Was erzeugt das Taktsignal in einer schnellen CPU und wie funktioniert es?

Für integrierte Schaltungen wird häufig ein Quarzkristall verwendet, um das Taktsignal zu erzeugen. Allerdings erreicht dieser nur Geschwindigkeiten in MHz. Welche Komponente oder welche Schaltung erzeugt Signale bis zu 5 GHz wie in Computerprozessoren?

Wie ist es möglich, diese Geschwindigkeit zu erhöhen, wenn Sie einen PC übertakten (da ich nicht davon ausgehe, dass ein Kristall schneller wird, wenn Sie eine höhere Spannung an ihn anlegen oder ihn kühler machen)?

Warum nehmen Sie an, dass Quarzkristalle nur Frequenzen bis zu einigen Kilohertz erreichen? Ich habe einen 27-MHz-Quarz in meiner Schublade liegen.
Du hast Recht @FakeMoustache, aber ich meinte Kristalle von 1 Gigahertz und mehr.
OK, ich habe Quarzoszillatoren bis 150 MHz gesehen, in der Praxis werden bis 50 MHz verwendet. Frequenzen darüber werden mit einer PLL hergestellt, wie Wouter erwähnt. Ich arbeite an einem Produkt, bei dem wir eine PLL verwenden, um 25 MHz in 60 GHz umzuwandeln!

Antworten (2)

Tatsächlich können Kristalloszillatoren leicht bis zu 10 MHz erreichen. Darüber hinaus wird in den meisten Fällen ein PLL (Phase Locked Loop) verwendet, das ist ein Oszillator, der an sich nicht sehr genau ist, aber abgestimmt werden kann (seine Frequenz kann etwas angepasst werden). Die Frequenz dieses Hochfrequenzoszillators wird durch einen geeigneten Faktor geteilt (ein Signal durch eine Zweierpotenz zu teilen ist einfach und absolut genau) und dann mit einem, sagen wir, einem 10-MHz-Oszillator verglichen. Der Vergleich wird verwendet, um den Hochfrequenzoszillator einzustellen. Somit wird eine hohe Frequenz mit (fast) der Genauigkeit des Quarzoszillators mit niedrigerer Frequenz erzeugt.

In den meisten Fällen ist die Schaltung für all dies in den Prozessorchip eingebaut. Dies ist so, dass es unter Softwaresteuerung konfiguriert werden kann, und das Routing eines solchen Hochfrequenzsignals zwischen Chips ist ein Albtraum.

Es stimmte vor 5 Jahren (und wahrscheinlich noch heute), dass die meisten Motherboards einen guten altmodischen 14,318-MHz-Quarz und einen Taktgenerator (PLL)-Chip haben, der andere Busfrequenzen wie 33 MHz (PCI), 48 MHz (USB) und erzeugt eine Zwischenfrequenz "FSB" wie 100 oder 200 MHz von dort. Die CPU nimmt dann die FSB-Frequenz und multipliziert sie mit einer anderen PLL auf dem Chip bis in den GHz-Bereich, wodurch das Problem vermieden wird, den GHz-Takt tatsächlich über eine beliebige Entfernung zu transportieren oder durch die CPU-Pins zu bekommen :)

Sie brauchen keinen Kristall, um zu schwingen, jede reaktive Komponente, wie ein Kondensator oder eine Induktivität, mit einem Verstärker kann die Arbeit erledigen. Tatsächlich entspricht ein Kristall einem R, L und C in Reihe, alle parallel zu einem C. Der Vorteil eines Kristalls besteht darin, dass die Resonanzfrequenz sehr genau ist. Um höhere Frequenzen zu erzeugen, verwenden Menschen andere resonante Komponenten (z. B. Induktoren und Kondensatoren in Chips) in ihrem Oszillatorschaltkreis.

Bei einigen Oszillatorschaltungen kann die Frequenz mit einer angelegten Spannung (VCOs) variiert werden. Diese werden verwendet, um hohe Frequenzen genau zu erzeugen, indem die Ausgangsfrequenz geteilt und mit einer genauen Niederfrequenzquelle wie einem Quarz verglichen und dann die Steuerspannung entsprechend angepasst wird. Ein PLL (Phase Locked Loop) ist ein Beispiel, das eine Spannung proportional zur Phasendifferenz zwischen dem geteilten Hochfrequenztakt und dem Referenztakt erzeugt.

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