O que gera o sinal de clock em uma CPU rápida e como funciona?

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Freqüentemente, para circuitos integrados, um cristal de quartzo é usado para gerar o sinal do relógio. No entanto, isso só atinge velocidades em MHz. Qual componente, ou qual circuito, gera sinais de até 5 GHz, como nos processadores de computador?

Como é possível aumentar essa velocidade quando você faz overclock em um PC (já que eu não suponho que um cristal acelere quando você coloca uma tensão mais alta nele ou o torna mais frio)?

— Markinson
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Por que você presumiria que os cristais de quartzo atingem apenas frequências de até alguns quilohertz? Eu tenho cristais de 27 MHz na minha gaveta.

— Bimpelrekkie

Você está certo @FakeMoustache, mas eu quis dizer cristais de 1 gigahertz e acima.

— 26415 Markinson

OK, eu vi osciladores de cristal de até 150 MHz, na prática, até 50 MHz são usados. As frequências acima são feitas usando um PLL como Wouter menciona. Eu trabalho em um produto em que usamos um PLL para converter 25 MHz em 60 GHz!

— Bimpelrekkie

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Na verdade, os osciladores de cristal podem facilmente subir 10 MHz. Acima disso, na maioria dos casos, é usado um PLL (Phase Locked Loop), que é um oscilador que não é muito preciso por si só, mas pode ser sintonizado (sua frequência pode ser um pouco ajustada). A frequência deste oscilador de alta frequência é dividida por um fator adequado (dividir um sinal por uma potência de 2 é fácil e totalmente precisa) e, em seguida, comparada a um oscilador de 10 MHz. A comparação é usada para ajustar o oscilador de alta frequência. Assim, é feita uma alta frequência com (quase) a precisão do oscilador de cristal de baixa frequência.

Na maioria dos casos, o circuito para fazer tudo isso é incorporado ao chip do processador, porque ele deve ser configurado sob controle de software e o roteamento de um sinal de alta frequência entre os chips é um pesadelo.

— Wouter van Ooijen
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Era verdade há 5 anos (e provavelmente ainda hoje) que a maioria das placas-mãe possui um bom cristal antiquado de 14,318MHz e um chip gerador de relógio (PLL) que gera outras frequências de barramento como 33MHz (PCI), 48MHz (USB) e uma frequência "FSB" intermediária como 100 ou 200 MHz a partir daí. A CPU então toma a frequência FSB e multiplica-lo até a faixa GHz com outro PLL on-chip, o que evita o problema de realmente transportar o relógio GHz qualquer distância ou obtê-lo através dos pinos de CPU :)

— Hobbs

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Você não precisa de um cristal para oscilar, qualquer componente reativo, como um capacitor ou indutor, com um amplificador pode fazer o trabalho. De fato, um cristal é equivalente a um R, L e C em série, todos em paralelo com um C. A vantagem de um cristal é que a frequência ressonante é muito precisa. Para gerar frequências mais altas, as pessoas usam outros componentes ressonantes (por exemplo, indutores e capacitores dentro dos chips) em seu circuito oscilador.

Em alguns circuitos do oscilador, a frequência pode variar com uma tensão aplicada (VCOs). Eles são usados para gerar altas frequências com precisão, dividindo a frequência de saída e comparando-a com uma fonte precisa de baixa frequência, como um cristal, e ajustando a tensão de controle adequadamente. Um PLL (loop de fase bloqueado) é um exemplo, que gera uma tensão proporcional à diferença de fase entre o relógio de alta frequência dividido e o relógio de referência.

— patstew
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