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

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Bei integrierten Schaltkreisen wird häufig ein Quarzkristall verwendet, um das Taktsignal zu erzeugen. Dies erreicht jedoch nur Geschwindigkeiten in MHz. Welche Komponente oder welche Schaltung erzeugt Signale bis zu 5 GHz wie bei 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)?

— Markinson
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Warum würden Sie annehmen, dass Quarzkristalle nur Frequenzen bis zu einigen Kilohertz erreichen? In meiner Schublade liegen 27-MHz-Kristalle.

— Bimpelrekkie

Du hast Recht @FakeMoustache, aber ich meinte Kristalle von 1 Gigahertz und höher.

— Markinson

OK, ich habe Quarzoszillatoren bis 150 MHz gesehen, in der Praxis werden bis 50 MHz verwendet. Frequenzen darüber werden mit einer PLL erstellt, wie Wouter erwähnt. Ich arbeite an einem Produkt, bei dem wir eine PLL verwenden, um 25 MHz in 60 GHz umzuwandeln!

— Bimpelrekkie

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Tatsächlich können Quarzoszillatoren leicht bis zu 10 MHz erreichen. Darüber hinaus wird in den meisten Fällen eine PLL (Phase Locked Loop) verwendet, 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 (das Teilen eines Signals durch eine Potenz von 2 ist einfach und absolut genau) und dann mit einem 10-MHz-Oszillator verglichen. Der Vergleich dient zur Einstellung des Hochfrequenzoszillators. Somit wird eine hohe Frequenz mit (fast) der Genauigkeit des niederfrequenten Kristalloszillators erzeugt.

In den meisten Fällen ist die Schaltung, um all dies zu tun, in den Prozessorchip eingebaut, da sie unter Softwaresteuerung konfiguriert werden muss und das Weiterleiten eines solchen Hochfrequenzsignals zwischen Chips ein Albtraum ist.

— Wouter van Ooijen
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Vor 5 Jahren (und wahrscheinlich auch heute noch) haben die meisten Motherboards einen guten, altmodischen 14,318-MHz-Quarz und einen PLL-Chip (Clock Generator), 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 einem anderen PLL-On-Chip auf den GHz-Bereich, wodurch das Problem vermieden wird, den GHz-Takt tatsächlich über eine beliebige Entfernung zu transportieren oder durch die CPU-Pins zu bringen :)

— hobbs

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Zum Schwingen benötigen Sie keinen Kristall. Eine reaktive Komponente wie ein Kondensator oder eine Induktivität mit einem Verstärker kann die Aufgabe übernehmen. 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 Resonanzkomponenten (z. B. Induktivitäten und Kondensatoren in Chips) in ihrer Oszillatorschaltung.

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 Kristall verglichen und dann die Steuerspannung entsprechend eingestellt wird. Ein Beispiel ist eine PLL (Phase Locked Loop), die eine Spannung erzeugt, die proportional zur Phasendifferenz zwischen dem geteilten Hochfrequenztakt und dem Referenztakt ist.

— Patstew
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