¿Por qué seguimos atrapados dentro del rango de 3-3.5 GHz en términos de velocidad del procesador?

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Existen procesadores comerciales que han llegado a funcionar a 5GHz de forma estable [Core i3-8350K a 5 GHz frente a Ryzen 5 2600 a 4,2 GHz] y supongo que experimentales que han rebasado esa cifra.

Lo segundo: la “velocidad” de un procesador no se mide en GHz. La “velocidad” de un procesador se mide en instrucciones por segundo (MIPS) o instrucciones de coma flotante por segundo (FLOPS). Los GHz lo que miden es la frecuencia a la que un componente del procesador (su reloj interno) trabaja.

Medir la velocidad de un procesador midiendo la frecuencia de su reloj interno es como intentar medir la velocidad de un coche mediante las revoluciones que alcanza el motor de un coche, o intentar medir la velocidad de un corredor mediante el número de latidos por segundo de su corazón. Es cierto que si Vd. toma el mismo coche y, sin cambiar de marcha, lo conduce a más revoluciones, podrá obtener mayor velocidad. Al igual que el corredor puede forzar la carrera y trabajar en un rango de pulsaciones por segundo más elevadas. Pero en ambos casos Vd. está forzando las condiciones de trabajo y el motor (o el corazón) sufren más desgaste. Con el procesador de un ordenador ocurre lo mismo. Si Vd. tiene un ordenador y, sin cambiar la forma en la que ejecuta las instrucciones, incrementa el ritmo interno al que trabaja, puede mejorar el número de instrucciones que realiza cada segundo, pero forzando el procesador y haciendo que sufra un mayor desgaste.

La respuesta tiene que ver con la energía que disipa. Al subir la frecuencia a la que trabajan los componentes del procesador también sube el consumo eléctrico del procesador (ese consumo se traduce en una mayor disipación de energía que hay que extraer en forma de calor). Normalmente los “overclockers” (usuarios que se dedican a tratar de mejorar el rendimiento de sus máquinas sobrepasando el límite de frecuencia recomendado por el fabricante del procesador) consiguen sus objetivos aumentando el voltaje al que el procesador trabaja. Esto tiene dos efectos: el procesador empieza a consumir mucho más (el crecimiento del consumo no es lineal) con lo que hay que utilizar sistemas de refrigeración sofisticados, y el propio procesador corre un riesgo mayor de estropearse o de funcionar mal.

Por otro lado, para obtener procesadores con mayor “velocidad” no es necesario incrementar la frecuencia del reloj interno. Existen varios métodos para aumentar el rendimiento de los procesadores sin que necesariamente consuman mucho más.

Un primer método está en añadir más núcleos a cada chip de procesador (los famosos cores). Un núcleo es como un procesador independiente que tiene su propia cadena de ejecución de instrucciones. Así, un procesador de X núcleos que funciona a la misma frecuencia de reloj que otro de 2X núcleos produce la mitad de capacidad de cómputo bruta (en realidad es algo más de la mitad porque hay interacciones entre los núcleos que deben ser tenidas en cuenta).

Podría Vd. ver esta mejora como la mejora de una fábrica en la que sin cambiar los turnos de trabajo, añadimos más cadenas de producción, de forma que somos capaces de producir más productos en la fábrica por unidad de tiempo.

Un segundo método está en mejorar la arquitectura de cada núcleo mediante una técnica que se denomina “entubado” o pipelining. Mediante esta técnica la cadena de ejecución de instrucciones del núcleo se divide en unidades más pequeñas que se conectan entre sí. El resultado es que es posible aumentar el rendimiento de cada cadena de ejecución de instrucciones sin necesidad de aumentar la frecuencia a la que trabajan simplemente porque en cada pulso del reloj ocurren más cosas dentro de la cadena de ejecución.

Siguiendo el símil anterior en este caso Vd. podría ver la mejora como un cambio en la propia cadena de producción, añadiendo más trabajadores que realizan pasos más sencillos. Los trabajadores seguirán manteniendo su turno de trabajo, pero ahora Vd. podrá sacar más productos de cada cadena por unidad de tiempo.

Existen otras técnicas de mejora, pero tampoco se trata de intentar complicar en exceso esta respuesta que, por otro lado, ya está quedando demasiado larga.

En resumen: no es cierto que estemos “atrapados” en un “rango” de “velocidad del procesador” y tampoco que dicho “rango” sean los 3–3.5GHz. Existen mejores formas de mejorar la forma en la que trabajan los procesadores de los ordenadores que incrementar la frecuencia a la que trabajan.