Worldlex Wiki En informatique , la fréquence d' horloge est la fréquence à laquelle le générateur d'horloge d'un processeur produit les impulsions nécessaires à la synchronisation de ses composants. Elle sert d'indicateur de la vitesse du processeur. La fréquence d'horloge est mesurée en hertz (Hz), l' unité SI de fréquence .
La fréquence d'horloge des ordinateurs de première génération était mesurée en hertz (Hz) ou en kilohertz (kHz). Les premiers ordinateurs personnels, des années 1970 aux années 1980, avaient une fréquence d'horloge mesurée en mégahertz (MHz). Au XXIe siècle, la vitesse des processeurs modernes est généralement annoncée en gigahertz (GHz). Cette unité de mesure est particulièrement utile pour comparer les processeurs d'une même famille, toutes choses égales par ailleurs et en fonction des autres caractéristiques susceptibles d'influencer leurs performances .
Les fabricants de processeurs modernes pratiquent généralement des prix plus élevés pour les processeurs fonctionnant à des fréquences d'horloge plus élevées, une pratique appelée « binning ». Pour un processeur donné, la fréquence d'horloge est déterminée à la fin du processus de fabrication par des tests effectués sur chaque processeur. Les fabricants de puces publient une spécification de « fréquence d'horloge maximale » et testent les puces avant leur vente afin de s'assurer qu'elles respectent cette spécification, même lors de l'exécution des instructions les plus complexes avec les séquences de données les plus longues à stabiliser (tests effectués à la température et à la tension offrant les performances les plus faibles). Les processeurs conformes à un ensemble de normes données peuvent être commercialisés avec une fréquence d'horloge plus élevée, par exemple 3,50 GHz, tandis que ceux qui ne respectent pas les normes de la fréquence d'horloge supérieure mais réussissent celles d'une fréquence inférieure peuvent être commercialisés avec la fréquence d'horloge inférieure, par exemple 3,3 GHz, et vendus à un prix inférieur.
Ingénierie
La fréquence d'horloge d'un processeur est généralement déterminée par la fréquence d'un oscillateur à quartz . Typiquement, un oscillateur à quartz produit une onde sinusoïdale fixe , le signal de référence de fréquence. Les circuits électroniques convertissent ce signal en une onde carrée à la même fréquence pour les applications numériques (ou, lors de l'utilisation d'un multiplicateur de fréquence , à un multiple fixe de la fréquence de référence du quartz). Le réseau de distribution d'horloge interne au processeur achemine ce signal vers tous les composants qui en ont besoin. Un convertisseur analogique-numérique (CAN) possède une broche d'horloge pilotée par un système similaire pour définir la fréquence d'échantillonnage . Pour un processeur donné, remplacer le quartz par un autre oscillant à une fréquence deux fois inférieure (« sous-cadencement ») divise généralement par deux les performances du processeur et réduit la chaleur dissipée . Inversement, certains cherchent à augmenter les performances d'un processeur en remplaçant le quartz par un quartz de fréquence plus élevée (« surcadencement »). Cependant, le surcadencement est limité par le temps de stabilisation du processeur après chaque impulsion et par la chaleur supplémentaire générée.
Après chaque impulsion d'horloge, les lignes de signal à l'intérieur du processeur ont besoin de temps pour se stabiliser dans leur nouvel état. Autrement dit, chaque ligne de signal doit avoir terminé sa transition de 0 à 1, ou de 1 à 0. Si l'impulsion d'horloge suivante survient avant, les résultats seront incorrects. Lors de ces transitions, une partie de l'énergie est dissipée sous forme de chaleur (principalement au sein des transistors de commande). Lors de l'exécution d'instructions complexes impliquant de nombreuses transitions, plus la fréquence d'horloge est élevée, plus la chaleur produite est importante. Une chaleur excessive peut endommager les transistors.
Il existe également une limite inférieure de la fréquence d'horloge, sauf si un cœur entièrement statique est utilisé.
Jalons historiques et records actuels
Le premier ordinateur numérique entièrement mécanique, le Z1 , fonctionnait à une fréquence d'horloge de 1 Hz (cycle par seconde), tandis que le premier ordinateur électromécanique à usage général, le Z3 , fonctionnait à une fréquence d'environ 5 à 10 Hz. Le premier ordinateur électronique à usage général, l' ENIAC , utilisait une horloge de 100 kHz dans son unité de cyclage. Chaque instruction nécessitant 20 cycles, sa fréquence d'exécution était de 5 kHz.
Le premier PC commercial, l' Altair 8800 (de MITS), utilisait un processeur Intel 8080 cadencé à 2 MHz (2 millions de cycles par seconde). Le premier IBM PC (vers 1981) avait une fréquence d'horloge de 4,77 MHz (4 772 727 cycles par seconde). En 1992, Hewlett-Packard et Digital Equipment Corporation (DEC) ont tous deux dépassé les 100 MHz grâce à l'architecture RISC , respectivement avec les PA-7100 et AXP 21064 DEC Alpha . En 1995, la puce Intel Pentium P5 fonctionnait à 100 MHz (100 millions de cycles par seconde). Le 6 mars 2000, AMD a franchi le cap des 1 GHz, quelques jours avant qu'Intel ne commercialise des systèmes cadencés à 1 GHz. En 2002, le processeur Intel Pentium 4 a été lancé comme le premier processeur cadencé à 3 GHz (trois milliards de cycles par seconde, soit environ 0,33 nanoseconde par cycle). Depuis, la fréquence des processeurs commercialisés a progressé plus lentement, les gains de performance étant dus à d'autres modifications de conception.
Établi en 2011, le record du monde Guinness de la fréquence d'horloge la plus élevée pour un processeur est de 8,42938 GHz, avec une puce AMD FX-8150 Bulldozer overclockée et refroidie par un bain cryogénique d'hélium liquide/azote liquide (LHe / LN2) , à 5 GHz par refroidissement à air . Ce record a été battu par le record d' overclocking de CPU-Z , qui a atteint 8,79433 GHz avec une puce AMD FX-8350 Piledriver refroidie par LN2 , en novembre 2012. Il a également été battu par le processeur AMD FX-8370, légèrement moins rapide, overclocké à 8,72 GHz et qui domine le classement des fréquences d'horloge boost le plus élevé sur un processeur de production est l' i9-14900KS , cadencé à 6,2 GHz, qui a été lancé au premier trimestre 2024.
Recherche
Les ingénieurs continuent de trouver de nouvelles façons de concevoir des processeurs qui atteignent leur température de fonctionnement plus rapidement ou consomment un peu moins d'énergie par transition, repoussant ainsi les limites et permettant de créer de nouveaux processeurs fonctionnant à des fréquences d'horloge légèrement supérieures. Les limites ultimes de la consommation d'énergie par transition sont explorées dans le domaine du calcul réversible .
Le premier processeur entièrement réversible, le Pendulum, a été mis en œuvre à l'aide de transistors CMOS standard à la fin des années 1990 au Massachusetts Institute of Technology.
Les ingénieurs continuent de développer de nouvelles méthodes pour concevoir des processeurs capables d'exécuter davantage d'instructions par cycle d'horloge, réduisant ainsi le nombre de cycles par instruction ( CPI ), même à une fréquence d'horloge identique ou inférieure à celle des anciens processeurs. Ce résultat est obtenu grâce à des techniques architecturales telles que le pipeline d'instructions et l'exécution hors séquence, qui exploitent le parallélisme au niveau des instructions .
Comparer
La fréquence d'horloge seule est généralement considérée comme une mesure imprécise des performances pour comparer différentes familles de processeurs. Les benchmarks logiciels sont plus pertinents. La fréquence d'horloge peut parfois être trompeuse, car la quantité de travail qu'un processeur peut effectuer en un cycle varie. Par exemple, les processeurs superscalaires peuvent exécuter plusieurs instructions par cycle (en moyenne), mais il n'est pas rare qu'ils en exécutent moins. De plus, les processeurs sous-scalaires ou l'utilisation du parallélisme peuvent également affecter les performances de l'ordinateur, indépendamment de la fréquence d'horloge.