Taktfrequenz
Was ist die Taktfrequenz?
Die Taktfrequenz ist die Anzahl der Zyklen pro Sekunde, die ein Schaltkreis durchläuft, und wird meist mit der CPU in Verbindung gebracht. Sie wird in Hertz (Hz), also in Zyklen pro Sekunde, gemessen. Je höher die Taktfrequenz, desto höher ist die Verarbeitungsleistung, wenn alle anderen Faktoren gleichbleiben. Die Taktfrequenz wird auch als Taktrate, Kerntakt oder Taktgeschwindigkeit bezeichnet.
Komplexe Schaltungen erfordern ein sorgfältiges Timing, damit sie ordnungsgemäß funktionieren. Der Taktgeber ist ein regelmäßiger Impuls, der dafür sorgt, dass der gesamte Schaltkreis synchron arbeitet. Der Taktgeber ist wie der Ansager in einem Mannschaftsruderboot, der ruft, wann das Team ziehen soll. Je schneller der Rufer die Ruderer anweist zu ziehen, desto mehr Arbeit wird erledigt.
Der Taktgeber ist ein regelmäßiger elektrischer Ein-Aus-Impuls. Jedes Mal, wenn der Impuls von ein zu aus und wieder zurück zu ein geht, ist ein Zyklus. In jedem Zyklus kann der Schaltkreis einen Vorgang ausführen. Obwohl die Taktfrequenz in Hertz gemessen wird, arbeiten moderne Prozessoren im Gigahertz-Bereich, also mit Milliarden von Operationen pro Sekunde.
Die Taktfrequenz wird in der Regel mit Prozessoren in Verbindung gebracht, aber auch andere Komponenten, die integrierte Schaltkreise (ICs) verwenden, verfügen über einen Taktgeber zur Synchronisierung von Vorgängen. Eine diskrete Grafikverarbeitungseinheit (GPU) kann ihre eigene Taktfrequenz haben, die sie erzeugt und verwendet. Der Arbeitsspeicher eines Computers kann mit dem CPU-Takt des Systems synchronisiert sein.
Die Hersteller von Schaltkreisen haben verschiedene Möglichkeiten, den Takt zu erzeugen. In der Vergangenheit wurden Schwingquarze verwendet, um exakte Taktimpulse zu erzeugen, und andere Schaltungen konnten diese Frequenz dann auf die benötigte Geschwindigkeiten multiplizieren. In modernen Hochgeschwindigkeits-CPUs wird ein Referenztakt durch einen Schwingkreis erzeugt. Dieser kann verwendet werden, um die Geschwindigkeit des Front-Side-Busses festzulegen. Ein zusätzlicher Multiplikator wird dann auf den Bustakt angewendet, um den CPU-Kerntakt zu erzeugen.
Neben der Taktfrequenz gibt es viele Variablen, die die Leistung einer CPU beeinflussen können. Daher kann die Taktfrequenz nur bei Prozessoren der gleichen Generation und Familie direkt verglichen werden.
Dynamische Frequenzskalierung
Moderne ICs können ihre Taktfrequenz dynamisch ändern, um sie an die Verarbeitungsanforderungen anzupassen. Anstatt immer mit der maximalen Geschwindigkeit des Prozessors zu arbeiten, können sie auf eine niedrigere Frequenz heruntergehen. Der Betrieb mit einer niedrigeren Geschwindigkeit benötigt weniger Energie und erzeugt weniger Wärme. Das ist unter anderem bei mobilen Geräten wünschenswert, um die Akkulaufzeit zu verlängern. Auch Desktop-Prozessoren profitieren davon, denn sie können überhitzen, wenn sie über längere Zeit mit voller Geschwindigkeit laufen. Intel SpeedStep ist ein Beispiel für diese Technologie.
Neuere Prozessoren können ihre Taktfrequenz auch selektiv erhöhen, um hohe Leistungen zu erbringen oder kleine Lastspitzen zu bewältigen. Dadurch kann der Prozessor für kurze Zeit mit einer höheren Frequenz arbeiten, bis er zu viel Wärme erzeugt und dann wieder gedrosselt werden muss. Bei älteren Systemen mussten alle CPU-Kerne mit der gleichen Boost-Geschwindigkeit arbeiten. Bei den neuen Multicore-Prozessoren kann die Geschwindigkeit jedes Kerns individuell gesteuert werden, was eine größere Granularität der Boost-Leistung ermöglicht. Intel Turbo Boost ist ein Beispiel für eine solche Technologie.
Was ist Übertaktung?
Beim Übertakten wird ein IC mit einer höheren Taktfrequenz als der vom Hersteller angegebenen betrieben. Durch die Übertaktung erzeugt der Prozessor zusätzliche Wärme und benötigt mehr Strom. Die zusätzliche Wärme erfordert möglicherweise Wasserkühlungskomponenten. Wird die Übertaktung zu weit getrieben, wird ein System instabil und kann abstürzen, was zu Blue Screens unter Windows oder Systemabstürzen führt. Einige Prozessoren können höhere Übertaktungsgeschwindigkeiten vertragen als andere, sogar innerhalb desselben Prozessormodells. Das ist als Binning oder Siliziumlotterie bekannt.
Die meisten AMD-Prozessoren können vom Endbenutzer leicht übertaktet werden. Bei den von Intel-CPUs lassen sich nur Enthusiast-Modelle (K-Serie) übertakten. Das Intel Extreme Tuning Utility kann zum Übertakten dieser Chips verwendet werden.
Veranschaulichung der Taktfrequenz
Wenn ein Computer wie ein Auto ist, dann ist die CPU der Motor des Autos. Hier wird die Arbeit erledigt. Die Taktfrequenz der CPU ist wie die Umdrehungen pro Minute (RPM) des Motors. Im Allgemeinen würde man nicht sagen, dass ein Motor mehr Leistung bringt, nur weil er eine höhere maximale Drehzahl hat. In ähnlicher Weise müssen Sie mehr Faktoren als nur die Taktfrequenz berücksichtigen, um zu bestimmen, wie viel Leistung Sie von einer CPU erhalten können.
Die Motordrehzahl steigt und fällt, je nachdem wie viel Leistung benötigt wird. Das spart Benzin und erzeugt weniger Wärme, als wenn der Motor die ganze Zeit mit Vollgas läuft. Das ist so, als würde die CPU ihre Taktfrequenz ändern, um weniger Strom zu verbrauchen und weniger Wärme zu erzeugen.
Einige Enthusiasten modifizieren ihren Motor, verwenden Premium-Kraftstoff oder Zusätze, um ihn über den roten Bereich hinaus mit extrem hoher Drehzahl zu betreiben. Dabei besteht die Gefahr, dass der Motor beschädigt wird. Das ist vergleichbar mit der Übertaktung einer CPU.
