¿Qué es una CPU? La CPU o Unidad Central de procesamiento es el cerebro de una computadora que procesa números. Todo lo que hace una computadora, desde jugar videojuegos para ayudarte a escribir un ensayo, se divide en un conjunto de instrucciones matemáticas. La CPU toma esas instrucciones y las ejecuta.
Los detalles de cómo lo hace es, por supuesto, mucho más complicado que esa simple explicación. Lo más importante que debe saber es que la CPU es el principal motor matemático de una computadora.
La (extremadamente) corta historia de las CPU
La historia de la informática es larga y compleja. También se remonta más atrás en la historia que la tecnología digital, la electrónica o incluso la electricidad. Un ábaco es una especie de procesador. También lo son las calculadoras mecánicas. La gran diferencia es que estas máquinas solo pueden realizar una o unas pocas tareas matemáticas. No son propósito general procesadores, de los cuales la CPU moderna es un ejemplo.
Lo que hace que una CPU sea un dispositivo de cálculo de propósito general es el uso de la lógica. En 1903 Nikola Tesla patentó circuitos eléctricos conocidos como puertas e interruptores. Con estos circuitos, podría construir dispositivos que realicen operaciones lógicas, donde podría hacer que la máquina actúe en ciertas condiciones.
A mediados y finales de la década de 1940, William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain inventaron y patentaron un dispositivo llamado transistor, mientras trabajaban en Bell Laboratories. El transistor es el bloque de construcción básico de una CPU. Los transistores son componentes de computadora relativamente pequeños. El transistor es un invento tan importante que los tres inventores recibieron un premio Nobel por él.
A finales de la década de 1950, Robert Noyce y Jack Kilby dieron un gran paso más y crearon la primera circuito integrado. Un circuito integrado es un conjunto de circuitos electrónicos integrados en una sola pieza de material semiconductor. En la mayoría de los casos, ese material es silicio. Esto es lo que la gente quiere decir cuando dice “microchip”.
Una CPU consta de uno o más microchips. Esta es una invención importante porque miles de millones de transistores se pueden empaquetar en una sola CPU. Esto crea motores matemáticos increíblemente poderosos.
Usando los inventos de puertas lógicas, transistores y circuitos integrados, el mundo entero ha cambiado. Los microchips están en todo estos días, no solo en su computadora. Y las CPU son los microchips de uso general más avanzados que podemos fabricar.
¿Cómo funcionan las CPU?
Todo el principio de una CPU se basa en código binario. Los seres humanos tienden a representar números usando un sistema llamado base 10 o el sistema decimal. Los valores posicionales de cada dígito en un número aumentan en un factor de diez. Entonces “111” contiene ciento diez y uno.
Las computadoras y sus CPU no pueden entender la base 10 en absoluto. Los transistores funcionan según el principio de encendido o apagado. Lo que significa que las puertas lógicas que construye a partir de ellas también solo pueden funcionar con estos dos estados. Por eso, fundamentalmente, las CPU funcionan con código binario. Este sistema numérico tiene diferentes valores posicionales. En cambio, si 1, 10, 100, 1000 y así sucesivamente, los valores posicionales son 1,2,4,8,16,32,64,128 y así sucesivamente.
Entonces, en binario “111” sería 7 en números decimales, ya que sumas 1,2 y 4 juntos. Si alguno de los números es un cero, simplemente omítelo y agregue el valor posicional del siguiente 1. De esta manera puede expresar cualquier valor decimal. Solo tenga en cuenta que los números binarios a menudo se leen de derecha a izquierda, por lo que el valor posicional “1” estaría en el extremo derecho.
Pongámoslo en una mesa para que quede muy claro:
| Valores posicionales binarios | 1 | 2 | 4 | 8 | dieciséis | 32 | 64 | 128 | 256 |
| El número decimal 7 en binario | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
¿Puedes ver por qué suma el número 7 en decimal? Hagamos el número 23:
| Valores posicionales binarios | 1 | 2 | 4 | 8 | dieciséis | 32 | 64 | 128 | 256 |
| El número decimal 7 en binario | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Entonces 111 es “7”, pero “11101” es 23 porque el quinto valor posicional en binario es 16. Muy bien, ¿verdad? Puede expresar cualquier número posible que se pueda escribir en decimal de esta manera. Lo que significa que las computadoras construidas a partir de transistores también pueden funcionar con cualquier número.
¿Cómo se fabrican las CPU?
El proceso de producción de las CPU modernas también es, como era de esperar, bastante complejo. El proceso básico implica el crecimiento de grandes cilindros de cristal de silicio. Sus propiedades semiconductoras lo hacen ideal para construir un circuito integrado binario.
Estos grandes cristales se cortan en finas obleas. Luego, las obleas se “dopan” con otro químico para ajustar sus propiedades. El circuito de nanoescala luego se graba en la superficie de la oblea usando luz mediante un proceso conocido como fotolitografía.
Diseño y rendimiento de CPU
No todas las CPU son iguales. El primer antepasado adecuado de la CPU moderna, el Intel 8086, tenía alrededor de 29 000 transistores en su circuito integrado. Hoy, un procesador como el Intel i99900K tiene poco más de 1.7 mil millones transistores. Cuanto más densos sean los circuitos lógicos de una CPU, más complejo y mayor será el número de instrucciones que puede realizar por ciclo de reloj.
Espera, ¿”ciclo del reloj”? Sí, ese es el otro componente importante del rendimiento de la CPU. Una CPU funciona a una frecuencia particular, con cada pulso del reloj de la CPU se realiza un ciclo de cálculos. Si toma la misma CPU y duplica su velocidad de reloj, entonces (en teoría) debería funcionar dos veces más rápido.
Ese Intel 8086 de 1978 funcionaba a 5Mhz cuando se lanzó. Eso es cinco millones de ciclos de reloj por segundo. ¿El Intel i9-9900K? Eso empieza a 3.6 Ghz. Esos 3600 Mhz, con la opción de aumentar las cosas hasta 5000 Mhz cuando sea posible.
Para agregar otra arruga al rendimiento de la CPU, las CPU modernas en realidad contienen múltiples “núcleos”. Cada núcleo es en realidad una CPU independiente. Es típico tener al menos cuatro de estos núcleos en estos días, pero últimamente la norma ha sido que las computadoras convencionales tengan seis u ocho núcleos. Las computadoras profesionales de alta gama pueden tener alrededor de 100 núcleos de CPU.
Tener varios núcleos significa que la CPU puede ejecutar varios conjuntos de instrucciones en paralelo. Lo que significa que nuestras computadoras pueden hacer muchas cosas a la vez sin problemas. Algunas CPU tienen núcleos “multiproceso”. Estos núcleos pueden manejar por sí mismos dos tareas independientes cada uno. En las CPU Intel, esto se denomina “hyperthreading”.
Entonces, el rendimiento total de una CPU se reduce a una combinación de:
Por supuesto, hay más que estos cuatro puntos principales. Sin embargo, esas son las cuatro consideraciones principales para hacer que una CPU funcione bien.
El papel de la CPU en su computadora
Lo último que tenemos que cubrir es qué trabajo desempeña la CPU en su computadora. Después de todo, no es el único microchip de circuito integrado en su computadora. Por ejemplo, las GPU (unidades de procesamiento de gráficos) a menudo son incluso más densas en transistores que una CPU.
Necesitan su propia fuente de alimentación y refrigeración, así como memoria. ¡Es como una pequeña computadora extra! Lo mismo puede decirse de los chips que controlan el sonido, el USB y el tráfico del disco duro. Entonces, ¿por qué la CPU es especial? Éstas son las principales razones:
- Puede procesar CUALQUIER instrucción, una GPU solo realiza ciertos tipos de procesamiento
- Vincula todos los demás componentes, empujando y extrayendo datos para que su computadora funcione
- La CPU está involucrada con todo el trabajo que se le pide a la computadora hasta cierto punto
En resumen, la CPU es el componente de rendimiento de propósito general más importante de su computadora. ¡No lo des por sentado!