为什么说“管道越长，处理器时钟频率越高”

Question

最近在研究Pentium 4的超线程技术。P4的流水线级数很高，据说会提高时钟频率的速度。这怎么可能？

我的参考资料

Answer 1

为了回答这个问题，我们需要了解一些有关基本数字电子学的知识。

让我们首先看一下典型的管道。

我们可以看到，每个管道级后面都有一个存储寄存器（绿色矩形），用于保存每个级的输出。现在，管道的每一级都由一个组合电路组成。组合电路基本上是各种逻辑门的组合，如 NAND、NOR 等。每个逻辑门都有一些延迟，即当您提供一些输入时，需要一些时间才能产生输出（几纳秒到皮秒）。因此，每个阶段的最大延迟取决于该阶段中存在的逻辑门的最长序列。

现在，为了让一个阶段在提供一些输入时产生有效的输出，我们需要为其提供足够的时钟周期。因此，对于具有大型复杂组合电路的级，延迟很高，因此需要较长的时钟周期，因此需要较慢的时钟速率。类似地，对于具有短而简单的组合电路的级，延迟很低，因此需要更短的时钟周期，从而需要更高的时钟速率。

这就是背后的原因，管道越长，处理器时钟频率越高。与较长的流水线一样，各个级被分为更多且更小的子级，这使得流水线中的每个级更简单并且组合电路更短，从而减少了每个级的延迟。这反过来又为更高的时钟速率腾出了空间。