¿Qué es la unidad central de procesamiento (CPU)?

Se podría decir que la CPU es el corazón de tu ordenador, ya que contiene toda la potencia de cálculo esencial para las tareas que el ordenador debe realizar cada día.

CPU es la abreviatura de Central Processing Unit (Unidad Central de Procesamiento en español) que se encuentra en un ordenador. Pero también se puede hablar simplemente de procesador. El procesador es el componente de hardware central y, por tanto, la base del ordenador. Sin ella, un ordenador no puede funcionar en absoluto. Esto se debe principalmente a que la CPU es responsable de todos los cálculos necesarios para que funcione.

Para entender la importancia de la CPU, hay que tener conocimientos sobre el funcionamiento básico de un ordenador. Los cálculos del ordenador se llevan a cabo mediante los comandos de máquina, que se pueden considerar como instrucciones para el procesador. Cabe señalar que estos comandos pueden representarse con el código binario, es decir, como secuencias de ceros y unos. Esto es justamente lo que ocurre en el ordenador, ya que la CPU solo puede procesar instrucciones en código binario.

No existe un solo procesador, sino toda una gama de CPU diferentes. Estos pueden distinguirse principalmente en función del número de núcleos que tiene el procesador. Sin embargo, los tipos de procesadores también pueden diferenciarse según el campo de aplicación de las CPU. Y, por supuesto, los fabricantes también pueden variar. Dos fabricantes muy conocidos son Intel y AMD, que prácticamente dominan el mercado.

Las Single Core CPU tienen un núcleo de procesador, por lo que solo puede realizar una tarea a la vez. Este tipo es el más antiguo y no se utiliza con tanta frecuencia, dado que la paralelización desempeña un papel fundamental en muchas aplicaciones modernas.

A diferencia de los procesadores de un solo núcleo, las Multi Core CPU tienen varios núcleos de procesador. Suelen tener dos o cuatro núcleos en total (Dual o Quad Core), pero también puede haber algunos con un mayor número de núcleos. Estos últimos se utilizan especialmente para el funcionamiento de servidores. En cuanto a la ventaja de los procesadores de varios núcleos: gracias a las diferentes unidades independientes, son capaces de realizar varias tareas en paralelo, lo que permite un trabajo más fluido y rápido.

Si tienes un ordenador convencional, dispones de la llamada CPU de escritorio. Estos son los procesadores que se instalan en los ordenadores de escritorio. Muchos procesadores de escritorio modernos también incluyen una tarjeta gráfica integrada, que es suficiente para las aplicaciones estándar.

Básicamente, no hay mucha diferencia entre los procesadores de los ordenadores de escritorio y los portátiles. En la mayoría de los casos, se diferencian principalmente en el consumo de energía. En términos generales, sin embargo, las CPU de los ordenadores de escritorio se consideran más potentes que las de los portátiles.

Los procesadores de servidor son diferentes de las CPU utilizadas en los ordenadores convencionales y portátiles: tienen un mayor número de núcleos para poder realizar muchas operaciones simultáneamente y de forma eficiente. Además, los servidores suelen funcionar durante todo el día, por lo que la alta carga puede compensarse mediante el número de núcleos.

El procesador lleva a cabo las tareas esenciales de tu ordenador. Y, a grandes rasgos, la CPU realiza las siguientes tres tareas principales:

1. Procesamiento de instrucciones. La unidad de cálculo procesa los comandos recibidos y devuelve los resultados correspondientes.
2. Comunicación con los dispositivos de entrada y salida o la periferia. La unidad de control se encarga de esta tarea, así como de la interacción de los componentes individuales del procesador entre sí.
3. Intercambio de datos. Un ordenador convencional tiene varios componentes, como por ejemplo diferentes tipos de memoria o la tarjeta gráfica. Gracias al sistema de bus, el procesador puede garantizar el envío de datos de ida y vuelta entre los componentes.

La mayoría de las CPU modernas están compuestas por varios núcleos idénticos. Dentro de estos núcleos hay diferentes componentes: por lo menos un núcleo incluye una unidad de cálculo, registros, una unidad de control y un sistema de bus.

• Unidad de cálculo: la unidad de cálculo (en inglés Arithmetic Logic Unit o ALU) lleva a cabo los cálculos de funciones aritméticas y lógicas.
• Registros: los registros son memorias a las que se puede acceder rápidamente, dado que están cerca de la unidad de cálculo.
• Unidad de control: la unidad de control (en inglés Control Unit) se encarga esencialmente de la secuencia de procesamiento de comandos.
• Sistema de bus: el sistema de bus consiste en líneas de datos que conectan los componentes de un ordenador.

Además de los componentes centrales que acabamos de mencionar, las CPU pueden contener otros componentes que se han vuelto indispensables en los procesadores modernos:

• Memory Management Unit: la unidad de gestión de la memoria (MMU), gestiona el acceso a la memoria RAM del ordenador traduciendo las direcciones de memoria virtual en direcciones físicas.
• Caché: la caché es una memoria intermedia rápida, a menudo de varios niveles.
• Unidad de coma flotante: la unidad de coma flotante es una unidad aritmética especializada que se encarga de manejar los números decimales.

La CPU procesa las instrucciones individuales con una rapidez increíble. Si, por ejemplo, pulsas una tecla, normalmente deberías ver la letra correspondiente en el monitor de forma inmediata. Pero, para que el procesamiento se realice sin problemas, se deben llevar a cabo varios pasos en segundo plano. La secuencia básica del procesamiento de comandos puede dividirse en cuatro fases esenciales:

1. Fetch: en primer lugar, se lee la dirección del siguiente comando de máquina que está en la memoria de trabajo del ordenador.
2. Decode: a continuación, se descodifica el comando y se cargan los circuitos correspondientes.
3. Fetch Operands: después de finalizar paso dos, todos los parámetros necesarios para el comando se cargan en los registros. Los respectivos valores para los registros pueden encontrarse en la memoria principal, en la memoria RAM o en la caché.
4. Execute: finalmente, se ejecuta el comando.

Estas cuatro fases se repiten prácticamente en un bucle continuo: una vez que se ha completado un comando, se selecciona el siguiente para ser procesado por el procesador. En cuanto al orden de ejecución de los comandos, este depende del procedimiento de programación. Mediante una planificación adecuada, pueden garantizar que el sistema se comporte de forma equilibrada.

El rendimiento o la potencia de un procesador depende de varios factores. Por un lado, se puede clasificar el tamaño de palabra como relevante. Este factor se utiliza para indicar la longitud que puede tener una palabra de máquina. Así se puede determinar, por ejemplo, cuántos bits se pueden leer de la memoria de trabajo al mismo tiempo o en qué rango se pueden procesar números enteros o de coma flotante. La mayoría de los ordenadores tienen un tamaño de palabra de 32 o 64 bits.

El número de núcleos de la CPU también es un factor que juega un papel decisivo cuando se quiere evaluar el rendimiento de un procesador: cuantos más núcleos tenga un procesador, más tareas podrán procesarse en paralelo. También hay que tener en cuenta que, a medida que aumenta el número de núcleos, la distribución de carga dentro del sistema funciona de mejor manera.

Sin embargo, el número de núcleos no es lo único importante. La frecuencia de ciclos a la que funcionan los distintos núcleos es igual de relevante para el rendimiento de una CPU. Esta se especifica en hertz o gigahertz y, en términos generales, se aplica lo siguiente: cuanto mayor sea la frecuencia de ciclos, más comandos de máquina podrá procesar la CPU por segundo.

Sin embargo, la frecuencia de la placa base también se refleja en la frecuencia de ciclos, que puede ajustarse manualmente en la BIOS de algunas placas base. Además, hay que tener en cuenta que la frecuencia de ciclo no puede aumentarse por propia voluntad, sino que siempre está limitada por la temperatura de la CPU. Si esta aumenta demasiado, el procesador puede dañarse. Por esta razón, el overclocking de la CPU también requiere algunos conocimientos.

Tanto la frecuencia de ciclos como el número de núcleos influyen en el rendimiento de una CPU, pero ¿cuál de los dos es más relevante? Desafortunadamente, no hay una respuesta clara a esta pregunta, dado que no solo depende de la aplicación, sino también del procesador.

Los procesadores modernos suelen ser más eficientes a la hora de procesar los comandos y, por tanto, pueden ofrecer el mismo rendimiento con una frecuencia de ciclos más baja que los procesadores más antiguos con una frecuencia más alta. Además, los procesadores modernos suelen ofrecer la posibilidad de multithreading o hyperthreading, de modo que se pueden ejecutar varios hilos en paralelo en un núcleo.

Si ejecutas aplicaciones en tu ordenador que funcionan con mayor eficacia cuando hay varios núcleos o paralelización, se recomienda elegir un procesador con un número elevado de núcleos para distribuir el uso de la CPU lo mejor posible. Estas aplicaciones son, por ejemplo, el uso de máquinas virtuales o rendering. Esto se debe a que la carga de trabajo de estos programas puede distribuirse muy bien.

En cambio, si utilizas tu ordenador principalmente para aplicaciones que no pueden distribuir tan bien su carga de trabajo, como por ejemplo los videojuegos, la frecuencia de ciclos sería el factor relevante.

Los procesadores modernos suelen distribuir de manera inteligente la carga de trabajo entre los núcleos de la CPU. Si existe la posibilidad de distribuir eficazmente la carga de trabajo actual entre varios núcleos, se lleva cabo y se utilizan todos los núcleos disponibles. Y como resultado, los núcleos individuales funcionan a una frecuencia de ciclos más baja. Sin embargo, si el uso de varios núcleos no tiene sentido o es innecesario, se aumenta la frecuencia de ciclos de los respectivos núcleos utilizados.