¿QUÉ ES Y CÓMO FUNCIONA EL CPU O PROCESADOR?

Por JJ Torres
GIZMOLOGÍA

La unidad central de procesamiento o CPU es de los componentes mas importantes que podemos hallar en casi todas las piezas de alta tecnología modernas. Sin embargo, la mayoría tenemos nociones mas bien pobres de lo que hacen y cómo lo hacen, cómo se han convertido en los complejos milagros tecnológicos que son, y cuáles son los principales tipos modernos.

Para los ingenieros informáticos y carreras afines seguramente no hay mucho mas qué saber sobre cómo funciona el Hardware de computadores y demás gadgets modernos. Sin embargo, para el aficionado promedio seguro aun hay alguna que otra cosa por saber y que desearía terminar de aclarar.

Para estos casos en Gizmologia hemos preparado una serie de artículos en los que intentaremos detallar los aspectos mas importante de los diferentes componentes que dan vida a todos esos aparatos que nos ayudan a disfrutar de una mayor calidad de vida.

Qué es un CPU

Aunque no se puede decir que hay una única parte mas importante dentro de un computador, puesto que más de una es totalmente vital para su funcionamiento, el CPU o procesador puede ser considerada la piedra angular de estas máquinas. Y es que precisamente es este componente el encargado de computar, controlar, ordenar o procesar, conceptos que definen los ordenadores o computadores modernos.

Actualmente se trata de complejas piezas de tecnología desarrolladas con arquitecturas microscópicas, la mayoría de ellos viene en forma de un chip único, bastante pequeño, de allí que se les diera el nombre de microprocesadores hace ya algunas décadas.

En la actualidad los procesadores están en prácticamente todos los objetos que usamos en nuestro día a día, como televisores, smartphones, hornos de microondas, neveras, automóviles, equipos de sonido, y claro, computadores personales. Sin embargo, no siempre fueron los pequeños milagros de la tecnología que son ahora.

Un poco de historia

Hubo un tiempo en que los procesadores eran constituidos por enormes armatostes que bien podrían llenar una habitación. Estos primeros pasos de la ingeniería de computación estaban principalmente constituidos por tubos de vacío, que aunque para la época eran sustancialmente más potentes (y rápidos) a las alternativas formadas por relés electromecánicos, hoy los 4 MHz que como máximo solían alcanzar nos parecerían de risa.

Con la llegada de los transistores en los años 50 y los 60 los CPU comenzaron a hacerse, ademas de mas pequeños y potentes, también mucho mas confiables, puesto que las máquinas formadas por tubos de vacío tendían a presentar una falla promedio cada 8 horas.

Sin embargo, cuando hablamos de hacerse mas pequeños no nos referimos a que cabían en la palma de la mano. Simplemente pasaron de ser tamaño habitación a tamaño nevera. Y aquellos todavía grandes procesadores estaban constituidos por decenas de placas de circuitos impresos que estaban conectadas entre sí para dar vida a una sola CPU.

Luego de eso vino la invención del circuito integrado, que básicamente unía todo en una única placa de circuitos impresos u oblea, lo que supuso el primer paso para la consecución del microprocesador moderno. Los primeros circuitos integrados eran muy básicos, puesto que solo podían agrupar un puñado de transistores, pero con el paso de los años, y el crecimiento exponencial de la cantidad de transistores que podían ser añadidos en un circuito integrado, para mediados de los años sesenta ya teníamos los primeros procesadores complejos constituidos por una única oblea.

El primer microprocesador como tal sería introducido al mercado ya para 1971, se trataba del Intel 4004, y desde entonces lo demás es historia. Con la rápida evolución de estos pequeños chips, y su gran flexibilidad, han acaparado del todo el mercado del cómputo, siendo que salvo para aplicaciones muy puntuales que requieren Hardware muy especializado, son el núcleo de casi todos los tipos de ordenadores modernos.

Cómo funciona un CPU

Simplificando al extremo, y en términos didácticos, el funcionamiento de un procesador está dado por cuatro fases. Estas fases no necesariamente están siempre separadas, sino que por norma general se solapan, y siempre ocurren en simultáneo aunque no necesariamente para una función en especifico.

 Durante la primera fase el procesador se encarga de cargar el código desde la memoria. En otras palabras se leen los datos que deben ser procesados posteriormente. En esta primera fase se encuentra un problema común en la arquitectura de los procesadores, y es que hay un máximo de datos que pueden ser leídos por periodo de tiempo, y suelen ser inferiores a los que pueden ser procesados, por lo que hay una especie de efecto de pico de botella que en la actualidad se trata de solventar aplicando el multicanal y cachés.
 En la segunda fase ocurre la primera etapa del procesamiento como tal. La información leída en la primera fase es analizada siguiendo un juego de instrucciones (próxima sección de este articulo). Así pues, dentro de los datos leídos habrá fracciones descriptivas para el set de instrucciones, que indicarán qué se debe hacer con el resto de la información. Por poner un ejemplo práctico, hay código que indica que se deben sumar los datos de un paquete con los de otro paquete, siendo cada paquete información que describe un número, con lo que se obtiene una operación aritmética común.
 A continuación viene la fase que continúa con el procesamiento franco, y se encarga de ejecutar las instrucciones tomadas decodificadas dentro de la segunda fase. En el ejemplo anterior, aquí sería dónde se realiza la suma y se obtiene el resultado.
 Por último, el proceso concluye con una fase de escritura, dónde de nuevo la información es cargada, solo que esta vez desde el procesador hasta la memoria. En algunos casos la información puede ser cargada a memoria del procesador para ser reutilizada posteriormente, pero una vez terminado el procesamiento de labor en particular, los datos siempre terminan siendo escritos en la memoria principal, de donde luego pueden ser escritos a la unidad de almacenamiento o no, dependiendo de la aplicación.

Principales arquitecturas modernas

Como ya hemos dicho, la función del procesador es interpretar información. Los datos son cargados desde los diferentes sistemas de memoria a manera de código binario, y es ese código el que debe ser procesador para ser convertido en datos útiles por las aplicaciones. La mentada interpretación se realiza mediante un juego de instrucciones, que es lo que define la arquitectura del procesador.

Actualmente se usan principalmente dos arquitecturas RISC y CISC. RISC da vida a los procesadores diseñados por la firma británica ARM, que con el auge de los dispositivos móviles ha visto un crecimiento importante. También PowerPC, la arquitectura que dio vida a ordenadores Apple, servidores y las consolas Xbox 360 y PlayStation 3, está basada en RISC. CISC es la arquitectura utilizada en los procesadores X86 de Intel y X86-64 de AMD.

Respecto a qué arquitectura es mejor, desde siempre se ha dicho que por ser mucho más limpia y estar mucho mejor optimizada RISC sería el futuro de la computación. Sin embargo, Intel y AMD nunca han dado el brazo a torcer y han conseguido crear un ecosistema muy sólido alrededor de sus procesadores, que aunque están muy contaminados de elementos de retrocompatibilidad ya obsoletos, siempre se han mantenido a la altura de sus rivales.

En general, por su flexibilidad y relativa facilidad de producción, por algunos años mas los CPU seguirán siendo las piezas centrales del computo moderno. Pero siempre hay que tener en cuenta que con el paso de los años han estado evolucionando tecnologías en paralelo que ayudan a descentralizar la carga y hoy más que nunca los procesadores gráficos, más potentes pero menos flexibles han comenzado a ganar casi tanta importancia como la unidad de procesamiento central.