Kellotaajuus

Kellotaajuus ilmaisee tietotekniikassa, kuinka monta tilanvaihdosta suoritin suorittaa sekunnissa. Kellotaajuuden yksikkö on hertsi. Kellotaajuuden määrää prosessorin kellopiiri, joka tuottaa kellosignaalin. Kellosignaalin tehtävä on tahdistaa mikropiirit sisäisesti ja keskenään.

Kellojakso tarkoittaa kellosignaalin yhtä jaksoa. Kellojakson aikana suoritin siirtyy yhdestä stabiilista tilasta seuraavaan. Kellotaajuuden f ja jaksonajan T välillä vallitsee riippuvuus:

${\displaystyle f={\frac {1}{T}}}$.

Mitä korkeampi kellotaajuus on, sitä enemmän käskyjä suoritin toteuttaa aikayksikössä. Suorittimen kellotaajuudella on siksi suuri vaikutus mikroprosessorin suorituskykyyn. Mikäli muut seikat eivät rajoittaisi suoritusnopeutta, prosessorin tehokkuus olisi suoraan verrannollinen kellotaajuuteen. Kellotaajuuden kasvattaminen ei kuitenkaan nosta koko tietokoneen suorituskykyä näin paljon, jollei tietokoneen kaikkien komponenttien ja liitäntöjen nopeus kasva samassa suhteessa.

Suorittimen tehokkuuteen vaikuttaa voimakkaasti myös prosessorin arkkitehtuuri ja sen kyky rinnakkaistaa suoritusvaiheita. Virheellistä käsitystä, jonka mukaan pelkkä kellotaajuus määrittäisi suorittimen nopeuden, kutsutaan megahertsimyytiksi. Rakenteeltaan erilaisten suorittimien suorituskykyä ei voi luotettavasti vertailla pelkän kellotaajuuden perusteella.

Suorittimen ohella tietokoneen nopeuteen vaikuttavia osia ovat muun muassa prosessoriydinten lukumäärä, väylät, muisti, näytönohjain ja massamuisti. Suoritin tarvitsee muistiväylää ja muistia tietojen lukemiseen ja tallentamiseen, ja siksi niiden hitaus voi muodostua pullonkaulaksi järjestelmän nopeudelle.

Suorittimen tehonkulutuksella ja kellotaajuudella on selkeä riippuvuus: jos samaa piiriä käytetään eri kellotaajuuksilla mutta vakiojännitteellä, piirin tehonkulutuksen dynaaminen osa, joka muodostaa suurimman osan tehonkulutuksesta, kasvaa suoraan verrannollisesti kellotaajuuteen.

Käytännössä kellotaajuuden vaikutus tehonkulutukseen on jyrkempi kuin lineaarinen, koska kellotaajuuden nosto tietyllä teknologialla edellyttää myös käyttöjännitteen nostoa, jotta piiri toimisi luotettavasti.^[1] Tehonkulutus taas kasvaa jännitteen myötä.

Kellotaajuuden kasvaessa kellojakso lyhenee, jolloin signaali etenee yhden jakson aikana lyhyemmän matkan. Kellotaajuuden ollessa 1 GHz jaksonaika on 1 nanosekunti ja signaali ehtii yhden kellojakson aikana kulkea valon nopeudella 0,3 m tyhjiössä. Piirilevyllä sähköinen signaali etenee samassa ajassa ehkä puolet tästä. Tämä tarkoittaa, että 1 GHz taajuudella sähköimpulssi etenee yhden kellojakson aikana piirilevyllä vain 15–20 cm.

Tietokoneiden suorittimien nopeuksia on perinteisesti mainostettu kellotaajuuksilla. Käytäntö on kuitenkin kyseenalainen, koska yhdessä kellojaksossa suoritettavien operaatioiden määrä vaihtelee eri malleissa. Korkealla kellotaajuudella toimivan Intel Pentium 4 -suorittimen tultua markkinoille vuonna 2000 Intelin kilpailija AMD luopui vähitellen megahertsien käytöstä markkinoinnissa, ja Intel on seurannut samaa polkua.