¿Qué es una CPU? La CPU o Unidad Central de Procesamientoes el cerebro numérico de una computadora. Todo lo que hace una computadora, desde jugar videojuegos hasta 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, muchomás 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) breve historia de las CPU
La historia de la informática es larga y compleja. También se remonta más a la historia que la tecnología digital, la electrónica o incluso la electricidad. Un ábaco es una especie de procesador. Así son las calculadoras mecánicas. La gran diferencia es que estas máquinas solo pueden realizar una o algunas 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 circuitos eléctricos conocidos como puertas e interruptores. Usando estos circuitos, podría construir dispositivos que realicen operaciones lógicas, donde podría hacer que la máquina actúe bajo ciertas condiciones.
Entre mediados y fines de la década de 1940, William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain inventaron y patentaron un dispositivo llamado transistor, mientras trabajaban en los Laboratorios Bell. El transistor es el bloque de construcción básico de una CPU. Los transistores son componentes informáticos relativamente pequeños. El transistor es una invención tan importante que los tres inventores recibieron un Premio Nobel por ello.
A fines de la década de 1950, Robert Noyce y Jack Kilby fueron un paso masivo y crearon el primer circuito integradoen funcionamiento. 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".
In_content_1 all: [300x250] / dfp: [640x360]->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 los inventos 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 propósito general más avanzados que podemos hacer.
¿Cómo funcionan las CPU?
El principio completo de una CPU se basa en el código binario . Los seres humanos tienden a representar números usando un sistema llamado base 10o 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 estar encendido o apagado. Lo que significa que las puertas lógicas que construyes a partir de ellas también solo pueden funcionar con estos dos estados. Por eso, fundamentalmente, las CPU se ejecutan en código binario. Este sistema de números tiene diferentes valores posicionales. En cambio, si 1, 10, 100, 1000 y así sucesivamente, los valores de posición 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 agrega el valor posicional del siguiente 1. De esta manera puedes 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 posición "1" estaría en el extremo derecho.
Pongámoslo en una tabla para que quede claro como el cristal:
¿Puedes ver por qué se suma al número 7 en decimal? Hagamos el número 23:
Entonces 111 es "7", pero "11101" es 23 porque el valor del quinto lugar en binario es 16. Bastante genial, ¿verdad? Puede expresar cualquier número posible que pueda escribirse 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 cultivo de grandes cilindros de cristal de silicio. Sus propiedades semiconductoras lo hacen ideal para construir un circuito integrado binario.
Estos cristales grandes se cortan en finas obleas. Las obleas se "dopan" con otro químico para ajustar sus propiedades. El circuito de nanoescala se graba en la superficie de la oblea usando luz usando un proceso conocido como fotolitografía.
Diseño y rendimiento de la CPU
Las CPU no son todas hecho igual. El primer antepasado apropiado 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 billonesde 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 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 la velocidad del reloj, entonces (en teoría) debería funcionar el doble de rápido.
Ese 1978 Intel 8086 corrió a 5Mhz cuando fue lanzado. Son cinco millones de ciclos de reloj por segundo. El Intel i9-9900K? comienzaa 3.6 Ghz. Eso 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 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 realizar 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 Intel esto se marca como "hyperthreading ".
Por lo tanto, el rendimiento total de una CPU se reduce a una combinación de:
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 que 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 aún más densas en transistores que una CPU.
Necesitan su propia refrigeración y fuente de alimentación, así como memoria. ¡Es como una pequeña computadora extra! Lo mismo puede decirse de los chips que controlan su tráfico de sonido, USB y disco duro. Entonces, ¿por qué es especial la CPU? Estas son las razones principales:
En resumen, la CPU es el propósito general más importante componente de rendimiento en su computadora. ¡No lo dé por sentado!