ГЕНЕРАТОР ТАКТОВЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ЦИФРОВОЙ СХЕМЫ Российский патент 2017 года по МПК G06F1/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к генератору тактовых сигналов для цифровой схемы и к связанному с ним способу. В частности, оно относится к новому генератору тактовых сигналов для синхронизации центрального процессора (CPU) компьютера.

Уровень техники

Многие типы цифровых схем используют тактовый сигнал для координации изменений в состоянии различных своих компонентов. Такой тактовый сигнал является обычно цифровым сигналом, реализованным в форме прямоугольного сигнала. В частности, в современных компьютерах микропроцессор снабжается механизмом формирования тактовых импульсов для координации всех вычислительных операций, которые он выполняет. Подъем и/или спад прямоугольного сигнала может сигнализировать о запуске нового набора вычислительных шагов. Частота тактового сигнала может выбираться достаточно низкой для выполнения любого вычислительного шага в одном тактовом цикле, посредством оценки наихудшего сценария для распространения сигнала через микропроцессор.

Обычный механизм формирования тактовых импульсов содержит колеблющийся пьезоэлектрический кристалл, такой как кристаллический кварц. Колебательное напряжение прикладывается параллельно кристаллу для запуска колебаний на его резонансной частоте. Вначале может быть использована суперпозиция некоторого диапазона частот, и этот кристалл будет естественно колебаться на своей резонансной частоте. Сигнал может быть усилен, и часть его может быть использована для продолжения запуска колебаний.

Современные компьютеры снабжены множеством синхронизированных генераторов тактовых импульсов, которые могут работать на различных частотах. Это позволяет выполнять различные команды на различных скоростях. Например, извлечение информации из памяти обычно выполняется при более медленной скорости, чем скорость центрального процессора (CPU). Основной тактовый сигнал для компьютера является сигналом его системного генератора тактовых импульсов, который часто содержит колеблющийся пьезоэлектрический кристалл и располагается на системной плате компьютера. CPU снабжается механизмом формирования тактовых импульсов, который выполнен с возможностью умножения частоты системного тактового сигнала на коэффициент умножения тактовой частоты. Обычно это целочисленный или полуцелый коэффициент. В обычной схеме два контакта микропроцессора в компьютере соединены со схемой генератора, содержащей кварцевый генератор и систему конденсаторов. В качестве альтернативы, некоторые микропроцессоры снабжены внутренними генераторами.

Поскольку генератор тактовых импульсов расположен на процессоре или соединен с процессором, который управляет частотой, с которой процессор выполняет команды, желательно, чтобы частота тактового сигнала формировалась как можно более высокой. Однако генераторы, описанные выше, и, в частности, кристаллические генераторы формируют значительное количество тепла. Чем выше частота, тем больше количество тепла, которое производится и тем больше будет необходимость охлаждать процессор. Более высокие частоты также требуют более высокой мощности для запуска генератора. В этой связи часто существует противоречие между желанием получения более высоких частот, с одной стороны, и уменьшением стабильности процессора и требованием эффективной системы охлаждения, с другой стороны.

Поэтому решение этих проблем является задачей вариантов осуществления данного изобретения.

Раскрытие изобретения

Согласно первому аспекту данного изобретения обеспечивается устройство, содержащее: цифровую схему; и механизм формирования тактовых импульсов, выполненный с возможностью формирования тактового сигнала, отличающееся тем, что механизм формирования тактовых импульсов содержит генератор волн миллиметрового диапазона.

Предпочтительно, генератор волн миллиметрового диапазона позволяет получить тактовые сигналы более высокой частоты, чем частоты, доступные в настоящее время в уровне техники, с формированием в то же время значительно меньшего тепла. Следовательно, цифровая схема может не требовать никакой системы охлаждения, а если она потребуется, то будет достаточно системы охлаждения меньшей, чем требуется в уровне техники. Кроме того, цифровая схема будет более стабильной, чем схемы из уровня техники. Эта конфигурация потребляет меньше энергии, чем конфигурации из уровня техники и, следовательно, может увеличить время действия батарей питания любых портативных устройств, включающих в себя цифровую схему согласно данному изобретению.

Цифровая схема и генератор волн миллиметрового диапазона могут быть выполнены в виде единого компонента или, в качестве альтернативы, в виде отдельных компонентов. В частности, каждый из цифровой схемы и генератора волн миллиметрового диапазона могут быть выполнены в виде отдельных компонентов, каждый из которых установлен на монтажной плате. Монтажная плата может быть системной платой компьютера.

Цифровая схема и генератор волн миллиметрового диапазона могут быть соединены любым подходящим каналом передачи данных. Это позволяет передавать цифровой схеме тактовый сигнал, формируемый генератором волн миллиметрового диапазона. Канал передачи данных может содержать беспроводной канал передачи данных. Такой беспроводной канал передачи данных может содержать передатчик, расположенный на генераторе волн миллиметрового диапазона, и приемник, расположенный на цифровой схеме. В качестве альтернативы, канал передачи данных может содержать физический канал передачи данных. Упомянутый физический канал передачи данных может содержать любые или все из следующих компонентов: коаксиальные кабели, волноводы, волновые резонаторы и разъемы, если это желательно и/или требуется.

Цифровая схема может быть интегральной схемой. Интегральная схема может быть процессором. Процессор может быть центральным процессором компьютера.

Генератор волн миллиметрового диапазона может содержать передатчик сверхвысокой частоты (SHF) или передатчик крайне высокой частоты (EHF). Предпочтительно варианты осуществления, использующие эти передатчики, будут иметь очень низкое излучение тепла и, следовательно, могут не требовать никакой системы охлаждения. Кроме того, такие варианты осуществления позволяют осуществить формирование тактовых сигналов с частотой до приблизительно 300 ГГц, что является значительным улучшением по сравнению с уровнем техники.

В качестве альтернативы, генератор волн миллиметрового диапазона может использовать технологию световых волн. В частности, генератор волн миллиметрового диапазона может содержать передатчик инфракрасного или почти видимого диапазона. Такие варианты осуществления позволяют получить предельно высокие частоты тактового сигнала до приблизительно 400 ТГц. Для таких вариантов осуществления устройство может дополнительно содержать средство охлаждения, если это желательно.

Генератор волн миллиметрового диапазона может работать в условиях, близких к вакууму. Предпочтительно это может снизить любую внешнюю интерференцию.

Цифровая схема может содержать одно или более сверхоперативных запоминающих устройств. Упомянутые сверхоперативные запоминающие устройства могут содержать оперативное запоминающее устройство (RAM). Предпочтительно сверхоперативные запоминающие устройства содержат энергонезависимую память. Предпочтительно это обеспечивает защиту от потерь энергии и/или бросков питания. Энергонезависимые сверхоперативные запоминающие устройства могут содержать магниторезистивную память с произвольной выборкой (MRAM) и/или технологию спинтроники.

Устройство может дополнительно содержать шину данных. Шина данных может быть соединена с цифровой схемой. Предпочтительно это позволяет соединять цифровую схему с любыми другими компонентами компьютера. Шина данных может содержать любую подходящую технологию передачи данных цифровой схеме и/или от цифровой схемы. Подходящие современные технологии передачи данных цифровой схеме и/или от цифровой схемы включают в себя, не ограничиваясь, следующее: технологию Infiniband EDR/HDR/NDR, технологию оптической системы зоны прямой видимости или технологию кодов Морзе на инфракрасной длине волны.

Устройство может содержать экранирующее средство. Экранирующее средство может быть выполнено с возможностью экранирования устройства от внешних источников волн миллиметрового диапазона. В качестве дополнения или альтернативы, экранирующее средство может быть выполнено с возможностью экранирования внешних объектов от излучений волн миллиметрового диапазона, происходящих из генератора волн миллиметрового диапазона.

Согласно второму аспекту данного изобретения обеспечивается компьютер, содержащий системную плату и устройство согласно первому аспекту данного изобретения, в котором и генератор волн миллиметрового диапазона, и цифровая схема установлены на системной плате, и цифровая схема образует центральный процессор компьютера.

Компьютер согласно второму аспекту данного изобретения может включать в себя любые или все признаки цифровой схемы согласно первому аспекту данного изобретения, если это желательно или уместно.

Предпочтительно цифровая схема согласно первому аспекту данного изобретения позволяет компьютеру работать при значительно более высоких тактовых частотах, чем тактовые частоты компьютеров из уровня техники.

Генератор волн миллиметрового диапазона может обеспечивать тактовый сигнал для центрального процессора. Предпочтительно генератор волн миллиметрового диапазона также обеспечивает основной тактовый сигнал для компьютера. Предпочтительно при такой конфигурации центральный процессор не требует дополнительного механизма формирования тактовых импульсов. Следовательно, для работы центрального процессора требуется меньше энергии и время действия батареи питания компьютера может значительно увеличиться. Кроме того, формируется меньше тепла и, следовательно, потребуется меньшее охлаждение, или охлаждения совсем не потребуется, и центральный процессор может быть меньше. Генератор волн миллиметрового диапазона, следовательно, позволяет осуществить скорости обработки более высокие, чем скорости обработки, доступные в настоящее время в уровне техники.

Предпочтительно цифровая схема и генератор волн миллиметрового диапазона образуются как отдельные компоненты и располагаются в различных областях системной платы.

Предпочтительно генератор волн миллиметрового диапазона является достаточно отделенным от центрального процессора, чтобы не быть в тепловом контакте с ним. Предпочтительно это дополнительно снижает необходимость регулирования температуры центрального процессора системой охлаждения.

Цифровая схема и генератор волн миллиметрового диапазона могут быть соединены любым подходящим каналом передачи данных. Это позволяет передавать цифровой схеме тактовый сигнал, формируемый генератором волн миллиметрового диапазона. Канал передачи данных может содержать беспроводной канал передачи данных. Такой беспроводной канал передачи данных может содержать передатчик, расположенный на генераторе волн миллиметрового диапазона, и приемник, расположенный на цифровой схеме. В качестве альтернативы, канал передачи данных может содержать физический канал передачи данных. Упомянутый физический канал передачи данных может содержать любые из следующих компонентов или все следующие компоненты: коаксиальные кабели, волноводы, волновые резонаторы и разъемы.

Центральный процессор может содержать одно или более сверхоперативных запоминающих устройств. Упомянутые сверхоперативные запоминающие устройства могут содержать оперативное запоминающее устройство (RAM). Предпочтительно сверхоперативные запоминающие устройства содержат энергонезависимую память. Предпочтительно это обеспечивает защиту от потерь энергии и/или бросков питания. Энергонезависимые сверхоперативные запоминающие устройства могут содержать магниторезистивную память с произвольной выборкой (MRAM) и/или технологию спинтроники.

Устройство может дополнительно содержать шину данных. Шина данных может быть соединена с цифровой схемой. Предпочтительно это позволяет соединять цифровую схему с любыми другими компонентами компьютера. Шина данных может содержать любую подходящую технологию передачи данных цифровой схеме и/или от цифровой схемы. Подходящие современные технологии передачи данных цифровой схеме и/или от цифровой схемы включают в себя, но не ограничены этим, следующее: технологию Infiniband EDR/HDR/NDR, технологию оптической системы зоны прямой видимости или технологию кодов Морзе на инфракрасной длине волны.

Компьютер может содержать экранирующее средство. Экранирующее средство может быть выполнено с возможностью экранирования по меньшей мере части компьютера от внешних источников волн миллиметрового диапазона. В качестве дополнения или альтернативы, экранирующее средство может быть выполнено с возможностью экранирования внешних объектов от излучений волн миллиметрового диапазона, происходящих из генератора волн миллиметрового диапазона.

Компьютер может содержать любые комбинации известных элементов компьютера, что очевидно специалистам в данной области техники.

Согласно третьему аспекту данного изобретения обеспечивается компьютер, содержащий системную плату, центральный процессор и механизм формирования тактовых импульсов, причем каждый из центрального процессора и механизма формирования тактовых импульсов устанавливается на системную плату, отличающийся тем, что механизм формирования тактовых импульсов содержит генератор волн миллиметрового диапазона и является достаточно отделенным от центрального процессора, чтобы он не был в тепловом контакте с ним.

Компьютер согласно третьему аспекту данного изобретения может включать в себя любые или все признаки цифровой схемы согласно первому аспекту данного изобретения или компьютер согласно второму аспекту данного изобретения, если это желательно или уместно.

Такая конфигурация снижает необходимость регулирования температуры центрального процессора системой охлаждения.

Осуществление изобретения

Чтобы изобретение было более понятно, его варианты осуществления теперь дополнительно описаны ниже, в качестве примера, со ссылкой на сопровождающие чертежи, где:

Фиг.1 показывает схематическое изображение системной платы компьютера из уровня техники; и

Фиг.2 показывает схематическое изображение системной платы компьютера согласно данному изобретению.

Обращаясь к Фиг.1, компьютер из уровня техники обычно содержит системную плату 100, на которую устанавливаются среди других компонентов системный тактовый генератор 101 и центральный процессор (CPU) 102.

Системный тактовый генератор 101 обычно содержит кристаллический кварц и выполнен с возможностью формирования системного тактового сигнала и передачи его CPU 102 с помощью канала 103 передачи данных.

CPU 102 содержит механизм 102а формирования тактовых импульсов, расположенный на нем и выполненный с возможностью формирования тактового сигнала обработки, который является кратным системному тактовому сигналу. Например, тактовый сигнал обработки может иметь частоту, которая в два или три раза выше, чем частота системного тактового сигнала. Механизм 102а формирования тактовых импульсов также обычно содержит колебательную систему, такую как кристаллический кварц, которая потребляет энергию и формирует значительное количество тепла. Это снижает стабильность CPU и, следовательно, часто требуется система охлаждения, чтобы гарантировать, что CPU 102 не перегревается. Для высоких скоростей обработки может потребоваться очень эффективная система охлаждения для предотвращения повреждения CPU 102.

Чем быстрее механизм 102а формирования тактовых импульсов колеблется, тем больше тепла формируется. Следовательно, для достижения более высоких скоростей обработки при такой конфигурации из уровня техники потребуется более эффективная система охлаждения.

Со ссылкой на Фиг.2 компьютер согласно данному изобретению содержит системную плату 200, на которую устанавливаются, среди других компонентов, генератор 201 волн миллиметрового диапазона и центральный процессор (CPU) 202.

Генератор 201 волн миллиметрового диапазона выполнен с возможностью формирования системного тактового сигнала и передачи его CPU 202 с помощью канала 203 передачи данных. Тактовый сигнал может использоваться в качестве системного тактового сигнала и тактового сигнала обработки для CPU 202.

Канал 203 передачи данных может содержать любой подходящий канал передачи данных и может быть либо беспроводным, либо физическим. Для вариантов осуществления, использующих физический канал 203 передачи данных, упомянутый физический канал передачи данных может содержать любые или все из следующих компонентов: коаксиальные кабели, волноводы, волновые резонаторы и разъемы.

Предпочтительно генератор 201 волн миллиметрового диапазона позволяет получить тактовые сигналы более высокой частоты, чем частота, доступная в настоящее время в уровне техники, с формированием в то же время значительно меньшего тепла. Следовательно, CPU 202 может не требовать никакой системы охлаждения, а если она потребуется, то будет достаточно системы охлаждения меньшей, чем требуется в уровне техники. Кроме того, CPU 202 будет более стабильным, чем в других конфигурациях. Эта конфигурация потребляет меньше энергии, чем конфигурации из уровня техники и, следовательно, может увеличить время действия батарей питания компьютера, согласно данному изобретению.

Генератор 201 волн миллиметрового диапазона может содержать передатчик сверхвысокой частоты (SHF) или передатчик крайне высокой частоты (EHF). Предпочтительно варианты осуществления, использующие эти передатчики, будут иметь очень низкое излучение тепла и, следовательно, могут не требовать никакой системы охлаждения. Кроме того, такие варианты осуществления позволяют осуществить формирование тактовых сигналов с частотой до приблизительно 300 ГГц, что является значительным улучшением по сравнению с уровнем техники.

В качестве альтернативы, генератор 201 волн миллиметрового диапазона может использовать технологию световых волн. В частности, генератор волн миллиметрового диапазона может содержать передатчик инфракрасного или почти видимого диапазона. Такие варианты осуществления позволяют получить предельно высокие частоты тактового сигнала до приблизительно 400 ТГц. Для таких вариантов осуществления устройство может дополнительно содержать средство охлаждения, если это желательно.

Генератор 201 волн миллиметрового диапазона может работать в условиях, близких к вакууму. Предпочтительно это может снизить любую внешнюю интерференцию.

Предпочтительно генератор 201 волн миллиметрового диапазона является достаточно отделенным от CPU 202, чтобы он не был в тепловом контакте с ним. Предпочтительно это дополнительно снижает необходимость регулирования температуры CPU 202.

Компьютер может содержать экранирующее средство (не показано). Экранирующее средство может быть выполнено с возможностью экранирования по меньшей мере части компьютера от внешних источников волн миллиметрового диапазона. В качестве дополнения или альтернативы, экранирующее средство может быть выполнено с возможностью экранирования внешних объектов от излучений волн миллиметрового диапазона, происходящих из генератора 201 волн миллиметрового диапазона.

Компьютер может содержать любые комбинации известных элементов компьютера, что было бы ясно специалисту в данной области техники.

В частности, CPU 202 может содержать одно или более сверхоперативных запоминающих устройств. Упомянутые сверхоперативные запоминающие устройства могут содержать оперативное запоминающее устройство (RAM). Предпочтительно сверхоперативные запоминающие устройства содержат энергонезависимую память. Предпочтительно это обеспечивает защиту от потерь энергии и/или бросков питания. Энергонезависимые сверхоперативные запоминающие устройства могут содержать магниторезистивную память с произвольной выборкой (MRAM) и/или технологию спинтроники.

CPU 202 может дополнительно содержать шину данных. Шина данных может быть соединена с цифровой схемой. Предпочтительно это позволяет соединять цифровую схему с любыми другими компонентами компьютера. Шина данных может содержать любую подходящую технологию передачи данных цифровой схеме и/или от цифровой схемы. Подходящие современные технологии передачи данных цифровой схеме и/или от цифровой схемы включают в себя, не ограничиваясь, следующее: технологию Infiniband EDR/HDR/NDR, технологию оптической системы зоны прямой видимости или технологию кодов Морзе на инфракрасной длине волны.

Компьютер согласно данному изобретению предлагает несколько преимуществ перед конфигурациями из уровня техники. В частности, компьютер согласно данному изобретению имеет возможную производительность 44,7 терабайт в секунду и способен достигать скоростей вычислений до 400 ТГц. Использование генератора волн миллиметрового диапазона уменьшает излучения тепла и потребление энергии, что, в свою очередь, требует меньшего охлаждения CPU 202. Кроме того, CPU 202 меньше из-за удаления встроенного в процессор механизма формирования тактовых импульсов.

Разумеется, должно быть ясно, что данное изобретение не должно быть ограничено подробностями вышеперечисленных вариантов осуществления, которые были описаны лишь в качестве примера.

Изобретение относится к процессорному устройству и компьютеру. Технический результат заключается в уменьшении количества вырабатываемого тепла и в снижении энергопотребления. Процессорное устройство содержит цифровую схему и механизм формирования тактовых импульсов, выполненный с возможностью выработки тактового сигнала, при этом механизм формирования тактовых импульсов содержит генератор волн миллиметрового диапазона, причем генератор содержит передатчик крайне высокой частоты (EHF). 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Процессорное устройство, содержащее: цифровую схему; и механизм формирования тактовых импульсов, выполненный с возможностью выработки тактового сигнала, отличающееся тем, что механизм формирования тактовых импульсов содержит генератор волн миллиметрового диапазона, причем генератор содержит передатчик крайне высокой частоты (EHF).

2. Устройство по п. 1, в котором цифровая схема и генератор волн миллиметрового диапазона выполнены в виде единого компонента.

3. Устройство по п. 1, в котором цифровая схема и генератор волн миллиметрового диапазона выполнены в виде отдельных компонентов.

4. Устройство по п. 3, в котором цифровая схема и генератор волн миллиметрового диапазона соединены беспроводным каналом передачи данных.

5. Устройство по п. 4, в котором беспроводной канал передачи данных содержит передатчик, расположенный на генераторе волн миллиметрового диапазона, и приемник, расположенный на цифровой схеме.

6. Устройство по п. 3, в котором цифровая схема и генератор волн миллиметрового диапазона соединены физическим каналом передачи данных.

7. Устройство по п. 6, в котором физический канал передачи данных содержит любые или все из следующих компонентов: коаксиальные кабели, волноводы, волновые резонаторы и разъемы.

8. Устройство по п. 1, в котором цифровая схема является интегральной схемой.

9. Устройство по п. 1, причем устройство дополнительно содержит охлаждающее средство.

10. Устройство по п. 1, в котором генератор волн миллиметрового диапазона работает в условиях, близких к вакууму.

11. Устройство по п. 1, в котором цифровая схема содержит одно или более сверхоперативных запоминающих устройств.

12. Устройство по п. 11, в котором сверхоперативные запоминающие устройства содержат оперативное запоминающее устройство (RAM).

13. Устройство по любому из пп. 11 и 12, в котором сверхоперативные запоминающие устройства содержат энергонезависимую память.

14. Устройство по п. 1, причем устройство дополнительно содержит шину данных, соединенную с цифровой схемой.

15. Устройство по п. 1, причем устройство содержит экранирующее средство, выполненное с возможностью экранирования устройства от внешних источников волн миллиметрового диапазона.

16. Устройство по п. 15, в котором экранирующее средство также выполнено с возможностью экранирования внешних объектов от излучений волн миллиметрового диапазона, происходящих из генератора волн миллиметрового диапазона.

17. Компьютер, содержащий системную плату и процессорное устройство по любому из предшествующих пунктов, в котором каждый из генератора волн миллиметрового диапазона и цифровой схемы установлен на системной плате, и цифровая схема образует центральный процессор компьютера.

18. Компьютер по п. 17, в котором генератор волн миллиметрового диапазона обеспечивает тактовый сигнал для центрального процессора.

19. Компьютер по любому из пп. 17 и 18, в котором генератор волн миллиметрового диапазона также обеспечивает основной тактовый сигнал для компьютера.

20. Компьютер по п. 17, в котором цифровая схема и генератор волн миллиметрового диапазона выполнены в виде отдельных компонентов и расположены в различных областях системной платы.

21. Компьютер по п. 20, в котором генератор волн миллиметрового диапазона является достаточно отделенным от центрального процессора, чтобы не быть в тепловом контакте с ним.