Frecuencia de reloj

En informática , la frecuencia de reloj o velocidad de reloj se refiere típicamente 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, ^[1] y se utiliza como un indicador de la velocidad del procesador. Se mide en la unidad de frecuencia del SI hercio (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 a lo largo de los años 1970 y 1980 tenían frecuencias de reloj medidas en megahercios (MHz), y en el siglo XXI la velocidad de las CPU modernas se publicita 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 .

Los fabricantes de procesadores modernos suelen cobrar precios más altos por los procesadores que funcionan a frecuencias de reloj más altas, una práctica llamada binning . Para una CPU determinada, las frecuencias de reloj se determinan al final del proceso de fabricación mediante pruebas de cada procesador. Los fabricantes de chips publican una especificación de "frecuencia de reloj máxima" y prueban los chips antes de venderlos para asegurarse de que cumplen con esa especificación, incluso cuando ejecutan las instrucciones más complicadas con los patrones de datos que tardan más en establecerse (pruebas a la temperatura y voltaje que brindan el rendimiento más bajo). Los procesadores probados con éxito para cumplir con un conjunto determinado de estándares pueden etiquetarse 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 sí los de una frecuencia de reloj más baja pueden etiquetarse con la frecuencia de reloj más baja, por ejemplo, 3,3 GHz, y venderse a un precio más bajo. ^{[2] [3]}

La frecuencia de reloj de una CPU normalmente está determinada por la frecuencia de un cristal oscilador . Normalmente, un oscilador de cristal produce una onda sinusoidal fija : la señal de referencia de frecuencia. Los circuitos electrónicos la traducen en una onda cuadrada a la misma frecuencia para aplicaciones de electrónica digital (o, cuando se utiliza un multiplicador de CPU , un 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 pin de "reloj" controlado 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 (" underclocking ") 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 oscilador con un cristal de frecuencia más alta (" overclocking "). ^[4] 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 creado.

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 de pasar 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 control). Al ejecutar instrucciones complicadas que causan muchas transiciones, cuanto mayor sea la frecuencia de reloj, más calor se produce. Los transistores pueden dañarse por un calor excesivo.

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

El primer ordenador analógico totalmente mecánico, el Z1 , funcionaba a una frecuencia de reloj de 1 Hz (ciclo por segundo) y el primer ordenador electromecánico de uso general, el Z3 , funcionaba a una frecuencia de unos 5-10 Hz. El primer ordenador electrónico de uso general, el ENIAC , utilizaba un reloj de 100 kHz en su unidad de ciclos. Como cada instrucción tardaba 20 ciclos, tenía una velocidad de instrucción de 5 kHz.

El primer PC comercial, el Altair 8800 (de MITS), utilizaba una CPU Intel 8080 con una frecuencia de reloj de 2 MHz (2 millones de ciclos por segundo). El IBM PC 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 (DEC) superaron los 100 MHz con técnicas RISC en el PA-7100 y el 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 comercializara sistemas de 1 GHz. En 2002, se presentó un modelo Intel Pentium 4 como la primera CPU con una frecuencia de reloj de 3 GHz (tres mil millones de ciclos por segundo, lo que corresponde a ~ 0,33 nanosegundos por ciclo). Desde entonces, la frecuencia de reloj de los procesadores de producción ha aumentado más lentamente, y las mejoras de rendimiento provienen de otros cambios de diseño.

Establecido en 2011, el récord mundial Guinness para la frecuencia de reloj de CPU más alta es de 8,42938 GHz con un chip basado en AMD FX-8150 Bulldozer overclockeado en un criobato LHe / LN2 , 5 GHz en el aire . ^{[5] [6]} Esto es superado por el récord de overclocking de CPU-Z para la frecuencia 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. ^{[7] [8]} También es superado por el AMD FX-8370 ligeramente más lento overclockeado a 8,72 GHz que encabeza la clasificación de frecuencia HWBOT. ^{[9] [10]} Estos récords se rompieron a fines de 2022 cuando un Intel Core i9-13900K fue overclockeado a 9,008 GHz. ^[11]

La frecuencia de reloj base más alta en un procesador de producción es el i9-14900KS , con una frecuencia de reloj de 6,2 GHz, que se lanzó en el primer trimestre de 2024. ^[12]

Los ingenieros siguen encontrando nuevas formas de diseñar CPU que se estabilicen un poco más rápido o que utilicen un poco menos de energía por transición, lo que permite superar esos límites y producir nuevas CPU que puedan funcionar a frecuencias de reloj ligeramente más altas. Los límites definitivos de la energía por transición se exploran en la computación reversible .

La primera CPU totalmente reversible, el Pendulum, se implementó utilizando transistores CMOS estándar a fines de la década de 1990 en el Instituto Tecnológico de Massachusetts. ^{[13] [14] [15] [16]}

Los ingenieros también siguen 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 funcionar a la misma velocidad de reloj o a una menor que las CPU más antiguas. Esto se logra mediante técnicas arquitectónicas como la canalización de instrucciones y la ejecución fuera de orden , que intentan explotar el paralelismo a nivel de instrucción en el código.

La frecuencia de reloj de una CPU es muy útil para proporcionar comparaciones entre CPU de la misma familia. La frecuencia de reloj es solo uno de los varios factores que pueden influir en el rendimiento al comparar procesadores de diferentes familias. Por ejemplo, una IBM PC con una CPU Intel 80486 que funciona a 50 MHz será aproximadamente el doble de rápida (solo internamente) que una con la misma CPU y memoria que funcione a 25 MHz, mientras que lo mismo no será cierto para MIPS R4000 que se ejecuta a la misma frecuencia de reloj, ya que los dos son procesadores diferentes que implementan diferentes arquitecturas y microarquitecturas. Además, a veces se supone una medida de "frecuencia de reloj acumulativa" tomando los núcleos totales y multiplicándolos por la frecuencia de reloj total (por ejemplo, un procesador de doble núcleo de 2,8 GHz que funciona a una frecuencia acumulativa de 5,6 GHz). Hay muchos otros factores a considerar al comparar 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 frecuencia de reloj por sí sola se considera generalmente una medida inexacta del rendimiento cuando se comparan diferentes familias de CPU. Los puntos de referencia de software son más útiles. Las frecuencias de reloj a veces pueden ser engañosas, ya que la cantidad de trabajo que pueden realizar las 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 del paralelismo también pueden afectar el rendimiento de la computadora independientemente de la frecuencia de reloj.