PROCESADOR, ¿QUÉ ES Y CÓMO FUNCIONA?

El procesador, también conocido como CPU o micro, es el cerebro del PC. Sus funciones principales incluyen el manejo del sistema operativo, la ejecución de las aplicaciones y la coordinación de los diferentes dispositivos que componen el equipo.

En el aspecto físico, no es más que una pequeña pastilla de silicio la cual está recubierta de lo que llamamos encapsulado. Este se inserta en la placa base sobre un conector que se denomina socket, aunque esto no siempre es así, en un laptop o portátil lo normal es que se suelde directamente. Existen tres modelos de encapsulado, PGA, LGA y BGA.

La placa se convierte así en la encargada de la conexión con los restantes dispositivos, como son la memoria RAM, la tarjeta gráfica o el disco duro usando para ello un conjunto de circuitos y chips que te encuentras sobre ella al que llamamos chipset.

Desde un punto de vista histórico el procesador es uno de los elementos del PC que más ha evolucionado, tanto en su proceso de fabricación, como en su arquitectura interna.

Gracias a estas mejoras, se han podido incluir más bloques funcionales en su interior. En un principio fue el controlador de memoria, después la tarjeta gráfica y en un futuro muy cercano, pasaremos del concepto de procesador a lo que se denomina SOC, es decir, un chip con todos los elementos de la placa base en su interior mejorando así el tamaño y reduciendo el consumo.

¿QUÉ COMPONENTES TIENE UN PROCESADOR? Ten en cuenta que no todos son iguales pero la mayoría de ellos incluyen entre otros elementos:

Núcleos. Un núcleo no es más que un procesador en miniatura. Los procesadores modernos tienen varios de ellos lo cual hace que puedan acelerar ciertos tipos de aplicaciones y evitar bloqueos.

Cache. La memoria cache es el elemento del sistema de memoria de un PC que se encuentra en el interior del micro, se usa para acelerar la velocidad de los accesos a la RAM.

La cache se encuentra, a su vez, organizada en varios niveles cada uno más lento y grande que el anterior. Será tarea del micro dejar los datos que más se usen lo más cerca posible para así acelerar la ejecución de los programas.

Controlador de memoria. Este fue uno de los primeros elementos que se integró consiguiendo acelerar el acceso la memoria RAM. Esto tiene un inconveniente y es que sólo puedes usar el tipo de memoria para la que tu procesador esté preparado.

Esto no ha sido siempre así ya que antes el tipo de memoria que podías usar dependía de la placa base y no era raro que esta estuviera preparada para poder funcionar con varios tipos de RAM.

Tarjeta gráfica. Si integran este componente ya no hablamos de CPUs sino de APUs. Ya no estaríamos ante un micro convencional si no ante un hibrido entre procesador y tarjeta gráfica. En la actualidad y parece que en desarrollos futuros casi todos los micros con los que te encuentres serán de este tipo.

Otros elementos. Los micros han incorporado aún más funcionalidad que antes se encontraba sobre la placa base. Por ejemplo, el controlador de PCI Express, aumentando la velocidad con la que el micro es capaz de comunicarse con otros dispositivos.

¿CÓMO FUNCIONA UN PROCESADOR? Todo el sistema está gobernado por un reloj que se usa para sincronizar los diferentes bloques funcionales. La velocidad a la que este cambia de estado se denomina frecuencia de funcionamiento y está relacionada con la capacidad de cómputo del sistema. El funcionamiento de un procesador se puede dividir en las siguientes etapas:

Se lee una instrucción de memoria. El conjunto de instrucciones de cualquier procesador actual incluye más de mil diferentes y va creciendo con el tiempo. Se añaden para mejorar la velocidad de procesamiento de ciertas aplicaciones.

Se buscan los datos. Algunas instrucciones necesitaran de datos para realizar sus cálculos que pueden no encontrarse dentro del procesador y tendrán que buscarse por tanto en el sistema de memoria.

Se realiza la operación. Una vez que se tiene todo se ejecuta la operación, para esto puede ser necesario el trabajo de varios bloques como la unidad aritmética lógica o la de punto flotante.

Se pasa a la siguiente instrucción. Que no es siempre la que se encuentra a continuación en la memoria. Muchas instrucciones pueden cambiar el flujo del programa y permitir saltos o repetir ciertas acciones hasta que se cumpla una determinada condición.

Una de las técnicas más usadas para aumentar la velocidad incluye la ejecución de instrucciones fuera de orden intentando optimizar el uso de los bloques funcionales. En estos procesadores se ejecutan las operaciones cuando están sus datos y no en el orden en que fueron escritas. Esto por supuesto lleva a una arquitectura más compleja que debe de controlar que los resultados sean coherentes.

Otra de las mejoras es el predictor de saltos. Este elemento trata de acertar si en una determinada operación se va a producir una bifurcación en el código o no. De esta forma puede ejecutar las instrucciones de una determinada rama incluso antes de saber si se va a producir un salto a ella.

Todas estas técnicas lo que tratan es de mejorar el IPC es decir la capacidad del procesador de ejecutar más instrucciones en la misma cantidad de tiempo.

¿QUÉ DEBO DE TENER EN CUENTA A LA HORA DE LA COMPRA DE UN PROCESADOR? Serán tus necesidades las que al final decidan que procesador debes comprar. Ejemplo: No es lo mismo adquirir un PC para estudiar, que para jugar. Como características técnicas lo que diferencia a un micro de otro son, entre otras, su frecuencia de funcionamiento, su cantidad de memoria cache y su número de núcleos. Entre esas otras tecnologías nos encontramos con:

Hyperthreading. Gracias a la tecnología Hyperthread, que es propia de los micros de Intel es posible simular que tienes dos núcleos lógicos sobre uno físico. Es interesante para ciertas aplicaciones como las que tratan con gráficos y videos.

CMT. Es una tecnología de AMD que permite al unir dos núcleos y compartir ciertos recursos que estos ocupen menos área y por lo tanto incluir un mayor número de ellos.

Turbo Boost y Turbo Core. Son dos tecnologías, la primera de Intel y la segunda de AMD capaces de acelerar los procesadores cuando no consumen mucho.

Puedes encontrar más información sobre cual procesador te conviene en el enlace.

¿SITUACIONES ACTUALES DE PROCESADORES PARA PCS? Para entender mejor los procesadores actuales se revisarán a continuación las últimas arquitecturas de Intel y AMD para sus procesadores para PCs de escritorio:

Sandy Bridge. Fue desarrollada por Intel en 2011, es lo que Intel denomina en su desarrollo “tick\tock” como un tock o lo que es lo mismo una mejora de la arquitectura. Es el último diseño del fabricante donde se primaba la potencia por encima del consumo o lo que es lo mismo el último micro en el cual se piensa antes en los PCs de sobremesa que en los usados en laptops.

Ivy Bridge. Fue desarrollado por Intel en 2012 y es un tick, es decir una mejora en el proceso de fabricación que permite incluir más elementos en la misma área. El fabricante aprovecha para añadir más funcionalidad a su grafica integrada.

Haswell. Fue desarrollado por Intel en 2013 y es un nuevo desarrollo de la arquitectura o sea un tock en este caso pensado en optimizar el consumo en los dispositivos móviles.

Broadwell. Fue desarrollado por Intel en 2014 y es una nueva mejora en el proceso de fabricación. Pensado sobre todo para dispositivos móviles.

Llano. Fue desarrollado por AMD en 2011. Se mejora el proceso de fabricación respecto a la anterior generación.

Trinity. Fue desarrollado por AMD en 2012. Mejora la arquitectura del anterior.

Kaveri. Fue desarrollado por AMD en 2013. Debido a que AMD está muy retrasado respecto a Intel en estos micros no solo mejora el proceso de fabricación sino también la arquitectura. Su mayor mejora es conseguir que la tarjeta gráfica integrada acceda a la memoria de manera directa.

Normalmente los micros de AMD son menos potentes en las aplicaciones que usan un solo hilo, que son casi todas, pero a cambio suelen tener una tarjeta gráfica integrada más potente y más núcleos.

PARTES DEL PROCESADOR: El procesador es el dispositivo que se encarga de llevar a cabo las tareas necesarias para que puedas utilizar tus aplicaciones y programas. Lo puedes considerar el cerebro de tu PC.

Una aplicación una vez instalada en el disco duro tiene dos componentes básicos. Los datos, por ejemplo dibujos, fotografías, sonidos, vídeos y las instrucciones que son las encargadas de trabajar con esos datos.

La función del micro es por tanto, estar atento a la información que le llega por parte del usuario a través de teclado y ratón y actuar procesando las instrucciones que forman parte de la aplicación que estés usando en un momento determinado.

ELEMENTOS BÁSICOS DE UN PROCESADOR MODERNO: En un procesador puedes encontrar los siguientes elementos:

Núcleos. Una de las mejoras en las tecnologías de fabricación de los procesadores lo que ha conseguido es aumentar el número de transistores que pueden los fabricantes crear por unidad de área. Un mayor número de ellos conlleva que se puedan integrar más elementos. Los fabricantes gracias a esto han añadido varios núcleos en un mismo procesador. Cada uno de estos elementos no es más que un procesador pero reducido en tamaño. Al tener varios ciertas tareas se pueden acelerar al trabajar en paralelo.

Cache. Es muy importante, para las prestaciones que el micro es capaz de dar, acelerar el uso de los accesos a memoria RAM. Ten en cuenta que en ella se encuentran tanto los datos como las instrucciones de los programas con los que estés trabajando. Un procesador tiene varios niveles de memoria cache pensada para acelerar estos accesos. Su idea de funcionamiento es sencilla, se almacenan en ella los datos e instrucciones a los que se accede más frecuentemente y al estar cerca del procesador el acceso es más rápido. Fuera del núcleo nos encontramos con la denominada LLC (Last level cache) que dependiendo del modelo es la tercera o segunda capa.

Otros elementos integrados. Dependiendo de la arquitectura tendrán más elementos o menos en su interior.

Interconexionado interno. Todos estos elementos necesitan conectarse entre ellos para intercambiar información. Tenemos básicamente dos opciones o conectar líneas una a una entre todos los elementos lo cual complica algo el diseño o crear un bus al cual todos se conecten para compartir información.

¿QUÉ HAY EN EL INTERIOR DE CADA NÚCLEO? A grandes rasgos podemos ver un núcleo como un procesador antiguo. Aunque si te acercas verías que el diseño ha ido adaptándose con muchas optimizaciones para mejorar las prestaciones.

Unidad de control. De esta forma se denomina a un conjunto de elementos que puedes encontrar en el interior de un núcleo encargado de cargar las instrucciones y datos según se van ejecutando los programas.

Al leer una instrucción, la divide en micro instrucciones más pequeñas de tal forma que pueden encargar su ejecución a los distintos elementos del núcleo. Estas micro instrucciones se pueden ejecutar por tanto en paralelo o incluso en un orden distinto del que llegan.

Registros. Un registro no es más que una pequeña memoria que está integrada en el procesador. En ella es donde se almacenan los datos para ser procesados. Es la memoria más rápida de todo el sistema pero suelen ser muy pequeñas. Con el avance de las arquitecturas, al añadir más instrucciones, cada vez existen más tipos de registros.

Unidad Aritmética Lógica. Conocida normalmente como ALU por sus siglas en inglés, es la encargada de realizar operaciones aritméticas y lógicas sobre números. En concreto estamos hablando de números enteros, es decir aquellos que no tienen decimales.

Unidad de coma flotante. Realizan las mismas funciones que la ALU pero sobre números naturales. Sus siglas en ingles es FPU. Este elemento no siempre ha estado incluido dentro del chip si no que era un elemento externo y se llamaba coprocesador matemático. Con los años ha ganado cada vez más funcionalidades y su función sin duda es muy importante.

Primeros niveles de cache. La cache más cercana a la unidad de control suele estar dividida en instrucciones y datos. De esta forma la unidad puede ir ejecutando varias instrucciones sin tener que estar continuamente leyendo de la RAM con cada nueva. Es muy común que existan al menos dos niveles de memoria cache en el interior del núcleo.

¿QUÉ ELEMENTOS SE SUELEN INTEGRAR? Como ya te comente cada vez se añaden más elementos dentro del procesador, entre ellos puedes encontrar:

Controlador de memoria. Antes tenías un elemento sobre la placa base que se encargaba de toda la comunicación entre el micro y la memoria RAM. Al incluir este en el interior del procesador conseguimos mejoras en la velocidad muy importantes.

Tarjeta gráfica. Cada vez son más los modelos que incluyen una tarjeta gráfica en su interior. De esta forma conseguimos reducir el consumo y ahorrarnos dinero, al no tener que adquirir este dispositivo, en nuestro equipo. Por desgracia estas no son tan potentes como sus hermanas mayores las discretas de toda la vida.

Controlador PCI Express. Al implementar internamente este componente la comunicación con la tarjeta gráfica discreta es directa. Es decir, se ha seguido la misma filosofía que con el controlador de memoria.

Controlador del bus del sistema. El bus del sistema permite al procesador comunicarse con los periféricos que se encuentran en la placa base. Al incluirlo se consiguió otra vez una mejora en la velocidad global del sistema.

ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL PROCESADOR: Los fabricantes utilizan los siguientes parámetros a la hora de describir sus procesadores:

Familias. Los micros se organizan según sus características base. Algunos nombres de familias son Celeron, i3, i5, i7, A6, A8, A10 por poner algunos ejemplos.

Núcleos. En un procesador moderno tienes más de un núcleo de procesamiento. De esta forma la computadora será capaz de realizar varias tareas a la vez.

A mayor número de núcleos el equipo tendrá menos problemas para ejecutar varias aplicaciones a la vez. El sistema, por tanto, responderá de manera cómoda aunque una tarea monopolice un núcleo. Como regla general a mayor número, mejores prestaciones y más caros.

Subprocesos. Intel utiliza una tecnología llamada Hyperthreading. Gracias a ella consigue duplicar el número de tareas que es capaz de ejecutar cada núcleo en un determinado momento. Un equipo con esta tecnología parecerá tener el doble de núcleos.

AMD utiliza realiza su propia versión con CMT. En este caso replica casi todo el núcleo en bloques de dos unidades excepto la unidad de punto flotante que es compartida. Esto puede hacer que tenga ciertos problemas con las prestaciones que es capaz de dar a algunas aplicaciones que hagan mucho uso de números flotantes.

Un procesador que soporte tanto hyperthread como CMT no tendrá las mismas prestaciones que otro con núcleos reales pero es una mejora.

Litografía. En este caso se refiere a la tecnología de fabricación. Es el tamaño de puerta mínimo que puede alcanzar en un transistor medida en nanómetros.

Un procesador está compuesto por millones de transistores. A menor tamaño mayor número de ellos se pueden incluir en el mismo espacio. El procesador podrá por tanto tener más lógica interna. Esto lo han utilizado los fabricantes para añadir más núcleos, una pequeña unidad de procesamiento de gráficos o más memoria interna.

Otro punto de mejora es la velocidad y la potencia consumida. Al aumentar la velocidad las computadoras consumen cada vez más, pudiendo llegar a quemarse. Transistores más pequeños, consumen menos y por lo tanto pueden darte mayores prestaciones con la misma potencia.

Velocidad de reloj. También conocida como frecuencia de funcionamiento. Se mide en GHz. Indica el número de operaciones por segundo que el PC es capaz de realizar.

Conjunto de instrucciones. Aunque todos los PCs tienen más o menos los mismos conjuntos de instrucciones cada vez es más común que los fabricantes añadan nuevos para acelerar ciertas aplicaciones o nuevas funcionalidades. Entre ellos están AVX usada para acelerar aplicaciones multimedia o AES para entornos criptográficos.

Frecuencia turbo máxima. Al tener varios núcleos puede ocurrir que los programas que ejecutes no estén dando trabajo a todos. En este caso el procesador aumenta la velocidad de los que estén funcionando hasta un límite indicado por este número. Esto se podrá hacer siempre y cuando el procesador no supere una cierta temperatura y así evitamos quemarlo. AMD utiliza su tecnología Turbo Core para realizar esto mientras que Intel implementa Turbo Boost.

Thermal Design Power (TDP). El TDP es el consumo máximo medido en Watios, muy importante para los portátiles y los nuevos tipos de PCs que están apareciendo en el mercado.

Tarjeta gráfica integrada. Gracias a las mejoras producidas en los procesos de fabricación como hemos visto se integran más componentes en el mismo chip del procesador. Uno de los que se añaden es una tarjeta gráfica integrada. Esta que normalmente no será tan potente como una discreta puede servirte para ahorrar algo de dinero si no vas a usar el PC para jugar. A veces aparte del modelo se añade la frecuencia base a la que funciona y la velocidad que puede alcanzar en modo turbo.

TALLER

Una vez finaliza la lectura, se organizarán cuatro grupos para realizar investigar los temas que se detallas a continuación, la cuál será socializada y evaluada en el ambiente de formación:

Grupo 1. TDP: ¿Qué es TDP de un procesador? ¿Cuáles son valores normales para procesadores? ¿Qué determina un TDP de procesador mayor o menor?

Grupo 2. ARQUITECTURA DE UN PROCESADOR: ¿Qué es la arquitectura de un procesador?

Grupo 3. GIGAHERTZIO: ¿Qué es un gigahertzio y qué relación tiene con el rendimiento? ¿Es la misma frecuencia para todos los elementos? ¿Qué relación existe con el consumo?

Grupo 4. STEPSPEED: ¿En qué consiste la tecnología Intel StepSpeed? ¿Qué es Intel StepSpeed? ¿Qué es necesario para poder usarla? ¿Cómo es su relación con Turbo Boost? ¿Puede provocar caídas de rendimiento?