واحد پردازش مرکزی
ساختار و پیاده‌سازی > سرعت ساعت

مقالهٔ اصلی: نرخ کلاک
بیشتر CPUها، مدارهای همگام هستند، به این معنی است که آنها از یک سیگنال ساعت برای هماهنگ‌کردن عملیات متوالی خود استفاده می‌کنند. سیگنال ساعت توسط یک مدار نوسانگر خارجی تولید می‌شود، که تعداد ثابتی از پالس‌ها را در هر ثانیه، به شکل یک موج مربعی متناوب تولید می‌کند. فرکانس پالس‌های ساعت مشخص می‌کند که CPU با چه سرعتی دستورالعمل‌ها را اجرا کند و در نتیجه، با افزایش سرعت ساعت، دستورالعمل‌های بیشتری توسط CPU در هر ثانیه اجرا خواهند شد.
برای اطمینان از عملکرد صحیح پردازنده، باید مدت دورهٔ ساعت، بیشتر از حداکثر زمان مورد نیاز برای منتشر شدن تمام سیگنال‌ها در سرتاسر CPU باشد. با ست کردن طول دورهٔ ساعت به میزان بالاتری از بدترین حالت مدت زمان تأخیر انتشار، می‌توانیم تمام CPU و روشی را که برای انتقال داده برمبنای لبه‌های بالا رونده و پایین روندهٔ سیگنال ساعت استفاده می‌کند، طراحی کنیم. مزیت این کار این است که پردازنده به‌طور چشمگیری ساده‌تر می‌شود؛ هم از نظر طراحی و هم از نظر تعداد اجزا. البته این مشکل نیز وجود دارد که تمام CPU باید منتظر کندترین عناصر خود باشد، حتی اگر بخش‌هایی از CPU بسیار سریع تر باشد. این محدودیت، به میزان زیادی به وسیلهٔ روش‌هایی که موازی‌سازی CPU را افزایش می‌دهند، جبران شده‌است.
با این حال، بهبودهای معماری به تنهایی قادر به حل تمام معایب پردازنده‌های تماماً همگام نیستند. برای مثال، سیگنال ساعت، در معرض تأخیرهای ناشی از هرگونه سیگنال‌های الکتریکی دیگر است. سرعت‌های بالای ساعت در CPUهایی که به‌طور فزاینده پیچیده شده‌اند، باعث می‌شود تا نگه داشتن سیگنال ساعت به شکل هم فاز در تمام بخش‌های واحد، دشوار شود. این امر باعث شده‌است تا در بسیاری از CPUهای جدید، چندین سیگنال ساعت مشابه فراهم شود، تا مانع از این شود که یک سیگنال منفرد آن‌قدر تأخیر پیدا کند که موجب اختلال عملکرد پردازنده شود. مشکل مهم دیگری که به‌دنبال افزایش چشمگیر سرعت ساعت به وجود می‌آید، مقدار گرمایی است که توسط پردازنده آزاد می‌شود. تغییر مداوم ساعت موجب می‌شود تا بسیاری از قطعات، صرف نظر از این‌که آیا در آن لحظه استفاده می‌شوند یا خیر، دچار سوئیچ شوند. به‌طور کلی، قطعه‌ای که در حال سوئیچ است، انرژی بیشتری را در مقایسه با عنصری که در وضعیت بدون تغییر است، مصرف می‌کنند؛ بنابراین، با افزایش سرعت ساعت و در نتیجه افزایش مصرف انرژی پردازنده، نیاز به انتشار گرمای بیشتری از طریق روش‌های خنک کنندهٔ پردازنده است.
یک روش برای مقابله با سوئیچ‌های بی‌مورد، کلاک گیتینگ (Clock Gating) نام دارد که عبارت است از خاموش کردن سیگنال ساعت برای اجزای بلا استفاده (یعنی، عملاً غیرفعال کردن آن‌ها). با این حال، پیاده‌سازی این روش نیز معمولاً دشوار است و استفادهٔ رایجی ندارد، به جز در طراحی‌های بسیار کم‌مصرف. یک طراحی اخیر CPU که قابل ذکر است و از روش کلاک گیتینگ استفادهٔ زیادی می‌کند، پردازندهٔ زنون (Xenon) (که برحسب دستورالعمل‌های پاورپی‌سی شرکت آی‌بی‌ام طراحی شده) در ایکس‌باکس ۳۶۰ است که از این طریق، مصرف انرژی ایکس باکس ۳۶۰ به‌طور چشمگیری کاهش پیدا کرده‌است. شیوهٔ دیگر برای مقابله با بخشی از مشکل سیگنال ساعت سرتاسری، برداشتن سیگنال ساعت به صورت یکپارچه است. اگرچه برداشتن سیگنال ساعت سرتاسری، باعث پیچیده‌تر شدن فرایند طراحی به طرق مختلف می‌شود، با این حال، طراحی‌های ناهمگام (یا بدون ساعت) در مقایسه با طراحی‌های مشابه همگام، برتری قابل توجهی از لحاظ مصرف انرژی و انتشار گرما دارند. اگرچه تا حدودی ناشایع است، اما پردازنده‌هایی تماماً ناهمگام ساخته شده‌اند که از سیگنال ساعت سرتاسری استفاده نمی‌کنند. دو مثال قابل ذکر در این رابطه عبارت‌اند از: AMULET منطبق بر ARM و MIPS R3000 منطبق بر MiniMIPS.
برخی طراحی‌های CPU، به جای این‌که سیگنال ساعت را به صورت کلی حذف کنند، فقط بخش‌هایی از سیستم مورد نظر را ناهمگام می‌کنند، مثلاً از ALUهای ناهمگام همراه با خط تولید سوپراسکالر، برای دستیابی به برخی فواید عملکردی در محاسبات استفاده می‌کنند. اگرچه در مجموع، مشخص نیست که آیا طراحی‌های تماماً ناهمگام می‌توانند در حد قابل مقایسه یا بهتری در مقایسه با طراحی‌های همگام عمل کنند یا خیر، اما مشخص شده‌است که حداقل در محاسبات ریاضی ساده‌تر، کارایی بالاتری دارند. این ویژگی، همراه با برتری آنها در مصرف انرژی و انتشار گرما، آن‌ها را تبدیل به گزینهٔ مناسبی برای کامپیوترهای نهفته کرده‌است.