Cosa significa GHz su una CPU? È sempre meglio avere frequenze più alte?

Forse ti sarà capitato di leggere dei valori in GHz riferiti alle CPU di un computer, vediamo cosa indicano e perchè sono importanti

Avvia il remix del 2013 di “Desperado” degli Eagles. Ascolta il ritmo: sono 60 battiti al minuto, o per un ingegnere, 1 Hertz (Hz). “Just Dance” di Lady Gaga è circa il doppio. Sembra veloce, ma Hertz è un’unità di misura piuttosto lenta. Un Kilohertz (KHz) rappresenta 1.000 cicli al secondo, un Megahertz (MHz) è 1.000 volte di più, e un Gigahertz (GHz) è 1.000 volte ancora di più. Queste frequenze sono troppo rapide per essere percepite ad orecchio. Il termine “Hertz” deriva dal fisico tedesco Heinrich Rudolf Hertz, noto per il suo lavoro sulle onde elettromagnetiche.

Nel contesto dei computer, la velocità espressa in MHz o GHz indica la frequenza con cui i core di un processore operano, nota anche come velocità di clock. In passato, l’intero sistema operativo di un computer funzionava a una velocità prestabilita. Per esempio, l’Apple II funzionava a 1 MHz, il primo PC IBM a 4,77 MHz e il primo Mac a circa 8 MHz. Inizialmente, i computer utilizzavano un cristallo di quarzo separato sulla scheda madre, simile a quello di un orologio, per determinare la velocità di clock. La velocità poteva essere aumentata sostituendo questo componente con uno più veloce. Oggi, invece, la velocità viene modificata attraverso il firmware e l’overclocking.

Il ruolo della CPU: Fetch-Execute

In termini semplici, una CPU esegue il ciclo “fetch-execute”. Recupera l’istruzione successiva e i dati dalla memoria e li elabora. La velocità di clock misura la rapidità con cui questo processo avviene, simile ai giri di un motore: più velocemente gira, più potenza produce.

Con il progresso dei processori, la velocità di clock si riferisce ora alla velocità massima interna del chip, non più alla velocità dell’intero sistema. Questo richiede un’interfaccia avanzata tra processore e componenti, soprattutto la memoria. Il processore non può permettersi di rallentare aspettando la memoria; per questo motivo, integra una memoria locale chiamata cache. Ad esempio, la differenza tra l’A18 e l’A18 Pro negli ultimi iPhone sta nella dimensione della cache: entrambi funzionano a 4 GHz, ma il Pro ha una cache più grande.

Se la velocità di clock è paragonabile ai giri di un motore, il numero di core è come il numero di cilindri: ciascun core svolge il proprio compito. Ad ogni tick del clock, ogni core della CPU può elaborare istruzioni. Tecniche come il pre-fetch e l’esecuzione speculativa migliorano l’efficienza, preparando istruzioni in anticipo e calcolando risposte per avere pronte nella cache.

La velocità di clock non è tutto

Quando si valutano le prestazioni di un processore, è importante considerare anche a quanti compiti riesce a gestire parallelamente, simile alla capacità di un motore. Questo può essere paragonato alle differenze tra architetture CPU a 8 bit, 16 bit e oggi a 64 bit.

Una variante particolare è la Very Long Instruction Word (VLIW), che si adatta a compiti altamente paralleli. In ogni ciclo fetch-execute, un chip VLIW elabora più istruzioni contemporaneamente, spostando parte della complessità al compilatore, il software che scrive il codice. L’Intel AVX-512, ad esempio, può lavorare su istruzioni di 256 bit con dati di 512 bit, risultando più efficiente rispetto all’aumento della sola velocità di clock.

In sintesi, mentre la velocità di clock è un fattore importante, non è l’unico indicatore delle prestazioni di un chip. Un processore con più core e una cache più grande può superare uno con una frequenza più alta grazie alla sua capacità di gestire il multitasking. Inoltre, le prestazioni percepite, soprattutto nella grafica 3D, possono dipendere più dalla GPU integrata che dalla CPU, indipendentemente dalla velocità di clock.

Il ruolo cruciale del raffreddamento

Quando si confrontano processori come l’AMD Ryzen 9 7945HX3D a 2,3 GHz e l’AMD Ryzen 5 7600 a 3,8 GHz, emerge chiaramente che la velocità di clock non è l’unico fattore determinante nelle prestazioni di una CPU. Nonostante la differenza di frequenza, il Ryzen 9 ottiene un punteggio più elevato nei benchmark di Geekbench grazie a elementi come l’architettura, la cache, e la lunghezza delle istruzioni. Ma, con tutte queste considerazioni tecniche, il processore “più veloce” è davvero migliore? La risposta è sì: un processore più veloce offre esperienze di gioco più fluide, tempi di rendering più brevi e una riproduzione video più veloce.

Il calore rappresenta uno dei principali nemici dei sistemi informatici. Ridurre la velocità di clock permette di abbassare la tensione, diminuendo la produzione di calore e risparmiando energia. Un altro fattore cruciale è il processo di produzione e la dimensione dei transistor all’interno del chip. Con dimensioni misurate in nanometri, transistor più piccoli richiedono meno energia, generano meno calore e permettono frequenze di clock più elevate.

Anche se non sostituiamo più i cristalli di quarzo nei computer con versioni più rapide, l’overclocking rappresenta l’equivalente moderno. La produzione di chip è un processo chimico industriale, e nonostante le tolleranze precise, non tutte le CPU sono identiche. La capacità di overclocking della CPU del tuo computer dipende da esperimenti e dalla capacità del tuo sistema di gestire il raffreddamento.