El Procesador (CPU)
¿Qué es procesador?
La unidad central de procesamiento o unidad de procesamiento central (conocida por las siglas CPU, del inglés: Central Processing Unit), es el hardware dentro de un ordenador u otros dispositivos programables, que interpreta las instrucciones de un programa informático mediante la realización de las operaciones básicas aritméticas, lógicas y de entrada/salida del sistema. El término, y su acrónimo, han estado en uso en la industria de la Informática por lo menos desde el principio de los años 1960. La forma, el diseño de CPU y la implementación de las CPU ha cambiado drásticamente desde los primeros ejemplos, pero su operación fundamental sigue siendo la misma.
Un ordenador puede tener más de una CPU; esto se llama multiprocesamiento. Todas las CPU modernas son microprocesadores, lo que significa que contienen un solo circuito integrado (chip). Algunos circuitos integrados pueden contener varias CPU en un solo chip; estos son denominados procesadores multinúcleo. Un circuito integrado que contiene una CPU también puede contener los dispositivos periféricos, y otros componentes de un sistema informático; a esto se llama un sistema en un chip (SoC).
Dos componentes típicos de una CPU son la unidad aritmético lógica (ALU), que realiza operaciones aritméticas y lógicas, y la unidad de control (CU), que extrae instrucciones de la memoria, las decodifica y las ejecuta, llamando a la ALU cuando sea necesario.
No todos los sistemas computacionales se basan en una unidad central de procesamiento. Una matriz de procesador o procesador vectorial tiene múltiples elementos de cómputo paralelo, sin una unidad considerada el “centro”. En el modelo de computación distribuido, se resuelven problemas mediante un conjunto interconectado y distribuido de procesadores.
Componentes del procesador
Núcleos
Un núcleo no es más que un procesador en miniatura. Los procesadores modernos tienen varios de ellos lo cual hace que puedan acelerar ciertos tipos de aplicaciones y evitar bloqueos.
Cache
La memoria cache es el elemento del sistema de memoria de un PC que se encuentra en el interior del micro, se usa para acelerar la velocidad de los accesos a la RAM.
La cache se encuentra, a su vez, organizada en varios niveles cada uno más lento y grande que el anterior. Será tarea del micro dejar los datos que más se usen lo más cerca posible para así acelerar la ejecución de los programas.
Controlador de memoria
Este fue uno de los primeros elementos que se integro consiguiendo acelerar el acceso la memoria RAM. Esto tiene un inconveniente y es que sólo puedes usar el tipo de memoria para la que tu procesador este preparado.
Esto no ha sido siempre así ya que antes el tipo de memoria que podías usar dependía de la placa base y no era raro que esta estuviera preparada para poder funcionar con varios tipos de RAM.
Tarjeta gráfica
Si integran este componente ya no hablamos de CPUs sino de APUs. Ya no estaríamos ante un micro convencional si no ante un hibrido entre procesador y tarjeta gráfica. En la actualidad y parece que en desarrollos futuros casi todos los micros con los que te encuentres serán de este tipo.
Otros elementos
Los micros han incorporado aún mas funcionalidad que antes se encontraba sobre la placa base. Por ejemplo, el controlador de PCI Express, aumentando la velocidad con la que el micro es capaz de comunicarse con otros dispositivos.
Características principales del procesador
A la hora de comprar una CPU, es importante fijarse en sus características técnicas. Desde un principio, es bastante posible que todo os suene a “chino” debido a que es una nomenclatura con tecnicismos bastante complejos. De todas formas, aquí os dejamos un breve resumen para que podáis hacer una compra más objetiva:
- Frecuencia de reloj. Este primer término hace referencia a la velocidad de reloj que hay dentro del propio procesador. Es un valor que se mide en Mhz o Ghz y es básicamente la cantidad de potencia que alberga la CPU. La mayoría de ellas cuentan con una frecuencia base (para tareas básicas) y otra turbo que se utiliza para procesos más exigentes (para gaming por ejemplo).
- Consumo energético. Es normal que nos encontremos con CPU’s donde su consumo energético varíe notablemente. Es un valor que se muestra en vatios (W) y como es obvio, aquellos procesadores de gama superior, serán más propensos a consumir más energía. Ante esto, es importante también contar con una fuente de alimentación acorde a la potencia de nuestro procesador y tarjeta gráfica.
- Número de núcleos. Con el avance de la tecnología, ya es posible encontrar tanto procesadores de Intel como de AMD que cuentan desde 2 hasta 16 núcleos respectivamente. Estos cores son los encargados de llevar a cabo multitud de tareas de manera simultánea sin que el PC tenga que trabajar a “marchas forzadas”. Aquí depende también mucho del uso que le vayáis a dar a vuestro ordenador. Si lo vais a usar únicamente para tareas de ofimática, con una CPU de uno o dos núcleos será más que suficiente. Aunque si ya queréis hacer streaming, jugar o llevar a cabo labores de edición de vídeos, necesitaréis al menos cuatro.
- Zócalo. Es el tipo de conector con pines o socket al que debéis conectar a vuestra placa base. Es muy importante que os fijéis en este término, ya que de lo contrario, podéis comprar sin querer una CPU que sea incompatible con vuestra motherboard. Por ejemplo, las últimas de Intel suelen ser tener el socket 1151, mientras que las de AMD con Ryzen son AM4.
- Número de hilos. Dentro de cada núcleo puede existir un hilo o core virtual, que tienen como objetivo llevar a cabo otros procesos más pesados sin que el rendimiento del PC o del portátil se vea afectado. Esta tecnología es lo que se conoce como “hyper-threading”, un término que acuñó Intel, pero que a día de hoy se usa indistintamente para cualquier marca.
- Memoria caché. A la hora de “recordar” cualquier tarea, el propio ordenador hace uso de la memoria RAM. Sin embargo, a veces esto no es del todo suficiente y por tanto es necesario que utilice la memoria caché de la propia CPU. Se caracteriza porque se llega a ella de forma más rápida y puede ser tipo L1, L2 y L3.
¿Cómo funciona el procesador?
Todo el sistema está gobernado por un reloj que se usa para sincronizar los diferentes bloques funcionales. La velocidad a la que este cambia de estado se denomina frecuencia de funcionamiento y está relacionada con la capacidad de cómputo del sistema.
El funcionamiento de un procesador se puede dividir en las siguientes etapas:
1º – Se lee una instrucción de memoria
El conjunto de instrucciones de cualquier procesador actual incluye más de mil diferentes y va creciendo con el tiempo. Se añaden para mejorar la velocidad de procesamiento de ciertas aplicaciones.
2º – Se buscan los datos
Algunas instrucciones necesitaran de datos para realizar sus cálculos que pueden no encontrarse dentro del procesador y tendrán que buscarse por tanto en el sistema de memoria.
3º – Se realiza la operación
Una vez que se tiene todo se ejecuta la operación, para esto puede ser necesario el trabajo de varios bloques como la unidad aritmética lógica o la de punto flotante.
4º – Se pasa a la siguiente instrucción
Que no es siempre la que se encuentra a continuación en la memoria. Muchas instrucciones pueden cambiar el flujo del programa y permitir saltos o repetir ciertas acciones hasta que se cumpla una determinada condición.
Una de las técnicas más usadas para aumentar la velocidad incluye la ejecución de instrucciones fuera de orden intentando optimizar el uso de los bloques funcionales. En estos procesadores se ejecutan las operaciones cuando están sus datos y no en el orden en que fueron escritas. Esto por supuesto lleva a una arquitectura más compleja que debe de controlar que los resultados sean coherentes.
Otra de las mejoras es el predictor de saltos. Este elemento trata de acertar si en una determinada operación se va a producir una bifurcación en el código o no. De esta forma puede ejecutar las instrucciones de una determinada rama incluso antes de saber si se va a producir un salto a ella.
Todas estas técnicas lo que tratan es de mejorar el IPC es decir la capacidad del procesador de ejecutar más instrucciones en la misma cantidad de tiempo.