Физический смысл тактовой частоты процессора
 

Здравствуйте, уважаемые знатоки).
Мне не помогла википедия ответить на мой вопрос. Хотя он не имеет практического применения, но таков мой способ глубже понять устройство техники, чтобы "белых пятен" было меньше. Итак, я позволил себе усомниться в том, что в процессорах действительно текут токи частотой до 3,5, а при экстрем. разгонах - и до 5 ГГц. Дело в том, что на уроках в университете, посвященных СВЧ, а 3 ГГц - это СВЧ, говорилось, что токи таких частот имеют особенности, в частности, для них в качестве проводников применяют волноводы (кажется из-за "скин"-эффекта). И мой отец - технарь говорит тоже самое. Даже при частотах до 100МГц применяют витую пару, а не простую "лапшу" из тех же соображений, возможно. При еще больших частотах используют коаксиал, а затем и волноводы. Так как же в процессоре по аналогу "лапши" текут гигагерцы? Собственно вопрос: тактовая частота - это частота тока в процессоре? или это некая эффективная частота, достигаемая некими приёмами (как в DDR) при реальной частоте = частоте шины. в этом свете мне интересно также чем физически является множитель процессора, как (физически) возможно его изменение (в том числе программное), чем диктуются ограничения значений множителя у разных моделей, например, почему у одного макс=12, у другого=22. Также в тему прошу объяснить, почему изменение частоты процессора как в пределах номинала, так и при разгоне сильно влияет на тепловыделение. Мне нужно понять эту логику, ведь по моей - что дать на электроплитку постоянный ток, что 50Гц, что 1кГц - греть она будет одинаково. Потому что в уравнение тепловыделения частота не входит, а только сила тока и сопротивление. разве что от частоты зависит сопротивление?...но неужели так значительно?
Если вы ответите, что частота процессора на самом деле эффективная, логическая, а не физическая, то пожалуйста, объясните, какими приемамы достигается такой эффект.
Особо буду благодарен за объяснение, как же в целом устроен процессор, каковы роли его логических частей, например, регистров, конвееров. Я не особо интелектуален, поэтому сложные сверхътехнические объяснения из заумных книг мне малопонятны. Хочется услышать живое слово от живых людей, "на пальцах".
Заранее благодарю за внимание и ответы. Прошу высказываться максимально просто и доходчиво. Надеюсь, тема вас заинтересовала не меньше моего.

Если бы вы хотя бы немного поискали в интернете, то поняли бы что к физике понятие "тактовая частота" не имеет никакого отношения. Такт - это единица измерения выполнения процессором логических операций. Например, обмен данными с памятью процессор Pentium II выполнял за три такта плюс несколько циклов ожидания. (Цикл ожидания - это такт, в котором ничего не происходит; он необходим только для того, чтобы процессор не "убегал" вперед от менее быстродействующих узлов компьютера.)

Спасибо Ment69.
Ок, это значит, что реальная частота тока в процессоре равна частоте шины? реальной или эффективной? и как достигается эффект много бОльшей тактовой частоты по сравнению с реальной?

Ток течет в амперах, частота в гигагерцах - это на та же самая частота, что в розетке энергосети. Это частота кварцевого (а может и не кварцевого) генератора. Применяются проводники из чистой меди. Я не помню, на чем остановились разработки оптических волноводов применительно к ЦПУ.
Нет, это частота синхроимпульса. Отдельные устройства вполне могут работать на разных, чаще синхронизированных, частотах.
Смотрите принцип работы транзистора.
Для большей скорости работы которого требуется большее кол-во энергии. От сюда само собой выплывает энергопотребление/тепловыделение.
без иронии. Сходите в библиотеку, возьмите книжку по процессорам, там все будет расписано в самом подробном и доступном виде. Со схемками и прочим.
Устройство самого примитивного - АЛУ, УУ, Шина данных. (На википедии разве этого нет?)
Регистр - хранит информацию. Конвейер работает, как это не странно :) по принципу конвейера. Т.е. некая сложная операция разбивается на ряд простых и выполняется на простых арифметическо-логических устройствах. Как то сдвигатели, сумматоры и прочее.
Для понимания "на собственной шкуре" сложи 123454123 + 124950325 и посмотри, какие действия повторяются. Так же в конвейере. Каждый маленькое устройство занимается очень узконаправленной задачей.

Эффективность работы процессора не имеет прямой зависимости от частоты! Например 1 операцию с плавающей запятой можно решить за 20 маленьких шагов, а можно за 5 но побольше. Соотв. в первом случае частота будет больше, а эффективность будет одинаковой. Сравнение конечно очень грубое, но место быть имеет.

кстати, я гуглил вопрос, но впустую. еще раз только что перегуглил

Предположим, что есть некий чип слаживающий 2+2. Вот сколько раз в секунду он сможет это сделать, такая у него и частота в герцах. И чип, который работает на частоте 50герц будет в два раза быстрее 25герцового чипа. Вот примерно так стоит это относит и к современным процессорам. Сколько раз в секунду логика процессора может, ну грубо говоря, принять данные, обработать их и выставить ответ - вот такая у него частота.

SanCho, дело говоришь. выходит множитель проца - это соотношение обработанных данных к принятым. скорость принятых = эффективная частота шины. тогда как физически реализовано умножение на величину множителя и почему он в общем случае плавающий? может на входе стоит несколько конвееров(очередей), принимающих и обрабатывающих данные? и количество этих конвееров(очередей обработки) и задает множитель? и выходит некоторые из этих конвееров можно вкл/выкл - так меняется множитель? верно ли тогда, что необходим баланс величины кэша и количества очередей? при слишком маленьком кэше некоторые очереди будут простаивать. мы можем поговорить об этом?

HHgir, стоп! Выдох! Умножение частоты - это умножение частоты. Само по себе умножение/деление частоты проблем не вызывает, благо в схемах это уже решено. (Искать принципиальные схемы умножителей частоты, делителей частоты)
А вот все остальное (про конвейер, про кеш, про зависимость одного от другого) - это, простите, чушь. Это мешанина понятий и связывание несвязываемых величин. Да, конечно, в современных процессорах множитель плавающий и ЦП может по своему усмотрению понижать или повышать скорость своей работы. Может(наверно) отключать нерабочие узлы и т.п. Но давайте это оставим на чуть после, а сперва разберемся с устройством работы ЦПУ в принципе.
HHgir, если не сложно, приводи запросы к гуглу, и просмотренные страницы по теме данного вопроса. Не понятные места цитируй.

Ment69, ты же сам себе противоречишь - такты так или иначе опираются на физическую частоту.
HHgir, витую пару применяют на расстояниях в десятки метров, а протяжённость проводников в процессоре - даже не микроны. Совсем другое соотношение длины волны к размеру проводника.
Электроплитка - это пассивное устройство всё время находящееся в одном состоянии. А транзистор имеет несколько состояний, переход из одного в другое подразумевает определённые энергозатраты. Чем больше частота, тем больше происходит переходов из одного состояния в другое, т.е. требуется больше энергии, а вся энергия в итоге уходит в тепло.
lxa85, ТС, я так понимаю подразумевал, что бесконечно увеличивать частоту невозможно, и хотел прояснить для себя причины этих ограничений.

Но все таки это больше логическое понятие, чем физический процесс.

Интересная мысль, наверно ты прав.
HHgir, в такой случае скорость работы ЦП опять упирается в транзистор, или простейший "логический вентиль" (И, ИЛИ, НЕ)
Чем меньше транзистор (технологический процесс изготовления ЦП) тем меньше ему надо времени, чтобы переключиться. Соотв. требуется меньший импульс, меньшая волна, большая скорость работы.
Это не учитывая паразитные наводки и т.п.
Сейчас технология подходит к своему теоретическому потолку - размер проводников становится слишком мал, технологически сопоставим с полуволной рентгена. Были (по крайней мере теоретические предпосылки) по использованию углеродных нанотрубок. К сожалению сейчас, в первом часу ночи, я подробностей не вспомню.

Получается. что физический смысл тактовой частоты ЦП условно равен скорости переключения простейших элементов процессора.

P.S. интересно, а сколько тактовых генераторов у процессора? Или синхроимпульс успевает пробежать из края в край кристалла?

по имеющейся у меня информации тактовый генератор находится на материнке, задает частоту шине проца, памяти. а в проце стоит некий умножитель частоты, возможно не один(на тот случай, если синхроимпульс не успевает пробежать от края до края кристалла).
к единому мнению форум-эксперты так и не пришли. Зато я получил кое-какую информацию. логический и физический смыслы тактовой частоты более-менее понятны. но для полноценного понимания мало полученных определений. надо знать еще и как этот 3 ГГц-цовый синхроимпульс взаимодействует с элементами проца. Где-то что-то выполняется за 1 такт синхроимпульса, что-то другое - за несколько, а какие-то процессы происходят несколько раз за такт. Только поняв, как работает система в целом можно до конца понять смысл и роль тактовой частоты. Следующий шаг - хорошая книга.
интересующимся предлагаю почитать обсуждение этого же вопроса, заданного мной, на другой конференции http://forum.ixbt.com/topic.cgi?id=8:23542.

HHgir, подозреваю, что несколько раз за такт ничего не происходит, может выполняться несколько операций одновременно

Всем большое спасибо ! Весьма познавательно для общего развития!

Книги, которые были у нас универе:
Прикладная теория цифровых автоматов (Савельев А.Я.);
Цифровая схемотехника — Угрюмов Е.П
Литературу Советских времен так же порекомендую с большим удовольствием. Вот уж чего чего, а образование тогда было на уровне, и в технической литературе абы что не печатали.
Выше озвученная литература поможет в этом. Почитаете теорию автоматов, узнаете что такое прямой, обратный и дополнительный код. Узнаете что есть операционный и управляющий автоматы M или S типа. Регистры, RS, D, T, JK триггеры, циклические сдвигатели и т.д. и т.п.
И потихоньку все придет в норму понимания "как это работает", ничего там сложного нет. Если конечно в специфику с головой не залезть :)
Синхроимпульс - он как метроном в музыке, отсчитывает такты, а уж сколько удалось взять аккордов или уложить трелей в такт - зависит от музыканта. :)

благодарю lxa85,

Не знаю, актуально ли это еще для автора вопроса, но похоже никто толком так и не ответил на поставленный вопрос.
Позволю себе объяснить суть. Дело в том, что в процессоре, равно как и в других цифровых устройствах никакой частоты тока нет вообще. Там применяется обычный постоянный ток. Без частоты. Вообще. Есть просто ток низкого номинала напряжения, и есть ток высокого номинала напряжения. Они текут по двум разным проводам, и заходят в логический элемент, на выход же логического элемента выходит только один из номиналов. Некоторые логические элементы способны переключать на выход одно из напряжений. То есть - входят два напряжения - 0.25 В и 2.25 В, и в определенной ситуации ЛЭ подает на выход то низкое, то высокое напряжение. Под термином же "тактовая частота" подразумевается частота, с которой логические элементы схемы переключают эти каналы на выход. Все.
Во всем остальном это обычный постоянный ток от 5 и ниже вольта, и никаким частотным преобразованиям он не подвергается. Умножитель же частоты, это лишь схема, которая ускоряет переключение логических элементов.
Вот и все дела.

flamehowk, Бред полнейший. Даже вентиляторы четырёхвыводные запитываются в компьютере не постоянным током, а импульсами тока некой частоты. Скважность импульсов изменяется для регулировки скорости вращения питаемого вентилятора.

Не, приятно было посмеяться, конечно, благодарю Вас за то, что рассмешили.
Конечно, можно было бы Вас и дальше оставить в таком состоянии невежества, смешить людей на форумах, но все-таки как-то жаль, человек, который знает такие термины как "скважность" и будет зря почем позорить свои модераторские седины.
В общем, объяснять по поводу всего предыдущего якобы "бреда" не буду, поставлю Вас в известность только по тому поводу, что среди выходов для кулеров на 4 пина, существует еще управляющий и сенсорный выход. Управляющий выход задает регулировку оборотов кулера, а сенсорный показывает реальную скорость вращения. При таком подходе питание регулируется не напряжением, а через ШИМ, но вряд ли Вы сможете осознать в чем разница между этим типом модуляции и тактовой частотой.
Впрочем, если Вы когда-нибудь перейдете от освещения собственной необразованности к учебе, то в интернете более чем достаточно информации по ликвидации собственной безграмотности. Так что предлагаю - учиться, учиться и еще раз учиться, а назвать бредом знания других Вы всегда успеете.

Про это ж и было сказано. Просто другими словами.

Учитель не тот кто много знает, а тот кто может это другим объяснить так, чтоб они поняли. Я лично ничего не понял из того что вы написали :)

flamehowk почему-то уверен, что помимо синусоидального переменного тока существует только постоянный ток.

.. и в итоге получаем переменное напряжение определенной частоты с какой-то формой, не обязательно синусоида.

http://lookfornotebook.ru/speed/

Не переменное. Переменное - это если меняется направление тока, а тут направление тока не меняется.
Тактирование нужно для синхронизации.
Про два разных провода на входе ЛА - это, конечно, лихо обобщено :) Сколько проводов на входе элемента "4И-НЕ"? А у "НЕ"?
И ЛА оперирует не напряжениями, а уровнями!

Он, видимо, потому так уверен, что в школе хорошо учился. А вот если бы Вы были уверены в противоположном, то обязательно привели бы пример - какой же еще вид тока кроме двух указанных (переменный и постоянный) существует.

В итоге мы получаем 2 по физике. Сочувствую, но я Вас по второму кругу учить не могу. Хотите знать - учитесь, хотите мнить - выдумывайте свое мнение.

Вот прямо в названии элемента и указывается сколько у него на входе проводов.
Уровнями чего? НАПРЯЖЕНИЯ!!! Ток имеет всего две составляющие - напряжение и силу, соответственно только ими мы и можем управлять или использовать. Сила тока в комплиментарной логике не используется как управляемый параметр в силу того, что вся комплиментарная логика строится на полевых транзисторах, которые НЕ ЯВЛЯЮТСЯ электронными компонентами, способными менять силу тока (усилителями), они могут его только затворять или отворять. А так как процессы отворения и затворения затвора КМОП транзистора совершаются через напряжение электрического поля, которое проходит через такие же транзисторы, то соответственно никакой регулировки тока в комплиментарной логике быть не может - есть только два уровня напряжения электрического поля, которые используются - сильное и слабое. Для каждой интегральной схемы они подбираются в соответствии с особенностями техпроцесса изготовления данной интегральной схемы.
То бишь - мы имеем уровни напряжений. Не уровни для визирования плоскости над поверхностью земли, а уровни напряжения, ключевое существительное, несущее основной морфологический смысл - напряжение (имеется ввиду "электрического тока").