Velocidad de reloj

En informática, la velocidad de reloj o velocidad de reloj normalmente se refiere a la frecuencia a la que el generador de reloj de un procesador puede generar pulsos, que se utilizan para sincronizar las operaciones. de sus componentes, y se utiliza como indicador de la velocidad del procesador. Se mide en la unidad SI de frecuencia hertz (Hz).

La frecuencia de reloj de la primera generación de computadoras se medía en hercios o kilohercios (kHz), las primeras computadoras personales (PC) que llegaron durante las décadas de 1970 y 1980 tenían frecuencias de reloj medidas en megahercios (MHz), y en el siglo XXI siglo, la velocidad de las CPU modernas se anuncia comúnmente en gigahercios (GHz). Esta métrica es más útil cuando se comparan procesadores dentro de la misma familia, manteniendo constantes otras características que pueden afectar el rendimiento.

Factores determinantes

Agrupar

Los fabricantes de procesadores modernos suelen cobrar precios superiores por los procesadores que funcionan a velocidades de reloj más altas, una práctica denominada agrupamiento. Para una CPU determinada, las velocidades de reloj se determinan al final del proceso de fabricación mediante pruebas reales de cada procesador. Los fabricantes de chips publican una "frecuencia de reloj máxima" especificación, y prueban los chips antes de venderlos para asegurarse de que cumplan con esa especificación, incluso cuando ejecutan las instrucciones más complicadas con los patrones de datos que tardan más en establecerse (probando a la temperatura y voltaje que ejecuta el rendimiento más bajo). Los procesadores cuya conformidad con un conjunto determinado de estándares se haya probado con éxito se pueden etiquetar con una frecuencia de reloj más alta, por ejemplo, 3,50 GHz, mientras que aquellos que no cumplen con los estándares de la frecuencia de reloj más alta, pero que superan los estándares de una frecuencia de reloj menor, se pueden etiquetar con la frecuencia de reloj menor, por ejemplo, 3,3 GHz, y se vende a un precio más bajo.

Ingeniería

La frecuencia de reloj de una CPU normalmente está determinada por la frecuencia de un cristal oscilador. Por lo general, un oscilador de cristal produce una onda sinusoidal fija, la señal de referencia de frecuencia. Los circuitos electrónicos traducen eso en una onda cuadrada a la misma frecuencia para aplicaciones de electrónica digital (o, al usar un multiplicador de CPU, algún múltiplo fijo de la frecuencia de referencia del cristal). La red de distribución de reloj dentro de la CPU lleva esa señal de reloj a todas las partes que la necesitan. Un convertidor A/D tiene un "reloj" pasador impulsado por un sistema similar para establecer la frecuencia de muestreo. Con cualquier CPU en particular, reemplazar el cristal con otro cristal que oscile a la mitad de la frecuencia ("reducción de reloj") generalmente hará que la CPU funcione a la mitad del rendimiento y reducirá el calor residual producido por la CPU. Por el contrario, algunas personas intentan aumentar el rendimiento de una CPU reemplazando el cristal del oscilador con un cristal de mayor frecuencia ("overclocking"). Sin embargo, la cantidad de overclocking está limitada por el tiempo que tarda la CPU en asentarse después de cada pulso y por el calor adicional generado.

Después de cada pulso de reloj, las líneas de señal dentro de la CPU necesitan tiempo para establecerse en su nuevo estado. Es decir, cada línea de señal debe terminar la transición de 0 a 1, o de 1 a 0. Si el siguiente pulso de reloj llega antes, los resultados serán incorrectos. En el proceso de transición, se desperdicia algo de energía en forma de calor (principalmente dentro de los transistores de conducción). Cuando se ejecutan instrucciones complicadas que provocan muchas transiciones, cuanto mayor sea la frecuencia del reloj, más calor se producirá. Los transistores pueden resultar dañados por el calor excesivo.

También hay un límite inferior de frecuencia de reloj, a menos que se utilice un núcleo totalmente estático.

Hitos históricos y récords actuales

La primera computadora analógica completamente mecánica, la Z1, operaba con una frecuencia de reloj de 1 Hz (ciclo por segundo) y la primera computadora electromecánica de uso general, la Z3, operaba con una frecuencia de alrededor de 5 a 10 Hz. La primera computadora electrónica de propósito general, la ENIAC, usó un reloj de 100 kHz en su unidad de ciclo. Como cada instrucción tomaba 20 ciclos, tenía una velocidad de instrucción de 5 kHz.

La primera PC comercial, la Altair 8800 (de MITS), usaba una CPU Intel 8080 con una velocidad de reloj de 2 MHz (2 millones de ciclos por segundo). La PC IBM original (c. 1981) tenía una frecuencia de reloj de 4,77 MHz (4 772 727 ciclos por segundo). En 1992, tanto Hewlett-Packard como Digital Equipment Corporation rompieron el difícil límite de 100 MHz con técnicas RISC en el PA-7100 y AXP 21064 DEC Alpha respectivamente. En 1995, el chip Pentium P5 de Intel funcionaba a 100 MHz (100 millones de ciclos por segundo). El 6 de marzo de 2000, AMD demostró haber superado el hito de 1 GHz unos días antes de que Intel enviara sistemas de 1 GHz. En 2002, se introdujo un modelo Intel Pentium 4 como la primera CPU con una velocidad de reloj de 3 GHz (tres mil millones de ciclos por segundo que corresponden a ~ 0,33 nanosegundos por ciclo). Desde entonces, la frecuencia de reloj de los procesadores de producción ha aumentado mucho más lentamente, y las mejoras de rendimiento provienen de otros cambios de diseño.

Establecido en 2011, el récord mundial Guinness de la frecuencia de reloj de CPU más alta es de 8,42938 GHz con un chip basado en Bulldozer AMD FX-8150 overclockeado en un baño criogénico LHe/LN2, 5 GHz en el aire. Esto es superado por el récord de overclocking de CPU-Z para la velocidad de reloj de CPU más alta a 8,79433 GHz con un chip basado en AMD FX-8350 Piledriver bañado en LN2, logrado en noviembre de 2012. También es superado por el ligeramente más lento AMD FX-8370 overclockeado a 8,72 GHz, que encabeza las clasificaciones de frecuencia HWBOT. Estos récords se rompieron a fines de 2022 cuando un Intel Core i9-13900K fue overclockeado a 9.01 GHz.

La frecuencia de reloj base más alta en un procesador de producción es el IBM zEC12, con una frecuencia de 5,5 GHz, que se lanzó en agosto de 2012.

Investigación

Los ingenieros continúan encontrando nuevas formas de diseñar CPU que se asienten un poco más rápido o usan un poco menos de energía por transición, superando esos límites y produciendo nuevas CPU que pueden funcionar a velocidades de reloj ligeramente más altas. Los límites últimos de la energía por transición se exploran en la computación reversible.

La primera CPU completamente reversible, Pendulum, se implementó utilizando transistores CMOS estándar a fines de la década de 1990 en el MIT.

Los ingenieros también continúan encontrando nuevas formas de diseñar CPU para que completen más instrucciones por ciclo de reloj, logrando así un recuento de CPI (ciclos o ciclos de reloj por instrucción) más bajo, aunque pueden ejecutarse a la misma frecuencia de reloj o a una menor. como CPU más antiguas. Esto se logra a través de técnicas arquitectónicas como la canalización de instrucciones y la ejecución fuera de orden que intenta explotar el paralelismo del nivel de instrucción en el código.

IBM está trabajando en una CPU de 100 GHz. En 2010, IBM demostró un transistor basado en grafeno que puede ejecutar 100 mil millones de ciclos por segundo.

Comparando

La frecuencia de reloj de una CPU es más útil para proporcionar comparaciones entre CPU de la misma familia. La velocidad del reloj es solo uno de varios factores que pueden influir en el rendimiento cuando se comparan procesadores en diferentes familias. Por ejemplo, una PC IBM con una CPU Intel 80486 funcionando a 50 MHz será aproximadamente el doble de rápida (solo internamente) que una con la misma CPU y memoria funcionando a 25 MHz, mientras que no ocurrirá lo mismo con MIPS R4000 funcionando a la misma velocidad de reloj que los dos son procesadores diferentes que implementan diferentes arquitecturas y microarquitecturas. Además, una "frecuencia de reloj acumulativa" La medida a veces se asume tomando el total de núcleos y multiplicándolo por la velocidad de reloj total (por ejemplo, 2,8 GHz de doble núcleo se considera 5,6 GHz acumulativos del procesador). Hay muchos otros factores a considerar cuando se compara el rendimiento de las CPU, como el ancho del bus de datos de la CPU, la latencia de la memoria y la arquitectura de caché.

La velocidad del reloj por sí sola generalmente se considera una medida imprecisa del rendimiento cuando se comparan diferentes familias de CPU. Los puntos de referencia de software son más útiles. Las velocidades de reloj a veces pueden ser engañosas, ya que la cantidad de trabajo que pueden realizar diferentes CPU en un ciclo varía. Por ejemplo, los procesadores superescalares pueden ejecutar más de una instrucción por ciclo (en promedio), pero no es raro que hagan "menos" en un ciclo de reloj. Además, las CPU subescalares o el uso de paralelismo también pueden afectar el rendimiento de la computadora, independientemente de la velocidad del reloj.