükle yakalayan bir aygıt gerekir; aynı aygıt sıklığın daha yukarı çıkamamasının nedenlerini de gösterir: evre titremesi, sinyalin yonganın değişik köşelerine eğri varışı ve uzun bir hatta kenarın çökmesi.
05 · Yazım kuralları
Çevrimlerle hertzler aynı şey değildir
Sıklık hertz cinsinden yazılır, mega ve gigada önek büyük harfle; çevrim sayısı ise hiçbir birim olmadan tam sayı olarak yazılır, çünkü çevrim bir SI birimi değildir. Başarım göstergeleri büyük harfle, noktasız ve hangi çekirdeğe ait olduğu belirtilerek yazılır; sıklıkla başarımı tek bir büyüklükte karıştırmak yasaktır.
Birinci yazım iki ayrı büyüklüğü karıştırır: çevrim sayısı boyutsuzdur, hertz ise sıklık ölçer. İkincisi, mega ve gigada zorunlu olan önek harfinin büyüklüğünü çiğner. Üçüncüsü, komut başına çevrimleri kat kat farklı mimarileri sıklığa göre karşılaştırır, böyle bir karşılaştırmadan da hiçbir şey çıkmaz. Dördüncüsü ise değişken bir büyüklüğü sabit sayar.
06 · Komşu birimler
Yanında aynı işi başka yanlardan ölçen birimler durur: sinyalin kendi sıklığı olarak hertz, saniyedeki kayan noktalı işlem sayısı ve bir çevrime düşen komut sayısı. Sıklık ile şeridin davranışı bilinir bilinmez hepsi birbirinden çıkar.
sıklık, SI birimi
boyutsuz ölçü
hesap işinin ölçüsü
Simetrium’un künyelerinden yanında duranlar hertz, sıklığı veren, saniye ve onun askatlı önekleri, unix time, sınırı yine makine sözcüğünün belirlediği, ve bit s bayt, bir çevrimin taşıdığı şeyin ölçüldüğü.
07 · Tarihsel bölüm
Otuz yıllık yarış ve bir günlük iptal
Tek yongalı ilk işlemci, bugünkü bir yonganın mikrosaniyenin küçük bir kesrinde geçtiği bir sıklıkta çalışıyordu ve bir komut ona sekiz çevrime mal oluyordu. Makine çevrimi o zaman gerçek anlamda bir kavramdı: komutu okumak, çözmek, verileri getirmek, hesaplamak ve yazmak — her basamak kendi çevrimini alıyor, hepsi sıkı sıkıya sırayla gidiyordu.
Basamaklar farklı komutlar üzerinde aynı anda çalışmayı öğrenir öğrenmez alışılmış ölçü kırıldı: komut yine beş çevrim sürüyor, ama şeritten her çevrimde bir tane çıkıyordu. Sayımı ters çevirip komut başına çevrimden söz etmek gerekti; iyi bir makinede bu, birin altına indi — yani tek bir çevrimde birden fazla komut tamamlanır.
Otuz bir basamaklı şeride sahip bir mimari sıklık uğruna kuruldu ve ısıya tosladı: söz verilen on gigahertz, masaüstü bir kasada düşünülemez bir soğutma istiyordu. Tasarı kapatıldı, sektör çok çekirdeğe döndü — daha iyi olduğu için değil, tüketimdeki küpsel büyüme başka yol bırakmadığı için.
Bugünkü bir çekirdeğin tek bir sıklığı yoktur: boştayken birkaç yüz megahertze iner, yük altında beş gigahertze tırmanır ve ısı payı sürdükçe onu tutar. Künyedeki sayı, elverişli koşullardaki bir söz oldu; makineleri ona bakarak karşılaştırmayı hem üreticiler hem eleştirmenler bıraktı.
Uzunluğu ölçüm sırasında değişen bir birim
Çevrim, ölçüm bilimci için elverişsiz düzenlenmiştir: uzunluğunu bir ölçüt değil, yonga üzerindeki yolların döşenişi belirler ve aynı işlemcide saniyede yüzlerce kez değişir, çünkü güç yönetimi sıklığı yüke ve sıcaklığa uydurur. Bu yüzden çevrim sayacı zaman ölçmeye yaramaz, dışarıdan saate benzese de; ona güvenen bir program, sıklık ne kadar kaydıysa o kadar yanılır.
Buna karşılık çevrimin uğruna doğduğu iş için, her zaman biriminden daha uygundur. Çevrim sayarken süre değil, hesap işinin hacmini ölçeriz; bu yüzden komut başına çevrim sayısı sıklığın her değişiminde karşılaştırılabilir kalır — kodun yongaya ne kadar iyi oturduğunu söyler, kaç saniye geçtiğini değil.
Katalog · ölçü birimleri
Her büyüklük için bir künye
Yedi SI temel birimi, kendi adı olan yirmi iki türetilmiş birim ve sistem dışı büyüklükler; bunlar olmadan ne teknik ne de takvim yürür.