En informática , la frecuencia 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 indicador de la velocidad del procesador. Se mide en ciclos de reloj por segundo o su equivalente, la unidad SI en hercios (Hz).
La frecuencia de reloj de la primera generación de computadoras se midió en hercios o kilohercios (kHz), las primeras computadoras personales (PC) que llegaron a lo largo de los años setenta y ochenta tenían frecuencias de reloj medidas en megahercios (MHz), y en el siglo XXI 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 . Los fabricantes de tarjetas de video y CPU comúnmente seleccionan sus unidades de mayor rendimiento de un lote de fabricación y establecen su frecuencia de reloj máxima más alta, obteniendo un precio más alto. [ cita requerida ]
Factores determinantes [ editar ]
Binning [ editar ]
Los fabricantes de procesadores modernos suelen cobrar precios superiores por los procesadores que operan 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 la prueba real de cada procesador. Los fabricantes de chips publican una especificación de "frecuencia máxima de reloj" 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 asentarse (pruebas a temperatura y voltaje que ejecuta el rendimiento más bajo). Los procesadores probados con éxito para verificar el cumplimiento de 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 pasan los estándares de una frecuencia de reloj menor pueden etiquetarse con la menor frecuencia de reloj, por ejemplo, 3,3 GHz, y se vende a un precio más bajo. [2]
Ingeniería [ editar ]
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 traducen eso en una onda cuadrada a la misma frecuencia para aplicaciones de electrónica digital (o, al usar 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" impulsado por un sistema similar para establecer la frecuencia de muestreo. Con cualquier CPU en particular, reemplazar el cristal con otro cristal que oscila a la mitad de la frecuencia (" subclocking ") 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 por un cristal de frecuencia más alta (" overclocking "). [3] 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 asentarse 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, algo de energía se desperdicia en forma de calor (principalmente dentro de los transistores de conducción). Al ejecutar instrucciones complicadas que provocan muchas transiciones, cuanto mayor es la frecuencia del reloj, más calor se produce. Los transistores pueden resultar dañados por el calor excesivo.
También hay un límite inferior de la frecuencia de reloj, a menos que se utilice un núcleo completamente estático .
Hitos históricos y registros actuales [ editar ]
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 propósito general, la Z3 , operaba a una frecuencia de aproximadamente 5–10 Hz. La primera computadora electrónica de propósito general, la ENIAC , usó un reloj de 100 kHz en su unidad de ciclo. Como cada instrucción tomó 20 ciclos, tuvo una tasa de instrucción de 5 kHz.
La primera PC comercial, la Altair 8800 (de MITS), utilizó 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 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 alcanzó el hito de 1 GHz unos meses antes que Intel. En 2002, un Intel Pentium 4El modelo se introdujo como la primera CPU con una frecuencia 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, con mejoras de rendimiento derivadas de otros cambios de diseño.
A partir de 2011 [update], el récord mundial Guinness de la frecuencia de reloj de CPU más alta es de 8.42938 GHz en un chip basado en Bulldozer AMD FX-8150 . [4] [5]
A partir de 2012 [update], el récord de CPU-Z para la frecuencia de reloj de CPU más alta es de 8,79433 GHz en un chip basado en AMD FX-8350 Piledriver . [6]
A mediados de 2013 [update], la frecuencia de reloj más alta en un procesador de producción es el IBM zEC12 , con frecuencia de 5,5 GHz, que se lanzó en agosto de 2012.
Investigación [ editar ]
Los ingenieros continúan encontrando nuevas formas de diseñar CPU que se estabilicen un poco más rápido o que usen un poco menos de energía por transición, empujando esos límites hacia atrás, produciendo nuevas CPU que pueden funcionar a velocidades de reloj ligeramente más altas. Los límites últimos de la energía por transición se exploran en computación reversible .
La primera CPU totalmente reversible, el Péndulo, se implementó utilizando transistores CMOS estándar a fines de la década de 1990 en el MIT. [7] [8] [9] [10]
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 o menor frecuencia de reloj que las 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 a 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. [11]
Comparando [ editar ]
La frecuencia de reloj de una CPU es más útil para proporcionar comparaciones entre CPU de la misma familia. La frecuencia de 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 dos veces más rápido (solo internamente) que uno con la misma CPU y memoria funcionando a 25 MHz, mientras que lo mismo no será cierto para MIPS R4000 corriendo a la misma frecuencia de reloj ya que los dos son procesadores diferentes que Implementar diferentes arquitecturas y microarquitecturas. Además, a veces se asume una medida de "frecuencia de reloj acumulativa" tomando los núcleos totales y multiplicándolos por la frecuencia de reloj total (por ejemplo, dos núcleos de 2,8 GHz se consideran 5,6 GHz acumulativos del procesador). 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 generalmente se considera una medida inexacta del rendimiento cuando se comparan diferentes familias de CPU. Las pruebas de rendimiento de software son más útiles. Las velocidades de reloj a veces pueden ser engañosas, ya que varía la cantidad de trabajo que pueden realizar las diferentes CPU en un ciclo. 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 del reloj.
Ver también [ editar ]
- Frecuencias del oscilador de cristal
- Doble velocidad de transmisión de datos
- Tasa de datos cuádruple
- Onda de pulso
- Instrucciones por segundo
- Ley de moore
Referencias [ editar ]
- ^ http://foldoc.org/Clock
- ^ [1] [2]
- ^ Soderstrom, Thomas. "Guía de overclocking, parte 1: riesgos, opciones y beneficios: ¿quién realiza overclocks?" .
El "overclocking" de los primeros procesadores era tan simple - y tan limitado - como cambiar el cristal de reloj discreto ... El advenimiento de los generadores de reloj ajustables ha permitido realizar el "overclocking" sin cambiar partes como el cristal del reloj.
- ^ https://www.guinnessworldrecords.com/world-records/98281-hechhest-clock-frequency-achived-by-a-silicon-processor
- ^ Chiappetta, Marco (23 de septiembre de 2011). "AMD rompe el overclock de 8 GHz con el próximo procesador FX, establece un récord mundial con AMD FX 8350" . HotHardware . Consultado el 28 de abril de 2012 .
- ^ https://valid.x86.fr/records.html
- ^ Michael Frank. "RevComp - El grupo de investigación de computación cuántica y reversible" .
- ^ Michael Swaine. "Regreso al futuro" . Diario del Dr. Dobb. 2004.
- ^ Michael P. Frank. "Computación reversible: un requisito para la supercomputación extrema" .
- ^ Matthew Arthur Morrison. "Teoría, síntesis y aplicación de circuitos lógicos adiabáticos y reversibles para aplicaciones de seguridad" . 2014.
- ^ "IBM detalla el transistor de grafeno más rápido del mundo" . PCWorld . 2010-02-05 . Consultado el 23 de abril de 2019 .
Este artículo se basa en material extraído del Diccionario gratuito de informática en línea antes del 1 de noviembre de 2008 e incorporado bajo los términos de "renovación de licencias" de la GFDL , versión 1.3 o posterior.
