CPU y microprocesadores

Aunque los términos CPU y microprocesador se suelen asociar principalmente a ordenadores que se usan en el trabajo, una gran variedad de tecnologías y dispositivos electrónicos confían ahora en estos componentes básicos para el funcionamiento y la ejecución de software. A la hora de comprar microprocesadores para utilizarlos en otros sistemas o dispositivos que no sean ordenadores personales, encontrarás una amplia selección de fabricantes, productos y precios online.

Suministramos marcas líderes de microprocesadores como Microchip, NXP, Renesas Electronics, y Zilog. En esta guía se analizan diversos aspectos fundamentales de las CPU y los microprocesadores, incluyendo cómo elegir uno de estos productos basándose en sus necesidades específicas de uso.

También trataremos qué son exactamente las CPU y los microprocesadores, explicaremos las diferencias entre ellos y describiremos los principios básicos de su funcionamiento. Al final de la guía, conocerás cuáles son algunos de los aspectos fundamentales a tener en cuenta para comprar microprocesadores online y cómo elegir la mejor CPU para la aplicación prevista.

A lo largo de la guía, nos referiremos a los chips que podemos encontrar en ordenadores de sobremesa y portátiles como base para comprender este tema. No obstante, ten en cuenta que los principios generales de diseño y funcionalidad de las CPU y los microprocesadores serán muy similares en todos los tipos de dispositivos electrónicos que los contienen.

¿Qué significa CPU?

Para comenzar, vamos a aclarar qué es una CPU, ya que esto nos permitirá comprender mejor cuál es exactamente su relación con un microprocesador. CPU hace referencia a las iniciales de Central Processing Unit, que significa unidad central de proceso, a veces también denominada unidad de procesador central o a menudo simplemente procesador.

La CPU o procesador es una pequeña, pero muy importante, pieza de circuitería electrónica que maneja y controla todo un conjunto de hardware del ordenador. Se puede considerar esencialmente el cerebro de su sistema, ya sea un PC de sobremesa o portátil, o cualquier otro dispositivo electrónico que requiera el funcionamiento de una CPU.

El hecho de pensar que el procesador es el cerebro del sistema debería ayudar a responder esta frecuente pregunta: ¿por qué necesita un ordenador una CPU?

La CPU es responsable de ejecutar todo el conjunto de operaciones y programas de un ordenador. Gestiona todas las funciones básicas aritméticas, lógicas y de entrada y salida del dispositivo.

Hasta que no se instale una CPU, ninguno de los demás componentes del sistema será capaz de desempeñar sus funciones o comunicarse entre sí. Incluso si se conectan a una PSU (fuente de alimentación), otros componentes de hardware como la Memoria RAM, tarjetas gráficas y discos duros independientes serán inutilizables sin una CPU que los controle.

No obstante, aunque la CPU es un componente vital en un ordenador de trabajo, tan solo es una pequeña parte de los circuitos básicos del dispositivo. Se necesitan muchos otros tipos de circuitos y transistores para hacer posible la comunicación total entre la CPU y el resto del sistema.

En el pasado, a menudo tenían que alojarse aparte debido a las limitaciones de espacio físico y distribución de energía. Sin embargo, los avances modernos en microtecnología han permitido reducir de manera considerable el tamaño de muchas placas de CPU modernas. Como resultado, ahora se suelen colocar directamente junto a otros circuitos principales en un solo circuito integrado (CI), conocido como microprocesador.

¿Qué es un microprocesador y qué relación tiene con las CPU?

En la mayoría de los ordenadores de hoy en día, ya sea para entornos domésticos o de oficina, la CPU se aloja junto a otros circuitos principales en un solo chip multifunción de silicio. Esto también ocurre en muchos otros tipos de dispositivos y sistemas electrónicos inteligentes.

Este chip individual se denomina generalmente microprocesador (o a veces chip lógico). Un microprocesador también contiene otros muchos transistores, circuitos y componentes, cada uno de ellos diseñado para gestionar o facilitar diversas funciones clave dentro de un sistema más amplio.

Por este motivo, un microprocesador es un tipo de circuito integrado (CI). Dado que la mayoría de CPU modernas se fabrican y alojan ahora dentro del circuito integrado del chip, los términos «CPU» y «microprocesador» son en cierto modo equivalentes. A pesar de ello, cabe señalar que, aunque la mayoría de CPU se suministran ahora en forma de microprocesadores, no todos los microprocesadores son CPU.

Los circuitos integrados de microprocesadores también se utilizan para alojar otros tipos de circuitos, como GPU (unidades de procesamiento gráfico) separadas. Por ejemplo, muchos ordenadores modernos utilizan tarjetas gráficas específicas para gestionar la salida de pantalla y rendering (proceso gráfico realizado por ordenador para generar imágenes fotorrealistas) fuera del procesador central. Estas tarjetas gráficas separadas también incorporan circuitos integrados de microprocesadores, pero con una GPU en lugar de una CPU en su núcleo.

En resumen, un microprocesador puede o no incorporar una CPU junto con otros transistores y circuitos para gestionar múltiples operaciones del sistema. Cuando hay una CPU disponible, el microprocesador permite que esta se comunique directamente con el resto del hardware del ordenador.

SOC (System-On-Chip)

Un microprocesador con CPU integrada se denomina a menudo SOC, o System-On-Chip. Este suele incorporar otros tantos componentes clave, como la memoria integrada o interfaces periféricas, y puede ejecutar funciones y programas en todo el sistema del dispositivo. Dada esta capacidad multifunción, los microprocesadores suelen ser adecuados para un uso independiente en dispositivos electrónicos más pequeños o de menor complejidad, así como en muchos ordenadores modernos.

Cabe señalar que los microprocesadores no deben confundirse con los microcontroladores, que son una versión simplificada de un principio similar. Los microcontroladores son chips mucho más limitados, que se encuentran a menudo en dispositivos programados para ejecutar repetidamente una sola función básica.

¿Qué hace un microprocesador? La respuesta a esta pregunta puede ser bastante simple o muy compleja dependiendo de la profundidad de la explicación. Por lo tanto, nos centraremos en describir los principios básicos de su construcción y uso.

¿Qué hace una CPU?

Una CPU gestiona y ejecuta todas las instrucciones requeridas para ejecutar un programa. Esto incluye cálculos aritméticos y lógicos básicos (suma/resta/AND-OR), numerosas funciones de control y decisiones clave de entrada/salida (E/S). El conjunto de instrucciones básicas de la CPU se programa en sus circuitos, representado por bits (dígitos binarios) que se combinan para formar un lenguaje máquina o código de operación.

¿Cómo funciona una CPU?

Cada uno de los componentes separados dentro de la CPU tienen asignadas tareas específicas, que a menudo se agrupan como búsqueda, decodificación o ejecución. La ALU (unidad aritmética lógica) gestiona los cálculos, mientras que el registro se encarga de almacenar datos y cargar los principales datos operativos para su rápida recuperación. Entretanto, la unidad de control (controlador de la CPU) gestiona las interacciones entre los componentes separados, permite la búsqueda en la memoria y la ejecución de muchas instrucciones rápidas.

A la hora de diseñar y fabricar un microprocesador, existen ciertas limitaciones en la complejidad general que es posible obtener en un solo circuito integrado. Entre ellas se encuentran el espacio disponible para los transistores, cuántas terminaciones de paquetes (conexiones) puede admitir para otros componentes del sistema y la cantidad de calor eléctrico generado que puede disipar.

La constante evolución de la tecnología de los circuitos integrados permite fabricar componentes mucho más complejos en un solo microprocesador en chip (SOC) de lo que ha sido posible hasta ahora. Esto incluye el considerable cambio de estructuras de las CPU de 8 bits y 16 bits a los actuales sistemas de 32 bits y 64 bits de hoy en día. Además, ahora pueden incorporar rutinas y algoritmos que antes tenían que realizarse mediante software externo.

Además, la reducción del tamaño de la placa base del procesador en sucesivas generaciones permite agrupar mayores cantidades de otros componentes en el mismo circuito integrado. Los transistores para la memoria caché de la CPU o controladores adicionales permiten agilizar el procesamiento y la recuperación de instrucciones y conjuntos de datos complejos.

Asimismo, las CPU diseñadas como procesadores multinúcleo son cada vez más populares. Estos potentes microprocesadores incorporan varios núcleos de procesador (varios circuitos integrados de la CPU). Permiten ejecutar muchas más funciones simultáneas de lo que antes era posible con el mismo consumo de potencia y temperatura (lo que se denomina potencia de diseño térmico o TDP).

En cuanto a las CPU de consumo que se utilizan en la mayoría de los ordenadores de sobremesa y portátiles, Intel Core y AMD son actualmente los dos fabricantes más importantes y conocidos. Entre las CPU de sobremesa más utilizadas de Intel Core se encuentran varias generaciones de sus chips i3, i5, i7 e i9, mientras que los equivalentes conocidos de CPU de sobremesa de AMD incluyen las familias Athlon y Ryzen (siendo la última generación en el momento de preparar este documento la Ryzen 9).

Sin embargo, las CPU existen de una forma u otra desde finales de los años cuarenta. Los primeros tipos de procesadores eran muy distintos de lo que hoy en día consideraríamos un auténtico procesador de sobremesa, fabricados a partir de miles de dispositivos de conmutación como tubos de vacío y relés.

Las versiones iniciales (incluyendo la famosa Manchester Baby) funcionaban como ordenadores de programa almacenado. Después, a lo largo de los años cincuenta y sesenta, se desarrollaron las CPU de transistor, pero no fue hasta el desarrollo de los primeros circuitos integrados a finales de los sesenta que comenzamos a avanzar hacia CPU de integración a pequeña y gran escala.

La primera tecnología real de microprocesadores —un diseño de chip individual de Intel— se comercializó en 1971. En 1975, las tendencias observables en el avance de los microprocesadores dieron lugar a una regla general específica del sector conocida como ley de Moore. Esta predicción afirmaba que el número de componentes (transistores) que podían instalarse en un solo circuito integrado se duplicaría aproximadamente cada año.

A pesar de que la inviabilidad de la miniaturización subatómica hace que con el tiempo deba demostrarse la falsedad de esta regla, ha mantenido una gran exactitud hasta la fecha. O, dicho de otro modo, los avances en los procesadores modernos continúan siendo exponenciales hasta el día de hoy.

Lo interesante es que, a pesar de las enormes diferencias en arquitectura, complejidad y métodos de construcción de los microprocesadores a lo largo de las décadas, el diseño de los núcleos y el funcionamiento de las CPU modernas siguen siendo en buena medida los mismos que en generaciones anteriores. Todavía funcionan en base a un ciclo de instrucciones fundamentales, es decir, una serie estándar de pasos de búsqueda, decodificación y ejecución. El menor tamaño de las placas, la mejora de los controladores de memoria y las memorias caché más grandes de las CPU solo significan que estos pasos pueden realizarse más rápido que nunca.

Una evaluación comparativa de CPU es un determinado tipo de prueba de rendimiento. Normalmente se lleva a cabo para revelar datos importantes sobre el funcionamiento de un chip. Las evaluaciones comparativas están muy extendidas en las industrias de IT para validar o mostrar diversas métricas de rendimiento clave de las CPU.

En las evaluaciones comparativas se somete un microprocesador a una serie de pruebas sintéticas de velocidad y resistencia. Se trata de programas diseñados para someter la CPU a diversos esfuerzos, colocándola deliberadamente bajo una gran carga sostenida. La mayoría de los usuarios finales solo experimentarán picos de demanda periódicos durante el uso normal, por eso estas pruebas se denominan a menudo sintéticas.

Una evaluación comparativa precisa puede constituir un importante reto debido a diversas propiedades inherentes del silicio, la arquitectura de los chips y la electrónica. Para que las pruebas tengan un uso comercial o científico real, es necesario realizar múltiples ejecuciones en condiciones estrictamente controladas y estrechamente supervisadas.

Cuando se llevan a cabo de forma responsable, los resultados de las evaluaciones comparativas pueden ser de gran utilidad para comparar diferentes marcas de microprocesadores o arquitecturas de CPU en términos de máximo rendimiento absoluto. En cambio, los resultados de evaluaciones comparativas de la competencia pueden implicar una sobre aceleración de los componentes (aumentar la velocidad del reloj base forzándolo a aceptar tensiones superiores a las especificadas, con el consiguiente riesgo de sufrir fallos o daños) para mejorar los resultados.

En estas situaciones, se ignoran sistemáticamente otras consideraciones importantes distintas a las velocidades computacionales brutas. Por tanto, estos tipos de pruebas deben considerarse siempre junto con otros factores a la hora de elegir y comprar una CPU. La fiabilidad general del producto y el valor del rendimiento bajo cargas normales deben tener siempre prioridad respecto a las cifras de las evaluaciones comparativas.

Comprender la velocidad de reloj de la CPU

La velocidad de reloj de la CPU mide cuántos ciclos puede ejecutar un procesador por segundo. La velocidad de reloj, medida a una frecuencia de megahercios (MHz) o gigahercios (GHz), ofrece una indicación general de la velocidad total de la CPU.

Cada ciclo incluye la apertura y el cierre en secuencia de millones de transistores, en función del determinado conjunto de instrucciones que esté ejecutándose. Una frecuencia de MHz o GHz de instrucciones por índice de velocidad de reloj indica cuántas veces puede ejecutar una CPU estos ciclos de reloj en un segundo. La frecuencia de MHz indica millones de veces por segundo, mientras que la frecuencia de GHz significa que la lectura se realiza en miles de millones.

Una mayor velocidad de reloj normalmente implica que la CPU es más rápida. No obstante, hay excepciones, ya que las diferentes arquitecturas de microprocesadores también afectan a la duración necesaria de cada ciclo. Una CPU más reciente fabricada con una arquitectura más moderna podría funcionar con mayor rapidez en términos reales que un modelo más antiguo con una frecuencia más rápida de velocidad del reloj, ya que probablemente divida las tareas en varios números de núcleos y se beneficie de una mayor memoria caché de la CPU.

Saber cómo elegir el procesador más adecuado para tus necesidades es a menudo una cuestión de equilibrio. Es necesario equilibrar las propias necesidades de rendimiento frente a los costes, y la elección del microprocesador respecto a los demás componentes de un dispositivo o sistema.

Estos dos factores tendrán diferentes significados para cada usuario, pero siempre se reducirán a una cuestión de valor. ¿Qué microprocesador ofrece la mejor relación calidad-precio para lo que está intentando conseguir?

Qué debes buscar en una CPU

En primer lugar, debes considerar qué necesitas que haga el sistema. No tiene sentido comprar componentes de CPU con una enorme potencia y con una cantidad de núcleos de 16, 32 o incluso 64 núcleos para realizar tareas básicas. Por otra parte, la inversión inicial puede amortizarse a largo plazo si a menudo tienes que realizar trabajos intensivos con la CPU en muy poco tiempo. Algunos ejemplos podrían ser el análisis de datos, una indexación elevada o cualquier otra aplicación que se beneficie directamente de un rendimiento multinúcleo.

En segundo lugar, debes considerar los demás componentes de tu dispositivo o sistema. Tendrás que conseguir un equilibrio entre el precio, el rendimiento y la potencia de tu CPU, por una parte, y dichos componentes, por otra. Lo que se intenta evitar aquí es un estrangulamiento, es decir, una limitación severa del rendimiento de un componente respecto a otro.

Una CPU de gama baja, por ejemplo, podría tener problemas para mantener el ritmo de una GPU potente. Este es un ejemplo de estrangulamiento, donde el componente más débil frena al más fuerte en algunas aplicaciones. Recuerda que un ordenador solo podrá realizar determinadas tareas a la máxima capacidad del eslabón más débil de la cadena.

Es importante tener esto en cuenta al intentar encontrar la CPU con la mejor relación calidad-precio para tus necesidades y tu sistema. No querrás acabar teniendo un desequilibrio que limite seriamente el rendimiento de cualquier componente. Intenta elegir los que tengan velocidades y capacidades más similares.