La gran mayoría de los procesadores de computadora funcionan en función de una frecuencia de reloj. La frecuencia de reloj es una medida de la frecuencia de las oscilaciones del generador de reloj del procesador. Estos pulsos de reloj se utilizan para sincronizar las operaciones del procesador y son un indicador razonable de la velocidad del procesador. En otras palabras, es la velocidad a la que la CPU puede realizar funciones específicas.
La frecuencia del reloj se mide en ciclos por segundo usando el SI une Hertz. Las CPU y GPU modernas generalmente se miden en gigahercios (GHz) o miles de millones de ciclos por segundo. Históricamente, los megahercios (MHz) e incluso los kilohercios (kHz) se han utilizado cuando las velocidades de reloj del procesador eran más bajas.
El reloj no está donde crees que está
Podría pensar que el generador de reloj real utilizado para establecer la velocidad del reloj de una CPU está en la propia CPU. El generador de reloj se encuentra en el conjunto de chips de la CPU en la placa base. El conjunto de chips establece el reloj base. Esto es típicamente exactamente 100MHz. Luego, la CPU establece su velocidad de reloj aplicando un multiplicador al reloj base.
El oscilador central que establece la frecuencia del reloj es un cristal de cuarzo que oscila exactamente a una frecuencia cuando se aplica una carga eléctrica. El uso de un multiplicador significa que es posible cambiar la frecuencia de reloj real de la CPU a voluntad. Esto puede ser útil cuando se trata de ahorrar energía cuando está en ralentí o cuando se trata de aumentar más cuando está bajo carga. El overclocking es el proceso de aumentar manualmente este multiplicador.
Algunas placas base ofrecen un segundo reloj base que puede funcionar a 125 MHz. Esto forma un segundo cristal de cuarzo físico que oscila a un ritmo más rápido. Como era de esperar, esto puede aumentar el rendimiento del sistema, incluso en CPU con un multiplicador bloqueado, porque ahora está cerrado para multiplicar un valor mayor. Desafortunadamente, esto puede causar problemas de estabilidad con otros componentes, ya que básicamente todo asume un reloj base de 100 MHz. Su millaje puede variar, pero esto generalmente no es recomendable.
Permitir límites de velocidad
Los electrones en los circuitos eléctricos pueden viajar bastante rápido, típicamente a dos tercios de la velocidad de la luz. Eso puede parecer rápido, pero hay algunos problemas con las velocidades de reloj en el rango de GHz. A una velocidad de reloj de 5 GHz, el reloj de la CPU oscila una vez cada 0,2 nanosegundos. El límite absoluto de velocidad del universo es la velocidad de la luz en el vacío. La velocidad de la luz es muy rápida, casi 300 millones de metros por segundo. Aún así, en 0,2 nanosegundos, la luz solo viaja 6 centímetros o 2,4 pulgadas.
Ahora, las CPU no son particularmente grandes, pero tienen un tamaño relativamente cercano a los seis centímetros. El camino que tomaría un electrón, más lento que la luz, a través de una CPU no es recto. Esto conduce a problemas de coherencia ya que, con un solo reloj, un lado de la CPU simplemente recibiría el pulso del reloj más tarde. Para combatir eso, las CPU tienen múltiples relojes que están cuidadosamente sincronizados pero cubren un área mucho más pequeña dentro de la CPU general. Esto permite que las CPU modernas de alta velocidad permanezcan sincronizadas.
Agrupación
Las CPU están diseñadas para funcionar a una velocidad de reloj específica. Los fabricantes los venden con una velocidad de reloj garantizada. Los modelos más rápidos casi siempre serán más caros. Incluso sin defectos, las tolerancias de fabricación dan lugar a ligeras variaciones que afectan al rendimiento. Antes de vender cada CPU, se prueba para confirmar sus capacidades. Se clasifica en un "contenedor" de alto rendimiento si puede alcanzar la frecuencia de reloj más alta.
Del mismo modo, las CPU que no alcanzan las velocidades máximas pero pueden alcanzar las velocidades previstas para los niveles de procesador más bajos se clasifican en contenedores de menor rendimiento. Este proceso se denomina "binning" y, por lo general, significa que es probable que las CPU más caras puedan funcionar a velocidades de reloj más altas. Es posible que las CPU de los contenedores inferiores funcionen mejor que su nivel anunciado. Sin embargo, es posible que no puedan superarlo por mucho, ya que normalmente no se colocaron en contenedores más altos.
Sin embargo, no todas las CPU salen perfectas, y los defectos de fabricación pueden simplemente impedir que una CPU funcione. Estos defectos de fabricación a veces pueden ser lo suficientemente pequeños como para que ciertas funciones simplemente se deshabiliten. Por ejemplo, si una CPU tiene una pequeña falla, esto puede impedir que un solo núcleo funcione mientras que el resto de la CPU está bien.
Para vender el producto, el fabricante generalmente deshabilitará las partes afectadas y, si es necesario, para cumplir con un nivel de producto, incluso algunas partes perfectamente funcionales. Esto puede permitir que el fabricante venda lo que era, por ejemplo, una CPU de seis núcleos como una CPU de cuatro núcleos, lo que aún les permite ganar más dinero que simplemente descartar un producto costoso. Por lo general, esto no afecta directamente a la frecuencia del reloj, aunque puede significar que lo que habría sido una CPU del contenedor superior se coloca en un nivel inferior simplemente porque algunas partes estaban deshabilitadas.
Conclusión
La velocidad del reloj es un factor crítico en el rendimiento de la CPU, aunque puede que no sea directamente comparable entre arquitecturas de CPU. La frecuencia de reloj de una CPU en realidad se establece indirectamente. En casi todas las computadoras se usa un reloj base estándar de 100 MHz.
Luego, la CPU establece un multiplicador en este reloj base para obtener su frecuencia de reloj real. Las CPU se venden con una garantía de funcionamiento a una velocidad de reloj específica o inferior. En muchos casos, se pueden llevar más allá mediante el overclocking. Sin embargo, eso a menudo requiere una buena refrigeración, ya que consume más energía y genera más calor.