Procesadores

Los procesadores son el "cerebro" de los ordenadores, los componentes que realizan las operaciones dictadas por los programas o aplicaciones.

Los tipos de procesadores más habituales son la CPU y la GPU, aunque hay algunos más que se estudiarán a continuación como la TPU, el DSP, los microcontroladores o la FPGA.

Unidad central de procesamiento (CPU)

Una CPU o unidad central de procesamiento, también llamada microprocesador, es un componente de ordenador dedicado a interpretar las instrucciones de los programas informáticos. Pueden realizar operaciones lógicas, aritméticas y de movimiento de datos.

Es el componente más complejo de un ordenador. Una CPU de ordenador personal, en 2022, tiene de 25 000 millones a 100 000 millones de transistores.

Las CPU más conocidas y usadas en la actualidad son las de la empresa Intel (i3, i5, i7, i9, Xeon) o las de la empresa AMD (Ryzen) para ordenadores personales y servidores.

Los teléfonos inteligentes, tabletas, televisores y otros dispositivos inteligentes (smart) utilizan CPU basadas en arquitectura ARM (Dimensity, Snapdragon, Kirin, etc.)

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CPU 80486DX típica de los PC de mediados de los años 90.

Solipsist, CC BY-SA 2.0 Generic, via Wikimedia Commons.

Coprocesador matemático (FPU)

El coprocesador matemático o unidad de coma flotante es un tipo de procesador que está especializado en realizar operaciones matemáticas en coma flotante (con decimales), tales como multiplicaciones divisiones, operaciones trigonométricas, logaritmos y exponenciales.

En sus comienzos eran circuitos separados de la CPU, pero hoy en día se encuentran integradas dentro del mismo chip de las CPU más potentes.

Este coprocesador o FPU permite acelerar los programas que necesitan realizar gran cantidad de operaciones matemáticas tales como los programas de diseño por ordenador en 2 y en 3 dimensiones, los programas de hojas de cálculo o el software científico.

Hay coprocesadores especializados en realizar operaciones matemáticas orientadas a multimedia (MMX) que aceleran la compresión y descompresión de audio y vídeo. Gracias a estos coprocesadores, los programas de edición o de visualización de vídeo pueden trabajar velozmente y sin problemas en alta definición.

Unidad de procesamiento gráfico (GPU)

Una GPU o unidad de procesamiento gráfico es un procesador especializado, dedicado a calcular gráficos de forma intensiva para aligerar la carga del procesador central. Es capaz de calcular muy rápido operaciones de dibujo en tres dimensiones tales como el antialiasing (suavizar bordes de las figuras) dibujar triángulos, cuadrados, elipses, etc.

Tarjeta gráfica
La mayoría de las CPUs actuales tienen ya integradas pequeñas GPUs con una capacidad limitada para manejar gráficos. Es suficiente para manejar programas ofimáticos o navegar por internet, pero no tienen bastante capacidad para manejar videojuegos, programas de diseño, etc. Por esa razón en los ordenadores de mayor potencia se utilizan tarjetas gráficas especializadas, que llegan a consumir mucha más potencia eléctrica que la propia CPU y realizan un mayor número de operaciones por segundo.
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Tarjeta gráfica Radeon HD 5570.

Evan-Amos, Public Domain, via Wikimedia Commons.

Unidad de procesamiento tensorial (TPU)

Una TPU o unidad de procesamiento tensorial es un procesador dedicado al cálculo intensivo de operaciones de redes neuronales, usadas en Inteligencia Artificial.

El término TPU se utiliza por Google para un circuito inventado por la empresa, pero cada vez más circuitos incorporan capacidades semejantes para el cálculo de redes neuronales, por ejemplo en los teléfonos inteligentes.

Esta unidad TPU acelera procesos tales como el reconocimiento facial, el procesamiento de voz u otras operaciones basadas en inteligencia artificial.

Procesador de señales digitales (DSP)

Un DSP o procesador de señales digitales es un procesador especializado en ejecutar operaciones numéricas relacionadas con el tratamiento de señales, a muy alta velocidad.

Sus aplicaciones típicas son el tratamiento en tiempo real de señales de audio, voz, imagen, vídeo, etc. Con estas aplicaciones se puede eliminar el eco en las líneas de comunicación, hacer más claras las imágenes de órganos en los equipos de diagnóstico médico por ultrasonidos o por resonancia magnética, realizar ajustes de auto-tune en la voz de los cantantes, decodificar canciones en los reproductores mp3, comprimir fotografías en cámaras digitales, y una larga lista de aplicaciones que están relacionadas con el proceso de señales.

Microcontroladores

Un microcontrolador es un pequeño ordenador contenido en un solo chip. Incorpora la CPU, la memoria RAM, memoria Flash ROM y periféricos de entrada/salida en un espacio pequeño y a bajo precio.

Estos procesadores se utilizan para controlar periféricos tales como el teclado, el ratón, la cámara web, el monitor, los discos duros, etc.

Gracias a los microcontroladores, la CPU principal del ordenador se descarga de las tareas de control de los periféricos, que serían muy costosas en tiempo y recursos si tuviera que administrarlas directamente.

Otra aplicación de los microcontroladores es automatizar con una pequeña capacidad de cálculo dispositivos cotidianos como el microondas, la lavadora, el ABS de un automóvil, una cerradura electrónica, etc.

FPGA

Una FPGA es un procesador basado en puertas lógicas programables. Todos los procesadores y todos los circuitos digitales están hechos de puertas lógicas. En el caso de las FPGA, estas puertas lógicas se pueden conectar de manera programable, con lo cual se puede construir un circuito a medida de las necesidades del usuario.

Estos circuitos pueden programarse para resolver tareas especializadas de forma mucho más rápida que con una CPU convencional. Aplicaciones típicas son, sistemas de visión por ordenador, minado de criptomonedas, emulación de hardware antiguo, aprendizaje automático, realización de prototipos de circuitos a medida (ASIC), etc.

Al ejecutar las operaciones de forma paralela, las FPGA pueden acelerar los cálculos y ser varias veces más rápidas que una CPU en operaciones tales como la compresión de audio y vídeo.

Los lenguajes más utilizados para programar las FPGA son VHDL y Verilog.

Características de un procesador

A continuación se presentan las características que se utilizan para comparar distintos procesadores y evaluar su desempeño.

Consumo energético

El consumo de un procesador es cada vez más importante.

Por una parte, cuanto menor consumo tenga un procesador, más tiempo va a durar la batería del dispositivo que lo contiene.

Por otro lado, en los ordenadores conectados a la red eléctrica, cuanto menor sea el consumo de electricidad menor será el costo de mantener el ordenador funcionando. Este consumo eléctrico es tan elevado para los ordenadores de alto rendimiento, que la electricidad llega a costar anualmente más que el precio del propio procesador. Esa es la razón por la que se cambian los procesadores de los servidores antes de que acabe su vida útil. Es más barato instalar un procesador nuevo más eficiente, que mantener el antiguo funcionando.

El consumo de potencia, también llamado TDP, se mide en vatios. Una CPU típica de un ordenador personal consume alrededor de 100 vatios en funcionamiento normal. Por el contrario una CPU típica de un teléfono inteligente consume alrededor de 5 vatios.

Frecuencia de reloj

Es la frecuencia a la que funciona un procesador y determina la cantidad de instrucciones que podrá ejecutar en un segundo. Las frecuencias típicas de los procesadores actuales para ordenadores personales y teléfonos inteligentes varían desde los 1000MHz hasta los 4000MHz. Cuanto mayor sea la velocidad de reloj, más rápido será un procesador, si el resto de parámetros se mantienen iguales.

El overclocking es una técnica que consiste en hacer funcionar a un procesador a una frecuencia más elevada que la frecuencia para la que está diseñado. El overclocking se usa para acelerar el funcionamiento del ordenador y que procese información más rápido. Muchos procesadores admiten trabajar a mayor frecuencia que la nominal, pero esta técnica conlleva un mayor consumo energético y la posibilidad de fallos en el sistema.

Número de núcleos

Los procesadores actuales están compuestos por varios procesadores individuales llamados núcleos. Cuantos más núcleos tenga un procesador, más operaciones podrá realizar en paralelo.

Los procesadores pueden dividir el cálculo de algunas tareas entre varios núcleos. Por lo tanto, cuantos más núcleos tenga el procesador, más rápida será la ejecución de estas tareas. Por otro lado, la realización de ciertas tareas no se puede compartir entre varios núcleos y la velocidad final no será mayor por muchos núcleos que tenga el procesador.

En 2022 un procesador de tamaño medio para ordenador personal suele tener de 6 a 12 núcleos.

Número de hilos de ejecución

Los hilos de ejecución son la cantidad de programas diferentes que se pueden ejecutar a la vez por parte del procesador. En realidad un procesador solo podrá ejecutar un programa por núcleo, pero los hilos permiten duplicar de forma virtual el número de tareas y acelerar un poco más la velocidad de ejecución.

En 2022 un procesador típico de Intel suele tener dos hilos de ejecución por núcleo. Es decir, una CPU de 8 núcleos tendrá 16 hilos de ejecución.

Memoria caché

Es una memoria intermedia que permite acceder a los datos y programas de manera más rápida cuando el procesador tiene que acceder repetidamente a los mismos datos de la memoria RAM.

Los procesadores deben leer información de la memoria RAM para realizar su tarea, tanto información del programa a ejecutar como de los datos a procesar. La velocidad de transferencia de la memoria RAM suele ser más lenta que la velocidad de proceso del procesador. La memoria caché se utiliza como una memoria intermedia que almacena los contenidos de la memoria RAM que se leen de forma repetida. De esta forma se puede disponer de los datos más rápido mientras se están procesando.

Cuanto mayor sea el tamaño de la memoria caché mayor será la velocidad final del procesador.

La mayoría de las CPU tienen varios niveles de memoria caché incluidos. Cada nivel de memoria caché es más lento que el anterior, pero de mayor tamaño. Se suele dar el valor del mayor de ellos. Una CPU típica de un ordenador personal en 2022 suele tener un tamaño de memoria caché en torno a los 6 Megabytes.

Número de bits

Cada procesador puede manejar a la vez un número concreto de bits. El número de bits determina la cantidad de memoria a la que se puede acceder y la rapidez con la que se ejecutarán ciertas operaciones. Un procesador de 8 bits tratará la información cuatro veces más lento que uno de 32 bits.

Los procesadores más simples, como los que incorpora un teclado de ordenador o un horno microondas, son de 8 bits.

Por encima de ellas están las CPU de 32 bits, mucho más potentes y rápidas. Son las utilizadas en smartphones, smartTV, impresoras, etc.

Los ordenadores personales actuales utilizan, en la mayoría de los casos, procesadores y software de 64 bits.

Tipo de buses

Es el tipo de comunicación con el que se transfiere información entre el procesador y el resto de elementos del ordenador. Cuantos más buses tenga un procesador y más rápidos sean, mayor será su rendimiento.

Actualmente los procesadores de ordenador personal tienen tres buses de comunicaciones con el exterior, para mejorar la velocidad de transferencia:

  • Bus directo con la memoria RAM.
  • Bus directo con los puertos PCI Express.
  • Bus DMI para conectar con el resto de dispositivos (USB, PCI, Sata, Ethernet, etc).

Pruebas de rendimiento

Las pruebas de rendimiento, también llamadas benchmark, son una técnica para medir el rendimiento de un sistema informático o de sus componentes por separado.

Son pruebas muy útiles a la hora de comparar procesadores entre sí. Debido a la gran cantidad de parámetros o características que definen a un procesador, no es sencillo calcular su rendimiento final. Sin embargo las pruebas benchmark darán un simple número que representa aproximadamente la potencia de un procesador.

Test clásicos muy conocidos son los siguientes.

MIPS

Los MIPS o millones de instrucciones por segundo.

Es un test muy útil para comparar de forma relativa procesadores a lo largo de la historia y ver cómo crece la potencia de cómputo de forma exponencial con el tiempo. A pesar de todo es un test con ciertos problemas a la hora de comparar diferentes arquitecturas, por lo que ha caído en desuso.

Un ordenador personal típico de 2022 tiene aproximadamente 200 000 MIPS.

FLOPS

Los FLOPS u operaciones de coma flotante por segundo, mide cuántas operaciones matemáticas con decimales es capaz de realizar un ordenador. Son habituales los múltiplos, así un MFLOPS es igual a 1 millón de operaciones en coma flotante por segundo.

Esta medida es útil para conocer cómo es de rápida una máquina para resolver problemas científicos y de cálculo intensivo.

Un ordenador personal típico de 2022 tiene aproximadamente 50 000 MFLOPS.

SPECint y SPECfp
Standard Performance Evaluation Corporation (SPEC) es un consorcio sin fines de lucro que incluye a vendedores de computadoras, integradores de sistemas, universidades, grupos de investigación, publicadores y consultores de todo el mundo. Tiene dos objetivos: crear un benchmark estándar para medir el rendimiento de computadoras y controlar y publicar los resultados de estos tests.

Otros test:

PassMark
El Test PassMark es uno de los test comerciales más conocidos para ordenadores personales.