¿Qué es una CPU? La CPU o Unidad Central de Procesamiento Es el cerebro procesador de números de una computadora. Todo lo que hace una computadora, desde jugar videojuegos hasta ayudarlo 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 son, por supuesto, Mucho Más complicados 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 hacer una o unas pocas tareas matemáticas. No son procesadores de propósito general, 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 los circuitos eléctricos conocidos como puertas e interruptores. Usando 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 componente básico de una CPU. Los transistores son componentes informáticos relativamente pequeños. El transistor es un invento tan importante que los tres inventores recibieron el Premio Nobel por él.
A fines de la década de 1950, Robert Noyce y Jack Kilby dieron un gran paso adelante y crearon el primer circuito integrado funcional. 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. Este es un invento importante porque se pueden empaquetar miles de millones de transistores en una sola CPU. Esto crea motores matemáticos increíblemente poderosos.
Usando las invenciones de puertas lógicas, transistores y circuitos integrados, el mundo entero ha cambiado. Los microchips están en todo en 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 los números usando un sistema llamado Base 10 O sistema decimal. Los valores posicionales de cada dígito en un número aumentan por un factor de diez. Entonces 111 contiene cien, diez y uno.
Las computadoras y sus CPU no pueden entender la base 10 en absoluto. Los transistores funcionan según el principio de estar encendidos o apagados. Lo que significa que las puertas lógicas que construyes a partir de ellas solo pueden funcionar con estos dos estados. Esta es la razón por la que, fundamentalmente, las CPU se ejecutan en 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 sáltelo y agregue el valor posicional del próximo 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 de 1 lugar estaría en el extremo derecho.
Pongámoslo en una tabla 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 |
Así que 111 es 7, pero 11101 es 23 porque el valor del quinto lugar en binario es 16. Genial, ¿verdad? Puedes 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 consiste en hacer crecer 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. Luego, el circuito a escala nanométrica se graba en la superficie de la oblea usando luz mediante un proceso conocido como fotolitografía.
Diseño y rendimiento de la CPU
Las CPU no son todas iguales. El primer ancestro propiamente dicho de la CPU moderna, el Intel 8086, tenía alrededor de 29 000 transistores en su circuito integrado. Hoy en día, un procesador como el Intel i99900K tiene poco más de 1700 Millones De transistores. Cuanto más densos son los circuitos lógicos de una CPU, más complejo y mayor es el número de instrucciones que puede realizar por ciclo de reloj.
Espera, ¿ciclo de reloj? Sí, ese es el otro componente principal 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 el doble de 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? Comienza 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 en sí misma. Es típico tener al menos cuatro núcleos de este tipo en estos días, pero últimamente la norma ha sido que las computadoras convencionales tengan seis u ocho núcleos. Las computadoras profesionales de gama alta pueden tener alrededor de 100 núcleos de CPU.
Tener múltiples núcleos significa que la CPU puede ejecutar múltiples 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 dos tareas separadas cada uno. En las CPU de Intel, esto se denomina hyperthreading.
Entonces, el rendimiento total de una CPU se reduce a una combinación de:
- Su recuento total de transistores y qué tan avanzado es el diseño de sus circuitos lógicos
- La frecuencia del reloj
- El número de núcleos
- El número de hilos
Hay, por supuesto, 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) suelen tener incluso más 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? Estas son las principales razones:
- Puede procesar CUALQUIER instrucción, una GPU solo realiza ciertos tipos de procesamiento
- Une todos los demás componentes, empujando y extrayendo datos para hacer que su computadora funcione
- La CPU está involucrada con todo el trabajo que se le pide a la computadora que haga hasta cierto punto.
En resumen, la CPU es el componente de rendimiento de uso general más importante de su computadora. ¡No lo des por sentado!
