Tipos de unidades centrales de procesamiento (CPU)

La unidad central de procesamiento (CPU) es el cerebro del ordenador. Se encarga de la asignación y el procesamiento de tareas y gestiona las funciones operativas que utilizan todos los tipos de ordenadores.

Los tipos de CPU se designan según el tipo de chip que utilizan para procesar los datos. Hay una amplia variedad de procesadores y microprocesadores disponibles, con nuevos procesadores potentes siempre en desarrollo. La potencia de procesamiento que proporcionan las CPU permite a los ordenadores participar en actividades multitarea. Antes de hablar de los tipos de CPU disponibles, debemos aclarar algunos términos básicos que son esenciales para nuestra comprensión de los tipos de CPU.

Hay numerosos componentes dentro de una CPU, pero estos aspectos son especialmente cruciales para el funcionamiento de la CPU y nuestra comprensión de cómo funcionan:

• Caché: cuando se trata de recuperar información, las cachés de memoria son indispensables. Las cachés son áreas de almacenamiento cuya ubicación permite a los usuarios acceder rápidamente a datos de uso reciente. Las cachés almacenan datos en áreas de memoria integradas en el chip del procesador de una CPU para alcanzar velocidades de recuperación de datos incluso más rápidas que las que puede alcanzar la memoria de acceso aleatorio (RAM). Las cachés se pueden crear mediante el desarrollo de software o componentes de hardware.

• Velocidad del reloj: todos los ordenadores están equipados con un reloj interno, que regula la velocidad y la frecuencia de las operaciones del ordenador. El reloj gestiona los circuitos de la CPU mediante la transmisión de pulsos eléctricos. La velocidad de entrega de esos impulsos se denomina velocidad de reloj y se mide en hercios (Hz) o megahercios (MHz). Tradicionalmente, una forma de aumentar la velocidad de procesamiento ha sido configurar el reloj para que funcione más rápido de lo normal.

• Núcleo: los núcleos actúan como el procesador dentro del procesador. Los núcleos son unidades de procesamiento que leen y ejecutan diversas instrucciones del programa. Los procesadores se clasifican según la cantidad de núcleos integrados en ellos. Las CPU con múltiples núcleos pueden procesar instrucciones considerablemente más rápido que los procesadores de un solo núcleo. (Nota: el término “Intel Core” se utiliza comercialmente para promocionar la línea de productos de CPU multinúcleo de Intel).

• Subprocesos: los subprocesos son las secuencias más cortas de instrucciones programables que el programador de un sistema operativo puede administrar de forma independiente y enviar a la CPU para su procesamiento. A través de los subprocesos múltiples (el uso de varios subprocesos que se ejecutan simultáneamente), un proceso informático puede ejecutarse simultáneamente. El hipersubprocesamiento se refiere a la forma patentada de subprocesos múltiples de Intel para la paralelización de los cálculos.

Otros componentes de la CPU

Además de los componentes anteriores, las CPU modernas suelen contener lo siguiente:

• Unidad aritmética lógica (ALU): realiza todas las operaciones aritméticas y lógicas, incluidas las ecuaciones matemáticas y las comparaciones basadas en la lógica. Ambos tipos están vinculados a acciones informáticas específicas.
• Bus: garantiza la transferencia y el flujo de datos adecuados entre los componentes de un sistema informático.
• Unidad de control: contiene circuitos intensivos que controlan el sistema informático emitiendo un sistema de impulsos eléctricos y ordenan al sistema que ejecute instrucciones informáticas de alto nivel.
• Registro de instrucciones y puntero: muestra la ubicación del siguiente conjunto de instrucciones que ejecutará la CPU.
• Unidad de memoria: gestiona el uso de la memoria y el flujo de datos entre la RAM y la CPU. Además, la unidad de memoria supervisa el manejo de la memoria caché.
• Registros: proporciona memoria permanente incorporada para necesidades de datos constantes y repetidos que deben manejarse de forma regular e inmediata.

Las CPU utilizan un tipo de ciclo de comandos repetidos que administra la unidad de control en asociación con el reloj del ordenador, que proporciona ayuda para la sincronización.

El trabajo que realiza una CPU se produce según un ciclo establecido (denominado ciclo de instrucciones de la CPU). El ciclo de instrucciones de la CPU designa un determinado número de repeticiones, y este es el número de veces que se repetirán las instrucciones básicas de cálculo, según lo habilitado por la potencia de procesamiento de ese ordenador.

Las tres instrucciones básicas de cálculo son las siguientes:

• Fetch: los fetch se producen cada vez que se recuperan datos de la memoria.
• Decodificación: el decodificador de la CPU traduce las instrucciones binarias en señales eléctricas que interactúan con otras partes de la CPU.
• Ejecución: la ejecución se produce cuando los ordenadores interpretan y llevan a cabo el conjunto de instrucciones de un programa informático.

Los intentos básicos de generar velocidades de procesamiento más rápidas han llevado a algunos propietarios de ordenadores a renunciar a los pasos habituales implicados en la creación de un rendimiento de alta velocidad, que normalmente requiere la aplicación de más núcleos de memoria. En su lugar, estos usuarios ajustan el reloj del ordenador para que funcione más rápido en sus máquinas. El proceso de "overclocking" es análogo al "jailbreaking" de los smartphones para poder alterar su rendimiento. Por desgracia, al igual que el jailbreaking de un smartphone, estos retoques son potencialmente dañinos para el dispositivo y los fabricantes de ordenadores lo desaprueban rotundamente.

Las CPU se definen por el procesador o microprocesador que las impulsa:

• Procesador mononúcleo: un procesador mononúcleo es un microprocesador con una CPU en su matriz (el material a base de silicio al que se adhieren los chips y microchips). Los procesadores mononúcleo suelen funcionar más lentamente que los procesadores multinúcleo, operan con un único subproceso y realizan la secuencia de ciclos de instrucciones sólo una vez cada vez. Son los más adecuados para la informática de uso general.
• Procesador multinúcleo: un procesador multinúcleo se divide en dos o más secciones de actividad, cada núcleo lleva a cabo instrucciones como si fueran ordenadores completamente distintos, aunque las secciones están técnicamente ubicadas juntas en un solo chip. Para muchos programas informáticos, un procesador multinúcleo proporciona una salida superior y de alto rendimiento.
• Procesador integrado: un procesador integrado es un microprocesador diseñado expresamente para su uso en sistemas integrados. Los sistemas integrados son pequeños y están diseñados para consumir menos energía y estar contenidos dentro del procesador para un acceso inmediato a los datos. Los procesadores integrados incluyen microprocesadores y microcontroladores.
• Procesador de doble núcleo: un procesador de doble núcleo es un procesador multinúcleo que contiene dos microprocesadores que actúan de forma independiente entre sí.
• Procesador de cuatro núcleos: un procesador de cuatro núcleos es un procesador multinúcleo que tiene cuatro microprocesadores que funcionan de forma independiente.
• Procesador de ocho núcleos: un procesador ocho núcleos es un procesador multinúcleo que tiene ocho microprocesadores que funcionan de forma independiente.
• Procesador de diez núcleos: un procesador de diez núcleos es un circuito integrado que tiene diez núcleos en una matriz o por paquete.

Aunque varias empresas fabrican productos o desarrollan software compatible con CPU, ese número se ha reducido a unos pocos actores importantes en los últimos años.

Las dos principales empresas en este área son Intel y Advanced Micro Devices (AMD). Cada uno utiliza un tipo diferente de arquitectura de conjunto de instrucciones (ISA). Los procesadores Intel utilizan una arquitectura informática de conjunto de instrucciones complejas (CISC). Los procesadores AMD siguen una arquitectura de ordenador con conjunto de instrucciones reducido (RISC).

• Intel: Intel comercializa procesadores y microprocesadores a través de cuatro líneas de productos. Su línea premium de gama alta es Intel Core. Los procesadores Xeon de Intel están dirigidos a oficinas y empresas. Las líneas Intel Celeron e Intel Pentium se consideran más lentas y menos potentes que la línea Core.

• Advanced Micro Devices (AMD): AMD vende procesadores y microprocesadores a través de dos tipos de productos: CPU y APU (que significa unidades de procesamiento acelerado). Las APU son CPU que han sido equipadas con gráficos Radeon patentados. Los procesadores Ryzen de AMD son microprocesadores de alta velocidad y alto rendimiento destinados al mercado de los videojuegos. Los procesadores Athlon se consideraban antes la línea de gama alta de AMD, pero AMD ahora los utiliza como una alternativa informática básica.

• Arm: aunque Arm no fabrica equipos, alquila sus valiosos diseños de procesadores de gama alta y otras tecnologías patentadas a otras empresas que sí los fabrican. Apple, por ejemplo, ya no utiliza chips Intel en las CPU de los Mac, sino que fabrica sus propios procesadores personalizados basados en diseños de Arm. Otras empresas están siguiendo este ejemplo.

Unidades de procesamiento gráfico (GPU)

Aunque el término "unidad de procesamiento gráfico" incluye la palabra "gráfico", esta formulación no capta realmente en qué consisten las GPU, que es la velocidad. En este caso, su mayor velocidad es la causa de la aceleración de los gráficos por ordenador.

La GPU es un tipo de circuito electrónico con aplicaciones inmediatas para PC, teléfonos inteligentes y consolas de videojuegos, que era su uso original. Ahora las GPU también sirven para fines no relacionados con la aceleración de gráficos, como la minería de criptomonedas y el entrenamiento de redes neuronales.

Microprocesadores

La búsqueda de la miniaturización de los ordenadores continuó cuando la ciencia informática creó una CPU tan pequeña que podía caber dentro de un pequeño chip de circuito integrado, llamado microprocesador. Los microprocesadores se designan por el número de núcleos que admiten.

El núcleo de la CPU es "el cerebro dentro del cerebro", la unidad física de procesamiento de la CPU. Los microprocesadores pueden contener varios procesadores. Por su parte, un núcleo físico es una CPU integrada en un chip, pero que sólo ocupa un zócalo, lo que permite a otros núcleos físicos aprovechar el mismo entorno informático.

Dispositivos de salida

La computación sería una actividad muy limitada sin la presencia de dispositivos de salida para ejecutar los conjuntos de instrucciones de la CPU. Estos dispositivos incluyen periféricos, que se conectan al exterior de un ordenador y aumentan enormemente su funcionalidad.

Los periféricos proporcionan los medios para que el usuario interactúe con el ordenador y consiga que este procese las instrucciones de acuerdo con los deseos del usuario. Incluyen elementos esenciales de escritorio como teclados, ratones, escáneres e impresoras.

Los periféricos no son los únicos archivos adjuntos comunes al ordenador moderno. También hay dispositivos de entrada/salida de uso generalizado y ambos reciben información y transmiten información, como cámaras de video y micrófonos.

Consumo de energía

Hay varios problemas que se ven afectados por el consumo de energía. Uno de ellos es la cantidad de calor producido por los procesadores multinúcleo y cómo disipar el exceso de calor de ese dispositivo para que el procesador del ordenador permanezca protegido térmicamente. Por esta razón, los centros de datos a hiperescala (que albergan y utilizan miles de servidores) están diseñados con amplios sistemas de aire acondicionado y refrigeración.

También hay cuestiones de sostenibilidad, aunque estemos hablando de unos pocos ordenadores en lugar de unos miles. Cuanto más potente sea el ordenador y sus CPU, más energía se necesitará para mantener su funcionamiento y, en algunos casos de tamaño macro, eso puede significar gigahercios (GHz) de potencia de cálculo.

Chips especializados

La inteligencia artificial (IA), el desarrollo más profundo de la informática desde sus orígenes, está afectando ahora a la mayoría, si no a todos, los entornos informáticos. Una de las novedades que estamos viendo en el ámbito de las CPU es la creación de procesadores especiales que se han creado específicamente para gestionar las grandes y complejas cargas de trabajo asociadas a la IA (u otros fines especiales):

• Entre estos equipos se incluye el Tensor Streaming Processor (TSP), que se encarga de las tareas de machine learning (ML) además de las aplicaciones de IA. Otros productos igualmente adecuados para el trabajo con IA son el procesador AMD Ryzen Threadripper 3990X de 64 núcleos y el procesador de sobremesa Intel Core i9-13900KS, que utiliza 24 núcleos.
• Para una aplicación como la edición de vídeo, muchos usuarios optan por la CPU Intel Core i7 14700KF de 20 núcleos y 28 hilos. Otros eligen el Ryzen 9 7900X, que se considera la mejor CPU de AMD para la edición de vídeo.
• En términos de procesadores de videojuegos, el AMD Ryzen 7 5800X3D cuenta con una tecnología 3D V-Cache que le ayuda a elevar y acelerar los gráficos de los juegos.
• Para tareas informáticas de uso general, como ejecutar un sistema operativo como Windows o navegar por sitios web multimedia, cualquier procesador AMD o Intel de modelo reciente debería realizar sin problemas las tareas rutinarias.

Transistores

Los transistores son enormemente importantes para la electrónica en general y para la informática en particular. El término es una mezcla de “resistencia de transferencia” y generalmente se refiere a un componente hecho de semiconductores utilizado para limitar y/o controlar la cantidad de corriente eléctrica que fluye a través de un circuito.

En informática, los transistores son igualmente elementales. El transistor es la unidad básica de construcción detrás de la creación de todos los microchips. Los transistores ayudan a formar la CPU y son los que crean el lenguaje binario de 0 y 1 que los ordenadores usan para interpretar la lógica booleana.

Los informáticos siempre trabajan para aumentar el rendimiento y la funcionalidad de las CPU. Estas son algunas proyecciones sobre las CPU del futuro:

• Nuevos materiales de chip: el chip de silicio ha sido durante mucho tiempo el pilar de la industria informática y otros productos electrónicos. La nueva ola de procesadores (enlace externo a ibm.com) aprovechará los nuevos materiales para chips que ofrecen un mayor rendimiento. Entre ellos figuran los nanotubos de carbono (que presentan una excelente conductividad térmica a través de tubos de carbono aproximadamente 100 000 veces más pequeños que la anchura de un cabello humano), el grafeno (sustancia que posee propiedades térmicas y eléctricas extraordinarias) y los componentes espintrónicos (que se basan en el estudio del modo en que giran los electrones y que podrían llegar a producir un transistor giratorio).
• Cuántica sobre binario: aunque las CPU actuales dependen del uso de un lenguaje binario, la computación cuántica acabará cambiando eso. En lugar del lenguaje binario, la computación cuántica deriva sus principios básicos de la mecánica cuántica, una disciplina que ha revolucionado el estudio de la física. En la computación cuántica, los dígitos binarios (1 y 0) pueden existir en varios entornos (en lugar de en dos entornos actualmente). Y como estos datos vivirán en más de una ubicación, las recuperaciones serán más fáciles y rápidas. El resultado para el usuario será un marcado aumento de la velocidad de cálculo y un aumento general de la potencia de procesamiento.

• IA en todas partes: a medida que la inteligencia artificial siga haciéndose notar profundamente, tanto en la industria informática como en nuestra vida cotidiana, tendrá una influencia directa en el diseño de las CPU. Conforme avance el futuro, es previsible que la IA se integre cada vez más directamente en el hardware de los ordenadores. Cuando esto suceda, experimentaremos un procesamiento de IA significativamente más eficiente. Además, los usuarios notarán un aumento en la velocidad de procesamiento y dispositivos que podrán tomar decisiones de forma independiente en tiempo real. Mientras esperamos a que se produzca la implementación del hardware, el fabricante de chips Cerebras ya ha presentado un procesador que sus fabricantes afirman que es el "chip de IA más rápido del mundo" (enlace externo a ibm.com). Su chip WSE-3 puede entrenar modelos de IA con hasta 24 billones de parámetros. Este megachip contiene cuatro billones de transistores, además de 900 000 núcleos.

Las empresas esperan mucho de los ordenadores en los que invierten. A su vez, esos equipos dependen de tener una CPU con suficiente potencia de procesamiento para manejar las cargas de trabajo desafiantes que se encuentran en el entorno empresarial actual de uso intensivo de datos.

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