Hay varias formas de generar una frecuencia fija. Los cristales de cuarzo son uno, que utilizan resonancia mecánica para generar una frecuencia fija. También hay otros tipos de resonadores mecánicos, los osciladores cerámicos vienen a la mente, y también hay otras formas de lograr la resonancia y / o la oscilación. De todos modos, los resonadores mecánicos pueden ser muy precisos, con una precisión medida en partes por millón. Sin embargo, no van muy por encima de 100 MHz. Sin embargo, quizás lo más importante es que su frecuencia es fija, mientras que las computadoras pueden cambiar su frecuencia de reloj en el tiempo de ejecución, por ejemplo, por aceleración en función de la frecuencia o la fuente de energía, o simplemente para satisfacer a los overclockers.
También es posible generar frecuencias encadenando componentes puramente eléctricos de tal manera que oscilen. Sin entrar en detalles sobre todas las formas en que puede hacer esto, la forma típica que conozco que puede generar altas frecuencias como estas es encadenar una cantidad impar de inversores juntos. No hay un estado estable, por lo que esto oscilará tan rápido como van los inversores. Una buena característica aquí es que si cambia un poco la tensión de operación o alguna otra característica de los inversores, la frecuencia cambiará. Tal cosa se llama un oscilador controlado por voltaje, o VCO (aunque este es un término más amplio, hay más formas de hacer un VCO; aquí es un ejemplo de un dispositivo que utiliza el método al que me refiero). Un inconveniente es que, debido al proceso de fabricación de IC, realmente no se sabe cuál será la frecuencia, y diferirá mucho entre los dispositivos, según la temperatura, la edad, etc.
Estas dos tecnologías se pueden combinar. La idea básica es que podemos medir la frecuencia que sale del VCO utilizando una frecuencia de referencia de un cristal de cuarzo y luego ajustar la tensión de control del VCO para cambiarla a la frecuencia que queramos. Esto se puede lograr utilizando un bucle de bloqueo de fase (PLL). Específicamente, un PLL intenta hacer que su frecuencia de entrada de realimentación y su fase sean exactamente las mismas que su entrada de referencia. Entonces, ¿cuál es el punto de generar algo que es exactamente lo mismo? Puede colocar cualquier tipo de circuito que desee entre el VCO y la entrada de retroalimentación del PLL, en este caso más notablemente un divisor de frecuencia. Los divisores de frecuencia son fáciles, solo crea un contador que siempre aumenta hasta que alcanza un valor establecido, momento en el que se restablece y cambia el estado del reloj de salida. El PLL intentará hacer que la salida del divisor sea igual que el reloj de referencia, por lo tanto, la salida del VCO debe ser el reloj de referencia multiplicado por el valor del divisor, y hemos terminado.
Si está desconcertado acerca de cómo los inversores pueden ser lo suficientemente rápidos para generar periodos de tiempo tan pequeños, considere que para hacer un procesador realmente necesita poder computar cosas entre dos bordes de reloj. (Si no supiera / comprendiera esto y quisiera aprender más, la "lógica síncrona" sería un buen término de búsqueda). Ese cálculo es mucho más que un par de inversiones, por lo que los VCO siempre podrán sintetizar frecuencias que son útiles como un reloj De hecho, el VCO podría ejecutarse a más de 10 GHz, con el reloj del procesador real dividido desde allí, para poder sintetizar más frecuencias, o simplemente porque ahorra inversores en la cadena del inversor. Actualmente estoy trabajando en un grupo que está desarrollando un IC basado en una tecnología de 60 nm (mucho más antigua que la que se usa en su computadora) y si recuerdo correctamente, la latencia de un inversor es del orden de 0.1 ns.