Na
computacao
, a
taxa de clock
,
velocidade do clock
ou
frequencia de clock
normalmente se refere a
frequencia
na qual o
gerador de clock
de um
processador
pode gerar
pulsos
, que sao usados ??para
sincronizar
as operacoes de seus componentes,
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e e usado como um indicador da velocidade do processador. E medido na unidade
SI
de frequencia
hertz
(Hz).
A frequencia do clock da primeira geracao de computadores era medida em hertz ou quilohertz (kHz), os primeiros
computadores pessoais
(PCs) que chegaram ao longo das decadas de 1970 e 1980 tinham frequencias medidas em megahertz (MHz) e, no seculo 21, a velocidade das
CPUs
modernas e comumente anunciada em gigahertz (GHz). Essa metrica e mais util ao comparar processadores da mesma familia, mantendo constantes outros recursos que podem afetar o
desempenho
.
Os fabricantes de processadores modernos normalmente cobram precos mais elevados por processadores que operam em taxas de clock mais altas, uma pratica chamada
binning
. Para uma determinada CPU, as taxas de clock sao determinadas no final do processo de fabricacao por meio de testes reais de cada processador. Os fabricantes de chips publicam uma especificacao de "taxa de clock maxima" e testam os chips antes de vende-los para garantir que atendam a essa especificacao, mesmo ao executar as instrucoes mais complicadas com os padroes de dados que levam mais tempo para serem estabilizados (testes em temperatura e tensao). que da o menor desempenho). Processadores testados com sucesso quanto a conformidade com um determinado conjunto de padroes podem ser rotulados com uma frequencia de clock mais alta, por exemplo, 3,50 GHz, enquanto aqueles que falham nos padroes de frequencia de clock mais alta, mas passam nos padroes de uma taxa de clock mais baixa, podem ser rotulados com o frequencia de clock mais baixa, por exemplo, 3,3 GHz, e vendida a um preco mais baixo.
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A taxa de clock de uma CPU e normalmente determinada pela
frequencia
de um
cristal oscilador
. Normalmente, um oscilador de cristal produz uma onda
senoidal
fixa ? o sinal de referencia de frequencia. Os circuitos eletronicos traduzem isso em uma
onda quadrada
na mesma frequencia para aplicacoes eletronicas digitais (ou, ao usar um
multiplicador de CPU
, algum multiplo fixo da frequencia de referencia do cristal). A
rede de distribuicao de clock
dentro da CPU transporta esse
sinal de clock
para todas as partes que precisam dele. Um
conversor A/D
possui um pino de “clock” acionado por um sistema semelhante para definir a
taxa de amostragem
. Com qualquer CPU especifica, substituir o cristal por outro cristal que oscile na metade da frequencia ("
underclocking
") geralmente fara com que a CPU funcione com metade do desempenho e reduzira o
calor residual
produzido pela CPU. Por outro lado, algumas pessoas tentam aumentar o desempenho de uma CPU substituindo o cristal oscilador por um cristal de frequencia mais alta (“
overclocking
”).
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No entanto, a quantidade de overclock e limitada pelo tempo que a CPU leva para se estabilizar apos cada pulso e pelo calor extra criado.
Apos cada pulso de clock, as linhas de sinal dentro da CPU precisam de tempo para se estabelecerem em seu novo estado. Ou seja, toda linha de sinal deve terminar a transicao de 0 para 1, ou de 1 para 0. Se o proximo pulso de clock vier antes disso, os resultados serao incorretos. No processo de transicao, alguma energia e desperdicada na forma de calor (principalmente dentro dos transistores de acionamento). Ao executar instrucoes complicadas que causam muitas transicoes, quanto maior a frequencia do clock, mais calor sera produzido. Os transistores podem ser danificados pelo calor excessivo.
Ha tambem um limite inferior da taxa de clock, a menos que seja usado um
nucleo totalmente estatico
.
O primeiro computador analogico totalmente mecanico, o
Z1
, operava a uma frequencia de clock de 1 Hz (ciclo por segundo) e o primeiro computador eletromecanico de uso geral, o
Z3
, operava a uma frequencia de cerca de 5?10 Hz. O primeiro computador eletronico de uso geral, o
ENIAC
, usava um relogio de 100 kHz em sua unidade de ciclagem. Como cada instrucao levava 20 ciclos, ela tinha uma taxa de instrucao de 5 kHz.
O primeiro PC comercial, o
Altair 8800
(da MITS), usava uma CPU Intel 8080 com clock de 2 MHz (2 milhoes de ciclos por segundo). O
IBM PC
original (c. 1981) tinha uma frequencia de clock de 4,77 MHz (4.772.727 ciclos por segundo). Em 1992, tanto a Hewlett-Packard quanto a Digital Equipment Corporation quebraram o dificil limite de 100 MHz com tecnicas
RISC
no PA-7100 e AXP 21064
DEC Alpha
, respectivamente. Em 1995, o chip P5
Pentium
da
Intel
funcionava a 100 MHz (100 milhoes de ciclos por segundo). Em 6 de marco de 2000, a
AMD
demonstrou ter ultrapassado o marco de 1 GHz alguns dias antes da Intel comercializar 1 GHz em sistemas. Em 2002, um modelo Intel
Pentium 4
foi apresentado como o primeiro CPU com uma frequencia de clock de 3 GHz (tres bilhoes de ciclos por segundo correspondendo a ~0,33
nanossegundos
por ciclo). Desde entao, a frequencia dos processadores de producao aumentou muito mais lentamente, com melhorias de desempenho provenientes de outras alteracoes de design.
Estabelecido em 2011, o
Guinness World Records
para a maior taxa de clock da CPU e de 8,42938 GHz com um chip AMD FX-8150
Bulldozer
com
overclock
em um banho criogenico
LHe
/
LN2
, 5 GHz no
ar
.
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Isso e superado pelo recorde de
overclocking
CPU-Z
para a maior taxa de clock da CPU em 8,79433 GHz com um chip baseado em AMD FX-8350
Piledriver
banhado em
LN2
, alcancado em novembro de 2012.
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Tambem e superado pelo AMD FX-8370, um pouco mais lento, com overclock para 8,72 GHz, que esta no topo das classificacoes de frequencia
HWBOT
.
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Esses recordes foram quebrados no final de 2022, quando um Intel Core i9-13900K teve overclock para 9,01 GHz.
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O
clock base
mais alto em um processador de producao e o
IBM zEC12
, com clock de 5,5 GHz, lancado em agosto de 2012.
Os engenheiros continuam a encontrar novas maneiras de projetar CPUs que se estabelecam um pouco mais rapidamente ou que usem um pouco menos de energia por transicao, diminuindo esses limites e produzindo novas CPUs que podem funcionar com frequencias de clock ligeiramente mais altas. Os limites finais da energia por transicao sao explorados na
computacao reversivel
.
A primeira CPU totalmente reversivel, o Pendulum, foi implementada usando transistores CMOS padrao no final da decada de 1990 no MIT.
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Os engenheiros tambem continuam a encontrar novas maneiras de projetar CPUs para que completem mais instrucoes por ciclo de clock, alcancando assim uma contagem de
CPI
(ciclos ou ciclos de clock por instrucao) mais baixa, embora possam funcionar na mesma taxa de clock ou em uma taxa de clock menor que CPUs mais antigas. Isto e conseguido atraves de tecnicas arquitetonicas, como
pipeline de instrucoes
e
execucao fora de ordem
, que tentam explorar o
paralelismo no nivel de instrucao
no codigo.
A IBM esta trabalhando em uma CPU de 100 GHz. Em 2010, a IBM demonstrou um transistor baseado em
grafeno
que pode executar 100 bilhoes de ciclos por segundo.
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A taxa de clock de uma CPU e mais util para fornecer comparacoes entre CPUs da mesma familia. A taxa de clock e apenas um dos varios fatores que podem influenciar o desempenho ao comparar processadores de familias diferentes. Por exemplo, um IBM PC com uma
CPU
Intel 80486
rodando a 50 MHz sera cerca de duas vezes mais rapido (apenas internamente) do que um com a mesma CPU e memoria rodando a 25 MHz, embora o mesmo nao seja verdade para o MIPS R4000 rodando na mesma frequencia, pois os dois sao processadores diferentes que implementam arquiteturas e microarquiteturas diferentes. Alem disso, uma medida de "taxa de clock cumulativa" as vezes e assumida tomando o total de nucleos e multiplicando pela taxa de clock total (por exemplo, um processador dual-core de 2,8 GHz rodando a 5,6 GHz cumulativos). Existem muitos outros fatores a serem considerados ao comparar o desempenho das CPUs, como a largura do
barramento
de dados da CPU, a latencia da memoria e a arquitetura do
cache
.
A taxa de clock por si so e geralmente considerada uma medida imprecisa de desempenho ao comparar diferentes familias de CPUs.
Benchmarks
de software sao mais uteis. As vezes, as taxas de clock podem ser enganosas, pois a quantidade de trabalho que diferentes CPUs podem realizar em um ciclo varia. Por exemplo, processadores
superescalares
podem executar mais de uma instrucao por ciclo (em media), mas nao e incomum que executem “menos” em um ciclo de clock. Alem disso, CPUs subescalares ou o uso de paralelismo tambem podem afetar o desempenho do computador, independentemente da frequencia do clock.
Referencias