クロックレート

クロックレートは、通常、プロセッサのクロック回路がパルスを生成できる周波数を指します。パルスは、コンポーネントの動作（2つの数値の加算や1つのレジスタから別のレジスタへの値の転送など）の同期に使用され、使用されますプロセッサの速度の指標として。これは、 1秒あたりのクロックサイクルまたは同等のSI単位ヘルツ（Hz）で測定されます。第一世代のコンピューターのクロックレートはヘルツまたはキロヘルツ（kHz）で測定されました最新のCPUの一般的なギガヘルツ（GHz）でアドバタイズされます。このメトリックは、同じファミリ内のプロセッサを比較し、パフォーマンスに影響する可能性のある他の一定の機能を保持する場合に最も役立ちます。ビデオカードとCPUの製造元は通常、製造バッチから最高のパフォーマンスのユニットを選択し、最大クロックレートを高く設定して、より高い価格を取得します。

決定要因

ビニング

最新のプロセッサのメーカーは、通常、より高いクロックレートで動作するプロセッサにプレミアム価格を請求します。これはビニングと呼ばれます。特定のCPUについて、クロックレートは、各プロセッサの実際のテストを通じて製造プロセスの最後に決定されます。チップメーカーは「最大クロックレート」仕様を公開しており、安定するまでに最も時間がかかるデータパターンで最も複雑な命令を実行する場合でも（温度と電圧でテストする場合）、チップをテストしてから仕様を満たしていることを確認します。最も低いパフォーマンスを実行します）。特定の一連の規格への準拠が正常にテストされたプロセッサには、より高いクロックレート、たとえば3.50 GHzのラベルを付けることができますが、より高いクロックレートの規格を満たしていないが、より低いクロックレートの規格に合格しているプロセッサには、より低いクロックレート、たとえば3.3 GHz、より低い価格で販売。

エンジニアリング

CPUのクロックレートは、通常、水晶振動子の周波数によって決まります。通常、水晶発振器は固定の正弦波、つまり周波数基準信号を生成します。電子回路は、それをデジタルエレクトロニクスアプリケーションの同じ周波数の方形波に変換します（または、CPU乗算器を使用する場合、水晶基準周波数の固定倍数）。 CPU内のクロック分配ネットワークは、そのクロック信号を、それを必要とするすべての部品に伝えます。 A / Dコンバーターには、サンプリングレートを設定するための同様のシステムによって駆動される「クロック」ピンがあります。特定のCPUで、水晶を周波数の半分で振動する別の水晶（「アンダークロック」）に交換すると、一般にCPUのパフォーマンスが半分になり、CPUによって生成される廃熱が削減されます。逆に、一部の人々は、発振器の水晶をより高い周波数の水晶と交換することでCPUのパフォーマンスを向上させようとします（「オーバークロック」）。ただし、オーバークロックの量は、各パルスの後にCPUが安定する時間と、発生する余分な熱によって制限されます。

各クロックパルスの後、CPU内の信号線は新しい状態に落ち着くまでに時間が必要です。つまり、すべての信号線は0から1、または1から0への移行を終了する必要があります。次のクロックパルスがその前に来ると、結果は不正確になります。移行の過程で、一部のエネルギーが熱として無駄になります（主に駆動トランジスタ内部）。多くの遷移を引き起こす複雑な命令を実行する場合、クロックレートが高いほど、より多くの熱が生成されます。トランジスタは過度の熱により損傷を受ける可能性があります。

完全に静的なコアが使用されない限り、クロックレートの下限もあります。

歴史的マイルストーンと現在の記録

最初の電気機械汎用コンピューターZ3は、約5〜10 Hzの周波数で動作しました。最初の電子汎用コンピュータであるENIACは、サイクリングユニットで100 kHzのクロックを使用していました。各命令は20サイクルかかったため、命令レートは5 kHzでした。

最初の商用PCであるAltair 8800（by MITS）は、クロックレート2 MHz（200万サイクル/秒）のIntel 8080 CPUを使用しました。元のIBM PC（c。1981）のクロックレートは4.77 MHz（4,772,727サイクル/秒）でした。 1992年、Hewlett-PackardとDigital Equipment Corporationの両方が、PA-7100とAXP 21064 DEC AlphaのRISC技術で困難な100 MHzの制限を破りました。 1995年、IntelのP5 Pentiumチップは100 MHz（1秒あたり1億サイクル）で動作しました。 2000年3月6日、AMDはIntelよりも数か月先に1 GHzのマイルストーンに達しました。 2002年に、Intel Pentium 4モデルが3 GHzのクロックレートを備えた最初のCPUとして導入されました（毎秒30億サイクル、約3.3×10-10秒またはサイクルあたり0.33ナノ秒に相当）。それ以来、プロダクションプロセッサのクロックレートは非常にゆっくりと増加し、他の設計変更によるパフォーマンスの向上がもたらされています。

2014年の時点で、最高のCPUクロックレートのギネス世界記録は、オーバークロックされた8.723 GHz AMD PiledriverベースのFX-8370チップです。 2011年に達成された8.429 GHz AMD FX-8150ブルドーザーベースのチップである過去の記録を上回りました。

2013年半ばの時点で、プロダクションプロセッサの最高クロックレートは、2012年8月にリリースされた5.5 GHzでクロックされるIBM zEC12です。

研究

エンジニアは、移行のたびに少し早く落ち着くか、わずかに少ないエネルギーを使用してCPUを設計する新しい方法を探し続け、それらの制限を押し下げて、わずかに高いクロックレートで実行できる新しいCPUを生成します。遷移あたりのエネルギーの究極の制限は、可逆コンピューティングで検討されています。

最初の完全に可逆的なCPUである振り子は、1990年代後半にMITで標準のCMOSトランジスタを使用して実装されました。

エンジニアは、CPUを設計する新しい方法を引き続き見つけて、クロックサイクルごとにより多くの命令を完了するため、より低いCPI（サイクルまたは命令あたりのクロックサイクル）カウントを達成しますが、古いCPUと同じまたはより低いクロックレートで実行できます。これは、コード内の命令レベルの並列性を悪用しようとする命令パイプライン化やアウトオブオーダー実行などのアーキテクチャー手法によって実現されます。

IBMは100Ghz CPUで作業しています。 2010年、IBMは1秒あたり1,000億サイクルを実行できるグラフェンベースのトランジスタを実証しました。

比較する

CPUのクロックレートは、同じファミリのCPUを比較するのに最も役立ちます。クロックレートは、異なるファミリのプロセッサを比較するときにパフォーマンスに影響を与える可能性があるいくつかの要因の1つにすぎません。たとえば、Intel 80486 CPUを50 MHzで実行しているIBM PCは、同じCPUとメモリを25 MHzで実行しているものの約2倍（内部のみ）ですが、MIPS R4000を実行している場合は同じではありません2つと同じクロックレートは、異なるアーキテクチャとマイクロアーキテクチャを実装する異なるプロセッサです。さらに、合計のコアを取得し、合計のクロックレートで乗算することにより、「累積クロックレート」測定が想定される場合があります（たとえば、デュアルコア2.8 GHzはプロセッサ累積5.6 GHzと見なされます）。 CPUのデータバスの幅、メモリのレイテンシ、キャッシュアーキテクチャなど、CPUのパフォーマンスを比較する際に考慮すべき要素は他にもたくさんあります。

一般に、クロックレートだけでは、異なるCPUファミリを比較する際のパフォーマンスの不正確な測定値と見なされます。ソフトウェアベンチマークの方が便利です。異なるCPUが1サイクルで実行できる作業量が異なるため、クロックレートが誤解を招く場合があります。たとえば、スーパースカラープロセッサは、1サイクル（平均）で複数の命令を実行できますが、クロックサイクルで「少なく」することは珍しくありません。さらに、サブスカラーCPUまたは並列処理の使用も、クロックレートに関係なくコンピューターのパフォーマンスに影響を与える可能性があります。