時鐘頻率
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時鐘頻率（英語：clock rate，又譯：時脈速度）是指同步電路中時鐘的基礎頻率，[1]它以「每秒時鐘周期」（clock cycles per second）來度量，量度單位採用SI單位赫茲（Hz）。在單個時鐘週期內（現代非嵌入式微處理器的這個時間一般都短於一納秒）邏輯零狀態與邏輯一狀態來回切換。 由於發熱和電氣規格的限制，週期里邏輯零狀態的持續時間歷來要長於邏輯一狀態。
中央處理器（CPU）製造商常為時鐘頻率較高的CPU定額外的高價。就某個CPU來說，時鐘頻率是在生產環節的最後通過實測測定的。通過了特定測試標準的CPU會被標上這個標準相應的時鐘頻率，如1.5GHz（十億赫）。而當一個CPU沒有通過較高時鐘頻率一級的測試但通過了較低一級的測試時，它會被標上一個較低的時鐘頻率。例如某個CPU未通過1.5GHz時鐘頻率的測試卻通過了1.33GHz那一級的，它就會被標為1.33GHz，並且相對於時鐘頻率為1.5GHz的CPU，它的賣價要低。[2][3]
時鐘頻率的限制條件
CPU的時鐘頻率通常是由晶體振盪器的頻率決定的。首台商業PC，Altair 8800（由MITS製造）使用了一個時鐘頻率為2MHz（200萬次/秒）的Intel 8080 CPU。第一台IBM PC的時鐘頻率是4.77MHz（4,772,727次/秒）。1995年，Intel's Pentium 晶片達到了100 MHz （1億次/秒），到了2002年，最快的CPU：Intel Pentium 4 達到了3GHz（三十億次/秒，相當於每個周期3.3*10-10秒）
對某些CPU來說，將時鐘頻率降低一半（降頻），一般來說效能也將降低一半，同時此CPU產生的熱量也將減少。
與此相對的，有些人試圖提高CPU效能，為此他們嘗試讓CPU執行在一個較高的時鐘頻率上（超頻）[4]。對他們來說他們的超頻行為可能會很快受到下面一條或者兩條條件的限制：
- 在一個時鐘脈衝後，CPU的訊號線需要時間穩定它的新狀態。如果上一個脈衝的訊號還沒有處理完成，而下一個時鐘脈衝來的太快（在所有訊號線完成從0到1或者從1到0的轉換前），就會產生錯誤的結果。晶片製造商制定了「最高時鐘頻率」的規範，並且在出售晶片之前對它們進行測試確保它們符合「最高時鐘頻率」的規範。測試將執行最複雜的指令，處理最複雜的數據模型確定使用的最長處理時間（測試在最合適的電壓和穩定保證CPU在最低效能下執行），保證最高時鐘頻率時不會發生衝突。
- 當訊號線從1轉換到0狀態（也可以是0轉換到1狀態）時，將會浪費部分能量使之轉換為熱能（主要是內部驅動電晶體）。當CPU執行複雜指令，由此進行大量的1狀態0狀態之間的互相轉換時，更高的時鐘頻率將更容易浪費掉能量產生更多的熱量。如果產生的熱量不能被散熱系統及時帶走，電晶體將可能因此過熱損壞。
工程師一直在尋找新的方法來設計CPU，使它們效能提高，耗能減少，減少限制條件的影響，使新的CPU能執行在更高的時鐘頻率上。最終限制條件可能由可逆計算解決。第一個完全可逆計算的CPU,Pendulum,在 1990 年代後期在麻省理工學院使用標準 CMOS 電晶體實現。[5][6][7][8]
同時人們也在尋找另一種新方法來設計CPU，使新CPU與老CPU執行在相同甚至更低的時鐘頻率，但是新CPU將擁有在每個時鐘周期執行更多指令的能力（另見摩爾定律）。
比較
時鐘頻率是比較在同一家族內的晶片效能的唯一方法。例如，一台PC機配備了50MHz的Intel 486 CPU的電腦，它的效能大約是擁有同樣主記憶體、顯示裝置和CPU但CPU執行在25MHz的另一台電腦的兩倍，而如果是一台執行在相同時鐘頻率的MIPS R4000電腦就不能這樣直接比較了，因為它們的處理器、功能和架構是不同的。此外，在比較電腦整體效能的時候還需要考慮很多因素，例如前端匯流排（"front side bus"，FSB），主記憶體的時鐘頻率，CPU通用暫存器的數據寬度和機器的一級、二級快取等。
時鐘頻率不應該被應用在不同電腦或者不同類處理器家族的比較中。而是應該以軟件基準測試的結果作為比較的標準。僅僅考慮時鐘頻率會讓人產生誤解，因為不同的處理器在一個周期內能完成的工作是不一樣的。例如，精簡指令集（RISC）處理器的指令要比複雜指令集（CISC）的簡單（但是時鐘頻率要高）、超純量處理器可以在一個周期內執行多條指令，但是它一個周期沒有完成多條指令的情況也不少見。此外除去時鐘頻率，低純量和並列度都影響了電腦的效能。
歷史
在20世紀90年代初期，大多數電腦公司宣傳他們的電腦效能主要提及CPU的時鐘頻率。這導致了各種各樣的行銷手段，比如說蘋果電腦公司決定生產銷售時鐘頻率110MHz的Power Macintosh 8100/110，因此蘋果公司可以宣傳這台機器是執行速度最快的--因為當時Intel最快的處理器執行在100MHz。但是這是毫無意義的，因為 PowerPC 和 Pentium 處理器的架構完全不同。
在2000年以後，Intel 的老對手，AMD公司使用型號取代頻率來推廣它的處理器，因為當時Intel的Pentium 4處理器雖然擁有較高頻率、但效能卻輸給相同時脈的其他x86處理器。這個趨勢試圖降低「兆赫神話」的影響，因CPU的時脈並不能表現出CPU的全部效能。2004年， Intel 公司宣佈它也將型號代替頻率進行命名，可能是因為消費者將Pentium M移動處理器（它的頻率大致相當於 Pentium 4的一半）與 Pentium 4 相混淆了。截至2007年，CPU效能的提高主要通過管線化，指令集和多核心技術的創新來實現，而不是時鐘頻率的提高（時鐘頻率的提高受到了CPU功耗下降的限制）。
世界紀錄
2022年12月23日，華碩超頻團隊使用Z790主機板，將英特爾13代酷睿i9-13900K超頻至9.008GHz，創下時鐘頻率世界記錄，成為世界上首顆時鐘頻率在9GHz以上的CPU。
參見
參考文獻
- ^ 本條目部分或全部內容出自以GFDL授權發佈的《自由線上電腦詞典》（FOLDOC）條目Clock。
- ^ [1] （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- ^ [2] （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） [3] （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- ^ "Overclocking" early processors was as simple - and as limited - as changing the discrete clock crystal ... The advent of adjustable clock generators has allowed "overclocking" to be done without changing parts such as the clock crystal."-- Overclocking Guide Part 1: Risks, Choices and Benefits : Who Overclocks? by Thomas Soderstrom
- ^ Michael Frank. "RevComp - The Reversible and Quantum Computing Research Group" （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）.
- ^ Michael Swaine. "Backward to the Future" （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. Dr. Dobb's Journal. 2004.
- ^ Michael P. Frank. "Reversible Computing: A Requirement for Extreme Supercomputing" （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）.
- ^ Matthew Arthur Morrison. "Theory, Synthesis, and Application of Adiabatic and Reversible Logic Circuits For Security Applications" （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. 2014.
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