Che cos’è la frequenza di clock?

La frequenza di clock è una delle variabili fondamentali nel campo dell’elettronica e dei sistemi di elaborazione. Rappresenta la velocità con cui un componente elettronico, in particolare un processore, esegue le operazioni. La sua importanza è cruciale in tutte le applicazioni che coinvolgono l’elaborazione di dati: computer, smartphone, sistemi embedded e dispositivi di rete. In questo articolo, per il ciclo “back to basics“, cerchiamo di analizzare nel dettaglio il concetto di frequenza di clock, i principi di base, le unità di misura, l’impatto sulle prestazioni e come influisce sull’efficienza energetica e sulla dissipazione termica.

Definizione di Frequenza di Clock

La frequenza di clock, spesso definita semplicemente come clock speed o clock rate, è la velocità con cui un processore o un componente elettronico svolge i cicli di lavoro. Ogni ciclo di clock rappresenta un intervallo di tempo in cui il dispositivo esegue una parte del suo processo di calcolo, come l’esecuzione di una singola operazione aritmetica, il trasferimento di dati o l’aggiornamento dello stato interno.

L’unità di misura è l’Hertz (Hz), che indica il numero di cicli eseguiti per secondo. Per esempio, una frequenza di 3 GHz sta a significare che il processore esegue 3 miliardi di cicli al secondo. Il valore della frequenza di clock è uno degli indicatori principali delle prestazioni di un processore, anche se non è l’unico elemento determinante. Anzi, da anni il dato relativo alla frequenza di clock è progressivamente passato un po’ in secondo piano. Più avanti spieghiamo il perché.

La frequenza di clock è stata a lungo utilizzata come indicatore principale delle prestazioni di una CPU, soprattutto durante la cosiddetta “guerra dei MHz” tra Intel e AMD nei primi anni 2000. In quel periodo, i produttori puntavano sul marketing per promuovere processori con frequenze sempre più alte, spesso trascurando altri aspetti come l’architettura interna o l’efficienza energetica.

Il segnale di clock

Il clock in un sistema elettronico è un segnale oscillante che fornisce il “tempo” per il funzionamento del componente elettronico. Tale segnale è generato da un componente chiamato oscillatore che produce una sequenza regolare di impulsi elettrici. Ogni impulso rappresenta l’inizio di un nuovo ciclo di clock, sincronizzando tutte le operazioni del sistema. Gli impulsi del clock sono utilizzati per temporizzare l’esecuzione delle istruzioni e per garantire che tutti i componenti del sistema operino in modo sincronizzato.

Nel caso di un processore, ogni ciclo di clock può corrispondere o meno all’esecuzione di una singola istruzione. In ogni caso, la frequenza di clock non deve essere confusa con il numero di istruzioni eseguite, poiché le moderne architetture di processori possono eseguire più operazioni per ciclo di clock grazie al pipelining e ad altre tecniche avanzate. Ne abbiamo parlato nell’articolo su come funziona un processore.

Unità di misura della Frequenza di Clock

Abbiamo detto che la frequenza di clock è misurata in Hertz (Hz), dove 1 Hz corrisponde a un ciclo al secondo. Per esprimere la frequenza di clock, a seconda del componente elettronico preso in esame, si usano i multipli dell’Hertz:

• Kilohertz (kHz): 1.000 cicli al secondo.
• Megahertz (MHz): 1.000.000 cicli al secondo.
• Gigahertz (GHz): 1.000.000.000 cicli al secondo.

Per esempio, un processore che funziona a 3 GHz compie 3 miliardi di cicli di clock al secondo. La crescente capacità di miniaturizzazione dei circuiti integrati ha permesso di raggiungere frequenze di lavoro elevatissime, consentendo miglioramenti significativi nelle prestazioni dei dispositivi elettronici.

L’Intel 4004, introdotto nel 1971, ha rappresentato una svolta epocale nel design dei circuiti integrati. La sua frequenza di clock era di soli 740 kHz ed era basato su 4.500 transistor. L’Intel 8080 del 1974, uno dei primi microprocessori a 8 bit di successo commerciale, raggiungeva 2 MHz di frequenza e disponeva di 4.500 transistor. Lo Zilog Z80 (1976), un altro dei microprocessori storici più rilevanti e influenti, lavorava a 2,5 MHz. Oggi i processori per sistemi desktop e portatili sono formati da miliardi di transistor e hanno una frequenza che spesso supera i 5 GHz.

Bus e Multiplier

La frequenza di clock effettiva di un processore è determinata da due fattori principali: la frequenza del bus di sistema (o front side bus, FSB) e il multiplier (o moltiplicatore). Il multiplier è un valore che indica quante volte la frequenza del bus di sistema deve essere moltiplicata per ottenere la frequenza di clock del processore.

Ad esempio, se il bus di sistema ha una frequenza di 100 MHz e il multiplier è 20, la frequenza di clock del processore sarà di 2 GHz (100 MHz x 20). Questo sistema consente di regolare la velocità del processore rispetto alla velocità del sistema, ottimizzando le prestazioni e riducendo i problemi di sincronizzazione.

Quando un chip è dotato di più core, la frequenza di clock rimane la stessa per ogni core. Ogni core esegue istruzioni in maniera indipendente, quindi la frequenza di clock si riferisce alla capacità di ogni singolo core di completare cicli di esecuzione al secondo.

Un processore con 8 core a 3 GHz può eseguire 8 volte più istruzioni al secondo rispetto a un processore mono-core a 3 GHz, ma la frequenza di clock di ogni core rimane sempre a 3 GHz. Questo significa che ogni core può completare 3 miliardi di cicli di esecuzione al secondo, indipendentemente dal numero totale di core presenti nel processore.

Influenza della Frequenza di Clock sulle prestazioni

La frequenza di clock è un parametro importante nelle prestazioni del processore ma, come abbiamo anticipato nell’introduzione, non è l’unico. A parità di architettura, un processore con una frequenza di clock più alta generalmente è in grado di eseguire più operazioni al secondo rispetto a uno con una frequenza inferiore. Tuttavia, l’aumento della frequenza di clock non porta sempre a un incremento lineare delle performance. Ciò è dovuto a diversi fattori:

• Latenza: La latenza di un’operazione, ovvero il tempo necessario per completarla, non è sempre riducibile semplicemente aumentando la frequenza.
• Colli di bottiglia I/O: L’operazione di trasferimento dati da e verso la memoria e altri dispositivi di input/output (I/O), può diventare un collo di bottiglia limitando i benefici di una maggiore frequenza di clock.
• Architettura del processore: Alcuni processori sono progettati per eseguire più istruzioni per ciclo di clock grazie a tecniche come pipelining, multithreading e out-of-order execution.

L’aumento della frequenza di clock comporta inevitabilmente un aumento del consumo di energia e la necessità di implementare sistemi di dissipazione termica adeguati. Ogni ciclo di clock richiede energia e a frequenze più alte i transistor devono passare più velocemente da uno stato all’altro, generando calore.

L’utilizzo di chip multi-core e l’esecuzione parallela ha reso la frequenza di clock meno importante rispetto al passato. L’implementazione di architetture basate su AI e apprendimento automatico può ottimizzare l’uso della frequenza di clock a seconda delle necessità dello specifico carico di lavoro.

Frequenza di Clock e IPC

Il valore IPC (Instructions Per Cycle) misura quante istruzioni un processore è in grado di eseguire per ogni ciclo di clock. Un alto valore di IPC significa che il processore è in grado di eseguire molte istruzioni in un singolo ciclo di clock, migliorando le prestazioni anche a frequenze di clock più contenute.

Se da un lato la frequenza di clock definisce quante operazioni il processore può tentare di eseguire in un secondo, l’IPC determina quante di queste operazioni sono effettivamente completate per ciclo.

Un processore con una frequenza di clock alta ma un basso IPC non sarà necessariamente più veloce di uno con una frequenza di clock più bassa ma un alto IPC. Un buon equilibrio tra frequenza di clock e IPC è cruciale per le prestazioni complessive.

L’importanza della Frequenza di Clock nei chip moderni

Con l’evoluzione delle architetture e l’introduzione di nuove tecnologie, l’importanza relativa della frequenza di clock si è ampiamente ridotta. Abbiamo già detto che il valore IPC è un fattore cruciale e, in questo contesto, l’utilizzo di più core nel processore (multi-core processing) ha ridotto la dipendenza dalla frequenza di clock.

I chip moderni tendono a suddividere il carico di lavoro tra più core, il che può portare a prestazioni migliori rispetto a un singolo core con una frequenza di clock più alta.

Aumentare la frequenza di clock implica, come abbiamo già evidenziato, un maggiore consumo di energia e una maggiore produzione di calore. Per questo motivo, molte architetture moderne adottano strategie come il dynamic frequency scaling (adattamento dinamico della frequenza) o il Turbo Boost (Intel)/Turbo Core (AMD), che permettono al processore di aumentare la frequenza quando richiesto, ma di abbassarla durante periodi di bassa attività per risparmiare energia e ridurre la necessità di dissipazione termica.

I progressi nelle tecnologie di processo (la battaglia sta passando dai nanometri all’ordine degli angstrom) hanno permesso ai produttori di realizzare chip con un numero maggiore di transistor e una migliore gestione delle prestazioni a frequenze di clock relativamente più basse. Questo significa che la densità dei transistor (la quantità di circuiti che possono essere integrati in un dato spazio) è aumentata, e di conseguenza, i chip possono eseguire più operazioni senza dover aumentare continuamente la frequenza di clock.

Infine, con l’introduzione di GPU sempre più avanzate e dell’accelerazione parallela, i processori moderni sono sempre più orientati a sfruttare il parallelismo anziché dipendere esclusivamente dalla frequenza di clock. Ne parliamo nell’articolo sul perché abbiamo ancora bisogno di CPU se le GPU sono più veloci.

Frequenza di clock: RAM, GPU e SoC

La frequenza di clock non si applica solo ai processori, ma anche ad altri componenti, come RAM, GPU e SoC (System on Chip). Ognuno di questi ha dinamiche proprie in termini di frequenza di clock, che influiscono sul funzionamento, prestazioni e efficienza complessiva.

Nel caso della RAM, la frequenza di clock si riferisce alla velocità con cui i dati possono essere trasferiti tra la memoria e il controller di memoria (integrato nella CPU o nel chipset). In un altro articolo abbiamo visto come scegliere la memoria RAM e quali sono le sue principali caratteristiche.

I moduli RAM DDR (Double Data Rate) sono tra i più comuni nei computer moderni. La frequenza di clock della RAM DDR è misurata in MT/s (Mega Transfers per secondo) e non in Hz, poiché la DDR trasferisce dati due volte per ciclo di clock (sia sul fronte di salita che di discesa del segnale di clock). Le versioni più recenti della DDR, come DDR4 e DDR5, possono raggiungere rispettivamente velocità di clock fino a 3200 MT/s e oltre 8400 MT/s.

I produttori di memorie RAM come Kingston e Corsair hanno già adottato MT/s come unità di misura per le loro specifiche tecniche. Di recente, Microsoft ha deciso di modificare l’unità di misura nel Task Manager di Windows 11 da MHz a MT/s. Il cambiamento in Windows 11 allinea il sistema operativo di Redmond con le pratiche di settore.

Le memorie LPDDR (Low Power DDR) come LPDDR4X e LPDDR5, utilizzate principalmente nei dispositivi mobili, sono progettate per ottimizzare il consumo energetico, pur assicurando alte velocità di trasferimento dati. Questi moduli hanno una frequenza di clock che può arrivare fino a 6400 MT/s in LPDDR5.

Impatto della Frequenza di Clock nelle memorie RAM

Una maggiore frequenza di clock nella RAM consente tempi di accesso più rapidi e una maggiore larghezza di banda, migliorando quindi le prestazioni complessive del sistema, soprattutto con le applicazioni che richiedono un elevato trasferimento di dati.

Tuttavia, la latenza della RAM (CAS latency) è altrettanto importante: una RAM con alta frequenza di clock ma alta latenza potrebbe non portare a un miglioramento significativo delle prestazioni.

Frequenza di Clock della GPU

La GPU ha una frequenza di clock che determina la velocità con cui può elaborare le operazioni grafiche e i calcoli paralleli. A differenza della CPU, che gestisce un numero ridotto di thread, la GPU è progettata per gestire milioni di thread contemporaneamente, con un focus sulle operazioni grafiche e di calcolo parallelo.

La frequenza di clock principale di una GPU, o core clock, è la velocità con cui il nucleo principale della GPU esegue operazioni. La frequenza della memoria o memory clock (spesso più alta rispetto al core clock) si riferisce alla velocità con cui la memoria video (VRAM) scambia dati con la GPU. Una maggiore velocità di clock della memoria contribuisce a ridurre i colli di bottiglia nella gestione dei dati grafici, specialmente nelle applicazioni che richiedono un’ampia larghezza di banda di memoria.

Frequenza di Clock nei SoC (System-on-a-Chip)

Un SoC integra al suo interno una serie di componenti, inclusi CPU, GPU, controller di memoria e altre unità di elaborazione. La frequenza di clock di un SoC dipende da molti fattori, tra cui il tipo di applicazione e il consumo energetico richiesto dal dispositivo.

La frequenza di clock della CPU all’interno di un SoC può variare a seconda del modello. Nei dispositivi mobili, la frequenza di clock della CPU può essere inferiore rispetto a quella di una CPU desktop. Tuttavia, la presenza di più core consente al SoC di gestire operazioni parallele in modo molto più efficiente.

Anche la GPU all’interno di un SoC ha una frequenza di clock che varia a seconda del modello. La frequenza della GPU nei SoC è in genere inferiore rispetto alle GPU discrete, ma comunque sufficiente per gestire applicazioni di grafica mobile, come giochi e interfacce utente avanzate.

I SoC moderni sono progettati per essere altamente efficienti dal punto di vista energetico, in particolare nei dispositivi mobili. La frequenza di clock è regolata dinamicamente in base al carico di lavoro, con una riduzione della frequenza quando il dispositivo non è sotto carico elevato per risparmiare batteria.

Inoltre, l’utilizzo di tecniche come il Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) permette di regolare la frequenza di clock della CPU e della GPU in base alla necessità di prestazioni e al consumo energetico.

Conclusioni

L’importanza della frequenza di clock in termini di parametro fondamentale per valutare le prestazioni dei componenti elettronici, in particolare dei processori, si è molto ridimensionata nel corso degli anni. Mentre in passato la “guerra dei MHz” dominava la scena, oggi la combinazione di frequenza di clock, architettura avanzata, IPC elevato e l’uso di più core ha ridotto la centralità della frequenza come unico indicatore di performance.

Le tecnologie moderne, come il dynamic frequency scaling e l’introduzione di GPU e SoC, hanno spinto verso una gestione più efficiente delle risorse, con un focus sempre maggiore sull’ottimizzazione energetica e termica.

In definitiva, sebbene la frequenza di clock resti comunque rilevante, è il complesso equilibrio tra le varie componenti e i vari fattori che determina le reali prestazioni di un sistema.

Credit immagine in apertura: iStock.com – antoniokhr