时钟频率（英语：clock rate，又译：时脉速度）是指同步电路中时钟的基础频率，[1]它以“每秒时钟周期”（clock cycles per second）来度量，量度单位采用SI单位赫兹（Hz）。在电脑领域当中，其一般指的是由处理器中的时钟发生器产生的脉冲信号的频率，该信号用于同步电脑中各部件的工作。时钟频率也被用来作为衡量处理器运行速度的一个指标。[2]在单个时钟周期内（现代电脑中央处理器内的这个时间一般都短于一纳秒）逻辑零状态与逻辑一状态来回切换。 由于发热和电气规格的限制，周期里逻辑零状态的持续时间通常要长于逻辑一状态。
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第一代电脑当中的时钟频率通常以赫兹（Hz）或千赫兹（kHz）的级别来衡量；在20世纪70年代至80年代间面世的个人电脑（PC）当中，时钟频率可达到兆赫兹（MHz）级别；而在21世纪的现代CPU当中，时钟频率通常可达吉赫兹（GHz）的级别。在比较同一系列的处理器时，这是一个较为有用的指标。
时钟频率的限制条件
现代中央处理器（CPU）制造商常为能够在较高的时钟频率下运行的CPU设置更高的定价。就某个单一的CPU来说，时钟频率是在生产环节的最后通过实测测定的。通过了特定测试标准的CPU会被标上这个标准相应的时钟频率，如1.5GHz（十五亿赫）。晶片制造商会给出一个“最高时钟频率”的规范，并且通过在出售晶片之前对它们进行测试，以确保它们符合“最高时钟频率”的规范。测试将执行最复杂的指令，处理最复杂的数据模型确定使用的最长处理时间（测试在最合适的电压和稳定保证CPU在最低性能下运行），保证最高时钟频率时不会发生问题。而当一个CPU没有通过较高时钟频率的级别的测试，但通过了较低一级的测试时，它会被标上一个较低的时钟频率。例如某个CPU未通过1.5GHz时钟频率的测试，却通过了1.33GHz那一级的，它就会被标为1.33GHz，并且售价会低于时钟频率为1.5GHz的CPU。[3][4]
CPU的时钟频率通常是由晶体振荡器的频率决定的。通常来说晶体振荡器产生一个固定的正弦波，称为频率参考信号。然后，特定的电路将其转换为同频率（或是数倍于输入频率）的正弦波，用于驱动数字电路组件。
对某些特定的CPU来说，将时钟频率降低一半（降频），一般来说性能也将降低一半，同时此CPU产生的热量也将减少。
与此相对的，有些人试图提高CPU性能，为此他们尝试让CPU运行在一个较高的时钟频率上（超频）[5]。然而，超频的程度可能会很快受到下面条件的限制：
- 在一个时钟脉冲后，CPU的信号线需要时间在新状态下达到稳定。如果上一个脉冲的信号还没有处理完成，而下一个时钟脉冲来的太快（在所有信号线完成从0到1或者从1到0的转换前），就会产生错误的结果。
- 当信号线从1转换到0状态（也可以是0转换到1状态）时，将会浪费部分能量使之转换为热能（主要是内部驱动晶体管）。当CPU执行复杂指令，由此进行大量的1状态0状态之间的互相转换时，更高的时钟频率将更容易浪费掉能量产生更多的热量。如果产生的热量不能被散热系统及时带走，晶体管将可能因此过热损坏。
处理器同样存在时钟频率的下限，除非使用完全静态逻辑结构设计的处理器内核。
工程师一直在寻找新的方法来设计CPU，使它们性能提高，耗能减少，减少限制条件的影响，使新的CPU能运行在更高的时钟频率上。最终限制条件可能由可逆计算解决。第一个完全可逆计算的CPU,Pendulum,在 1990 年代后期在麻省理工学院使用标准 CMOS 晶体管实现。[6][7][8][9]
同时人们也在寻找另一种新方法来设计CPU，使新CPU与老CPU运行在相同甚至更低的时钟频率，但是新CPU将拥有在每个时钟周期执行更多指令的能力（另见摩尔定律）。
比较
时钟频率是比较在同一家族内的晶片性能的唯一方法。例如，一台PC机配备了50MHz的Intel 486 CPU的电脑，它的性能大约是拥有同样内存、显示装置和CPU但CPU运行在25MHz的另一台电脑的两倍，而如果是一台运行在相同时钟频率的MIPS R4000电脑就不能这样直接比较了，因为它们的处理器、功能和架构是不同的。此外，在比较电脑整体性能的时候还需要考虑很多因素，例如前端总线（"front side bus"，FSB），内存的时钟频率，CPU通用寄存器的数据宽度和机器的一级、二级缓存等。
时钟频率不应该被应用在不同电脑或者不同类处理器家族的比较中。而是应该以软件基准测试的结果作为比较的标准。仅仅考虑时钟频率会让人产生误解，因为不同的处理器在一个周期内能完成的工作是不一样的。例如，精简指令集（RISC）处理器的指令要比复杂指令集（CISC）的简单（但是时钟频率要高）、超标量处理器可以在一个周期内执行多条指令，但是它一个周期没有完成多条指令的情况也不少见。此外除去时钟频率，低标量和并行度都影响了电脑的性能。
历史
首台商业PC，Altair 8800（由MITS制造）使用了一个时钟频率为2MHz（200万次/秒）的Intel 8080 CPU。第一台IBM PC的时钟频率是4.77MHz（4,772,727次/秒）。1995年，Intel's Pentium 晶片达到了100 MHz （1亿次/秒），到了2002年，最快的CPU：Intel Pentium 4 达到了3GHz（三十亿次/秒，相当于每个周期3.3*10-10秒）
在20世纪90年代初期，大多数电脑公司宣传他们的电脑性能主要提及CPU的时钟频率。这导致了各种各样的营销手段，比如说苹果电脑公司决定生产销售时钟频率110MHz的Power Macintosh 8100/110，因此苹果公司可以宣传这台机器是运行速度最快的--因为当时Intel最快的处理器运行在100MHz。但是这是毫无意义的，因为 PowerPC 和 Pentium 处理器的架构完全不同。
在2000年以后，Intel 的老对手，AMD公司使用型号取代频率来推广它的处理器，因为当时Intel的Pentium 4处理器虽然拥有较高频率、但性能却输给相同时脉的其他x86处理器。这个趋势试图降低“兆赫神话”的影响，因CPU的时脉并不能表现出CPU的全部性能。2004年， Intel 公司宣布它也将型号代替频率进行命名，可能是因为消费者将Pentium M移动处理器（它的频率大致相当于 Pentium 4的一半）与 Pentium 4 相混淆了。截至2007年，CPU性能的提高主要通过流水线，指令集和多核心技术的创新来实现，而不是时钟频率的提高（时钟频率的提高受到了CPU功耗下降的限制）。
世界纪录
2022年12月23日，华硕超频团队使用Z790主板，将英特尔13代酷睿i9-13900K超频至9.008GHz，创下时钟频率世界记录，成为世界上首颗时钟频率在9GHz以上的CPU。
参见
参考文献
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