2. La memòria RAM i la CPU

La RAM i la CPU decidixen com de ràpid va un equip. Si saps llegir «DDR5-6000 CL30» o «6 nuclis, 12 fils, 65 W», podràs comparar components amb números en compte de fiar-te del màrqueting, i entendràs per què comprar més GHz no sempre és comprar més rendiment.

Com treballar esta pàgina

Temps orientatiu: uns 75 minuts de lectura i 45 de pràctica.

1. Llig primer les seccions 1 i 2 (memòria i RAM) i després les 3, 4 i 5 (CPU).
2. Les fórmules de latència i d’ample de banda (secció 2) es practiquen: no et fies de llegir-les, fes els càlculs.
3. Practica amb el laboratori «Dins de la CPU» (pestanyes «Registres pas a pas», «On és la dada?», «Calculadora de RAM» i «Nuclis, fils i IPC») i fes les activitats 2 i 3.

1. Tipus de memòria d’un ordinador

Un ordinador no té una sola memòria, sinó diversos nivells. Com més prop de la CPU, més ràpida, més cara i més xicoteta.

Memòria	Tecnologia	Volàtil	On és	Per a què servix
Registres	Circuits de la CPU	Sí	Dins de la CPU	Dades amb què la CPU opera ara mateix
Memòria cau (L1, L2, L3)	SRAM	Sí	Dins de la CPU	Còpies de dades i instruccions usades fa poc
RAM (memòria principal)	DRAM	Sí	Mòduls DIMM o SO-DIMM	Programes i dades en ús
Microprogramari (UEFI/BIOS)	Memòria flash	No	Xip de la placa	Arrancar el sistema
Emmagatzematge	Flash NAND o plats magnètics	No	SSD o HDD	Guardar la informació de forma permanent

Una memòria és volàtil si perd el contingut quan es talla el corrent. Quan la RAM s’omple, el sistema operatiu mou dades al disc (la memòria virtual, el fitxer de paginació o swap): l’equip continua funcionant, però molt més lent, perquè el disc és molt més lent que la RAM.

2. La memòria RAM

2.1 Què és

La RAM (Random Access Memory) és la memòria de treball: guarda de forma temporal les dades i les instruccions dels programes que la CPU fa servir. S’anomena «d’accés aleatori» perquè llegir o escriure qualsevol posició tarda el mateix, estiga on estiga dins del xip (en un disc dur mecànic, en canvi, les dades disperses tarden més que les contigües).

És volàtil: cada bit es guarda carregant un diminut condensador que es descarrega, per això la RAM es refresca constantment (cada pocs mil·lisegons) i, quan se’n va el corrent, tot es perd. Una analogia: l’emmagatzematge és l’arxivador de l’oficina, on els documents es guarden per sempre; la RAM és la taula de treball: només hi caben els documents que fas servir ara i, en acabar el dia (en apagar l’ordinador), queda buida.

2.2 Generacions DDR

Els mòduls evolucionen en generacions DDR (Double Data Rate), cada una més ràpida i eficient que l’anterior, però incompatibles entre si: l’osca del mòdul està en una posició diferent perquè no pugues instal·lar un DDR5 en una placa DDR4.

Generació	Al mercat des de	Velocitats habituals (MT/s)	Voltatge típic
DDR3 (en desús)	2007	1333-2133	1,5 V
DDR4	2014	2133-3600	1,2 V
DDR5	2021	4800-8000	1,1 V

Els mòduls DIMM (llargs) s’usen en equips de sobretaula i els SO-DIMM (més curts) en portàtils i miniPC. En servidors i estacions de treball és habitual la memòria ECC, que detecta i corregix errors d’un bit.

2.3 Les quatre característiques

• Capacitat: quantitat de dades que guarda, en GB. Valors habituals: 8, 16 o 32 GB per mòdul.
• Velocitat: es mesura en MT/s (milions de transferències per segon). DDR4-3200 fa 3200 MT/s; en el màrqueting es sol dir «3200 MHz», encara que la freqüència real del rellotge és la meitat.
• Latència (CL, CAS latency): cicles de rellotge que tarda la memòria a respondre. Un CL més baix és millor, però cal passar-lo a temps real: latència (ns) = CL × 2000 ÷ velocitat (MT/s).
• Canals (dual o quad channel): si instal·les 2 o 4 mòduls (idealment idèntics) en les ranures corresponents, la placa els llig en paral·lel i multiplica l’ample de banda sense canviar la latència. Ample de banda per canal: velocitat (MT/s) × 8 bytes.

Exemple resolt

Un mòdul DDR4-3200 CL16:

• Latència: 16 × 2000 ÷ 3200 = 10 ns.
• Ample de banda per canal: 3200 × 8 = 25.600 MB/s = 25,6 GB/s.
• En dual channel, dos mòduls iguals donen 51,2 GB/s i la latència continua sent de 10 ns.

Compara-ho amb un DDR5-4800 CL40: 40 × 2000 ÷ 4800 ≈ 16,7 ns i 4800 × 8 = 38,4 GB/s per canal. Més ample de banda, però una latència una mica pitjor: la DDR5 no és «més ràpida» en tot.

Perfils XMP i EXPO

Un kit anunciat com «DDR4-3600» pot arrancar a una velocitat base inferior fins que actives el seu perfil (XMP en Intel, EXPO en AMD) a la UEFI. I si barreges mòduls diferents, tot el conjunt treballa a la velocitat del més lent.

La pestanya «Calculadora de RAM» del laboratori fa estos càlculs per tu i et deixa comparar dos mòduls.

3. La CPU: parts internes

La CPU (Central Processing Unit) executa les instruccions dels programes: cada càlcul, comparació o moviment de dades acaba convertit en instruccions que processa una darrere d’una altra. Té quatre parts principals:

• ALU (unitat aritmeticològica): fa les operacions aritmètiques (suma, resta, multiplicació) i lògiques (comparacions, AND, OR, NOT).
• Unitat de control: dirigix l’orquestra. No calcula res, però decidix en cada cicle quina instrucció cal buscar, com interpretar-la i què activar per a executar-la.
• Registres: unes poques desenes de memòries internes de la CPU, molt més ràpides que la RAM (centenars de vegades) però de pocs bytes cada una. Guarden les dades amb què la CPU opera en eixe instant.
• Memòria cau (L1, L2, L3): una memòria intermèdia, més ràpida que la RAM i més lenta que els registres, que guarda còpies del que s’ha usat fa poc per a no haver d’anar a buscar-ho a la RAM cada vegada.

Nivell	Mida típica	Velocitat	On és
L1	32-64 KB per nucli	La més ràpida	Dins de cada nucli
L2	0,25-2 MB per nucli	Ràpida	Dins de cada nucli
L3	8-32 MB	Més lenta que L1 i L2, però molt més ràpida que la RAM	Compartida entre tots els nuclis

Recorda el model de Von Neumann: la CPU i la memòria compartixen un únic camí, i això limita la velocitat (el «coll d’ampolla de Von Neumann»). La memòria cau l’alleugerix, i les CPU actuals tenen a més caus L1 separades per a instruccions i per a dades (arquitectura Harvard modificada).

Arquitectura i microarquitectura

El repertori d’instruccions (ISA) és el «contracte» entre el programari i la CPU: x86-64 (Intel i AMD), ARM (mòbils, Apple Silicon) o RISC-V. La microarquitectura és com cada fabricant construïx la CPU per dins. Un programa compilat per a x86-64 no s’executa directament en una CPU ARM; cal recompilar-lo o traduir-lo.

4. El cicle d’instrucció

Cada instrucció, per senzilla que siga, passa per quatre fases que es repetixen sense parar mentre l’equip està encés:

Fase	Què passa
Fetch (busca)	La unitat de control porta de la memòria la propera instrucció i la deixa en un registre de la CPU.
Decode (descodificació)	La unitat de control interpreta el codi binari: quina operació és i amb quines dades.
Execute (execució)	L’ALU (o un altre circuit) fa l’operació.
Writeback (escriptura)	El resultat es guarda en un registre o, si cal, es torna a la memòria.

Un processador a 3 GHz completa 3.000 milions de cicles de rellotge per segon. Una instrucció pot necessitar més d’un cicle, però una CPU real solapa les fases de diverses instruccions (pipeline) i pot acabar-ne més d’una per cicle.

Exemple: la instrucció «sumar 2 + 3»

Fetch: la unitat de control busca en memòria ADD R1, R2 i la porta a la CPU. Decode: interpreta que és una suma i que els operands són els registres R1 (que val 2) i R2 (que val 3). Execute: l’ALU calcula 2 + 3 = 5. Writeback: el 5 es guarda en el registre de destí.

L’ordinador senzill

En el laboratori treballaràs amb un model didàctic que usa cinc registres:

Registre	Nom	Què guarda
CP	Comptador de programa	L’adreça de la propera instrucció
RDM	Registre d’adreça de memòria	L’adreça de memòria que es va a llegir o escriure
RIM	Registre d’intercanvi de memòria	La dada que va a la memòria o ve d’ella
RI	Registre d’instrucció	La instrucció que s’està executant
AC	Acumulador	El resultat de les operacions de l’ALU

Així s’executa LOAD 10 (porta a l’acumulador el contingut de l’adreça 10, on hi ha un 2), amb el programa a partir de l’adreça 0:

Pas	Què fa	CP	RDM	RIM	RI	AC
1	RDM ← CP	0	0			0
2	RIM ← M[RDM]	0	0	110		0
3	RI ← RIM; CP ← CP + 1	1	0	110	LOAD 10	0
4	RDM ← 10	1	10	110	LOAD 10	0
5	RIM ← M[RDM]	1	10	2	LOAD 10	0
6	AC ← RIM	1	10	2	LOAD 10	2

Els passos 1 a 3 són el fetch (la instrucció, 110, és tan sols un número guardat en memòria); el 4 i el 5 són l’accés a la dada; el 6 és el writeback. La pestanya «Registres pas a pas» executa programes complets i corregix les teues prediccions.

5. Nuclis, fils i rendiment

Una CPU actual integra diversos nuclis (cores): cada un és, a la pràctica, una CPU completa que executa el seu propi flux d’instruccions. El sistema operatiu repartix el treball entre ells. Moltes CPU actuals mesclen nuclis de rendiment i d’eficiència.

Amb Hyper-Threading (Intel) o SMT (AMD), un nucli físic gestiona dos fils d’execució a la vegada i aprofita els moments en què un espera una dada. Això no duplica el rendiment: el nucli és el mateix, i el guany és moderat i depén de la càrrega.

El GHz no ho és tot. El rendiment d’un fil depén de dos factors: la freqüència (cicles per segon) i l’IPC (Instructions Per Cycle, instruccions útils que s’acaben per cicle, segons el disseny de la CPU): rendiment ≈ freqüència × IPC. Per això una CPU moderna a 3,5 GHz pot superar una antiga a 4 GHz.

Tampoc més nuclis vol dir proporcionalment més velocitat: la part del programa que no es pot repartir limita el guany. Amb 4 nuclis i un programa que es pot repartir en un 80 %, el temps es reduïx a 0,2 + 0,8 ÷ 4 = 0,4 del original: una acceleració de 2,5, no de 4.

TDP i refrigeració. El TDP (Thermal Design Power) indica, en vats, la calor que el processador es dissenya per a dissipar en càrrega normal, i per tant la refrigeració que necessita; en mode turbo pot consumir molt més. Un dissipador d’aire senzill val per a CPU de 65 W; en gammes altes (125-150 W o més) convé un dissipador gran o refrigeració líquida. Si no s’evacua la calor, la CPU baixa la freqüència per a protegir-se (thermal throttling) i el rendiment cau.

Família (exemple)	Fabricant	Nuclis habituals (gamma mitjana)	Sòcol
Core i5 / i7 (14a gen.)	Intel	10 a 20 (de rendiment + d’eficiència)	LGA1700
Ryzen 5 / 7 (sèrie 7000)	AMD	6 a 8	AM5

Comprova el que has après

1. Calcula la latència real, en nanosegons, d’un mòdul DDR5-6000 CL30.

   Resposta

   30 × 2000 ÷ 6000 = 10 ns. La mateixa latència real que un DDR4-3200 CL16, encara que el DDR5 té molt més ample de banda.

2. Quin és l’ample de banda teòric de dos mòduls DDR4-2666 en dual channel?

   Resposta

   2666 MT/s × 8 bytes = 21.328 MB/s per canal; per dos canals, 42.656 MB/s, és a dir, uns 42,7 GB/s.

3. Per a un programa d’un sol fil, què és més ràpid: una CPU a 4,2 GHz amb IPC 1,0 o una a 3,6 GHz amb IPC 1,4?

   Resposta

   Rendiment ≈ freqüència × IPC: 4,2 × 1,0 = 4,2 i 3,6 × 1,4 = 5,04. La segona és uns 20 % més ràpida, malgrat tindre menys GHz.

4. En quina fase del cicle d’instrucció es guarda el resultat en un registre? Què conté el comptador de programa (CP)?

   Resposta

   En el writeback. El CP conté l’adreça de la propera instrucció que s’ha de buscar.

5. Per què hi ha memòria cau si ja existix la RAM?

   Resposta

   Perquè la RAM és molt lenta comparada amb la CPU. La cau guarda còpies de les dades i instruccions usades fa poc (els programes sovint les tornen a necessitar), de manera que la CPU espera molt menys.

Glossari

Valencià	Castellano
memòria volàtil	memoria volátil
memòria cau	memoria caché
registre	registro
latència	latencia
ample de banda	ancho de banda
canal doble (dual channel)	doble canal
unitat de control	unidad de control
unitat aritmeticològica (ALU)	unidad aritmético-lógica (ALU)
nucli	núcleo
fil	hilo
comptador de programa	contador de programa
dissipador	disipador
rendiment	rendimiento