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

Una CPU es, esencialmente, el cerebro activo de la computadora. La CPU es el administrador invisible dentro de la computadora donde la entrada de datos se transforma en salida 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 múltiples tareas. Esto significa que también es la parte de la computadora que regula simultáneamente las funciones internas de la computadora, monitorea el consumo de energía, asigna recursos informáticos e interactúa con varias aplicaciones, programas y redes.

Si aún no está convencido de la importancia crítica de las CPU para la informática, considere esto: la CPU es la única parte que se encuentra en cada computadora, independientemente del tamaño o uso de la misma. Si está leyendo esto en un teléfono inteligente, computadora portátil o PC, está usando una CPU en este mismo momento.

Aunque el término "CPU" suena como si estuviéramos hablando de un equipo singular, no es así. La CPU es en realidad un lote ensamblado de diferentes componentes informáticos que funcionan juntos de una manera orquestada.

Antes de analizar las partes únicas de una CPU y cómo interactúan, es importante familiarizarse con dos conceptos esenciales que impulsan la computación: almacenamiento de datos y memoria.

• Almacenamiento de datos se refiere a la acción de mantener la información para que pueda ser fácilmente accedida más adelante o incluso mantenida perpetuamente. Las computadoras 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 rutinariamente con el almacenamiento primario para obtener acceso a dichos datos.
  
  
• La memoria es una asignación de archivos informáticos de los que se pueden extraer y emplear 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 mayor frecuencia durante el uso reciente de la computadora. Cuando un dato ingresa por primera vez a 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 memoria a corto plazo y memoria a largo plazo. La memoria operativa estándar de una CPU sólo almacena datos RAM "en el momento" (al igual que la memoria a corto plazo de una persona) antes de purgarlos periódicamente de la memoria caché de la computadora.

El almacenamiento de información secundario es similar a la memoria a largo plazo en los seres humanos e implica la retención permanente o a largo plazo de los datos al archivarlos en dispositivos de almacenamiento de información secundarios, 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.

Los siguientes son los tres componentes principales dentro de una CPU.

Los siguientes componentes de la CPU también son esenciales:

• Caché: la velocidad de la memoria es un aspecto crítico de cómo se ejecutan las CPU y, sin embargo, irónicamente, la CPU en realidad no accede a la RAM. En cambio, las CPU modernas tienen una o varias capas de caché que manejan rutinariamente tales tareas (a velocidades más rápidas que la RAM) debido a la posición ventajosa del caché en el chip del procesador de la CPU.
  
  
• Registros: Para las necesidades inmediatas y constantes de datos que deben satisfacer rápidamente para garantizar operaciones sin problemas (de modo que la CPU pueda realizar eficientemente sus diversas instrucciones de procesamiento de datos), la CPU emplea registros, que son una forma de memoria permanente. Al incorporar registros en la propia CPU, se puede acceder a los datos de esos registros en el milisegundo en que se necesitan.
  
  
• Reloj: es esencial que los complicados circuitos dentro de una CPU funcionen juntos de manera altamente sincronizada. El reloj de la CPU gestiona este proceso emitiendo pulsos eléctricos a intervalos regulares, que se coordinan con varios componentes de la computadora. La velocidad a la que se entregan esos pulsos se conoce como velocidad de reloj, medida en hercios (Hz) o megahercios (MHz).
  
  
• Registro de instrucciones y puntero: Cuando la CPU lleva a cabo un conjunto de instrucciones, el puntero de instrucción muestra la ubicación de la siguiente instrucción a ser ejecutada por la CPU. Una vez que se haya realizado la instrucción actual, la siguiente información se mostrará en el registro de instrucciones y una nueva instrucción será resaltada dentro del puntero de instrucción.
  
  
• Buses: un bus informático tiene una función muy singular dentro de la mayoría de las computadoras: garantizar la transferencia de datos y el flujo de datos adecuados entre los componentes informáticos dentro de un sistema computacional. El ancho de un bus describe el número de bits que transfiere el bus en paralelo. Los buses ayudan a que las computadoras vinculen las CPU a la memoria integrada y sirvan para otros fines.

La unidad de control se encarga de la funcionalidad de la CPU, con la ayuda de la sincronización proporcionada por el reloj de la computadora. El trabajo de la CPU se produce según un ciclo establecido (conocido como ciclo de instrucciones de la CPU) que exige un cierto número de repeticiones de las siguientes instrucciones básicas de cálculo, según lo permita la potencia de procesamiento de esa computadora:

• Recuperación: lasrecuperaciones se producen cada vez que se recuperan datos de la memoria.
  
  
• Descodificación: El descodificador dentro de la CPU traduce las instrucciones binarias en señales eléctricas que activan otras partes de la CPU.
  
  
• Ejecución: la ejecución ocurre cuando las computadoras interpretan y llevan a cabo el conjunto de instrucciones de un programa informático.

Cabe mencionar que con algunos ajustes básicos, el reloj de la computadora dentro de una CPU se puede manipular para mantener el tiempo más rápido de lo que normalmente transcurre. Algunos usuarios hacen esto para ejecutar su computadora a velocidades más altas. Sin embargo, esta práctica no es recomendable, ya que puede hacer que las piezas de la computadora se desgasten antes de lo normal y puede violar las garantías del fabricante de la CPU.

Hoy en día se entiende que las computadoras son una parte tan fundamental de la vida contemporánea que parece que siempre estuvieron con nosotros. Pero, por supuesto, ese no es el caso.

Se dijo que toda la tecnología se apoya en los hombros de los gigantes. Por ejemplo, en la historia de la computación hubo visionarios tempranos cuyos diversos experimentos y escritos ayudaron a dar forma a la próxima generación de pensadores que luego tuvieron más ideas sobre el potencial de la computación, y así sucesivamente.

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

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

El costo del ENIAC fue de 400,000 dólares (equivalente a aproximadamente 6.7 millones de dólares en 2024, ajustado por la inflación). Se construyó en un sótano de la Escuela Moore y ocupa una enorme superficie de 140 metros cuadrados. Se requirió una asombrosa cantidad de componentes informáticos, incluidos más de 17,000 tubos de vacío, 70,000 resistencias, 10,000 condensadores, 6,000 interruptores y 1,500 relés. En un revelador presagio, los tubos de vacío producían tanto calor que ENIAC necesitaba su propio sistema especial de aire acondicionado.

A pesar de tener una CPU primitiva, ENIAC era una maravilla para su época y podía procesar hasta 5,000 ecuaciones por segundo. Cuando terminó la Segunda Guerra Mundial, ENIAC se incorporó inmediatamente a la emergente Guerra Fría del lado 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 demostró lo que una computadora podía hacer militarmente. Pronto, el mismo equipo de Eckert y Mauchly creó su propia compañía para mostrar al mundo cómo una computadora podría tener un impacto positivo en el mundo de los negocios.

La creación emblemática de la Corporación de Computación Eckert-Mauchly (EMCC), la UNIVAC 1 (generalmente solo referida como “la UNIVAC”), fue una versión más pequeña y más barata del ENIAC con diversas mejoras que reflejaban la tecnología cambiante de su época.

Para empezar, facilitaba la introducción de datos y la hacía más 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 compañías emplear tarjetas perforadas además de la cinta de almacenamiento magnético.

Al igual que su predecesora, la UNIVAC aún requería el uso de una gran cantidad de espacio (382 pies cuadrados), pero esta fue una reducción considerable de la ENIAC. Sin embargo, el UNIVAC, con sus características adicionales, cuesta considerablemente más que el ENIAC, por lo general, alrededor de USD 1.5 millones (casi USD 11.6 millones ahora).

No obstante, por esa suma, la UNIVAC pudo realizar trucos asombrosos. En particular, CBS News lo utilizó para predecir con precisión las elecciones presidenciales estadounidenses de 1952. Las encuestas convencionales de Gallup habían pronosticado una elección apretada, pero la UNIVAC aturdió a todos los reporteros al hacer un llamado temprano para la victoria de Dwight D. Eisenhower, que es exactamente lo que sucedió. Nadie lo vio venir, excepto UNIVAC. El evento aturdió al público, que de la noche a la mañana ganó una apreciación por el asombroso análisis y predicciones que podrían generar las computadoras.

A pesar de un perfil más elegante, UNIVAC seguía siendo enorme, pesaba poco más de 8 toneladas y requería 125 kW de energía. UNIVAC 1 se presentó en 1951, con el primer modelo comprado por la Oficina del Censo de EE. UU. Desafortunadamente, el uso de UNIVAC se complicó por un grave defecto de diseño, que seguía dependiendo de tubos de vacío de vidrio que eran propensos a varios tipos de roturas y producían cantidades considerables de calor en exceso.

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

Los creadores tanto de la ENIAC como de la UNIVAC habían sufrido junto con los tubos de vacío debido a que en ese momento no había una alternativa viable. Todo esto cambió en 1953 cuando un estudiante de investigación de la Universidad de Manchester demostró que había encontrado una manera de construir una computadora completamente basada en transistores . La creación de Richard Grimsdale fue una máquina de 48 bits que contenía 92 transistores y 550 diodos y 0 tubos de vacío de vidrio.

Los transistores empezaron a fabricarse en serie a principios de la década de 1950, pero su uso se complicó en un principio por el material empleado: 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 Laboratories comenzaron a experimentar con silicio, que finalmente se adoptaría para la producción de chips de computadora. Pero las cosas no despegaron realmente hasta que Mohamed Atalia y Dawon Kahng de Bell Laboratories refinaron el uso del silicio y crearon el transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (o MOSFET, o transistor MOS).

Los dos ingenieros construyeron 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 con la nueva década. A finales de esa década, el transistor se usaba ampliamente en todas partes.

De hecho, el MOSFET se hizo tan universalmente popular y adoptado en todo el mundo durante las últimas décadas que desde entonces ha sido celebrado como el “dispositivo más fabricado de la historia” por el Computer History Museum. En 2018, se estimó que se fabricaron 13 sextillones de transistores MOS.

Para el diseño de CPU, los transistores fueron un verdadero punto de inflexión, liberando a la informática de sus voluminosos y sobredimensionados comienzos y permitiendo la creación de computadoras con un diseño más elegante que requerían menos espacio y podían funcionar de manera más eficiente.

UNIVAC fue una revelación para su época, a pesar de sus deficiencias y su enorme tamaño. Luego llegó una etapa en la que se crearon placas base más pequeñas y se utilizó cierta variedad de chips de computadora. Esto finalmente dio lugar al chipset, un único chip con múltiples usos. Y a estas alturas, las CPU modernas se miniaturizaron tan bien que toda la CPU está alojada dentro de un pequeño chip de circuito integrado, conocido como microprocesador.

Los microprocesadores se designan por el número de núcleos que admiten. Un núcleo de CPU es el “cerebro dentro del cerebro” y actúa como unidad de procesamiento físico dentro de una CPU. Los microprocesadores pueden tener varios procesadores. Mientras tanto, un núcleo físico es una CPU integrada en un chip, pero que solo ocupa un contacto, lo que permite que otros núcleos físicos aprovechen el mismo entorno informático.

Vale la pena señalar que el término "microprocesador" no debe confundirse con "microcontrolador". Un microcontrolador es una computadora muy pequeña que existe en un solo 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 términos principales empleados en relación con los microprocesadores:

• Procesadores de un solo núcleo: los procesadores de un solo núcleo contienen una sola unidad de procesamiento. Por lo general, se caracterizan por un rendimiento más lento, se ejecutan en un solo subproceso y realizan el ciclo de instrucciones de la CPU uno a la vez.
  
  
• Procesadores de doble núcleo: Los 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: Los procesadores de cuatro núcleos contienen cuatro unidades de procesamiento dentro de un solo circuito integrado. Todos los núcleos se ejecutan simultáneamente, cuadruplicando sus tasas de rendimiento.
  
  
• Procesadores multinúcleo: Los procesadores multinúcleo son circuitos integrados equipados con al menos dos núcleos de procesamiento, de modo que pueden ofrecer un rendimiento superior utilizando menos energía.

Los subprocesos pueden ser pensados como secuencias virtuales de instrucciones que se emiten a una CPU. Principalmente, son una manera de dividir las cargas de trabajo y compartir esas responsabilidades entre los diferentes procesadores.

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

Las unidades de procesamiento de gráficos (GPU) están diseñadas para acelerar y mejorar los gráficos de computadora y las imágenes procesadas. La GPU existe como un circuito electrónico especial que se puede emplear en placas base, así como en PC y consolas de juegos.

A veces se asume que dado que la tecnología de CPU está bien establecida, debe estar estancada. Sin embargo, hay pruebas considerables de innovación continua en el trabajo, ya que constantemente se crean nuevos productos, los cuales tratan de ofrecer la mejor CPU (o microprocesador) posible. Las siguientes compañías demuestran repetidamente ese esfuerzo:

• Advanced Micro Devices (AMD): AMD fabricó microprocesadores Ryzen desde su fundación en 2017. Los productos AMD Ryzen notables (por ejemplo, Ryzen 7, Ryzen 9) fueron apreciados por los videojugadores por ofrecer de manera confiable una acción de juego de alta velocidad, mientras que el procesador Ryzen 5 1600 obtuvo buenos resultados entre quienes trabajan en desarrollo de software.
  
  
• Qualcomm: En términos de fabricación pura, Qualcomm actualmente lidera un conjunto abarrotado de proveedores que trabajan en el espacio de la CPU. A mayo de 2024, las muestras de tasas de clics de computadoras sugerían que Qualcomm tenía una impresionante participación de 37.4 % de clics, más del doble de la participación de su rival más cercano.
  
  
• Arm: Este es un mercado donde la velocidad es una virtud motivadora. Y aunque Arm en realidad no fabrica microprocesadores, ofrece una forma de licenciar y emplear su tecnología de chip, para que las compañías de terceros puedan cerciorarse de que se benefician de los tiempos de procesamiento increíblemente rápidos que ofrecen los microprocesadores diseñados por Arm.
  
  
• Intel: Intel ha sido un nombre líder en la producción de chips de computadora 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 programas de edición de video y programas de desarrollo de software.