Processador o CPU - tota la informació que necessites saber

Tot aficionat a la informàtica i als el gaming ha de conèixer el maquinari intern del seu PC, especialment el processador. L'element central del nostre equip, sense ell no podríem fer res, en aquest article t'expliquem tots els conceptes més importants sobre el processador, perquè tinguis una idea general sobre el seu ús, parts, models, història i conceptes importants.

Índex de continguts

Què és un processador

El processador o CPU (Unitat Central de Processament) és un component electrònic en forma de xip de silici que està dins d'un ordinador, concretament instal·lat sobre la placa base a través d'un socket o sòcol.

El processador és l'element que s'encarrega de dur a terme tots els càlculs aritmètics lògics que generen els programes i el sistema operatiu allotjats en el disc dur o emmagatzematge central. La CPU pren les instruccions des de la memòria RAM per processar-les i posteriorment enviar la resposta de nou a la memòria RAM, d'aquesta manera es crea un flux de treball amb el qual pot interactuar l'usuari.

El primer microprocessador basat en transistors de semiconductor va ser l'Intel 4004, el 1971 el qual podia treballar amb 4 bits alhora (cadenes de 4 zeros i uns) per sumar i restar. Lluny queda aquesta CPU en comparació amb els 64 bits que poden manejar els processadors actuals. Però és que abans d'aquest, tan sols teníem enormes habitacions plenes de tuvos de buit que feien la funció de transistors, com ara l'ENIAC.

Com funciona un processador

Arquitectura d'un processador

Un element molt important que hem de conèixer d'un processador és la seva arquitectura i el seu procés de fabricació. Són conceptes més orientats a com es fabriquen físicament aquests, però marquen les directrius de mercat i és un element més de màrqueting.

L'arquitectura d'un processador és bàsicament l'estructura interna que té aquest element. No parlem de la forma i mida, sinó de com estan situades les diferents unitats lògiques i físiques que componen un processador, parlem de l'ALU, registres, Unitat de Control, etc. En aquest sentit, actualment hi ha dos tipus d'arquitectura la CISC i la RISC, dues formes de treballar basades en l'arquitectura de Von Neuman, la persona que va inventar el microprocessador digital a 1945.

Si bé és cert que arquitectura no només vol dir això, ja que en l'actualitat els fabricants més aviat prenen el concepte amb interès comercial, per definir les diferents generacions dels seus processadors. Però una cosa hem de tenir present, i és que tots els processadors d'escriptori actuals estan basats en l'arquitectura CISC o x86. El que passa, és que els fabricants fan petites modificacions a aquesta arquitectura incorporant elements com més quantitat de nuclis, controladors de memòria, busos interns, memòria cau de diferents nivells, etc. Així escoltem denominacions com Coffee Lake, Skylake, Zen, Zen 2, etc. Ja veurem què és això.

Procés de fabricació

D'altra banda, tenim el que s'anomena el procés de fabricació, que bàsicament és la mida dels transistors que formen el processador. Des de les vàlvules de buit de les primeres computadores fins als transistors FinFET actuals fabricats per TSMC i Global Foundries de sol uns nanòmetres, l'evolució ha estat al·lucinant.

Un processador està format per transistors, les unitats més petites que trobem al seu interior. Un transistor és un element que permet o no passar corrent, 0 (no corrent), 1 (corrent). Un d'aquests, actualment mesura 14 nm o 7 nm (1 nm = 0, 00000001 m). Amb els transistors es creen portes lògiques, i amb les portes lògiques es creen circuits integrats capaços de realitzar diferents funcions.

Principals fabricants de processadors d'escriptori

Aquests són els elements bàsics per entendre com s'han desenvolupat els processadors al llarg de la història fins als nostres dies. Passarem pels més importants i no hem d'oblidar els fabricants, que són Intel i AMD, els líders indiscutibles dels ordinadors personals actuals.

Per descomptat hi ha altres fabricants com IBM, el més important de tots per ser pràcticament el creat de el processador i el referent en tecnologia. D'altres com Qualcomm s'han fet un lloc en el mercat acaparant pràcticament la fabricació de processadors per a Smartphone. Aviat podria donar el pas a ordinadors personals, així que es preparin Intel i AMD perquè els seus processadors són simplement una meravella.

Evolució dels processadors Intel

Repassem llavors els principals fites històriques d'Intel Corporation, el gegant blau, l'empresa més gran i que sempre ha estat al capdavant en vendes de processadors i altres components per a PC.

• Intel 4004 Intel 8008, 8080 i 8086 Intel 286, 386, i 486 Intel Pentium L'era de diversos nuclis: Pentium D i Core 2 Quad L'era dels Core iX

Comercialitzat el 1971, va ser el primer microprocessador construït en un sol xip i d'ús no industrial. Aquest processador es muntava sobre un paquet de 16 pins CERDIP (un escarabat de tota la vida). Estava construït amb 2.300 transistors de 10.000 nm i tenia un ample de bus de 4 bits.

El 4004 només va ser l'inici de la marxa d'Intel en els ordinadors personals, que en aquell temps estava monopolitzada per IBM. Va ser llavors entre 1972 i 1978 quan Intel va fer un canvi de filosofia en l'empresa per dedicar-se íntegrament a la construcció de processadors per a ordinadors.

Després del 4004 va venir el 8008, un processador encara amb encapsulat DIP i 18 pins que elevava la seva freqüència fins als 0, 5 MHz i també el recompte de transistors a 3.500. Després d'aquest, l'Intel 8080 va elevar l'ample de bus fins als 8 bits i una freqüència de res menys que 2 MHz sota encapsulat DIP de 40 pins. Es considera com li primer processador realment útil capaç de processar gràfics en màquines com l'Altair 8800M o el IMSAI 8080.

El 8086 és un microprocessador referència per ser el primer a adoptar l'arquitectura i conjunt d'instruccions x86, vigent fins a l'actualitat. Una CPU de 16 bits, deu vegades més potent que el 4004.

En aquests models és on el fabricant va començar a utilitzar un sòcol PGA amb un xip quadrat. I el seu gran avanç rau en el fet de ser capaç d'executar programes en línia de comandes. El 386 va ser el primer processador multitasca de la història, amb un bus de 32 bits, que segurament us soni molt més.

Arribem a l'Intel 486 comercialitzat en 1989, que també és molt important per ser un processador que implementava una unitat de coma flotant i memòria cau. Què vol dir això? Doncs que ara sí els ordinadors van evolucionar des de la línia de comandaments a ser usats mitjançant interfície gràfica.

Per fi vam arribar a l'era dels Pentium, on tenim unes quantes generacions fins al Pentium 4 com a versió per a equips d'escriptori, i Pentium M per equips portàtils. Diguem que era el 80586, però Intel va canviar la seva denominació per poder llicència la seva patent i que altres fabricants com AMD deixessin de copiar els seus processadors.

Aquests processadors van baixar per primera vegada els 1000 nm en el seu procés de fabricació. Van ocupar els anys entre 1993 i 2002, amb l'Itanium 2 com un processador fabricat per a servidors i que per primera vegada feia servir un bus de 64 bits. Aquests Pentium estava ja orientats purament a escriptori, i eren capaços d'usar-se en renderitzat multimèdia sense problemes, amb els mítics Windows 98, ME i XP.

El Pentium 4 ja utilitzava conjunt d'instruccions orientades íntegrament a multimèdia com són les MMX, SSE, SSE2 i SSE3, si microarquitectura anomenada NetBurst. De la mateixa manera va ser dels primers processadors en arribar a una freqüència de treball superior a 1 GHz, concretament 1, 5 GHz, de manera que els dissipadors d'alt rendiment i mida van fer acte de presència fins i tot en models personalitzats.

I arribem llavors a l'era dels processadors de diversos nuclis de processament. Ara no només podíem executar una instrucció en cada cicle de rellotge, sinó dues d'elles de forma simultània. El Pentium D consisteix bàsicament en un xip amb dos Pentium 4 ficats en un mateix encapsulat. D'aquesta manera també es reinventa el concepte de FSB (Front-Side Bus) que servia perquè la CPU es comuniqués amb el chipset o pont nord, usat ara també per comunicar els dos nuclis.

Després dels dos, van arribar els 4 nuclis en l'any 2006 sota el sòcol LGA 775, bastant més actual i que fins i tot podem veure encara en alguns equips. Tots ells van adoptar ja una arquitectura x86 de 64 bits per als seus quatre nuclis amb procés de fabricació partint en 65 nm i després en 45 nm.

Arribem llavors als nostres dies, on el gegant va adoptar una nova nomenclatura per als seus processadors multinucli i multifil. Després dels Core 2 Duo i Core 2 Quad, es va adoptar la nova arquitectura Nehalem en 2008, on les CPU es dividia en i3 (baix rendiment), i5 (rang mitjà) i i7 (processadors d'alt rendiment).

Des d'aquí en endavant, els nuclis i la memòria cau utilitzaven el BSB (Back-Side Bus) o bus del darrere per comunicar-se, ia més es va introduir el controlador de memòria DDR3 dins el propi xip. El bus frontal també va evolucionar a l'estàndard PCI Express capaç de proporcionar un flux de dades bidireccional entre perifèrics i targetes d'expansió i CPU.

La 2a generació d'Intel Core va adoptar la denominació de Sandy Bridge a 2011 amb procés de fabricació de 32 nm i un recompte de 2, 4 i fins a 6 nuclis. Aquests processadors suporten les tecnologies multifil HyperThreading i l'augment dinàmic de freqüència Turbo Boost en funció de la gamma de processadors comercialitzats. Tots aquests processadors compten amb gràfics integrats i suporten memòries RAM DDR3 a 1600 MHz.

Poc després, el 2012 es va presentar la 3ª generació anomenada Ivy Bridge, baixant fins als 22 nm la mida dels transistors. No només van disminuir, sinó que van passar a ser 3D o Tri-Gate que disminueixen el consum fins a un 50% respecte als anteriors donant el mateix rendiment. Aquesta CPU ofereix suport per PCI Express 3.0 i es munten sobre els sòcols LGA 1155 per a la gamma d'escriptori i 2011 per a la gamma Workstation.

La 4ª i 5ª generació s'anomena Haswell i Broadwell respectivament, i tampoc van ser una revolució respecte a la generació anterior precisament. Els Haswell compartien procés de fabricació amb Ivy bridge i memòries RAM DDR3. Sí que es va introduir el suport per Thunderbolt, i es va realitzar un nou disseny per a la memòria cau. Es van introduir a més processadors amb fins a 8 nuclis. Es va continuar utilitzant el socket 1150, i el 2011, encara que aquestes CPU no són compatibles amb el de l'anterior generació. Pel que fa als Broadwell, van ser els primers processadors en baixar als 14 nm, i en aquest cas sí que eren compatibles amb el sòcol LGA 1150 de Haswell.

Vam arribar a la fin amb les generacions 6ª i 7ª d'Intel, denominades Skylake i Kaby Lake amb procés de fabricació en 14 nm, i adoptant un nou socket LGA 1151 compatible per a les dues generacions. En aquestes dues arquitectures s'oferia ja suport per DDR4, el bus DMI 3.0 i Thunderbol 3.0. De la mateixa manera, els gràfics integrats van pujar de nivell sent compatibles amb DirectX 12 i OpenGL 4.6 i resolució 4K @ 60 Hz. Kaby Lake per la seva banda, arribo en 2017 amb millores en les freqüències de rellotge dels processadors, i suport per a USB 3.1 Gen2 i HDCP 2.2.

Evolució dels processadors AMD

Un altre dels fabricants que estem obligats a conèixer és AMD (Advanced Micro Devices), l'etern rival d'Intel i que gairebé sempre ha anat a la saga de el primer fins que en l'actualitat ha arribat els Ryzen 3000. Però bé, això és un altre assumpte que veurem més endavant, així que repassem una mica la història dels processadors AMD.

• AMD 9080 i AMD 386 AMD K5, K6 i K7 AMD K8 i Athlon 64 X2 AMD Phenom AMD Llano i Buldòzer Van arribar els AMD Ryzen

La caminada d'AMD comença bàsicament amb aquest processador que no és més que una còpia de el 8080 d'Intel. De fet, el fabricant va signar un contracte amb Intel per poder fabricar processadors amb arquitectura x86 propietat d'Intel. El següent salt van ser els AMD 29K que oferia unitats gràfiques i memòries EPROM per a les seves creacions. Però poc després AMD va decidir fer-se competència directa d'Intel oferint processadors compatibles entre ells per als ordinadors personals i servidors.

Però clar aquest acord de crear "còpies" dels processadors Intel, va començar a ser un problema pel que fa AMD va passar a ser competència real d'Intel. Després de diverses disputes legals, guanyades per AMD, el contracte es va trencar amb l'Intel 386, i ja sabem la raó per la qual els Intel van passar a dir-se Pentium, registrant així la patent.

A partir d'aquí, AMD no va tenir més remei que crear processadors de forma completament independent i que no fossin simples còpies. El més graciós és que el primer processador independent d'AMD va ser el Am386 que lluitava òbviament amb el 80386 d'Intel.

Ara sí, AMD va començar a buscar el seu propi camí en aquesta guerra tecnològica amb processadors fabricats pel ell mateix des de zero. De fet, va ser amb el K7 quan la compatibilitat entre els dos fabricants desaparèixer i en conseqüència AMD va crear les seves pròpies plaques i el seu propi sòcol, denominat Socket A. S'hi van instal·lar els nous AMD Athlon i Athlon XP en l'any 2003.

AMD va ser el primer fabricant a implementar l'extensió de 64 bits a un processador d'escriptori, si, abans que Intel. Fixeu-vos com és el destí, que ara seria Intel la que adoptés o copiés l'extensió x64 a AMD per als seus processadors.

Però això no va parar aquí, ja que AMD també va ser capaç de comercialitzar un processador de doble nuclis abans que Intel en 2005. El gegant blau per descomptat li va contestar amb els Core 2 Duo que abans hem vist, i a partir d'aquí terme el lideratge d'AMD.

AMD es va quedar enrere a causa de l'espectacular salt de rendiment dels processadors Intel de diversos nuclis, i va tractar de contrarestar-redissenyant l'arquitectura de l'K8. De fet, els Phenom II llançats en 2010 comptaven amb fins a 6 nuclis, però tampoc seria suficient per a una Intel desfermada. Aquesta CPU comptaven amb transistors de 45 nm i es muntaven inicialment sobre un sòcol AM2 +, i posteriorment sobre un socket AM3 per oferir compatibilitat amb memòries DDR3.

AMD va comprar a ATI, la companyia que fins a la data havia estat rival directa de Nvidia en targetes gràfiques 3D. De fet, el fabricant va aprofitar aquest avantatge tecnològica per implementar processadors amb GPU integrada molt més potent de la que tenia Intel amb la seva Westmere. Els AMD Llano van ser aquests processadors, basats en l'arquitectura K8L dels anteriors Phenom i per descomptat amb les seves mateixes limitacions.

Per això AMD redisseny seva arquitectura en els nous Bulldozer, encara que els resultats van ser bastant pobres enfront dels Intel Core. El fet de tenir més de 4 nuclis no era un benefici, ja que el programari de l'època encara estava molt verd en la seva gestió multifil. En ells s'utilitzava procés de fabricació de 32 nm amb recursos de memòria cau L1 i L2 compartits.

Després del fracàs d'AMD amb l'anterior arquitectura, Jim Keller, el creador de l'arquitectura K8 va arribar per revolucionar una vegada més la marca amb l'anomenada arquitectura zen o Summit Ridge. Els transistors van baixar fins als 14 nm, a l'igual que Intel, i es van fer molt més potents i amb un ICP més gran que els febles Bulldozer.

Algunes de les tecnologies més identificatives d'aquests nous processadors van ser: l'AMD Precision Boost, que augmentava el voltatge i freqüència de les CPU de forma automàtica. O la tecnologia XFR, per la qual tots els Ryzen tenen la capacitat d'overclocking amb el seu multiplicador desbloquejat. Aquestes CPU van començar a muntar-se sobre el sòcol PGA AM4, que continua en l'actualitat.

De fet, l'evolució d'aquesta arquitectura Zen va ser la Zen +, en què AMD va avançar a Intel implementat transistors de 12 nm. Aquests processadors augmentaven el seu rendiment amb majors freqüències a un menor consum. Gràcies a un bus intern Infinity Fabric, la latència entre les transaccionas de CPU i memòria RAM va millorar de forma notable per competir gairebé de tu a tu amb Intel.

Processadors actuals d'Intel i AMD

Arribem llavors a l'actualitat per centrar-nos en les arquitectures en què tots dos fabricants estan treballant. No diem que sigui obligatori comprar un d'aquests, però certament són el present i també futur pròxim de qualsevol usuari que vulgui muntar un PC gaming actualitzat.

Intel Coffee Lake i entrada als 10 nm

Intel es troba actualment en la 9a generació de processadors per a escriptori, portàtils i Workstation. Tant la 8a (Coffee Lake) com 9ª generació (Coffee Lake Refresh) continuen amb transistors de 14 nm i un sòcol LGA 1151, encara que no compatible amb les anteriors generacions.

Aquesta generació bàsicament eleva el recompte de nuclis en 2 per cada família, tenint ara un i3 4 nuclis en lloc de 2, un i5 6 nuclis i un i7 8 nuclis. El recompte de carrils PCIe 3.0 s'eleva fins als 24, suportant fins a 6 ports 3.1 i també 128 GB de memòria RAM DDR4. La tecnologia HyperThreading tan sols s'ha habilitat en els processadors amb denominació i9 com els d'alt rendiment que compten amb 8 nuclis i 16 fils, i en els processadors de portàtils.

En aquesta generació també es troben els Intel Pentium Gold G5000 orientats a estacions multimèdia amb 2 nuclis i 4 fils, i els Intel Celeron, els més bàsics amb doble nuclis i per miniPC i multimèdia. Tots els processadors d'aquesta generació compten amb gràfics integrats UHD 630 excepte els de denominació F en la seva nomenclatura.

Respecte a la 10a generació, poques confirmacions hi ha, tot i que es preveu que les noves CPU Ice Lake entrin amb les seves especificacions per a portàtils, i no amb els d'escriptori. Les dades diuen que s'augmentarà fins a un 18% l'IPC per nucli respecte a Skylake. Hi haurà un total de 6 subconjunts nous d'instruccions i seran compatibles amb IA i tècniques d'aprenentatge profund. La GPU integrada també puja de nivell a la 11a generació i amb capacitat per reproduir contingut en 4K @ 120 Hz. Finalment tindrem suport integrat amb Wi-Fi 6 i memòria RAM de fins a 3200 MHz.

AMD Ryzen 3000 i l'arquitectura Zen 3 ia prevista

AMD ha llançat aquest 2019 l'arquitectura Zen 2 o Matisse i no només ha avançat a Intel en procés de fabricació, sinó també en rendiment pur dels seus processadors d'escriptori. Els nous Ryzen estan fabricats sobre transistors de 7 nm TSMC i amb un recompte que va des dels 4 nuclis dels Ryzen 3, fins als 16 nuclis de Ryzen 9 9350X. Tots ells implementen la tecnologia multifil AMD SMT i tenen el seu multiplicador desbloquejat. Recentment s'ha alliberat l'actualització de BIOS AGESA 1.0.0.3 ABBA per esmenar els problemes que tenen aquests processadors per assolir la seva màxima freqüència d'estoc.

No arriben només aquí les seves novetats, ja que suporten el nou estàndard PCI Express 4.0 i Wi-Fi 6, sent unes CPU amb fins a 24 carrils PCIe. L'augment de l'ICP mig sobre Zen + ha estat de l'13% gràcies a una major freqüència base i millores al bus Infinty Fabric. Aquesta arquitectura es basa en chiplets o blocs físics en els quals hi ha 8 nuclis per unitat, amb un altre mòdul sempre present per al controlador de memòria. D'aquesta manera el fabricant desactiva o activa un nombre determinat de nuclis per conformar així els seus diferents models.

El 2020 està ja prevista l'actualització a Zen 3 en els seus processadors Ryzen amb la qual el fabricant vol millorar l'eficiència i el rendiment dels seus AMD Ryzen. Es fet afirmen que el disseny de la seva arquitectura ja està completat i només falta donar llum verda per començar el procés de producció.

Es basaran de nou en 7 nm, però permetent fins a un 20% més de densitat de transistors que en els xips actuals. La línia EPYC de processadors WorkStation seria la primera en què s'estigui treballant, amb processadors que podrien tenir 64 nuclis i 128 fils de processament.

Parts que hem de conèixer d'un processador

Després d'aquest festí d'informació que la deixem com de lectura opcional i com a base per saber on ens situem en l'actualitat, toca entrar més en detalls sobre els conceptes que hem de conèixer sobre un processador.

En primer lloc, tractarem d'explicar l'estructura i elements més importants d'una CPU de cara a l'usuari. Això serà el dia a dia per a un usuari que estigui interessat en conèixer una mica més sobre aquest maquinari.

Els nuclis d'un processador

Els nuclis són les entitats de processament d'informació. Aquells elements formats pels elements bàsics de l'arquitectura x86, com són la Unitat de Control (UC), descodificador d'Instruccions (DI), Unitat Aritmeticológica (ALU), Unitat de Coma Flotant (FPU) i la Pila d'Instruccions (PI).

Cara un d'aquests nuclis està format exactament pels mateixos components interns, i cada un d'ells és capaç de dur a terme una operació en cada cicle d'instrucció. Aquest cicle de mesura en freqüència o Hertzios (Hz), com més Hz, més instruccions es pot fer per segon, i com més nuclis, més operacions a el mateix temps es poden fer.

En l'actualitat, fabricants com AMD implementen aquests nuclis en blocs de silici, Chiplets o CCX de forma modular. Amb aquest sistema s'aconsegueix una millor escalabilitat a l'hora de construir un processador, ja que es tracta de col·locar chiplets fins aconseguir el nombre desitjat, i hi ha 8 nuclis per cada element. A més, és possible activar o desactivar cada nucli per aconseguir el recompte desitjat. Intel per la seva banda, encara fica tots els nuclis en un sol silici.

És dolent activar tots els nuclis de l'processador? Recomanacions i com poder-los desactivar

Turbo Boost i Precision Boost Overdrive

Són els sistemes que utilitzen Intel i AMD respectivament per controlar el voltatge dels seus processadors de forma activa i intel·ligent. Això els permet augmentar la freqüència de treball quan, com si d'un overclocking automàtic es tractés, perquè la CPU rendeixi més davant d'una gran càrrega de tasques.

Aquest sistema ajuda a millorar l'eficiència tèrmica i el consum dels processadors actuals o ser capaços de variar la seva freqüència quan sigui necessari.

Fils de processament o Threads

Però clar, no només tenim nuclis, també existeixen els fils de processament. Normalment els veurem representats en les especificacions com X Cores / X Threads, o directament XC / X T. Per exemple, un Intel Core i9-9900K té 8C / 16T, mentre que un i5 9400 tenen 6C / 6T.

El terme Thread ve de Subprocés, i no és una cosa que formi part físicament de l'processador, que la seva funcionalitat és purament lògica i es realitza mitjançant el conjunt d'instruccions de l'processador en qüestió.

Es pot definir com el flux de control de dades d'un programa (un programa està format per instruccions o processos), el qual permet administrar les tasques d'un processador dividint-les en trossos més petits anomenats subprocessos. D'aquesta manera es pretén optimitzar els temps d'espera de cada instrucció en la cua de procés.

Entenguem així: hi ha tasques més difícils que altres, de manera que un nucli trigarà més o menys temps a acabar una tasca. Amb els fils, el que es fa és dividir aquesta tasca en una mica més simple, perquè així cada tros sigui processat pel primer nucli lliure que trobem. El resultat sempre és mantenir contínuament els nuclis ocupats perquè no hi hagi temps morts.

Què són els fils d'un processador? Diferències amb els nuclis

tecnologies multithreading

Per què veiem en uns casos que hi ha el mateix nombre de nuclis que de fils i en altres no? Doncs això es deu a les tecnologies multithreading que tenen les fabricants implementades en els seus processadors.

Quan una CPU compta amb el doble de fils que de nuclis vol dir que en ell està implementada aquesta tecnologia. Bàsicament és la forma d'executar el concepte que abans hem vist, dividint un nucli en dos fils o "nuclis lògics" per dividir tasques. Aquesta divisió sempre es realitza en dos threads per nucli i no més, diguem que és el límit actual amb les que els programes són capaços de treballar.

La tecnologia d'Intel s'anomena HyperThreading, mentre que la d'AMD es denomina SMT (Simultaneous multithreading). A efectes pràctics ambdues tecnologies funcionen igual, i en el nostre equip els podrem veure com a nuclis reals, per exemple, si renderizamos una foto. Un processador amb idèntica velocitat és més ràpid si té 8 nuclis físics que si tingués 8 lògics.

Què és el HyperThreading? més detalls

És important la memòria cau?

De fet, és el segon element més important d'un processador. La memòria cau és una memòria molt més ràpida que la memòria RAM i que està directament integrada en el processador. Mentre que una memòria RAM DDR4 a 3600 MHz pot arribar als 50.000 MB / s en lectura, una memòria cau L3 pot arribar als 570 GB / s, un L2 als 790 GB / si una L1 als 1600 GB / s. Xifres completament demencials registrades en els nous Ryzen 3000.

Aquesta memòria és de tipus SRAM (Static RAM), ràpida i cara, mentre que la usada en la RAM és de tipus DRAM (Dynamic RAM), lenta i barata per necessitar contínuament un senyal de refresc. En la memòria cau s'emmagatzemen les dades que van a ser usats immediatament pel processador, eliminant així l'espera si agafem les dades de la RAM i optimitzat el temps de procés. En els processadors tant AMD com Intel, hi ha tres nivells de memòria cau:

• L1: és la més propera als nuclis de la CPU, la més petita i la més ràpida. Amb latències de menys d'1 ns, aquesta memòria està actualment dividida en dues, la L1I (instruccions) i la L1D (dades). Tant en els Intel Core de 9a generació com els Ryzen 3000, són de 32 KB en cada cas, i cada nucli té la seva pròpia. L2: la L2 és la següent, amb latències entorn als 3 ns, també està assignada de forma independent en cada nucli. Les CPU Intel la tenen de 256 KB, mentre que els Ryzen la tenen de 512 KB. L3: aquesta és la memòria més gran de les tres, i que està assignada de forma compartida en els nuclis, normalment en grups de 4 nuclis.

El pont nord ara dins de les CPU

El pont nord d'un processador o una placa base té la funció de connectar la memòria RAM amb la CPU. En l'actualitat, tots dos fabricants implementen aquest controlador de memòria o PCH (Platform Conroller Hub) dins de la pròpia CPU, per exemple, en un silici independent com passa en les CPU basades en chiplets.

Aquesta és una forma d'augmentar significativament la velocitat en les transaccions d'informació i de simplificar els busos existents en les plaques base, quedant-se només amb el pont sud que anomenats chipset. Aquest conjunt de xips es dedica a direccionar les dades dels discs durs, perifèrics i algunes ranures PCIe. Els processadors d'última generació d'escriptori i portàtils són capaços d'adreçar fins a 128 GB de memòria RAM en Dual Channel a una freqüència de 3200 MHz nadius (4800 MHz amb perfils JEDEC amb XMP activat). Aquest bus d'divideix en dos:

• Bus de dades: transporta les dades i instruccions dels programes Bus d'adreces: per ell circulen les direccions de les cel·les on es guarden les dades.

A més de l'propi controlador de memòria, els nuclis també necessiten utilitzar un altre bus per comunicar-se entre ells i amb la memòria cau, el qual es denomina BSB o Back-Side Bus. El que utilitza AMD en la seva arquitectura Zen 2 s'anomena Infinity Fabric, el qual és capaç de treballar a 5100 MHz, mentre que el d'Intel de denomina Intel Ring Bus.

Què és la memòria cau L1, L2 i L3 i com funciona

IGP o gràfics integrats

Un altre element que cobra força important, no tant en els processadors orientats a gaming, però sí en els de menor potència, són els gràfics integrats. La majoria de processadors existents en l'actualitat compten amb un seguit de nuclis destinats a treballar exclusivament amb gràfics i textures. Ja sigui Intel, AMD, i altres fabricants com Qualcomm amb els seus Adreno per a Smartphone, o Realtek per Smart TV i NAS compten amb nuclis d'aquest tipus. A aquest tipus de processadors en diem APU (Accelerated Processor Unit)

La raó és simple, separar aquest dur treball de la resta de tasques típiques d'un programa, ja que són molt més pesades i més lentes si no es fa servir un bus de major capacitat, per exemple, de 128 bits en les APU. A l'igual que els nuclis normals, aquests es poden mesurar en quantitat i en la freqüència a la qual treballen. Però a més tenen un altre component com són les unitats d'ombrejat. I altres mesures com són les TMUs (unitats de texturitzat) i les ROPs (unitats de renderitzat). Totes elles ens ajudaran a identificar la potència gràfica del conjunt.

Els IGP que actualment utilitzen Intel i AMD són els següents:

• AMD Radeon RX Vega 11: és l'especificació més potent i utilitzada en els processadors Ryzen maig 2400 i 3400 de 1ª i 2ª generació. Són un total d'11 nuclis Raven Ridge amb arquitectura GNC 5.0 treballant a un màxim de 1400 MHz. Compten amb un màxim de 704 unitats d'ombrejat, 44 TMUs i 8 ROPs. AMD Radeon Vega 8: és l'especificació inferior als anteriors, amb 8 nuclis i treballant a una freqüència de 1100 MHz amb 512 unitats d'ombrejat, 32 TMUs i 8 ROPs. Els munten en Ryzen març 2200 i 3200. Intel Iris Plus 655: aquests gràfics integrats estan implementat en els processadors Intel Core de 8a generació de la gamma U (baix consum) per a portàtils, i són capaços d'arribar als 1150 MHz, amb 384 unitats d'ombrejat, 48 TMUs i 6 ROPs. El seu rendiment és similar als anteriors. Intel UHD Graphic 630/620: són els gràfics integrats en totes les CPU d'escriptori de 8a i 9a generació que no portin la F en el seu nom. Són uns gràfics inferiors als Vega 11, que rendeixen a 1200 MHz, amb 192 unitats d'ombrejat, 24 TMUs i 3 ROPs.

El sòcol d'un processador

Ara ens traslladem fora del que són els components d'una CPU per veure on hem connectar-lo. Evidentment és el sòcol o socket, un gran connector situat a la placa base i proveït de centenars de pins que faran contacte amb la CPU per traslladar-li l'energia i les dades a processar.

Com és normal, cada fabricant té els seus propis sòcols, ia més poden ser de diversos tipus:

• LGA: Land Grid Array, el qual té els pins instal·lats directament en el sòcol de la placa i la CPU tan sols compta amb els contactes plans. Permet major densitat de connexions i és usat per Intel. Els sockets actuals són el LGA 1151 per CPU d'escriptori i LGA 2066 per CPU orientades a Workstation. També ho fa servir AMD per als seus Threadripper amb denominació TR4. PGA: Pin Grid Array, just el contrari, ara els pins estan en la pròpia CPU i el sòcol tenen buits. El fa servir AMD encara per a tots els Ryzen d'escriptori amb el nom BGA: Ball Grid Array, bàsicament és un sòcol en el qual es solda directament el processador. S'usa en els portàtils de nova generació, tant d'AMD com d'Intel.

Dissipadors i IHS

El IHS (Integrated Heat Spreader) és l'encapsulat que porta a la part superior un processador. Bàsicament és una placa quadrada construïda en alumini que està enganxada a el substrat o PCB de la CPU i al seu torn en els DIE o silicis interns. La seva funció és la de transferir la calor des d'aquests cap al dissipador, ia més fer com a cobertura de protecció. Poden anar soldats directament al DIE o enganxats amb pasta tèrmica.

Els processadors són elements que treballen a molt alta freqüència, de manera que necessitaran un dissipador que capturi aquesta calor i el expulsi l'ambient amb ajuda d'un o dos ventiladors. La majoria de CPU porten un dissipador d'estoc més o menys dolent, encara que els millors són els de AMD. De fet, tenim models en funció de l'rendiment de la CPU:

• Wrait Stealth: el més petit, tot i que encara més gran que el d'Intel, per a la qual Ryzen 3 i 5 sense denominació X Intel: no té nom, i és un petit dissipador d'alumini amb ventilador molt sorollós que ve en gairebé tots els seus processadors excepte els i9. Aquest dissipador s'ha mantingut invariant des dels Core 2 Duo. Wraith Spire: el mitjà, amb un bloc d'alumini més alt i un ventilador de 85 mm. Per Ryzen 5 i 7 amb denominació X. Wrait Prism: el model superior, el qual incorpora un bloc de dos nivells i tubs de calor de coure per augmentar el rendiment. El porten els Ryzen 7 2700X i 9 3900X i 3950X. Wraith Ripper: és un dissipador de torre fabricat per Cooler Master per als Threadripper.

Dissipador processador: Què són? Consells i recomanacions

A més d'aquests, hi ha gran quantitat de fabricants que tenen els seus propis models personalitzats compatibles amb els sockets que hem vist. De la mateixa manera, comptem amb sistemes de refrigeració líquida que ofereixen un rendiment superior als dissipadors de torre. Per processadors de gamma alta recomanem utilitzar un d'aquests sistemes de 240 mm (dos ventiladors) o 360 mm (tres ventiladors).

Conceptes més importants d'una CPU

Ara vegem altres conceptes també relacionats amb el processador que seran importants de cara a l'usuari. No es tracta d'estructura interna, sinó de tecnologies o procediments que es duen a terme en ells per mesurar o millorar el seu rendiment.

Com mesurar el rendiment: que és un benchmark

Quan ens vam comprar un nou processador sempre ens agrada mirar fins on és capaç d'arribar i poder comprar-lo amb altres processadors o fins i tot amb altres usuaris. A aquests test els anomenats benchmarks, i són proves d'estrès a les quals és sotmès un processador per a llançar una determinada puntuació en funció del seu rendiment.

Hi ha programes com Cinebench (puntuació de renderitzat), wPrime (temps en executar una tasca), el programa de disseny Blender (temps de renderitzat), 3DMark (rendiment en jocs), etc que s'encarreguen de fer aquests test perquè puguem comparar-los amb altres processadors mitjançant una llista penjada a la xarxa. Gairebé tots ells el que donen és una puntuació pròpia calculada mitjançant uns factors que solament aquest programa té, de manera que no podríem comprar una puntuació de Cinebench amb una de 3DMark.

Les temperatures sempre sota control per evitar el thermal throttling

També hi ha conceptes relacionats amb les temperatures que tot usuari ha de conèixer, especialment si té un processador car i potent. A internet existeixen gran quantitat de programes capaços de mesurar la temperatura no només de la CPU, sinó de molts altres components que estiguin proveïts de sensors. Un molt recomanable serà HWiNFO.

Relacionat amb la temperatura hi haurà el Thermal Throttling. És un sistema de protecció automàtic que tenen les CPU per disminuir el voltatge i potència subministrada quan les temperatures arribin al seu màxim admissible. D'aquesta manera vam baixar la freqüència de treball i també la temperatura, estabilitzant el xip perquè no es cremi.

Però també els propis fabricants ofereixen dades sobre les temperatures dels seus processadors, de manera que podrem trobar alguns d'aquests:

• TjMax: Aquest terme fa referència a la màxima temperatura que un processador és capaç d'aguantar en la seva matriu, és a dir, dins dels seus nuclis de processament. Quan una CPU s'apropa a aquestes temperatures automàticament saltarà la protecció abans comentada que baixarà el voltatge i potència de la CPU. TDIE, Tjunction o Temperatura d'unió: aquesta temperatura es mesura en temps real per sensors col·locats a l'interior dels nuclis. Mai superarà TjMax, ja que el sistema de protecció actuarà abans. TCase: és la temperatura que es mesura en el IHS de el processador, és a dir en el seu encapsulat, que sempre serà diferent de la que es marca dins d'un nucli CPU Package: és una mitjana de la temperatura Tunion de tots els nuclis de la CPU

Delidding

El delid o delidding és una pràctica que es porta a terme per millorar les temperatures de les CPU. Consisteix a retirar el IHS d'el processador per deixar a la vista els diferents silicis instal·lats. I si no és possible retirar-ho per estar soldat, polirem a el màxim la superfície de la mateixa. Això es fa per millorar la transferència de calor a l'màxim, col·locant directament sobre aquests DIE pasta tèrmica de metall líquid i col·locant el dissipador a sobre.

Què guanyem fent això? Doncs eliminem o portem a la mínima expressió el gruix extra que ens dóna el IHS perquè la calor passi directament a l'dissipador sense passos intermedis. Tant la pasta com el IHS són elements amb resistència a la calor, així que eliminant-los i col·locant metall líquid podríem disminuir les temperatures fins a 20 ⁰C amb overclocking. En alguns casos no és tasca senzilla, ja que el IHS està directament soldat a l'DIE, així que no queda una altra que lijarlo en lloc de desenganxar.

El següent nivell d'això seria col·locar un sistema de refrigeració per nitrogen líquid, només reservades a entorns de laboratori. Encara que clar, sempre podem crear el nostre sistema amb un motor de nevera que porta dins heli o derivats.

Overclocking i undervolting en el processador

Molt relacionat amb l'anterior està l'overclocking, una tècnica en la qual s'augmenta el voltatge de la CPU i es modifica el multiplicador per augmentar així la seva freqüència d'operació. Però no parlem de freqüències que vénen en les especificacions com la manera turbo, sinó registres que superin els establerts pel fabricant. No se li escapa a ningú que és un risc per a l'estabilitat i integritat de l'processador.

Per fer un overclocking, primer necessitem una CPU amb el multiplicador desbloquejat, i després, una placa base amb chipset que permeti aquest tipus d'acció. Tots els AMD Ryzen, són susceptibles de ser overclockeados, a l'igual que els processadors Intel amb denominació K. De la mateixa manera, els chipsets AMD B450, X470 i X570 admeten aquesta pràctica, a l'igual que els Intel de la sèrie X i Z també.

El overclocking també es pot realitzar augmentant la freqüència de el rellotge base o BCLK. És el rellotge principal de la placa base que controla pràcticament tots els components, com CPU, RAM, PCIe i Chipset. Si augmentem aquest rellotge, estem augmentat la freqüència d'altres components que fins i tot tenen el multiplicador bloquejat, tot i que comporta encara més riscos i és un mètode molt inestable.

El Undervolting per la seva banda, és just el contrari, disminuir el voltatge per evitar que un processador faci thermal throttling. És una pràctica usada en portàtils o targeta gràfiques amb sistemes de refrigeració ineficaços.

Els millors processadors per a escriptori, gaming i Workstation

No podria faltar en aquest article una referència a la nostra guia amb els millors processadors de mercat. En ella, col·loquem els models d'Intel i AMD que considerem millors en les diferents gammes existents. No només gaming, sinó també equips multimèdia, i fins i tot Workstation. Sempre la mantenim actualitzada, i amb enllaços directes de compra.

Conclusió sobre el processador

No us podeu queixar que amb aquest article no s'aprengui res, ja que hem repassat de forma bastant completa la història dels dos principals fabricants i les seves arquitectures. A més, hem repassat les diferents parts d'una CPU que són essencials per conèixer-les per fora i per dins, al costat d'alguns conceptes importants i comunament usats per la comunitat.

Us convidem a que poseu en els comentaris altres conceptes importants que hàgim passat per alt i que veieu importants per a aquest article. Sempre tractem de millorar tot el possible aquests articles d'especial importància per a la comunitat que s'està iniciant.