Perché non usiamo i processori più veloci in tutti i dispositivi

• È incredibile la velocità con cui i processori più veloci eseguono le istruzioni, quindi perché non usiamo sempre le cose più veloci?
• Ti elenchiamo i motivi per cui l'utilizzo della tecnologia migliore e più avanzata raramente ha senso.
• Alcuni motivi li conosci già (i dati finanziari), ma altri potrebbero esserti sfuggiti.

Immagina: il tuo frigorifero, il tuo orologio, persino il tuo tostapane, tutti funzionano con il processore più veloce mai realizzato.

Sembra incredibile, vero? Come se fosse uscito da un film di fantascienza. Ma quando ho iniziato a indagare sul perché noi non Quando ho iniziato a farlo, mi sono reso conto che è molto più complicato (e interessante!) del semplice "più veloce è meglio".

Capire le prestazioni del processore (CPU)

Il compito principale di un processore è quello di eseguire le istruzioni nel modo più efficiente possibile. In teoria, un processore più veloce, con una maggiore velocità di clock e un maggior numero di core, sembra il componente ideale per alimentare tutti i nostri dispositivi. Tuttavia, la velocità grezza è solo un pezzo del puzzle. Le prestazioni non si misurano solo in base al numero di operazioni al secondo che possono essere eseguite, ma anche in base all'efficienza con cui tali operazioni vengono eseguite in condizioni reali.

Ad esempio, un processore progettato per computer desktop di fascia alta potrebbe eccellere nel multitasking e nelle applicazioni intensive. Ma se lo inserisci in un dispositivo mobile, potresti riscontrare problemi che superano i vantaggi in termini di prestazioni.

Il divario tra le velocità massime teoriche e le prestazioni pragmatiche e sostenibili è colmato da fattori come l'efficienza energetica, la generazione di calore e i requisiti del carico di lavoro. Questo approccio sfumato alla progettazione spiega perché i processori più veloci non sono una soluzione unica. E questo va bene.

La tirannia della fisica: calore ed energia

Al centro della fisica dei semiconduttori c'è un compromesso fondamentale: velocità di clock vs. dissipazione di calore. Ogni volta che un transistor commuta, consuma energia e genera calore. Aumentando la frequenza del clock, l'energia necessaria cresce all'incirca con il quadrato di tale frequenza.

In una torre desktop con spazio per dissipatori giganti e ventole multiple, puoi gestire decine, persino centinaia di watt di potenza termica.

Ma se provi a infilare un simile budget termico in una scocca di smartphone spessa solo pochi millimetri, ti ritroverai in mano un vero e proprio mattone bollente. Peggio ancora, il calore eccessivo non solo rende i dispositivi scomodi da toccare, ma accelera anche l'usura del silicio stesso, riducendone la durata operativa.

Nella maggior parte dei casi, i progettisti di prodotti e chip devono scegliere processori il cui TDP (Thermal Design Power) rientri in un ambito termico ristretto, bilanciando le prestazioni con una dissipazione affidabile del calore.

Un calore eccessivo non solo compromette le prestazioni, ma può anche ridurre la durata di un componente e compromettere la sicurezza dell'utente. Di conseguenza, i progettisti spesso optano per processori che offrono prestazioni "sufficientemente buone" senza generare calore eccessivo.

Questo significa che, mentre i processori più veloci possono essere utilizzati in laboratorio (leggi gare di overclock), non sempre sono i più adatti per i dispositivi in cui lo spazio è limitato e la gestione termica è una sfida cruciale. Il compromesso è un gioco di equilibri: ottimizzare le prestazioni e garantire che il dispositivo rimanga fresco, sicuro e comodo da usare.

I produttori hanno sviluppato architetture speciali, come Configurazione big.LITTLEE di ARMin cui i core ad alta potenza sono abbinati a core ad alta efficienza energetica. Il sistema passa in modo intelligente da un core all'altro in base alle esigenze di elaborazione, garantendo un equilibrio tra prestazioni elevate quando necessario e conservazione della batteria quando le attività sono meno intensive. Questo tipo di gestione dinamica dell'energia è fondamentale per il moderno mobile computing.

La durata della batteria è la cosa più importante quando si parla di dispositivi portatili

Direttamente collegata ai vincoli termici è la durata della batteria. Gli utenti moderni si aspettano che gli smartphone durino tutto il giorno con una sola carica, che i computer portatili durino otto ore o più e che gli indossabili funzionino per giorni o settimane.

I processori ad alta velocità assorbono energia, spesso centinaia di watt quando funzionano vicino al loro clock massimo. Al contrario, un SoC mobile ben progettato ha un budget inferiore a 5 W in caso di utilizzo intenso per raggiungere la promessa "tutto il giorno", e spesso consuma solo pochi millivolt in scenari di utilizzo tipici e meno impegnativi.

Senza questi compromessi, il tuo telefono morirebbe in un'ora o avrebbe bisogno di una batteria spessa e pesante la metà di quella attuale. Non è certo un compromesso vincente. Progettare processori potenti ma efficienti non è un'impresa da poco.

Rendimenti decrescenti: il costo di ogni megahertz in più

Immagina di essere in un concessionario di auto e che i prezzi aumentino vertiginosamente quando si aumenta la velocità massima di 1 mph. L'analogia vale per il silicio: passare da una velocità di clock di 4,0 GHz a una di 4,5 GHz potrebbe costare solo un piccolo cambiamento nella produzione, ma passare da 5,0 GHz a 5,5 GHz spesso richiede modifiche significative al progetto, silicio di qualità superiore (binning per chip in grado di gestire più tensione e calore) e test più rigorosi.

Ogni megahertz aggiuntivo oltre un certo punto produce incrementi di velocità minori nel mondo reale, soprattutto nelle applicazioni che non possono sfruttare appieno le prestazioni grezze a thread singolo. Nel frattempo, il rischio ingegneristico aggiuntivo, i tassi di difettosità più elevati e l'aumento dei costi di fabbricazione intaccano i margini dei produttori e i prezzi per gli utenti finali.

Tutti vogliamo la CPU più veloce *che possiamo permetterci. E quell'asterisco fa una grande differenza.

Vincoli del fattore di forma: dimensioni, peso e materiali

Al di là del silicio stesso, il telaio del dispositivo, i materiali del dissipatore di calore e le soluzioni di raffreddamento impongono dei limiti. Uno smartphone utilizza sottili dissipatori di calore in rame e si affida in parte alla struttura metallica e al vetro posteriore per irradiare il calore. Un laptop da gioco può includere camere di vapore e ventole, ma non può comunque eguagliare la capacità di raffreddamento di un case ottimizzato per il flusso d'aria di un desktop.

Gli indossabili e i gadget IoT restringono ulteriormente il campo: spesso non c'è spazio per un raffreddamento attivo. I progettisti devono trovare un compromesso tra la potenza di calcolo grezza e la realtà fisica della forma, del peso e dei materiali di costruzione del dispositivo.

Il più delle volte, le dimensioni e il peso di un dispositivo determinano le CPU che si possono utilizzare. L'utilizzo di una CPU più potente non è coraggioso, ma spesso è una scelta progettuale sbagliata.

Processori specializzati vs. processori generici

In molti settori, il vantaggio in termini di "velocità" deriva dalla specializzazione. Le GPU, ad esempio, dedicano centinaia o migliaia di core più piccoli, oltre ad ampie unità SIMD e memoria ad alta larghezza di banda, a compiti come il rendering grafico o il calcolo scientifico. Le TPU di Google e altri acceleratori di intelligenza artificiale aggiungono motori di moltiplicazione matriciale per accelerare i carichi di lavoro dell'apprendimento profondo.

Ma queste architetture sono ottimizzate per compiti ristretti e molto specifici, eccellono nella matematica parallela in virgola mobile ma non sono altrettanto flessibili per il calcolo generale.

Incorporare questo tipo di silicio specializzato in ogni dispositivo sarebbe eccessivo (e dispendioso) per le attività di tutti i giorni, come la navigazione sul web o la posta elettronica. Invece, i dispositivi utilizzano processori "giusti" che bilanciano le capacità generali con acceleratori specifici per le attività (ad esempio, la decodifica video, l'inferenza dell'intelligenza artificiale) per aumentare l'efficienza dove serve.

Realtà del software e del carico di lavoro

La velocità di clock grezza è solo una parte delle prestazioni. I processori moderni si basano molto sulle gerarchie di cache, sulla predizione dei rami, sull'esecuzione fuori ordine e sul multi-threading per mantenere le pipeline alimentate con i dati.

In molte applicazioni del mondo reale, in particolare quelle che prevedono un'intensa attività di inseguimento dei puntatori, accessi irregolari alla memoria o I/O pesante, le velocità di clock più elevate offrono solo guadagni modesti.

Gli sviluppatori e gli architetti di sistema spesso scoprono che l'ottimizzazione del software per la localizzazione dei dati, il parallelismo e l'efficienza algoritmica produce risultati migliori rispetto alla ricerca di qualche centinaio di megahertz in più di velocità hardware. In effetti, molti dispositivi limitano le prestazioni della CPU nel punto in cui la "curva del software" inizia ad appiattirsi, scegliendo invece di mettere a punto compilatori, librerie e sistemi di runtime.

Quindi sì, è importante anche la definizione di "più veloce", perché a seconda del carico di lavoro si possono considerare cose completamente diverse.

L'affidabilità e la longevità aumentano se non spingi troppo i chip

I server e i sistemi mission-critical a volte utilizzano processori che funzionano a clock leggermente inferiori rispetto al loro massimo, proprio per migliorare l'affidabilità. L'esecuzione dei chip a tensioni/frequenze ridotte (una tecnica chiamata undervolting/underclocking) può ridurre significativamente le correnti di dispersione e lo stress termico, allungando la durata dei componenti e riducendo la probabilità di corruzione silenziosa dei dati o di guasti improvvisi.

Le aziende di elettronica di consumo tengono molto ai tassi di restituzione, ai costi della garanzia e alla reputazione del marchio. Spesso è preferibile garantire che ogni unità sopravviva agli abusi tipici degli utenti, alle sessioni di gioco prolungate, alle temperature ambientali calde e all'esposizione alla polvere, piuttosto che spingere ogni chip al suo limite assoluto.

Considerazioni normative e ambientali

Con la crescente preoccupazione dell'opinione pubblica per il consumo di energia e per i rifiuti elettronici, le autorità di regolamentazione e i consorzi industriali spingono sempre di più verso un'elettronica più ecologica. Gli enti normativi come Energy Star stabiliscono dei parametri di efficienza energetica per i dispositivi, incentivando i produttori a ridurre i consumi a vuoto e a carico. Gli obiettivi di sostenibilità aziendale incoraggiano ulteriormente i progetti che riducono al minimo l'impronta di carbonio durante il ciclo di vita del dispositivo.

In questo contesto, l'utilizzo del processore più veloce possibile in ogni dispositivo, indipendentemente dal fatto che tali prestazioni siano effettivamente necessarie, è in contrasto con gli obiettivi ambientali più ampi. Un silicio migliore e più efficiente, una gestione adattiva dell'energia e una maggiore durata dei dispositivi hanno tutti la priorità rispetto alla velocità di clock di picco.

L'imperativo dell'esperienza utente

In definitiva, alla maggior parte dei consumatori interessa meno la velocità di clock della CPU e più la reattività, la durata della batteria, il calore, il rumore e la sensazione generale. Un telefono che è leggermente più lento nei punteggi dei benchmark, ma che rimane fresco e dura 16 ore di utilizzo intenso, si sentirà molto più premium di uno che corre nei test ma si spegne dopo due ore o diventa un fastidioso scaldino.

I produttori dedicano innumerevoli ore ai test UX, bilanciando la velocità della CPU, le prestazioni della GPU e le ottimizzazioni a livello di sistema per offrire un'esperienza sempre fluida in condizioni reali.

Questo spesso significa ridurre la frequenza di clock massima del processore per raggiungere un punto di equilibrio in cui le prestazioni siano scattanti, le temperature rimangano sotto controllo e la durata della batteria superi le aspettative.

Le CPU sufficientemente veloci sono spesso preferite ai processori più "veloci".

La buona notizia è che "abbastanza veloce" oggi è spesso "molto veloce" domani. I progettisti di chip si stanno orientando sempre più verso architetture eterogenee, che combinano core grandi e assetati di energia con core più piccoli e efficienti, oltre a motori AI, grafici e video dedicati, per abbinare l'hardware giusto al compito giusto.

In questo modo i dispositivi possono aumentare le prestazioni quando necessario e rimanere a bassissimo consumo quando sono inattivi. L'hardware adattivo che si riconfigura dinamicamente al volo, la fotonica del silicio per le interconnessioni e i chiplet impilati in 3D promettono una flessibilità ancora maggiore.

Piuttosto che un processore monolitico "velocissimo", i dispositivi di domani potrebbero intrecciare una pletora di motori specializzati, ognuno dei quali eccellerà nella sua nicchia, offrendo prestazioni complessive superiori a qualsiasi singolo "big core".

Vuoi scoprire cosa significa per te essere più veloce? Leggi i nostri articoli su Quanti core della CPU sono necessari oggi per il gioco e per l'esecuzione di applicazioni affamate di energia.

Riassumendo

Allora, perché non riempiamo tutti i dispositivi con i processori più veloci possibili? Perché "più veloce" spesso significa più caldo, affamato di energia, più costoso, più duraturo e meno ecologico, caratteristiche che si scontrano con le esigenze reali dell'elettronica mobile, embedded e di consumo.

Al contrario, l'industria cerca di trovare un equilibrio: abbinare le capacità del silicio ai casi d'uso, ottimizzare il software e innovare il packaging e la gestione dell'energia per offrire la migliore esperienza complessiva.

Alla fine, l'obiettivo non è un'inutile corsa ai megahertz, ma la creazione di dispositivi che soddisfino gli utenti con prestazioni fluide, lunga durata della batteria, temperature confortevoli e prezzi accessibili. Ecco perché le CPU "più grandi" e "più veloci" sono gloriose nei supercomputer e nei desktop di punta, ma inutili (e indesiderabili) nella vita di tutti i giorni.

Ionuț-Alexandru Popa

Sono uno scrittore e caporedattore di BinaryFork. Sono appassionato di tecnologia, scienza, esplorazione spaziale e film. Ho iniziato a scrivere di tecnologia più di 20 anni fa, dopo essermi laureato in Informatica.