Taktsagedus

Taktsagedus on protsessori töökiirust iseloomustav suurus, täpsemalt taktgeneraatori tekitatud impulsside arv sekundis. Taktsagedust mõõdetakse hertsides.
Taktgeneraator tekitab kindla perioodiga stabiilse nelinurklaine ja on tavaliselt teostatud kristallostsillaatori abil. 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 ainult taktsagedus, vaid ka protsessori poolt ühe tsükli jooksul täidetavate käskude arv, 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 ning teine ühe takti jooksul, siis tegelikult töötavad protsessorid praktiliselt võrdse jõudlusega.
Üks taktitsükkel on tänapäevastes protsessorites tavaliselt lühem kui 1 nanosekund ja taktsagedus vastavalt enam kui 1 gigaherts.
Ajalugu.
Mikroarvutite varases ajaloos pole taktsagedus enamasti olnud eri mudelite vahel varieeruv. Igale 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 enamasti omavahel ei konkureerinud (v.a Z-80 ja 8086, millel oli sama taktsagedus), siis tootjate turundusväljalasetes taktsagedustele pigem tähelepanu ei pööratud.
Tarbijate jaoks muutus taktsagedus olulisemaks uuemate arvutipõlvkondade ilmumisega, mille taktsagedused olid suuremad kui 4,77 MHz. Osal nendest arvutitest oli võimalik taktsagedust muuta arvuti esipaneelil asuva lüliti abil (nn turbonupp), mis alandas protsessori taktsagedust, see oli tarvilik suurendamaks ühilduvust vanema tarkvaraga (eriti mängudega), 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 oli Intelil, kel õnnestus protsessori 268 taktsagedust toote eluaja jooksul suurendada 25 MHz-ni.
1990. aastate alguseks reklaamis enamik tootjaid oma arvutite jõudlust eelkõige viidates protsessori taktsagedusele. See viis aga 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 oli samal ajal taktsagedusega 100 MHz. See veidi suurem arv ei omanud aga praktikas suurt tähtsust, sest mikroprotsessorid PowerPC 601 ja Pentium kasutasid erinevaid käsustikke ja olid erineva mikroarhitektuuriga.
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 töötasid umbes poole väiksemal taktsagedusel kui reaalsuses pea ekvivalentne protsessor Pentium 4. Alates 2007. aastast on jõudlus suurenenud peamiselt pigem tänu arengutele andmetöötluskonveierites ja 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) töötas sagedusel 4,77 MHz (4 772 727 tsüklit sekundis). 1995. aasta Inteli P5-kiip Pentium töötas sagedusel 100 MHz (100 miljonit tsüklit sekundis). 2002. aasta Inteli Pentium 4 oli esimene keskprotsessor, mille taktsagedus oli 3 GHz (ligi ~0,3 10−9 sekundit ühe tsükli jaoks).
Vanemate arvutite taktsagedus jäi kristallostsillaatori sageduse piiresse, selliste protsessorite ülekiirendamiseks tuli emaplaadil kristallostsillaator välja vahetada kiiremal sagedusel töötava vastu. Kristallostsillaatori väljavahetamise vajadus kadus tänu kohandatavate taktgeneraatorite tulekule.
Taktsageduste võrdlemine.
Taktsageduse järgi on kõige mõistlikum võrrelda samasse tooteperre kuuluvaid protsessoreid. Eri tooteperede või tootjate protsessoreid omavahel võrreldes on taktsagedus vaid üks mitmest protsessori jõudlust mõjutavast tegurist. Näiteks IBM PC Intel 80486 protsessoriga taktsagedusel 50 MHz on umbes kaks korda kiirem kui sama riistvaraga arvuti, mis töötab taktsagedusel 25 MHz. Sama olukord ei kehti aga erineva arhitektuuriga MIPS R4000 protsessoril 25 MHz juures. Protsessoreid võrreldes tuleks arvestada lisaks CPU taktsagedusele ka teisi omadusi nagu protsessori andmesiini taktsagedus ja ribalaius, arvuti mälu latentsus 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 praktikas 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 on ränidioksiidkristalli kujul, mis võimaldab genereerida regulaarseid ja stabiilseid signaaliimpulsse, millega juhitakse vooluringide tööd (sarnane näide on metronoom muusika juhtimisel).
Kvartskristalle kasutatakse nende piesoelektriliste omaduste tõttu, kus füüsilise surve avaldamisel tekivad vastastahkudel vastandmärgilised elektrilaengud.
Kristall hakkab voolu all resoneerima, võnkesagedus sõltub kristalli suurusest ja kujust. Üldiselt kehtib reegel, et väiksem ja õhukesem kristall vibreerib kiiremini. Kristalli liikumine on suurusjärgus 68 nm.
Kristallostsillaatori tootmisel viimistletakse kristallitükid õhukesteks lamedataks ketasteks. Mida õhem on ketas, seda suurem on võnkesagedus, ent eksisteerivad ka piirangud, kui õhuke võib ketas olla, ilma et ta murduks – 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 just selliste komponentide abil.