En informática , la frecuencia de reloj o velocidad de reloj generalmente 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, [1] y se utiliza como indicador de la velocidad del procesador. . Se mide en la unidad de frecuencia SI hercios (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 las décadas de 1970 y 1980 tenían velocidades de reloj medidas en megahercios (MHz), y en el siglo XXI la velocidad de las CPU modernas se anuncia habitualmente 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 velocidades de reloj más altas, una práctica llamada binning . 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 especificación de "velocidad 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 temperatura y voltaje). que da el menor rendimiento). Los procesadores probados exitosamente para cumplir con un determinado conjunto de estándares pueden etiquetarse con una velocidad de reloj más alta, por ejemplo, 3,50 GHz, mientras que aquellos que no cumplen con los estándares de la velocidad de reloj más alta pero superan los estándares de una velocidad de reloj más baja pueden etiquetarse con el frecuencia de reloj más baja, por ejemplo, 3,3 GHz, y se vende a un precio más bajo. [2] [3]
La velocidad 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 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 pin de "reloj" 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 (" 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 del oscilador por un cristal de mayor frecuencia (" overclocking "). [4] Sin embargo, la cantidad de overclocking está limitada por el tiempo que tarda la CPU en estabilizarse 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 estabilizarse 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, parte de la energía se desperdicia en forma de calor (principalmente dentro de los transistores impulsores). Al ejecutar 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 completamente estático .
La primera computadora analógica completamente mecánica, la Z1 , operó a una frecuencia de reloj de 1 Hz (ciclo por segundo) y la primera computadora electromecánica de propósito general, la Z3 , operó a una frecuencia de aproximadamente 5 a 10 Hz. La primera computadora electrónica de uso general, la ENIAC , utilizó un reloj de 100 kHz en su unidad de ciclo. Como cada instrucción tomó 20 ciclos, tenía una velocidad de instrucción de 5 kHz.
La primera PC comercial, la Altair 8800 (de MITS), utilizaba una CPU Intel 8080 con una frecuencia 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 el AXP 21064 DEC Alpha respectivamente. En 1995, el chip P5 Pentium 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 1 GHz en sistemas. 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, correspondientes a ~ 0,33 nanosegundos por ciclo). Desde entonces, la velocidad 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 velocidad de reloj de CPU más alta es de 8,42938 GHz con un chip overclockeado basado en AMD FX-8150 Bulldozer 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 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. [7] [8] También es superado por el AMD FX-8370, ligeramente más lento y overclockeado a 8,72 GHz, que encabeza la clasificación de frecuencias HWBOT. [9] [10] Estos récords se batieron a finales 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 la del IBM zEC12 , con una frecuencia de 5,5 GHz, que se lanzó en agosto de 2012.
Los ingenieros continúan encontrando nuevas formas de diseñar CPU que se asienten un poco más rápido o usen un poco menos de energía por transición, haciendo retroceder esos límites y produciendo nuevas CPU que pueden funcionar a velocidades de reloj ligeramente más altas. Los límites finales de la energía por transición se exploran en la computación reversible .
La primera CPU totalmente reversible, la Pendulum, se implementó utilizando transistores CMOS estándar a finales de los años 90 en el MIT. [12] [13] [14] [15]
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 funcionar a la misma velocidad o a una velocidad menor que las CPU más antiguas. . Esto se logra mediante técnicas arquitectónicas como la canalización de instrucciones y la ejecución desordenada que intenta explotar el paralelismo a nivel de instrucción en el código.
La frecuencia de reloj de una CPU es más útil para realizar comparaciones entre CPU de la misma familia. La velocidad del reloj es sólo uno de varios factores que pueden influir en el rendimiento al comparar procesadores de diferentes familias. Por ejemplo, una PC IBM con una CPU Intel 80486 funcionando a 50 MHz será aproximadamente el doble de rápida (sólo 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 frecuencia de reloj que los dos son procesadores diferentes que implementan diferentes arquitecturas y microarquitecturas. Además, a veces se supone una medida de "velocidad de reloj acumulativa" tomando el total de núcleos y multiplicándolos por la velocidad de reloj total (por ejemplo, un procesador de doble núcleo de 2,8 GHz que funciona a 5,6 GHz acumulativos). 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 la caché .
Generalmente se considera que la frecuencia de reloj por sí sola es una medida inexacta 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.
El "overclocking" de los primeros procesadores era tan simple (y tan limitado) como cambiar el cristal del reloj discreto... La llegada de los generadores de reloj ajustables ha permitido realizar el "overclocking" sin cambiar partes como el cristal del reloj.