Chu kỳ đồng hồ của bộ xử lý và chu kỳ máy
Đơn vị ngoài hệ · đại lượng: khoảng đồng bộ và thước đo công việc tính toán
Mùa thu năm 2004 Intel hủy bỏ việc phát triển một bộ xử lý lẽ ra phải chạy ở mười gigahertz, và đó không phải là một thất bại kỹ thuật mà là sự thừa nhận một bức tường vật lý: con chip bị thúc nhanh gấp đôi đòi công suất gấp bốn và đơn giản là chảy ra. Cuộc đua tần số kéo dài ba mươi năm chấm dứt chỉ trong một ngày, và cùng với nó là thói quen đánh giá cỗ máy theo con số ghi trên hộp.
Bản thân chu kỳ là khoảng giữa hai sườn của tín hiệu đồng hồ, chính cái bước mà tất cả các phần đồng bộ của con chip cùng lật một lượt. Nghịch đảo của nó là tần số, nên một chu kỳ ở năm gigahertz kéo dài hai phần mười nano giây; trong khoảng ấy ánh sáng đi được sáu xentimét, còn tín hiệu trên đường mạch đồng thì còn ít hơn — ít hơn bề rộng của con chip.
01 · Định nghĩa
Chu kỳ là chu kỳ của tín hiệu đồng hồ, tức khoảng giữa hai sườn cùng chiều mà tại đó các phần tử đồng bộ của con chip cùng đổi trạng thái. Chu kỳ máy là một số nguyên chu kỳ đồng hồ trong đó bộ xử lý làm xong một hành động trọn vẹn; ở máy có dây chuyền, nó được thay bằng thước đo ngược lại — số chu kỳ trên mỗi lệnh, mà nghịch đảo của chính nó lại cho biết trong một chu kỳ có bao nhiêu lệnh rời khỏi dây chuyền.
Độ dài một chu kỳ không do tự nhiên đặt ra mà do cách đi đường mạch trên con chip: nó không được ngắn hơn con đường chậm nhất giữa hai mạch lật, kể cả độ trễ của chính mạch lật và phần dự phòng cho sự tản mát của tham số. Từ đó mới có nước cờ quen thuộc của người thiết kế — cắt một đường logic dài thành hai bậc dây chuyền: chu kỳ ngắn đi một nửa, tần số tăng gấp đôi, còn lệnh thì nay phải leo hết cả cầu thang.
Thế nhưng cái giới hạn tần số không phải logic mà là công suất: mức tiêu thụ động tăng theo tần số và theo bình phương điện áp, mà điện áp lại phải nâng lên để mạch kịp ở tần số cao hơn. Vì thế nhiệt đi gần như lũy thừa ba của tần số, và chính trên sự phụ thuộc lũy thừa ba ấy cuộc đua gigahertz đã dừng lại quanh mức bốn.
Cuối cùng, chu kỳ là một đơn vị mà độ dài không cố định. Việc quản lý điện năng thay đổi tần số hàng trăm lần mỗi giây theo tải và nhiệt độ, nên từ số chu kỳ không thể suy ra thời gian đã trôi, nhưng lại suy ra được công việc đã làm: bộ đếm chu kỳ không đếm giây mà đếm các bước tính toán, và giá trị thật của nó nằm ở đấy.
Hãy dắt tần số bằng con trượt và theo dõi hai đường cong tách ra hai phía ngược nhau. Đường xanh là quãng đường tín hiệu kịp đi trong một chu kỳ: tần số càng cao thì quãng ấy càng ngắn, và ở năm gigahertz nó hóa ra nhỏ hơn chính con chip. Đường đỏ thẫm là cái giá của một chuyến tới bộ nhớ tính bằng chu kỳ: độ trễ của nó tính bằng nano giây hầu như không đổi, nên tính bằng chu kỳ thì chỉ có tăng.
Cắt công việc thành các bậc, người thiết kế rút ngắn chu kỳ, nhưng một lệnh đơn lẻ nay phải leo hết cả cầu thang ấy, và độ trễ của riêng nó không giảm mà tăng. Cái lợi chỉ hiện ra khi các bậc đầy những lệnh khác nhau, còn khi đoán sai một rẽ nhánh thì phải dọn sạch cả dây chuyền — càng sâu thì càng đắt.
02 · Quy đổi
Tần số, chu kỳ, công việc
Hãy nhập một tần số hoặc một độ dài chu kỳ, phiếu sẽ cho ra nghịch đảo, quãng đường tín hiệu đi trong một chu kỳ và cái giá của những lần truy cập bộ nhớ tính bằng chu kỳ. Họ thứ nhất chính xác theo định nghĩa, họ thứ hai dựa trên giá trị trung bình của một nhân, họ thứ ba dựa trên độ trễ thường gặp của thứ bậc bộ nhớ ngày nay.
Tốc độ tín hiệu trên đường mạch được lấy bằng sáu phần mười tốc độ ánh sáng; trong phần cài đặt chi tiết của phiếu có thể đổi thành một nửa.
Theo tần số chỉ có thể so sánh những nhân giống nhau, bởi số chu kỳ trên mỗi lệnh khác nhau vài lần giữa các kiến trúc: máy này lấy bốn lệnh trong một chu kỳ, máy kia chật vật mới được một. Chính vì thế con số tính bằng gigahertz đã rời khỏi quảng cáo, và thay vào chỗ nó là những bộ phép thử không còn đo chu kỳ nữa mà đo công việc đã làm.
| Giá trị | Ghi chú | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · Bậc độ lớn
thang lôgarit: từ một chu kỳ đến ô thời gian của bộ điều phối04 · Dụng cụ đo
Cái gì đặt ra chu kỳ và cái gì đếm nó
Nguồn của chu kỳ là một lá thạch anh, thường dao động ở vài chục megahertz với độ chính xác chừng một phần mười triệu. Những gigahertz trên con chip không đến từ nó mà từ việc nhân bội tần số chuẩn ấy, thành thử sự vững vàng của cả cỗ máy được thừa hưởng từ một mẩu khoáng vật to bằng hạt gạo.
Vòng khóa pha so tần số đã chia của bộ dao động với tần số chuẩn và chỉnh nó cho tới khi các pha trùng nhau; đổi số chia thì tần số đổi ngay trong lúc chạy. Chính nó cho phép việc quản lý điện năng hạ chu kỳ lúc nhàn rỗi xuống vài trăm megahertz và nâng lên turbo trong vài giây, chừng nào còn dự phòng nhiệt.
Bên trong nhân có những thanh ghi đếm chu kỳ, lệnh đã hoàn tất, những lần trượt bộ nhớ đệm và những rẽ nhánh đoán sai, và có thể đọc chúng thẳng từ chương trình đang chạy. Từ những con số ấy rút ra số chu kỳ trên mỗi lệnh — thước đo trung thực duy nhất cho biết mã đã nằm khớp trên một con chip nhất định đến đâu.
Muốn thấy chính chu kỳ thì cần một thiết bị bắt được các sườn với độ phân giải vài pico giây, và cũng chính nó cho thấy những thứ khiến tần số không thể nâng cao hơn nữa: sự run pha, sự tới lệch của tín hiệu ở các góc khác nhau của con chip và sự sụp của sườn trên đường dây dài.
05 · Quy tắc viết
Chu kỳ và hertz không phải một
Tần số viết bằng hertz, tiền tố viết hoa ở mega và giga, còn số chu kỳ thì viết là số nguyên không kèm bất cứ đơn vị nào, bởi chu kỳ không phải đơn vị SI. Các chỉ số hiệu năng viết hoa, không dấu chấm và có ghi rõ thuộc nhân nào; trộn tần số với hiệu năng vào cùng một đại lượng là không được phép.
Cách viết thứ nhất trộn hai đại lượng khác nhau: số chu kỳ không thứ nguyên, còn hertz thì đo tần số. Cách thứ hai vi phạm chữ hoa của tiền tố, vốn bắt buộc ở mega và giga. Cách thứ ba lấy tần số ra so những kiến trúc có số chu kỳ trên lệnh khác nhau vài lần, mà từ một phép so như thế thì chẳng rút ra được gì. Cách thứ tư coi một đại lượng thay đổi như một hằng số.
06 · Các đơn vị lân cận
Bên cạnh là những đơn vị đo cùng công việc ấy từ những phía khác: hertz với tư cách tần số của chính tín hiệu, số phép tính dấu phẩy động mỗi giây và số lệnh rơi vào một chu kỳ. Tất cả đều suy ra được từ nhau, chỉ cần biết tần số và cách cư xử của dây chuyền.
tần số, đơn vị SI
thước đo không thứ nguyên
thước đo công việc tính toán
Trong các phiếu của Simetrium bên cạnh là héc, cái cho ra tần số, giây và các tiền tố ước của nó, unix time, nơi giới hạn cũng do từ máy định ra, và bit s byte, dùng để đo cái mà một chu kỳ chở đi.
07 · Phần lịch sử
Ba mươi năm đua và một ngày hủy bỏ
Bộ xử lý đầu tiên trên một con chip chạy ở tần số mà con chip ngày nay vượt qua trong một phần nhỏ của micro giây, và mỗi lệnh tốn của nó tám chu kỳ. Chu kỳ máy khi ấy là một khái niệm theo nghĩa đen: đọc lệnh, giải mã, lấy dữ liệu, tính và ghi — mỗi bậc chiếm chu kỳ của mình, và tất cả đi lần lượt nghiêm ngặt.
Vừa khi các bậc học được cách làm việc đồng thời trên những lệnh khác nhau, thước đo quen thuộc liền gãy: lệnh vẫn đi năm chu kỳ, nhưng mỗi chu kỳ lại có một lệnh rời dây chuyền. Phải lật ngược phép đếm mà nói về chu kỳ trên mỗi lệnh, và ở máy tốt con số ấy tụt xuống dưới một — nghĩa là trong một chu kỳ có hơn một lệnh hoàn tất.
Một kiến trúc với dây chuyền ba mươi mốt bậc được dựng lên vì tần số và đâm vào nhiệt: mười gigahertz đã hứa đòi một cách làm mát không tưởng nổi trong một thùng máy để bàn. Dự án bị đóng lại, và ngành quay sang nhiều nhân — không phải vì thế thì tốt hơn, mà vì sự tăng lũy thừa ba của mức tiêu thụ không chừa lại con đường nào khác.
Nhân ngày nay không có một tần số duy nhất: lúc nhàn rỗi nó tụt xuống vài trăm megahertz, khi có tải thì leo về phía năm gigahertz và giữ ở đó chừng nào dự phòng nhiệt còn đủ. Con số trên phiếu đã thành một lời hứa trong điều kiện thuận lợi, và cả nhà sản xuất lẫn người điểm máy đều đã thôi so sánh máy theo nó.
Đơn vị mà độ dài thay đổi ngay trong lúc đo
Chu kỳ được sắp đặt bất tiện cho nhà đo lường: độ dài của nó không do một chuẩn định ra mà do cách đi đường mạch trên con chip, và nó thay đổi ngay trong cùng một bộ xử lý hàng trăm lần mỗi giây, bởi việc quản lý điện năng chỉnh tần số theo tải và nhiệt độ. Vì thế bộ đếm chu kỳ không dùng để đo thời gian được, dù nhìn bên ngoài nó giống một cái đồng hồ, và chương trình nào tin nó thì sai lệch đúng bằng phần tần số đã dịch đi.
Ngược lại, với công việc mà vì nó chu kỳ ra đời, nó hợp hơn bất cứ đơn vị thời gian nào. Đếm chu kỳ, ta không đo thời lượng mà đo khối lượng công việc tính toán, và vì thế số chu kỳ trên mỗi lệnh vẫn so sánh được dưới mọi thay đổi của tần số — nó nói mã đã nằm khớp trên con chip đến đâu, chứ không nói đã trôi qua bao nhiêu giây.
Danh mục · đơn vị đo
Mỗi đại lượng một phiếu
Bảy đơn vị cơ bản của SI, hai mươi hai đơn vị dẫn xuất có tên riêng và các đại lượng ngoài hệ, thiếu chúng thì kỹ thuật lẫn lịch đều không chạy.