Taktsagedus

Taktsagedus on mikrokiibi töökiirust iseloomustav suurus, täpsemalt taktgeneraatori tekitatud impulsside arv sekundis. Taktsagedust mõõdetakse hertsides.
Taktgeneraator, mis tavaliselt on realiseeritud kristallostsillaatori abil, tekitab kindla perioodiga stabiilse nelinurklaine. Ühe perioodi vältel võib näiteks arvuti protsessor täita ühe käsu või mitu käsku paralleelselt. Samas võib DDR-tüüpi mälu (double data rate memory) ühe perioodi jooksul kaks korda andmeid edastada – nii laine tõusval kui ka langeval serval.
Kuna protsessori jõudlust ei määra taktsagedus üksi, vaid ka see, mitu käsku protsessor ühe tsükli jooksul täita suudab, siis on taktsagedus kasulik ainult samatüübiliste protsessorite võrdlemiseks. Lihtsustatud näide: kui üks protsessor on teisest kaks korda suurema taktsagedusega, kuid esimene protsessor suudab liitmistehte teostada kahe takti jooksul ning teine ühe takti jooksul, siis tegelikult töötavad protsessorid praktiliselt võrdse jõudlusega.
Üks konkreetne taktitsükkel (tavaliselt lühem kui nanosekund tänapäevastes protsessorites) on lülitus, mille tulemuseks on kas loogiline null või loogiline üks.

Ajalugu

Mikroarvutite varasemas ajaloos pole taktsagedus enamasti olnud eri mudelite vahel varieeruv. Igale konkreetsele protsessoritüübile oli harilikult määratud standardne taktsagedus – 1 MHz 6502 mikroprotsessoril põhinevatel arhitektuuridel, näiteks Commodore 64 ja Apple II seeria, 4,77 MHz Z-80 protsessoriga arvutitel ja esimese põlvkonna Intel 8086-l (mida kasutati ka esimeses IBM PC-s), 8 MHz varastel Motorola 68000 arvutitel nagu Macintosh 128k ja Amiga 1000. Kuna eelpool mainitud protsessorite põlvkonnad järgnesid üksteisele ajaliselt kiiresti ja nad enamjaolt ei konkureerinud omavahel (v.a Z-80 ja 8086, millel oli sama taktsagedus), siis tootjate turundusväljalasetes taktsagedustele pigem suuremat tähelepanu ei pööratud.
Tarbijate jaoks muutus taktsagedus olulisemaks omaduseks siis, kui ilmusid uuemad arvutite põlvkonnad, mille taktsagedused olid kiiremad kui 4,77 MHz. Osal nendest arvutitest oli võimalik taktsagedust muuta arvuti esipaneelil asuva lüliti abil (nn turbonupp.) See lüliti tegelikult alandas protsessori taktsagedust, see oli tarvilik suurendamaks ühilduvust vanemate mängude ja tarkvaraga, millel oli raskusi kiirematel sagedustel funktsioneerimisega. Pärast 1982. aastal välja tulnud 6 MHz taktsagedusega 80286 protsessori ja sellele 1985 järgnenud 12 MHz-l töötava 80386 tulekut jäid arvutitootjad püsima taktsagedusel kui lihtsal omadusel esindamaks ostjatele kiiremaid ja kallimaid protsessoreid. Oluline osa on siin Intelil, kellel õnnestus protsessori 268 taktsagedust toote eluaja jooksul suurendada 25 MHz-ni.
1990. aastate alguseks reklaamis enamik arvutifirmadest oma arvutite jõudlust eelkõige viidates protsessori taktsagedusele. See viis aga erinevate turundusnõksudeni, näiteks Apple'i otsus luua ja turustada Power Macintosh 8100 taktsagedusega 110 MHz. See tähendas, et Apple võis kuulutada oma toote kiireima taktsagedusega saadaolevaks arvutiks – kiireim Inteli protsessor samal ajal jooksis 100 MHz-l. See veidi suurem arv ei omanud aga tegelikkuses suurt tähtsust, sest mikroprotsessorid PowerPC 601 ja Pentium kasutasid erinevaid käsustikke ja omasid erinevaid mikroarhitektuure.
Pärast 2000. aastat hakkas Inteli konkurent AMD kasutama toodete turustamiseks taktsageduse asemel mudelite numbreid, põhjuseks AMD protsessorite väiksem taktsagedus Inteli omadega võrreldes. Seda trendi ka edaspidi jätkates üritas AMD kukutada ka nn megahertsimüüti, mis AMD väitel ei seletanud täielikult firma protsessorite jõudlust. Ka Intel kuulutas välja sama teguviisi, ilmselt seoses tarbijate seas tekkinud segadusega Inteli Pentium M protsessorite puhul, mis jooksid umbes poole väiksemal taktsagedusel kui reaalsuses pea ekvivalentne protsessor Pentium 4. Alates 2007. aastast on jõudlus suurenenud peamiselt pigem tänu arengutele andmetöötluskonveierites, käsustikes. Taktsageduse tõusu on toimunud vähem (peamiseks põhjuseks on ebaefektiivne voolukasutus).

Varased arvutid

Esimene kommertsiaalne personaalarvuti, Altair 8800, kasutas Intel 8080 protsessorit taktsagedusega 2 MHz (2 miljonit tsüklit sekundis). Esimene IBM PC (u 1981) omas taktsagedust 4,77 MHz (4 772 727 tsüklit sekundis). 1995. aasta Inteli P5-kiip Pentium töötas sagedusel 100 MHz (100 miljonit tsüklit sekundis). Aastal 2002 tutvustati Inteli Pentium 4, esimest keskprotsessorit, mille taktsagedus oli 3 GHz (ligi ~0,3 10⁻⁹ sekundit kulus ühe tsükli jaoks).
Et vanemate arvutite taktsagedus jäi kristallostsillaatori sageduse piiresse, siis selliste protsessorite ülekiirendamiseks tuli emaplaadil kristallostsillaator välja vahetada sellise vastu, mis töötas kiiremal sagedusel. Kohandatavate taktgeneraatorite tulekuga on aga kristallostsillaatori väljavahetamise vajadus kadunud.

Taktsageduste võrdlemine

Taktsageduse järgi on kõige mõistlikum võrrelda protsessoreid juhul, kui nad kuuluvad samasse tooteperre. Eri tooteperede või eri tootjate protsessoreid omavahel võrreldes on taktsagedus vaid üks mitmest tegurist, mis protsessori jõudlust mõjutavad. Näiteks IBM PC Intel 80486 protsessoriga taktsagedusel 50 MHz on umbes kaks korda kiirem kui sama riistvaraga arvuti, mis jookseb taktsagedusel 25 MHz. Samalaadne olukord ei kehtiks aga MIPS R4000 protsessoril 25 MHz juures, sest antud protsessorid on toodetud kasutades erinevaid arhitektuure. Protsessoreid võrreldes tuleks arvestada lisaks CPU taktsagedusele ka selliseid omadusi nagu protsessori andmesiini taktsagedus ja ribalaius, arvuti mälu latents ja protsessori vahemälu arhitektuur.
Üks võimalus protsessorite jõudlust võrrelda on kasutada jõudlusteste.
Üks põhjustest, miks taktsageduse järgi jõudluse hindamine on eksitav, on see, et erinevad protsessorid suudavad teha erineva hulga tööd ühe tsükli vältel. Näiteks superskalaarsed protsessorid suudavad ühe tsükli jooksul sooritada rohkem kui ühe käsu. Ometi pole aga tavatu, et see keskmine jääb tegelikkuses alla ühe käsu tsükli kohta. Lisaks tuleb arvestada ka selliseid tegureid nagu mitme tuuma olemasolu, mis taas toob jõudlusse drastilisi muutusi, ometi ei kasva taktsagedus märgatavalt (või ei kasva üldse).

Kvartskristallid

Arvuti kiiruse üks põhilisi kontrollivaid komponente on kvartskristalli kasutav kristallostsillaator. Kvarts ise on aga ränidioksiidkristalli kujul. Sellisel kujul suudab kvarts genereerida regulaarseid ja stabiilseid signaaliimpulsse, millega juhitakse vooluringide tööd (sarnane näide on metronoom muusika juhtimisel).
Kasutatakse aga nimelt kvartskristalle seetõttu, et nad on piesoelektrilised (materjali omadus, mis tähendab, et talle füüsilise surve avaldamisel tekivad tema vastastahkudel vastandmärgilised elektrilaengud).
Kristallile voolu andes hakkab kristall resoneerima. Võnkumise sagedus sõltub kristalli suurusest ja kujust. Üldiselt kehtib reegel, et mida väiksem, õhukesem on kristall, seda kiiremini toimub vibreerimine. Kristalli liikumine sealjuures on suurusjärgus 68 nm.
Kristallostsillaatori tootmisel viimistletakse kristallitükid õhukesteks lamedataks ketasteks; mida õhem on ketas, seda suurem võnkesagedus saavutatakse; ent eksisteerivad ka piirangud, kui õhukene võib üks ketas olla, enne kui ta murdub – tüüpiliste ostsillaatorite puhul ligi 50 MHz. Ometi on võimalik saavutada suuremaid sagedusi, kasutades skeeme ja komponente, mis kristalli signaali sünteesivad ja väljastavad signaali mitmekordistatuna. Tänapäevased protsessorikiirused saavutataksegi kasutades just selliseid komponente.