El mayor cuello de botella que tienes es la placa base, que ya es vieja y el procesador que tiene sus años.

Si pones un SSD notarás gran mejoría, aunque sea SATA2 3.0 Gb/s, la velocidad de lectura y escritura secuencial y aleaotria aumentará considerablemente, así como los tiempos de acceso. Un disco duro mecánico no puedes competir contra eso.

No sé de dónde has sacado la idea que con un SSD no iría más rápido o no vale la pena...

Puedes leer este artículo:
¿Merece la pena poner un SSD en un PC que no tiene ni SATA 3?
https://hardzone.es/tutoriales/rendimiento/ssd-sata-2/

Instalar 16GB de RAM a un ordenador tan antiguo tampoco tiene mucho sentido, con 8GB de RAM (teniendo 4) ya notarías una gran mejora.



Correcto. Cambiar un procesador Athlon por uno más "rápido", es tirar el dinero.

N0 te puedo dar datos especificos de la velocidad del bus en SATA2, pero si sigues con HDD sin duda antes de cambiar el procesador pon el SDD , hice un upgrade parecido al tuyo , y cambie el procesador pero porque era un sempron  ,tambien cambie la ram , y el disco duro por un SSD la diferencia más notable fue el SSD ,  aunque no puedas exprimir el maximo el SSD, que creo que en formato SATA si no lo exprimes sera por poco , tambien tengo mi antiguo PC 775 por nostalgia con el mod xeon , y le cambie el disco y te puedo asegurar que se nota . (Tambien SATA2)