¿Qué es una CPU y qué hace?

La parte más importante de su computadora, si tuviera que elegir solo una, sería la unidad central de procesamiento (CPU). Es el centro principal (o “cerebro”), y procesa las instrucciones que provienen de los programas, el sistema operativo u otros componentes de su PC.

1 y 0

Gracias a las CPU más potentes, hemos pasado de apenas poder mostrar una imagen en la pantalla de un ordenador a Netflix, el chat de vídeo, el streaming y los videojuegos cada vez más realistas.

La CPU es una maravilla de la ingeniería, pero, en esencia, todavía se basa en el concepto básico de interpretar señales binarias (1 y 0). La diferencia ahora es que, en lugar de leer tarjetas perforadas o procesar instrucciones con conjuntos de tubos de vacío, las CPU modernas usan pequeños transistores para crear videos de TikTok o completar números en una hoja de cálculo.

Los conceptos básicos de la CPU

La fabricación de CPU es complicada. El punto importante es que cada CPU tiene silicio (ya sea una pieza o varias) que alberga miles de millones de transistores microscópicos.

Como aludimos anteriormente, estos transistores utilizan una serie de señales eléctricas (corriente “encendida” y corriente “apagada”) para representar el código binario de la máquina, compuesto por 1 y 0. Debido a que hay tantos de estos transistores, las CPU pueden realizar tareas cada vez más complejas a velocidades mayores que antes.

El recuento de transistores no significa necesariamente que una CPU será más rápida. Sin embargo, sigue siendo una razón fundamental por la que el teléfono que llevas en el bolsillo tiene mucha más potencia informática que, tal vez, todo el planeta cuando primero fuimos a la luna.

Antes de avanzar en la escala conceptual de las CPU, hablemos de cómo una CPU lleva a cabo instrucciones basadas en código máquina, llamadas “conjunto de instrucciones”. Las CPU de diferentes compañías pueden tener diferentes conjuntos de instrucciones, pero no siempre.

La mayoría de las PC con Windows y los procesadores Mac actuales, por ejemplo, utilizan el Conjunto de instrucciones x86-64, independientemente de si son una CPU Intel o AMD. Sin embargo, las Mac que debutarán a fines de 2020 tendrán CPU basadas en ARM, que usan un conjunto de instrucciones diferente. También hay un pequeño número de PC con Windows 10 que utilizan procesadores ARM.

Núcleos, cachés y gráficos

Ahora, veamos el silicio en sí. El diagrama anterior es de un documento técnico de Intel publicado en 2014 sobre la arquitectura de CPU de la compañía para el Núcleo i7-4770S. Este es solo un ejemplo de cómo se ve un procesador: otros procesadores tienen diferentes diseños.

Podemos ver que se trata de un procesador de cuatro núcleos. Hubo un tiempo en que una CPU solo tenía un solo núcleo. Ahora que tenemos múltiples núcleos, procesan las instrucciones mucho más rápido. Los núcleos también pueden tener algo llamado hyper-threading o multi-threading simultáneo (SMT), lo que hace que un núcleo parezca dos para la PC. Esto, como se puede imaginar, ayuda a acelerar aún más los tiempos de procesamiento.

Los núcleos de este diagrama comparten algo llamado caché L3. Esta es una forma de memoria integrada dentro de la CPU. Las CPU también tienen cachés L1 y L2 contenidos en cada núcleo, así como registros, que son una forma de memoria de bajo nivel. Si desea comprender las diferencias entre registros, cachés y RAM del sistema, consulte esta respuesta en StackExchange.

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La CPU que se muestra arriba también contiene el agente del sistema, el controlador de memoria y otras partes del silicio que administran la información que entra y sale de la CPU.

Finalmente, están los gráficos integrados del procesador, que generan todos esos maravillosos elementos visuales que ves en tu pantalla. No todas las CPU contienen sus propias capacidades gráficas. Las CPU de escritorio AMD Zen, por ejemplo, requieren una tarjeta gráfica discreta para mostrar cualquier cosa en pantalla. Algunas CPU de escritorio Intel Core tampoco incluyen gráficos integrados.

La CPU de la placa base

Ahora que hemos visto lo que está sucediendo debajo del capó de una CPU, veamos cómo se integra con el resto de su PC. La CPU se encuentra en lo que se llama un zócalo en la placa base de su PC.

Una vez que está sentado en el zócalo, otras partes de la computadora pueden conectarse a la CPU a través de algo llamado “buses”. La RAM, por ejemplo, se conecta a la CPU a través de su propio bus, mientras que muchos componentes de PC utilizan un tipo específico de bus, llamado “PCIe”.

Cada CPU tiene un conjunto de “carriles PCIe” que puede usar. Las CPU Zen 2 de AMD, por ejemplo, tienen 24 carriles que se conectan directamente a la CPU. Estos carriles son divididos por los fabricantes de placas base con la guía de AMD.

Por ejemplo, normalmente se utilizan 16 carriles para una ranura para tarjeta gráfica x16. Luego, hay cuatro carriles para el almacenamiento, como un dispositivo de almacenamiento rápido, como un SSD M.2. Alternativamente, estos cuatro carriles también se pueden dividir. Se podrían usar dos carriles para el SSD M.2 y dos para una unidad SATA más lenta, como un disco duro o un SSD de 2.5 pulgadas.

Eso es 20 carriles, con los otros cuatro reservados para el chipset, que es el centro de comunicaciones y el controlador de tráfico para la placa base. El chipset tiene su propio conjunto de conexiones de bus, lo que permite agregar aún más componentes a una PC. Como era de esperar, los componentes de mayor rendimiento tienen una conexión más directa con la CPU.

Como puede ver, la CPU hace la mayor parte del procesamiento de instrucciones y, a veces, incluso el trabajo de gráficos (si está diseñado para eso). Sin embargo, la CPU no es la única forma de procesar instrucciones. Otros componentes, como la tarjeta gráfica, tienen sus propias capacidades de procesamiento integradas. La GPU también utiliza sus propias capacidades de procesamiento para trabajar con la CPU y ejecutar juegos o llevar a cabo otras tareas de gráficos intensivos.

La gran diferencia es que los procesadores de componentes se construyen teniendo en cuenta tareas específicas. La CPU, sin embargo, es un dispositivo de propósito general capaz de hacer cualquier tarea informática que se le pida que haga. Es por eso que la CPU reina suprema dentro de su PC, y el resto del sistema depende de ella para funcionar.

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