处理器的时钟周期与机器周期
制外单位 · 量：同步的间隔，也是计算工作的尺度
2004 年秋，英特尔取消了一款本应跑在十吉赫上的处理器，这并非技术上的失败，而是承认了一堵物理的墙：把芯片赶快一倍，功耗就要四倍，它索性熔了。持续三十年的频率竞赛在一天之内终结，随之终结的还有按盒子上的数字来评判机器的习惯。
周期本身就是时钟信号两个边沿之间的那段间隔，芯片上所有同步的部分正是踩着这一步同时翻转的。它的倒数是频率，所以五吉赫下的一个周期只有两成纳秒；在这点时间里光走六厘米，信号沿铜线走得还要少——比芯片本身还窄。
01 · 定义
周期是时钟信号的周期，也就是两个同向边沿之间的间隔，芯片上同步的元件在这两点一起改变状态。机器周期是处理器完成一个完整动作所用的整数个时钟周期；在流水线机器里，它被反过来的尺度取代——每条指令所用的周期数，而这个数的倒数又说明一个周期里有多少条指令走出流水线。
周期的长度不是自然定的，而是芯片上的布线定的：它不得短于两个触发器之间最慢的那条路，还要算上触发器自身的延迟和留给参数离散的余量。于是有了设计者惯用的一招——把一条长的逻辑路径切成两级流水线：周期减半，频率翻倍，而指令如今要走完整段楼梯。
然而限住频率的不是逻辑，而是功耗：动态功耗随频率增长，也随电压的平方增长，而电压又必须抬高，好让电路在更高的频率上赶得上。热量因此大致按频率的三次方走，正是在这条三次方的依赖上，吉赫的竞赛停在了四左右。
最后，周期是一种长度并不恒定的单位。电源管理每秒改动频率上百次，随负载和温度而变，所以从周期数上判断不出过去了多少时间，却能判断出做了多少工作：周期计数器数的不是秒，而是计算的步子，它真正的价值就在这里。
用滑块牵着频率走，留意两条朝相反方向分开的曲线。绿的是信号在一个周期里来得及走的距离：频率越高，这条路越短，到五吉赫时它比芯片本身还小。深红的是去一趟内存要花多少周期：它以纳秒计的延迟几乎不变，于是以周期计便只会增长。
把工作切成级之后，设计者缩短了周期，但一条指令如今要走完整段楼梯，它自身的延迟不减反增。只有当各级里填着不同的指令时，好处才显出来；而一旦分支预测失误，整条流水线都得清空——越深，代价越大。
02 · 换算
频率、周期、工作
输入一个频率或一个周期长度，此卡便会给出倒数、一个周期里信号走的路，以及以周期计的内存访问代价。第一族按定义就是精确的，第二族依据一个核心的平均值，第三族依据今日内存层级的典型延迟。
信号沿走线的速度取六成光速；在此卡的细项设置中可改为一半。
按频率作比较，只能比同样的核心，因为每条指令的周期数在不同架构之间相差数倍：一台机器一个周期取四条指令，另一台勉强一条。正因如此，以吉赫计的数字退出了广告，取而代之的是成套的测试，它们量的已不是周期，而是做成的工作。
| 数值 | 说明 | ||
|---|---|---|---|
| {u} | {name} | {value} | {note} |
03 · 数量级
对数标度：从一个周期到调度器的时间窗口04 · 测量仪器
什么定下周期，什么数着周期
周期的源头是一小片石英，通常在几十兆赫上振荡，精度约为千万分之一。芯片上的吉赫并非来自它，而是来自把这个基准频率倍频，于是整台机器的稳定性，继承自一粒米大小的矿石。
锁相环把振荡器分频后的频率与基准相比，一路微调到相位吻合；改动分频比，频率就能在运行中改变。正是它让电源管理在闲置时把周期降到几百兆赫，又在还有热余量的几秒钟里把它抬进睿频。
核心之内坐着一批寄存器，数着周期、完成的指令、缓存的落空和预测失误的分支，而且可以从运行中的程序里直接读出。由这些数得出每条指令的周期数——它是衡量代码在某一芯片上贴合得好不好的唯一诚实尺度。
要看见周期本身，需要一台能以几皮秒的分辨率抓住边沿的仪器；也正是它显示出那些让频率无法再往上抬的东西：相位抖动、信号到达芯片各个角落的偏斜，以及边沿在长线上的塌陷。
05 · 书写规则
周期与赫兹不是一回事
频率写成赫兹，兆和吉的词头要大写；周期数则写成整数，不带任何单位，因为周期不是 SI 单位。性能指标用大写、不加点，并注明属于哪个核心；把频率和性能混作一个量是不允许的。
第一种写法把两个不同的量混在一起：周期数无量纲，而赫兹量的是频率。第二种违反了词头的大小写，兆和吉是必须大写的。第三种按频率去比较那些每条指令周期数相差数倍的架构，这样的比较推不出任何结论。第四种把一个可变的量当成了固定的量。
07 · 历史部分
三十年的竞赛与取消的那一天
第一款单芯片处理器所用的频率，今天的芯片在一微秒的零头里就走过了，而它每条指令要花八个周期。那时的机器周期是个字面意义上的概念：读取指令、译码、取数、计算、写回——每一级各占一个周期，一个接一个严格排队。
各级一学会同时处理不同的指令，惯用的尺度就断了：一条指令仍走五个周期，但每个周期都有一条走出流水线。只好把数法倒过来，说每条指令多少个周期；在好机器上，这个数落到了一以下——也就是说，一个周期里完成的指令多于一条。
一款三十一级流水线的架构是为频率而造的，结果撞上了热：承诺的十吉赫所要的散热，在一台台式机箱里是不可想象的。项目关停，业界转向多核——不是因为多核更好，而是因为功耗的三次方增长没有留下别的路。
今天的核心没有单一的频率：闲置时降到几百兆赫，负载下爬向五吉赫，只要热余量还在就一直守着。说明书上的数字成了顺境下的一个许诺，厂商和评测者都不再照着它比较机器了。
一种在测量途中长度就在变的单位
周期对计量学家来说安排得很不趁手：它的长度不由基准定，而由芯片上的布线定，而且在同一颗处理器上每秒要变上百次，因为电源管理会把频率去迁就负载和温度。所以周期计数器不能拿来量时间，尽管它从外面看像一只钟；信赖它的程序，频率挪了多少，它就错多少。
可是对于周期本来为之而生的那件事，它比任何时间单位都更合用。数周期，量的不是时长，而是计算工作的分量；正因如此，每条指令的周期数在频率任何变动之下都保持可比——它说的是代码在芯片上贴合得好不好，而不是过去了多少秒。
目录 · 计量单位
每个量都有一份档案
七个 SI 基本单位，二十二个有专名的导出单位，以及若干制外量 — 少了它们，工程与历法都转不动。