¿Qué es una unidad central de procesamiento (CPU)?

Una CPU es, esencialmente, el cerebro activo del ordenador. La CPU es el gestor invisible dentro del ordenador donde la entrada de datos se transforma en output de información. Almacena y ejecuta instrucciones de programa a través de sus vastas redes de circuitos.

Al igual que el cerebro humano, la CPU puede realizar varias tareas. Esto significa que también es la parte del ordenador que regula de manera simultánea las funciones internas del mismo, supervisa el consumo de energía, asigna recursos computacionales e interactúa con varias aplicaciones, programas y redes.

Si aún no está convencido de la importancia crucial de las CPU para la informática, tenga en cuenta lo siguiente: la CPU es la única pieza que se encuentra en todos los ordenadores, independientemente de su tamaño o uso. Si está leyendo esto en un smartphone, un ordenador portátil o un PC, en este mismo momento está utilizando una CPU.

Aunque el término "CPU" suena como si estuviéramos hablando de un equipo singular, no es así. La CPU es en realidad un conjunto de distintos componentes informáticos que trabajan juntos de manera muy coordinada.

Antes de hablar de las partes exclusivas de una CPU y de cómo interactúan, es importante familiarizarse primero con dos conceptos esenciales que impulsan la informática: el almacenamiento de datos y la memoria.

• El almacenamiento de datos se refiere al acto de retener información para poder acceder a ella fácilmente más adelante o incluso conservarla a perpetuidad. Los ordenadores dependen de dos tipos de almacenamiento, clasificados como almacenamiento primario o almacenamiento secundario. El almacenamiento primario (que también se conoce como memoria principal, o simplemente "la principal") contiene instrucciones de funcionamiento o recuperación de datos. La CPU interactúa de forma rutinaria con el almacenamiento primario para acceder a dichos datos.
  
  
• La memoria es una asignación de archivos informáticos de los que se pueden extraer y utilizar instrucciones operativas específicas u otras formas de información digital. La memoria suele adoptar la forma de almacenamiento a corto plazo para los archivos a los que se accede con más frecuencia durante el uso reciente del ordenador. Cuando un dato entra por primera vez en un sistema operativo (SO), se coloca dentro de la memoria de acceso aleatorio (RAM) de ese SO.

También en este caso, la CPU se parece al cerebro humano en que ambos experimentan la memoria a corto plazo y la memoria a largo plazo. La memoria operativa estándar de una CPU solo almacena los datos de la RAM "en el momento" (similar a la memoria a corto plazo de una persona) antes de purgarlos periódicamente de la memoria caché del ordenador.

El almacenamiento secundario es similar a la memoria a largo plazo en humanos e implica la retención permanente o a largo plazo de datos archivándolos en dispositivos de almacenamiento secundario, como discos duros. Los dispositivos de salida, como los discos duros, ofrecen almacenamiento permanente. El almacenamiento permanente implica memoria de solo lectura (ROM), lo que significa que se puede acceder a los datos, pero no se puede actuar sobre ellos ni modificarlos.

A continuación se enumeran los tres componentes principales de una CPU.

Los siguientes componentes de la CPU también son esenciales:

• Caché: la velocidad de la memoria es un aspecto crítico del funcionamiento de las CPU y, sin embargo, irónicamente, la CPU no accede realmente a la RAM. En cambio, las CPU modernas tienen una o varias capas de caché que manejan rutinariamente tales tareas (a velocidades más rápidas de lo que puede lograr la RAM) debido a la posición ventajosa de la caché en el chip procesador de la CPU.
  
  
• Registros: para las necesidades inmediatas y constantes de datos que deben satisfacerse rápidamente para garantizar un funcionamiento sin problemas (de modo que la CPU pueda llevar a cabo de manera eficiente sus diversas instrucciones de proceso de datos), la CPU utiliza registros, que son una forma de memoria permanente. Al crear registros en la propia CPU, se puede acceder a los datos de esos registros en el milisegundo que se necesita.
  
  
• Reloj: es esencial que los complicados circuitos de una CPU funcionen juntos de forma altamente sincronizada. El reloj de la CPU gestiona este proceso emitiendo pulsos eléctricos a intervalos regulares, que se coordinan con varios componentes del ordenador. La velocidad a la que se emiten esos pulsos se denomina velocidad de reloj y se mide en hercios (Hz) o megahercios (MHz).
  
  
• Puntero y registro de instrucciones: cuando la CPU ejecuta un conjunto de instrucciones, el puntero muestra la ubicación de la siguiente instrucción que va a ejecutar la CPU. Una vez que la instrucción actual se ha llevado a cabo, la siguiente información aparece en el registro de instrucciones y una nueva instrucción será destacada dentro del puntero de instrucciones.
  
  
• Buses: un bus de ordenador tiene un papel muy singular dentro de la mayoría de equipos: garantizar una transferencia y un flujo de datos adecuados entre los componentes informáticos dentro de un sistema. La anchura de un bus describe el número de bits que este transfiere en paralelo. Los buses proporcionan a los ordenadores una forma de enlazar las CPU con la memoria integrada y sirven para otros fines.

La funcionalidad de la CPU es manejada por la unidad de control, con la ayuda de sincronización proporcionada por el reloj del ordenador. El trabajo de la CPU se realiza según un ciclo establecido (conocido como ciclo de instrucciones de la CPU), que exige un número determinado de repeticiones de las siguientes instrucciones de computación básicas, según lo permita la potencia de procesamiento de ese ordenador:

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

Cabe mencionar que con algunos retoques básicos, el reloj del ordenador dentro de una CPU puede manipularse para que marque el tiempo más rápido de lo que lo hace normalmente. Algunos usuarios lo hacen para que su ordenador funcione a mayor velocidad. Sin embargo, esta práctica no es aconsejable ya que puede hacer que las piezas del ordenador se desgasten antes de lo normal y puede violar las garantías del fabricante de la CPU.

Hoy en día, se entiende que los ordenadores son una parte tan fundamental de la vida contemporánea que parece como si siempre hubieran estado con nosotros. Pero, por supuesto, no es el caso.

Se ha dicho que toda tecnología descansa sobre los hombros de gigantes. Por ejemplo, en la historia de la informática hubo unos primeros visionarios cuyos diversos experimentos y escritos ayudaron a dar forma a la siguiente generación de pensadores que, a su vez, albergaron otras ideas sobre el potencial de la informática, y así sucesivamente.

En la era moderna, la historia de la informática comenzó durante un conflicto. La Segunda Guerra Mundial hacía estragos cuando el gobierno estadounidense contrató a un grupo de la Escuela de Ingeniería Eléctrica Moore de la Universidad de Pensilvania. Su misión era construir un ordenador completamente electrónico que pudiera calcular con precisión las distancias para las tablas de alcance de la artillería. Dirigidos por el físico John Mauchly y el ingeniero J. Presper Eckert, Jr, los trabajos comenzaron a principios de 1943.

La máquina para calcular que terminaron a principios de 1946 se llamó ENIAC, y fue, literal y figurativamente, un gran desarrollo.

ENIAC costó 400 000 dólares (equivalente a aproximadamente 6,7 millones de dólares en 2024, ajustados a la inflación). Se construyó en un sótano de la Escuela Moore, ocupando la friolera de 1500 pies cuadrados de superficie. Se requirió una asombrosa cantidad de componentes informáticos, incluidos más de 17 000 tubos de vacío, 70 000 resistencias, 10 000 condensadores, 6000 interruptores y 1500 relés. Y en un revelador presagio, los tubos de vacío producían tanto calor que el ENIAC necesitó su propio sistema especial de aire acondicionado.

A pesar de tener una CPU primitiva, ENIAC fue una maravilla para su época y podía procesar hasta 5000 ecuaciones por segundo. Cuando terminó la Segunda Guerra Mundial, ENIAC se incorporó inmediatamente a la incipiente Guerra Fría en el bando estadounidense. Su primera tarea fue realizar cálculos relacionados con la construcción de una nueva arma: la bomba de hidrógeno, que tenía un impacto explosivo mil veces más fuerte que las bombas atómicas.

ENIAC había demostrado lo que un ordenador podía hacer a nivel militar. Pronto, el mismo equipo de Eckert y Mauchly creó su propia empresa para mostrar al mundo cómo un ordenador podía tener un impacto positivo en el mundo de los negocios.

La creación insignia de la Eckert-Mauchly Computer Corporation (EMCC), el UNIVAC 1 (normalmente denominado simplemente "el UNIVAC"), era una versión más pequeña y barata del ENIAC con diversas mejoras que reflejaban la cambiante tecnología de su época.

Para empezar, hizo que la introducción de datos fuera más fácil y expresiva al incluir dispositivos de E/S como un teclado de máquina de escribir eléctrica, hasta 10 unidades de cinta UNISERVO para el almacenamiento de datos y un convertidor de cinta a tarjeta que permitiría a las empresas utilizar tarjetas perforadas además de cinta magnética de almacenamiento.

Al igual que su predecesor, el UNIVAC todavía requería el uso de una gran cantidad de espacio (382 pies cuadrados), pero esto representó una reducción considerable con respecto al ENIAC. Sin embargo, el UNIVAC, con sus extras, costaba bastante más que el ENIAC, ya que solía costar alrededor de 1,5 millones de dólares (unos 11,6 millones de dólares en la actualidad).

Sin embargo, por esa suma, el UNIVAC era capaz de realizar trucos asombrosos. El más notable fue que CBS News lo utilizó para predecir con exactitud las elecciones presidenciales estadounidenses de 1952. Las encuestas convencionales de Gallup habían pronosticado unas elecciones muy ajustadas, pero el UNIVAC sorprendió a todos los periodistas al pronosticar una victoria aplastante de Dwight D. Eisenhower, que fue exactamente lo que ocurrió. Nadie lo vio venir, excepto el UNIVAC. El acontecimiento dejó atónito al público, que de la noche a la mañana empezó a apreciar los asombrosos análisis y predicciones que podían generar los ordenadores.

A pesar de un perfil más estilizado, el UNIVAC seguía siendo enorme, pesaba algo más de 8 toneladas y necesitaba 125 kW de energía. El UNIVAC 1 se presentó en 1951, y el primer modelo fue adquirido por la Oficina del Censo de EE. UU. Desgraciadamente, el uso del UNIVAC se complicó por un grave defecto de diseño, ya que seguía dependiendo de tubos de vacío de vidrio propensos a varios tipos de roturas y que producían cantidades considerables de calor excesivo.

Afortunadamente, la próxima revolución de las CPU abordaría directamente este problema.

Los creadores tanto del ENIAC como del UNIVAC habían sufrido junto con los tubos de vacío porque no había ninguna alternativa viable en aquel momento. Todo esto cambió en 1953 cuando un estudiante de investigación de la Universidad de Manchester demostró que había encontrado una forma de construir un ordenador completamente basado en transistores. La creación de Richard Grimsdale era una máquina de 48 bits que contenía 92 transistores y 550 diodos, y ningún tubo de vacío de vidrio.

Los transistores empezaron a fabricarse en serie a principios de la década de 1950, pero su uso se vio complicado en un principio por el material utilizado, el germanio, que era difícil de purificar y debía mantenerse dentro de un rango de temperatura preciso.

A principios de 1954, los científicos de Bell Labs empezaron a experimentar con el silicio, que acabaría adoptándose para la producción de chips informáticos. Pero las cosas no despegaron realmente hasta que Mohamed Atalia y Dawon Kahng, de Bell Labs, perfeccionaron el uso del silicio y crearon el transistor de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (o MOSFET, o transistor MOS).

Los dos ingenieros habían construido un prototipo funcional a finales de 1959 y, a principios de 1960, se dio a conocer al mundo, marcando el comienzo de la era de los transistores para comenzar la nueva década. A finales de esa década, el transistor se utilizaba ampliamente en todas partes.

De hecho, el MOSFET se hizo tan universalmente popular y adoptado en todo el mundo a lo largo de las últimas décadas que desde entonces ha sido celebrado como el " dispositivo más fabricado de la historia" por el Computer History Museum. Se calcula que en 2018 se han fabricado 13 mil trillones de transistores MOS.

Para el diseño de las CPU, los transistores supusieron una auténtica revolución, liberando a la informática de sus voluminosos y sobredimensionados comienzos y permitiendo la creación de ordenadores de diseño más elegante que requerían menos espacio y podían funcionar de forma más eficiente.

El UNIVAC fue una revelación para su época, a pesar de sus insuficiencias y su enorme tamaño. Después llegó una etapa en la que se crearon placas base más pequeñas y se utilizaron diversos chips informáticos. Esto condujo finalmente al desarrollo del chipset, un único chip con varios usos. Y en la actualidad, las CPU modernas se han miniaturizado tanto que la CPU (toda ella) se aloja dentro de un pequeño chip de circuito integrado, conocido como 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 solo ocupa un zócalo, lo que permite a otros núcleos físicos aprovechar el mismo entorno informático.

Vale la pena señalar que el término "microprocesador" no debe confundirse con "microcontrolador". Un microcontrolador es un ordenador muy pequeño que existe en un único circuito integrado. Los microcontroladores suelen contener al menos una CPU, junto con la memoria relacionada y los datos de E/S programables.

Estos son algunos de los principales términos utilizados en relación con los microprocesadores:

• Procesadores de un solo núcleo: contienen una sola unidad de procesamiento. Suelen caracterizarse por un rendimiento más lento, se ejecutan en un único hilo y realizan el ciclo de instrucciones de la CPU de una en una.
  
  
• Procesadores de doble núcleo: están equipados con dos unidades de procesamiento contenidas en un circuito integrado. Ambos núcleos funcionan al mismo tiempo, lo que duplica el rendimiento.
  
  
• Procesadores de cuatro núcleos: contienen cuatro unidades de procesamiento en un único circuito integrado. Todos los núcleos funcionan de forma simultánea, cuadruplicando las tasas de rendimiento.
  
  
• Procesadores multinúcleo: los procesadores multinúcleo son circuitos integrados equipados con al menos dos núcleos de procesamiento, por lo que pueden ofrecer un rendimiento extraordinario consumiendo menos energía.

Se puede pensar en los hilos como secuencias virtuales de instrucciones que se emiten a una CPU. Principalmente, son una forma de dividir las cargas de trabajo y compartir esas responsabilidades entre diferentes procesadores.

Dos términos relacionados son multihilo e hiperhilo. En el primero, las tareas se dividen en hilos distintos y se ejecutan en paralelo. El hiperhilo ayuda a conseguir beneficios de rendimiento aún mayores porque los procesadores se utilizan para llevar a cabo dos hilos al mismo tiempo.

Las unidades de procesamiento gráfico (GPU) están diseñadas para acelerar y mejorar los gráficos por ordenador y las imágenes procesadas. La GPU existe como un circuito electrónico especial que puede utilizarse en placas base, así como en PC y videoconsolas.

A veces se asume que, dado que la tecnología de las CPU está bien establecida, debe estar estancada. Sin embargo, hay pruebas considerables de que la innovación es continua, ya que constantemente se crean nuevos productos, todos ellos tratando de ofrecer la mejor CPU (o microprocesador) posible. Las siguientes empresas demuestran repetidamente ese esfuerzo:

• Advanced Micro Devices (AMD): AMD fabrica microprocesadores Ryzen desde su fundación en 2017. Los productos AMD Ryzen más destacados (por ejemplo, Ryzen 7, Ryzen 9) han sido apreciados por los aficionados a los videojuegos por ofrecer de forma fiable una alta velocidad de juego, mientras que el procesador Ryzen 5 1600 ha obtenido buenos resultados entre quienes trabajan en el desarrollo de software.
  
  
• Qualcomm: en términos de fabricación pura y dura, Qualcomm lidera en la actualidad un abarrotado grupo de proveedores que trabajan todos en el espacio de las CPU. En mayo de 2024, las muestras de las tasas de clics de los ordenadores sugerían que Qualcomm tenía una impresionante tasa del 37,4 %, más del doble que su rival más cercano.
  
  
• Arm: este es un mercado donde la velocidad es una virtud impulsora. Y aunque Arm en realidad no fabrica microprocesadores, ofrece una forma de otorgar licencias y utilizar su tecnología de chips, por lo que las empresas de terceros pueden asegurarse de que se benefician de los rapidísimos tiempos de procesamiento que ofrecen los microprocesadores diseñados por Arm.
  
  
• Intel: Intel ha sido un nombre líder en la producción de chips informáticos durante décadas, ya que comenzó a producir chips en 1975. Procesadores como el Intel Core i5 (introducido en 2009) han demostrado una compatibilidad perfecta con programas que requieren más potencia de procesamiento, como los programas de edición de vídeo y los programas de desarrollo de software.