Tipos de unidades centrales de procesamiento (CPU)

La unidad central de procesamiento (CPU) es el cerebro del computador. Se encarga de la asignación y procesamiento de tareas y gestiona las funciones operativas que emplean todo tipo de computadoras.

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 críticos para el funcionamiento de la CPU y nuestra comprensión de cómo funcionan:

• Caché: cuando se trata de la recuperación de información, los cachés de memoria son indispensables. Las cachés son áreas de almacenamiento cuya ubicación permite a los usuarios acceder rápidamente a los datos que se emplearon recientemente. 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 a través del desarrollo de software o componentes de hardware.

• Velocidad del reloj: todas las computadoras están equipadas con un reloj interno, que regula la velocidad y la frecuencia de las operaciones de la computadora. El reloj gestiona los circuitos de la CPU a través de la transmisión de pulsos eléctricos. La velocidad de entrega de esos pulsos se denomina velocidad de reloj, que se mide en hercios (Hz) o megahercios (MHz). Tradicionalmente, una forma de aumentar la velocidad de procesamiento fue 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 llevan a cabo diversas instrucciones del programa. Los procesadores se clasifican según cuántos núcleos están integrados en ellos. Las CPU con varios 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 gestionar independientemente y enviar a la CPU para su procesamiento. A través del multithreading (el uso de múltiples subprocesos que se ejecutan simultáneamente), un proceso de computadora puede ejecutar simultáneamente. Hyper-Threading se refiere a la forma patentada de multithreading de Intel para la paralelización de 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 operaciones lógicas, incluidas las ecuaciones matemáticas y las comparaciones basadas en la lógica. Ambos tipos están vinculados a acciones informáticas específicas.
• Buses: 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 pulsos eléctricos y le indican 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: Administra el uso de 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 integrada para necesidades de datos constantes y repetidas que deben manejarse de forma regular e inmediata.

Las CPU utilizan un ciclo de comando repetido de un tipo determinado, que es administrado por la unidad de control en asociación con el reloj de la computadora, el cual proporciona asistencia de 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 esa computadora.

Las tres instrucciones básicas de computación son las siguientes:

• Recuperación: las recuperaciones 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 interactúan con 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.

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 de la computadora 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 computadoras 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 ser más lentos que los multinúcleo, funcionan con un único hilo y ejecutan la secuencia de ciclos de instrucciones una sola 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, y cada núcleo lleva a cabo instrucciones como si fueran computadoras completamente distintas, 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 embebido es un microprocesador diseñado expresamente para su uso en sistemas embebidos. Los sistemas empotrados son pequeños y están diseñados para consumir menos energía y estar contenidos en el 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 independientemente uno del otro.
• Procesador de cuatro núcleos: un procesador de cuatro núcleos es un procesador multinúcleo que tiene cuatro microprocesadores que funcionan de forma independiente.
• Octa-core: un procesador de ocho núcleos es un procesador multinúcleo que tiene ocho microprocesadores que funcionan de forma independiente.
• Procesador deca-core: un procesador deca-core es un circuito integrado que tiene 10 núcleos en una matriz o por paquete.

Aunque varias compañías fabrican productos o desarrollan software que admite CPU, ese número se redujo a solo 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 computadora con conjunto de instrucciones reducido (RISC).

• Intel: Intel promociona procesadores y microprocesadores a través de cuatro líneas de productos. Su línea premium de alta gama es Intel Core. Los procesadores Xeon de Intel se dirigen a oficinas y empresas. Las líneas Celeron e Intel Pentium de Intel se consideran más lentas y menos poderosas 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 fueron equipadas con gráficos patentados Radeon™. Los procesadores Ryzen™ de AMD son microprocesadores de alta velocidad y alto rendimiento destinados al mercado de los videojuegos. Los procesadores Athlon™ se consideraban anteriormente la línea de gama alta de AMD, pero ahora AMD los utiliza como una alternativa de computación básica.

• Arm: Aunque Arm no fabrica equipos en realidad, sí alquila sus diseños de procesadores de alto valor y/o otras tecnologías patentadas a otras empresas que sí fabrican equipos. Apple, por ejemplo, ya no emplea chips Intel en las CPU de Mac, sino que fabrica sus propios procesadores personalizados basados en diseños de Arm. Otras compañías están siguiendo este ejemplo.

Unidades de procesamiento de gráficos (GPU)

Si bien el término “unidad de procesamiento de gráficos” incluye la palabra “gráficos”, esta frase no captura realmente de qué se tratan las GPU, que es la velocidad. En este caso, su mayor velocidad es la causa de la aceleración de los gráficos por computadora.

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

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 solo 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 la computadora y consiga que esta 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

Varios problemas 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 de la computadora permanezca protegido térmicamente. Por esta razón, los centros de datos de hiperescala (que albergan y emplean miles de servidores) están diseñados con amplios sistemas de aire acondicionado y refrigeración.

También hay cuestiones de sustentabilidad, aunque estemos hablando de unas pocas computadoras en lugar de unas miles. Cuanto más potente sea la computadora 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.

Fichas especializadas

El desarrollo más profundo en computación desde sus orígenes, la inteligencia artificial (IA) ahora está afectando a la mayoría, si no a todos, los entornos informáticos. Un desarrollo que estamos viendo en el espacio de la CPU es la creación de procesadores especializados que se crearon específicamente para manejar las cargas de trabajo grandes y complejas asociadas con la IA (u otros fines especiales):

• Dicho equipo incluye el Tensor Streaming Processor (TSP), que maneja tareas de aprendizaje automático (ML) además de aplicaciones de IA. Otros productos igualmente adecuados para el trabajo de IA son el procesador AMD Ryzen Threadripper 3990X de 64 núcleos y el procesador de escritorio Intel Core i9-13900KS, que emplea 24 núcleos.
• Para una aplicación como la edición de video, 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 video.
• 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 están trabajando para aumentar el rendimiento y la funcionalidad de las CPU. Estas son algunas proyecciones sobre futuras CPU:

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

• IA en todas partes: a medida que la inteligencia artificial continúa haciendo sentir su profunda presencia, tanto en la industria informática como en nuestra vida diaria, tendrá una influencia directa en el diseño de las CPU. A medida que avance el futuro, podemos esperar ver una creciente integración de la funcionalidad de IA directamente en el hardware de la computadora. 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 que se produzca la implementación del hardware, el fabricante de chips Cerebras ya presentó 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 capacitar modelos de IA con hasta 24 billones de parámetros. Este megachip contiene cuatro billones de transistores, además de 900.000 núcleos.

Las compañías esperan mucho de las computadoras en las que invierten. A su vez, esas computadoras dependen de tener CPU con suficiente poder de procesamiento para manejar las desafiantes cargas de trabajo que se encuentran en el entorno empresarial intensivo en datos de la actualidad.

Las organizaciones necesitan soluciones viables que puedan cambiar a medida que cambian. La informática inteligente depende de contar con equipamiento que respalde su misión con capacidad, incluso a medida que esa labor evoluciona. Los servidores IBM ofrecen solidez y flexibilidad, para que pueda concentrar en el trabajo que tiene entre manos. Encuentre los servidores IBM que necesita para obtener los resultados en los que confía su organización, tanto hoy como en el futuro.