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）。在電腦領域當中，其一般指的是由處理器中的時鐘發生器產生的脈衝訊號的頻率，該訊號用於同步電腦中各部件的工作。時鐘頻率也被用來作為衡量處理器執行速度的一個指標。[2]在單個時鐘週期內（現代電腦中央處理器內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通常要長於邏輯一狀態。
第一代電腦當中的時鐘頻率通常以赫茲（Hz）或千赫茲（kHz）的級別來衡量；在20世紀70年代至80年代間面世的個人電腦（PC）當中，時鐘頻率可達到兆赫茲（MHz）級別；而在21世紀的現代CPU當中，時鐘頻率通常可達吉赫茲（GHz）的級別。在比較同一系列的處理器時，這是一個較為有用的指標。
時鐘頻率的限制條件
產品分級（Binning）
現代中央處理器（CPU）製造商常為能夠在較高的時鐘頻率下執行的CPU設置更高的定價。就某個單一的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（十五億赫）。晶片製造商會給出一個「最高時鐘頻率」的規範，並且通過在出售晶片之前對它們進行測試，以確保它們符合「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問題。而當一個CPU沒有通過較高時鐘頻率的級別的測試，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，並且售價會低於時鐘頻率為1.5GHz的CPU。[3][4]
工程因素
CPU的時鐘頻率通常是由晶體振盪器的頻率決定的。通常來說晶體振盪器產生一個固定的正弦波，稱為頻率參考訊號。然後，特定的電路將其轉換為同頻率（或是數倍於輸入頻率）的正弦波，用於驅動數字電路組件。
對某些特定的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）[5]。然而，超頻的程度可能會很快受到下麵條件的限制：
- 在一個時鐘脈衝後，CPU的訊號線需要時間在新狀態下達到穩定。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。
- 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。
處理器同樣存在時鐘頻率的下限，除非使用完全靜態邏輯結構設計的處理器內核。
面對限制的努力
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。[6][7][8][9]
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
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）
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。
- ^ Clock rate. Wikipedia. 2024-11-21 （英語）.
- ^ [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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