Siete casos de uso principales de unidades centrales de procesamiento (CPU)

La unidad central de procesamiento (CPU) es el cerebro de la computadora, que asigna y procesa tareas y gestiona las funciones operativas esenciales.

Las computadoras se integraron tan perfectamente a la vida moderna que a veces ni siquiera somos conscientes de cuántas CPU están en uso en todo el mundo. Es una cantidad asombrosa: tantas CPU que solo se puede hacer una aproximación para obtener una cifra concluyente.

Se estimó que puede haber hasta 200 mil millones de núcleos de CPU (o más) en ejecución. Como ejemplo de lo que significa un número tan monumental desde una perspectiva diferente, el fabricante de chips Arm (enlace externo a ibm.com) afirmó enviar 7.3 mil millones de chips en un solo trimestre de 2020, o aproximadamente 900 CPU por cada segundo de todo ese tiempo. trimestre. (Hay aproximadamente 7.8 millones de segundos en 3 meses).

Eso lleva a una comparación sorprendente. Las proyecciones de la Oficina del Censo de Estados Unidos enumeran la población mundial en 2024 en alrededor de 8 mil millones de personas. Si esos 200 000 millones de CPU que existen actualmente se distribuyeran equitativamente entre las personas, y ninguna se dedicara a aplicaciones comerciales, gubernamentales o científicas, habría exactamente 25 CPU que sirvieran como cerebro de la computadora para cada cerebro humano en el planeta.

Esto plantea una pregunta clave: con tantas CPU en funcionamiento, ¿cómo se emplean todas?

Con las CPU, estamos hablando de un chip de procesador muy pequeño y, sin embargo, hay muy poco que esta pequeña cosa no pueda hacer. Una breve encuesta muestra qué industrias dependen más de las CPU:

Electrónica de consumo

Muchas de las compañías más rentables del mundo, como Apple, fabrican dispositivos para la industria de la electrónica de consumo. La creciente demanda de plataformas de computación personal (como teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y consolas de juegos) impulsó una expansión masiva y continua del uso de CPU. Más allá de eso, los dispositivos domésticos bendecidos con la tecnología de Internet de las cosas (IoT) significan que las CPU ahora se están incorporando a refrigeradores, termostatos, sistemas de seguridad y más.

Analytics de datos

El objetivo de los analytics de datos es tomar datos sin procesar y refinarlos para convertirlos en una narrativa comprensible que aborde los objetivos comerciales. La primera parte de ese proceso es recopilar y limpiar los datos. Las CPU son fundamentales para estas actividades y sirven como unidades principales de procesamiento de la computadora. Además, las altas velocidades de reloj que alcanzan las CPU las hacen perfectamente adecuadas para manejar el tipo de escaneo y recuperación de información de alta velocidad que requieren los analytics de datos.

Defensa y espacio

La CPU es la verdadera columna vertebral de los sistemas de defensa modernos. Cualquier país que desee ser una potencia global debe tener computadoras modernas como parte de su arsenal de seguridad. Del mismo modo, los logros de la humanidad en la exploración espacial nunca podrían ocurrir sin la CPU para manejar los asombrosos desafíos computacionales de calcular la distancia y las rutas de los vuelos espaciales. El espacio plantea un desafío único para las computadoras, que deben endurecer contra la radiación para resistir los poderosos rayos solares.

Servicios financieros

Al igual que los analytics de datos, las compañías de tecnología financiera dependen de las CPU para permitir el procesamiento rápido y eficiente de enormes cantidades de información financiera. Al ejecutar análisis avanzados sobre dichos datos y luego aplicarles una variedad de escenarios diferentes, los sistemas de gestión de riesgos que permiten las CPU pueden ayudar a las instituciones financieras a reducir las pérdidas. Las CPU también ayudan en ese esfuerzo de otra manera clave: ayudando a señalar rarezas y detectar casos de fraude.

Atención médica

Casi todos los tipos de industrias se benefician debido a las rápidas velocidades que alcanzan las CPU, pero ninguno es tan importante como la atención médica, donde las vidas literalmente penden de un hilo y el tiempo es una preocupación crítica. Más allá de la capacidad de transportar rápidamente información vital del paciente entre proveedores, las CPU se pueden emplear para ayudar a automatizar el pedido y el seguimiento de recetas y otros suministros. Las computadoras también pueden crear modelos 3D prequirúrgicos de órganos y ayudar a los patólogos a estudiar enfermedades.

Manufactura

El uso de semiconductores cambió radicalmente la fabricación, sincronizando la entrada de materiales y mejorando el control de calidad. La fabricación también está siendo revolucionada por la fabricación asistida por computadora (CAM), en la que los sistemas informáticos impulsados por CPU ayudan a ejecutar las operaciones de producción industrial. CAM emplea las conexiones directas o indirectas que existen entre la CPU y las operaciones de producción para programar, controlar y gestionar la actividad de fabricación.

Telecomunicaciones

El sector de las telecomunicaciones ofrece sus propios productos básicos -dispositivos de tecnología de la comunicación-, pero también ayuda a otras industrias de manera importante. Estos casos de uso incluyen la realización de transacciones digitales (para el sector de los servicios financieros) y la asistencia sanitaria mediante el apoyo a las cirugías robóticas con capacidades de precisión y actualización de datos. Además, las CPU son esenciales para el funcionamiento de los vehículos autónomos, que dependen de las señales de telecomunicaciones para orientar.

Las CPU modernas suelen contener los siguientes componentes:

• Unidad aritmética/lógica (ALU): Ejecuta operaciones aritméticas y lógicas, incluidas ecuaciones matemáticas y comparaciones basadas en la lógica.
• Colectivos: gestiona la transferencia de datos adecuada y el flujo de datos entre componentes dentro de un sistema informático.
• Unidad de control: utiliza circuitos intensivos que controlan el sistema informático emitiendo un sistema de pulsos eléctricos y instruyen al sistema para que ejecute instrucciones informáticas de alto nivel.
• Registros de instrucciones y puntero: muestran la ubicación del próximo 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. La unidad de memoria principal supervisa el manejo de la memoria caché.
• Registros: proporciona memoria permanente incorporada para necesidades de datos constantes y repetidos que deben gestionar de manera regular, sin excepción.

Para conocer a fondo la terminología de las CPU, es útil entender los siguientes conceptos:

Caché: áreas de almacenamiento cuya ubicación permite a los usuarios acceder rápidamente a los datos que se emplearon recientemente. La memoria caché almacena datos en áreas integradas en el chip del procesador de una CPU para alcanzar velocidades de recuperación de datos incluso más rápidas que la memoria de acceso aleatorio (RAM).

Velocidad del reloj: la tasa de actividad por ciclo de reloj de la computadora. El reloj interno integrado en las computadoras 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 pulsos se llama “velocidad de reloj”.

Núcleo: el procesador dentro del procesador. Los núcleos son unidades de procesamiento que leen y ejecutan diversas instrucciones del programa. Los procesadores se clasifican de acuerdo con la cantidad de núcleos integrados en ellos; los procesadores de un solo núcleo, doble núcleo y cuatro núcleos son algunos de los ejemplos. (El término "Intel Core" se emplea comercialmente para comercializar la línea de productos de CPU multinúcleo de Intel).

Hilos: las secuencias más cortas de instrucciones programables que el programador de un sistema operativo puede gestionar y enviar a una CPU para su procesamiento. A través de subprocesos múltiples, el uso de múltiples subprocesos que se ejecutan simultáneamente, varios procesos informáticos se pueden ejecutar simultáneamente, lo que admite la multitarea. (“Hyper-threading” es el término patentado de Intel para su forma de subprocesos múltiples).

Las dos principales empresas que luchan por el control de este mercado ultra lucrativo son Intel y Advanced Micro Devices (AMD):

Intel

Comercializa procesadores y microprocesadores a través de cuatro líneas de productos: Intel Core (línea premium de gama alta), Intel Xeon (uso ofimático y empresarial), Intel Pentium (computadoras personales y portátiles) e Intel Celeron (uso informático personal de gama baja y bajo costo).

Obviamente, diferentes chips se adaptan mejor a ciertas aplicaciones. El Intel Core i5-13400F es un buen procesador de escritorio que cuenta con diez núcleos. Pero cuando se trata de una aplicación de procesamiento intensivo como la edición de vídeo, muchos usuarios optan por la CPU Intel Core i7 14700KF de 20 núcleos y 28 subprocesos.

Advanced Micro Devices (AMD)

Vende dos tipos de procesadores y microprocesadores: CPU y APU (que significa unidades de procesamiento aceleradas). Las APU son CPU equipadas con gráficos propios de Radeon. AMD fabrica procesadores Ryzen de alta velocidad y alto rendimiento para el mercado de los videojuegos. El AMD Ryzen 7 5800X3D, por ejemplo, cuenta con una tecnología 3D V-Cache que le ayuda a llevar los gráficos de los juegos a nuevas alturas.

Los procesadores Athlon solían considerar la línea de gama alta de AMD, pero ahora AMD los emplea como una alternativa informática básica.

Arm

Arm no fabrica equipos, sino que alquila sus valiosos diseños de procesador y/u otras tecnologías patentadas a otras empresas que sí fabrican equipos.

Para la informática de propósito general, como ejecutar un sistema operativo como Windows y usar programas multimedia, la mayoría de los procesadores AMD Ryzen o Intel Core pueden manejar las cargas de trabajo involucradas.

Varios problemas tangenciales seguirán influyendo en el desarrollo de las CPU y los casos de uso para los que se emplean en los próximos años:

Mayor uso de GPU: las unidades de procesamiento de gráficos (GPU) son un circuito electrónico desarrollado por primera vez para su uso en teléfonos inteligentes y consolas de juegos de video. Su uso consiste en impulsar las velocidades de procesamiento, por lo que, además de acelerar las tarjetas gráficas, las GPU se emplean en actividades de procesamiento intensivo, como la minería de criptomonedas y el entrenamiento de neural networks.

El impulso para miniaturizar: la historia del hardware informático fue una búsqueda para hacer que los procesadores sean más pequeños. Las primeras computadoras requerían un gran espacio de piso y tubos de vacío. Luego, las CPU se volvieron más pequeñas y eficientes con la introducción de transistores. Más tarde, los científicos informáticos crearon una CPU llamada microprocesador que podía mantener dentro de un pequeño chip de circuito integrado. El impulso para hacer procesadores más pequeños continuará sin cesar mientras haya consumidores y compañías que quieran más potencia de procesamiento y mayor velocidad.

Proliferación de periféricos: los dispositivos periféricos ayudan a optimizar y aumentar la funcionalidad de la informática. Los periféricos se pueden conectar al exterior de una computadora e incluyen dispositivos como teclados, mouse, escáneres e impresoras. Espere ver más periféricos creados en respuesta a la demanda continua de los clientes.

Asuntos de sustentabilidad: en el futuro, las cuestiones de consumo de energía serán cada vez más importantes. Las compañías se centrarán más en soluciones energéticamente eficientes a medida que aumenten los costos de la energía. Cuando el uso de la CPU aumenta a gran escala, como en los centros de datos de hiperescala, con miles de computadoras conectadas que funcionan las 24 horas del día, la energía empleada a menudo se mide en gigahercios (GHz), que es comparable al consumo total de energía de pueblos o ciudades pequeñas.

En su forecast para 2022-2028, el grupo de analistas Yole Intelligence calculó que el mercado total de procesadores en 2022 tenía un valor de 154.000 millones de dólares. Esa cifra total incluía los siguientes segmentos de procesadores y sus respectivos valores:

• Unidades centrales de procesamiento (CPU): USD 65 mil millones
• Unidades de procesamiento de aplicaciones (APU): USD 61 mil millones
• Unidades de procesamiento de gráficos (GPU): USD 22 mil millones
• SoC FPGA: USD 2.6 mil millones (SoC FPGA significa “arreglo de puerta programable de campo de sistema en chip”, que son dispositivos basados en semiconductores que incorporan lógica programable en los núcleos de los procesadores).
• ASIC de IA: 1.500 millones de dólares (AI ASIC significa “circuitos integrados específicos de la aplicación”, específicamente aquellos relacionados con la inteligencia artificial).
• Unidades de procesamiento de datos (DPU): USD 600 millones

En sus proyecciones para 2028, puede ver cómo los expertos de Yole esperan que crezcan ciertos segmentos, a saber, la IA y las DPU. Yole anticipa un crecimiento anual total del 8%, lo que lleva a un valor total esperado para 2028 de 242 000 millones USD, según estas cifras:

1. CPU: 97 000 millones USD
2. APU: 65 000 millones USD
3. GPU: 55 000 millones USD
4. ASIC de IA: 11 000 millones USD
5. DPU: USD 8.1 mil millones
6. FPGA SoC: USD 5.2 mil millones

Además del importante crecimiento del mercado de ASICs y DPUs de IA, los pronósticos de Yole Intelligence muestran un crecimiento casi idéntico para CPU y GPU durante el mismo periodo, con predicciones de crecimiento de 32 000 y 33 000 millones de dólares respectivamente. Estas proyecciones también demuestran la centralidad continua de las CPU, ya que esta categoría lidera a todas las demás ahora y seguirá haciéndolo en el futuro, según Yole Intelligence.

Con más de 200 mil millones de CPU en funcionamiento actual, es razonable concluir que las CPU llegaron para quedar, muy probablemente una parte permanente de la condición humana en el futuro. Pero también es una apuesta segura que la CPU continuará desarrollar y refinar aún más, para seguir maximizando su utilidad para sistemas de alto rendimiento y los nuevos programas informáticos ricos en gráficos que ejecutan.

Por eso es inteligente invertir sabiamente al comprar el equipo asociado necesario para ejecutar los objetivos informáticos. Es importante contar con un hardware que pueda seguir el ritmo de las CPU modernas. Los servidores IBM ofrecen flexibilidad además de resistencia, por lo que puede obtener la potencia de procesamiento que necesita ahora, junto con espacio para crecer en el futuro.