ในการคำนวณอัตราสัญญาณนาฬิกาหรือความเร็วสัญญาณนาฬิกาคือความถี่ที่ตัวสร้างสัญญาณนาฬิกาของโปรเซสเซอร์สามารถสร้างพัลส์ที่ใช้ในการซิงโครไนซ์การทำงานของส่วนประกอบต่างๆ^{[ 1 ]}ใช้เป็นตัวบ่งชี้ความเร็วของโปรเซสเซอร์ อัตราสัญญาณนาฬิกาวัดในหน่วยความถี่SI คือ เฮิรตซ์ (สัญลักษณ์ Hz)

ความเร็วสัญญาณนาฬิกาของคอมพิวเตอร์รุ่นแรกๆ วัดเป็นเฮิรตซ์หรือกิโลเฮิรตซ์ (kHz) ส่วนคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล รุ่นแรกๆ ในช่วงทศวรรษ 1970 ถึง 1980 มีความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่วัดเป็นเมกะเฮิรตซ์ (MHz) ในศตวรรษที่ 21 ความเร็วของซีพียู สมัยใหม่ มักโฆษณาเป็นกิกะเฮิรตซ์ (GHz) หน่วยวัดนี้มีประโยชน์มากที่สุดเมื่อเปรียบเทียบโปรเซสเซอร์ภายในตระกูลเดียวกัน โดยคงคุณสมบัติอื่นๆ ที่อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพไว้ คงที่

โดยทั่วไป ผู้ผลิตโปรเซสเซอร์สมัยใหม่จะคิดราคาสูงกว่าสำหรับโปรเซสเซอร์ที่ทำงานที่ความเร็วสัญญาณนาฬิกาสูงกว่า ซึ่งเป็นแนวปฏิบัติที่เรียกว่าbinningสำหรับ CPU ที่กำหนด ความเร็วสัญญาณนาฬิกาจะถูกกำหนดในตอนท้ายของกระบวนการผลิตผ่านการทดสอบโปรเซสเซอร์แต่ละตัว ผู้ผลิตชิปจะเผยแพร่ข้อกำหนด "ความเร็วสัญญาณนาฬิกาสูงสุด" และพวกเขาจะทดสอบชิปก่อนขายเพื่อให้แน่ใจว่าตรงตามข้อกำหนดนั้น แม้ว่าจะดำเนินการคำสั่งที่ซับซ้อนที่สุดด้วยรูปแบบข้อมูลที่ใช้เวลานานที่สุดในการประมวลผล (การทดสอบที่อุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้าที่ให้ประสิทธิภาพต่ำที่สุด) โปรเซสเซอร์ที่ผ่านการทดสอบว่าสอดคล้องกับชุดมาตรฐานที่กำหนดอาจถูกระบุด้วยความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่สูงกว่า เช่น 3.50 GHz ในขณะที่โปรเซสเซอร์ที่ไม่ผ่านมาตรฐานของความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่สูงกว่า แต่ผ่านมาตรฐานของความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่ต่ำกว่า อาจถูกระบุด้วยความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่ต่ำกว่า เช่น 3.3 GHz และขายในราคาที่ต่ำกว่า^{[ 2 ] [ 3 ]}

อัตราความเร็วสัญญาณนาฬิกาของ CPU โดยปกติจะถูกกำหนดโดยความถี่ของคริสตัลออสซิลเลเตอร์โดยทั่วไปแล้ว คริสตัลออสซิลเลเตอร์จะสร้างคลื่นไซน์ คงที่ ซึ่งเป็นสัญญาณอ้างอิงความถี่ วงจรอิเล็กทรอนิกส์จะแปลงสัญญาณนั้นเป็นคลื่นสี่เหลี่ยมที่ความถี่เดียวกันสำหรับการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัล (หรือเมื่อใช้ตัวคูณ CPUความถี่อ้างอิงของคริสตัลจะเป็นค่าคงที่หลายเท่า) เครือข่ายการกระจายสัญญาณนาฬิกาภายใน CPU จะส่งสัญญาณนาฬิกา นั้น ไปยังทุกส่วนที่ต้องการ ตัวแปลง A/Dมีขา "นาฬิกา" ที่ขับเคลื่อนด้วยระบบที่คล้ายกันเพื่อกำหนดอัตราการสุ่มตัวอย่างสำหรับ CPU ใดๆ การเปลี่ยนคริสตัลด้วยคริสตัลอีกตัวที่สั่นด้วยความถี่ครึ่งหนึ่ง (" underclocking ") โดยทั่วไปจะทำให้ CPU ทำงานที่ประสิทธิภาพครึ่งหนึ่งและลดความร้อนที่เกิดจาก CPU ในทางกลับกัน บางคนพยายามเพิ่มประสิทธิภาพของ CPU โดยการเปลี่ยนคริสตัลออสซิลเลเตอร์ด้วยคริสตัลที่มีความถี่สูงกว่า (" overclocking ") ^{[ 4 ]}อย่างไรก็ตาม ปริมาณการโอเวอร์คล็อกนั้นถูกจำกัดด้วยเวลาที่ CPU จะหยุดทำงานหลังจากแต่ละพัลส์ และด้วยความร้อนที่เพิ่มขึ้น

หลังจากสัญญาณนาฬิกาแต่ละพัลส์ สายสัญญาณภายในซีพียูต้องการเวลาในการปรับตัวให้เข้ากับสถานะใหม่ กล่าวคือ สายสัญญาณแต่ละเส้นต้องเปลี่ยนสถานะจาก 0 เป็น 1 หรือจาก 1 เป็น 0 ให้เสร็จสมบูรณ์ หากสัญญาณนาฬิกาพัลส์ถัดไปมาถึงก่อนหน้านั้น ผลลัพธ์จะผิดพลาด ในกระบวนการเปลี่ยนสถานะนี้ พลังงานบางส่วนจะสูญเสียไปในรูปของความร้อน (ส่วนใหญ่เกิดขึ้นภายในทรานซิสเตอร์ที่ขับเคลื่อน) เมื่อประมวลผลคำสั่งที่ซับซ้อนซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนสถานะหลายครั้ง อัตราความเร็วของสัญญาณนาฬิกาที่สูงขึ้นจะทำให้เกิดความร้อนมากขึ้น ทรานซิสเตอร์อาจเสียหายได้จากความร้อนที่มากเกินไป

นอกจากนี้ยังมีขีดจำกัดล่างของอัตราความเร็วสัญญาณนาฬิกา เว้นแต่จะใช้ แกนประมวลผลแบบคงที่ โดยสมบูรณ์

คอมพิวเตอร์ดิจิทัลเชิงกลเครื่องแรกคือZ1ทำงานที่ความถี่สัญญาณนาฬิกา 1 เฮิรตซ์ (รอบต่อวินาที) และคอมพิวเตอร์อเนกประสงค์แบบอิเล็กโทรเมคานิกเครื่องแรกคือZ3ทำงานที่ความถี่ประมาณ 5–10 เฮิรตซ์ ส่วนคอมพิวเตอร์อเนกประสงค์แบบอิเล็กทรอนิกส์เครื่องแรกคือENIACใช้สัญญาณนาฬิกา 100 กิโลเฮิร์ตซ์ในหน่วยประมวลผล เนื่องจากแต่ละคำสั่งใช้เวลา 20 รอบ จึงมีอัตราการประมวลผลคำสั่งที่ 5 กิโลเฮิร์ตซ์

The first commercial PC, the Altair 8800 (by MITS), used an Intel 8080 CPU with a clock rate of 2 MHz (2 million cycles per second). The original IBM PC (c. 1981) had a clock rate of 4.77 MHz (4,772,727 cycles per second). In 1992, both Hewlett-Packard and Digital Equipment Corporation (DEC) exceeded 100 MHz with RISC techniques in the PA-7100 and AXP 21064 DEC Alpha respectively. In 1995, Intel'sP5Pentium chip ran at 100 MHz (100 million cycles per second). On March 6, 2000, AMD demonstrated passing the 1 GHz milestone a few days ahead of Intel shipping 1 GHz in systems. In 2002, an Intel Pentium 4 model was introduced as the first CPU with a clock rate of 3 GHz (three billion cycles per second corresponding to ~ 0.33 nanoseconds per cycle). Since then, the clock rate of production processors has increased more slowly, with performance improvements coming from other design changes.

Set in 2011, the Guinness World Record for the highest CPU clock rate is 8.42938 GHz with an overclocked AMD FX-8150 Bulldozer-based chip in an LHe/LN2 cryobath, 5 GHz on air.^[5][6] This is surpassed by the CPU-Zoverclocking record for the highest CPU clock rate at 8.79433 GHz with an AMD FX-8350 Piledriver-based chip bathed in LN2, achieved in November 2012.^[7][8] It is also surpassed by the slightly slower AMD FX-8370 overclocked to 8.72 GHz which tops off the HWBOT frequency rankings.^[9][10] These records were broken in 2025 when an Intel Core i9-14900KF was overclocked to 9.12 GHz.^[11]

The highest boost clock rate on a production processor is the i9-14900KS, clocked at 6.2 GHz, which was released in Q1 2024.^[12]

Engineers continue to find new ways to design CPUs that settle a little more quickly or use slightly less energy per transition, pushing back those limits, producing new CPUs that can run at slightly higher clock rates. The ultimate limits to energy per transition are explored in reversible computing.

^{ซีพียูแบบย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์ตัวแรกคือ Pendulum ซึ่ง สร้าง}ขึ้นโดยใช้ทรานซิสเตอร์ CMOS มาตรฐานในช่วงปลายทศวรรษ 1990 ที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

วิศวกรยังคงคิดค้นวิธีการใหม่ๆ ในการออกแบบซีพียูเพื่อให้สามารถประมวลผลคำสั่งได้มากขึ้นต่อรอบสัญญาณนาฬิกา ส่งผลให้ ค่า CPI (รอบสัญญาณนาฬิกาต่อคำสั่ง) ลดลง แม้ว่าความเร็วสัญญาณนาฬิกาอาจจะเท่าเดิมหรือต่ำกว่าซีพียูรุ่นเก่าก็ตาม สิ่งนี้เกิดขึ้นได้จากเทคนิคทางสถาปัตยกรรม เช่นการประมวลผลแบบไปป์ไลน์และการประมวลผลแบบไม่เรียงลำดับซึ่งพยายามใช้ประโยชน์จากความขนานในระดับคำสั่งในโค้ด

ความเร็วสัญญาณนาฬิกาของซีพียูมีประโยชน์มากที่สุดสำหรับการเปรียบเทียบซีพียูในตระกูลเดียวกัน ความเร็วสัญญาณนาฬิกาเป็นเพียงปัจจัยหนึ่งในหลายปัจจัยที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพเมื่อเปรียบเทียบโปรเซสเซอร์ในตระกูลที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น คอมพิวเตอร์ IBM PC ที่ใช้ซีพียูIntel 80486 ทำงานที่ความเร็ว 50 MHz จะเร็วกว่า (เฉพาะภายใน) ประมาณสองเท่าเมื่อเทียบกับเครื่องที่มีซีพียูและหน่วยความจำเดียวกันแต่ทำงานที่ความเร็ว 25 MHz ในขณะที่ผลลัพธ์จะไม่เหมือนกันสำหรับ MIPS R4000 ที่ทำงานที่ความเร็วสัญญาณนาฬิกาเดียวกัน เนื่องจากเป็นโปรเซสเซอร์ที่แตกต่างกันซึ่งใช้สถาปัตยกรรมและไมโครสถาปัตยกรรมที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ บางครั้งมีการวัด "ความเร็วสัญญาณนาฬิกาสะสม" โดยนำจำนวนคอร์ทั้งหมดมาคูณด้วยความเร็วสัญญาณนาฬิการวม (เช่น โปรเซสเซอร์แบบดูอัลคอร์ 2.8 GHz ที่ทำงานที่ความเร็วสะสม 5.6 GHz) ยังมีปัจจัยอื่นๆ อีกมากมายที่ต้องพิจารณาเมื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพของซีพียู เช่น ความกว้างของบัสข้อมูล ของซีพียู ความหน่วงของหน่วยความจำ และสถาปัตยกรรม แคช

โดยทั่วไปแล้ว ความเร็วสัญญาณนาฬิกาเพียงอย่างเดียวถือเป็นมาตรวัดประสิทธิภาพที่ไม่แม่นยำนักเมื่อเปรียบเทียบซีพียูตระกูลต่างๆการทดสอบประสิทธิภาพ ด้วยซอฟต์แวร์ จึงมีประโยชน์มากกว่า ความเร็วสัญญาณนาฬิกาอาจทำให้เข้าใจผิดได้ในบางครั้ง เนื่องจากปริมาณงานที่ซีพียูแต่ละตัวสามารถทำได้ในหนึ่งรอบการทำงานนั้นแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น โปรเซสเซอร์ แบบซูเปอร์สเกลาร์สามารถประมวลผลคำสั่งได้มากกว่าหนึ่งคำสั่งต่อรอบการทำงาน (โดยเฉลี่ย) แต่ก็ไม่ใช่เรื่องแปลกที่พวกมันจะทำงานได้ "น้อยกว่า" ในหนึ่งรอบการทำงาน นอกจากนี้ ซีพียูแบบซับสเกลาร์หรือการใช้การประมวลผลแบบขนานก็อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ได้โดยไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วสัญญาณนาฬิกา