Seguramente todos conozcamos de forma aproximada qué es una CPU, pero, ¿realmente sabemos cuáles son las partes de un procesador? Todas y cada una de las principales, las que son necesarias para que este pequeño cuadrado de silicio sea capaz de procesar grandes cantidades de información, siendo capaz de trasladar la humanidad a una era en donde, no tener sistemas electrónicos, sería una completa debacle.
Los procesadores forman ya parte de nuestras vidas cotidianas, especialmente de las personas que han nacido en los últimos 20 años. Muchas han crecido completamente mezcladas con la tecnología, y no digamos ya los pequeños que traen un Smartphone debajo de brazo en lugar de un pan… En todos estos dispositivos, hay un elemento común llamado procesador, el cual se encarga de dar “inteligencia” a las máquinas que nos rodean. Si este elemento no existiera, tampoco lo harían los ordenadores, los móviles, los robots y las cadenas de montaje, en definitiva, todos tendrían trabajo… pero sería imposible llegar hasta donde los hemos hecho, aun no existe un mundo como “Matrix” pero todo se andará.
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Qué es un procesador y por qué es tan importante
En primer lugar, debemos ser conscientes de que no solamente un ordenador tiene en su interior un procesador. Todos los dispositivos electrónicos, todos, tienen en su interior un elemento que hace la función de procesador, ya que sea un reloj digital, un autómata programable o un Smartphone.
Pero claro, debemos ser conscientes también de que, en función de sus capacidades y para lo que están fabricados, los procesadores podrán ser más o menos complejos, desde simplemente ejecutar una sucesión de códigos binarios para encender un panel LED, hasta manejar ingentes cantidades de información, incluso aprender de ellas (Machine Learning e Inteligencia Artificial).
La CPU o Unidad Central de Procesamiento en español, es un circuito electrónico capaz de ejecutar las tareas e instrucciones que contiene un programa. Estas instrucciones están muy simplificadas, y se reducen a cálculos aritméticos básicos (sumas, restas, multiplicaciones y divisiones), a operaciones lógicas (AND, OR, NOT, NOR, NAND), y al control de entrada/salida (I/O) de los dispositivos.
Entonces es el procesador el elemento encargado de realizar todas las operaciones que forman las instrucciones de un programa. Si nos ponemos en el punto de vista de la máquina, estas operaciones se reducen a simples cadenas de ceros y unos, llamadas bits, y que representan los estados de corriente/no corriente, formando así estructuras lógicas binarias que incluso el ser humano es capaz de comprender y programar en código máquina, ensamblador o a través de un lenguaje de programación de más alto nivel.
Los transistores, los culpables de todo
Los procesadores no existirían, al menos tan pequeños, si no fuera por los transistores. Son la unidad básica por así decirlo, de todo procesador y circuito integrado. Se trata de un dispositivo semiconductor que cierra o abre un circuito eléctrico o amplifica una señal. De esta forma, es como podemos crear unos y ceros, el lenguaje binario que entiende la CPU.
Estos transistores comenzaron siendo válvulas de vacío, enormes dispositivos similares a bombillas y capaces de realizar las conmutaciones propias de un transistor, pero con elementos mecánicos en el vacío. Computadoras como el ENIAC o EDVAC tenían válvulas de vacío en su interior en lugar de transistores y eran inmensamente grandes y consumían prácticamente la energía de una pequeña ciudad. Estas máquinas fueron las primeras con la arquitectura Von Neumann.
Pero en la década de 1950 a 1960 se comenzaron a crear las primeras CPU con transistores, de hecho, fue IBM en 1958 cuando creó si primera máquina basada en transistores semiconductores con el IBM 7090. Desde entonces la evolución fue espectacular, fabricantes como Intel y posteriormente AMD empezaron a crear los primeros procesadores para computadoras de escritorio, implementando la revolucionaria arquitectura x86, gracias a la CPU Intel 8086. De hecho, aún en la actualidad, nuestros procesadores para ordenadores de escritorio se basan en esta arquitectura, más adelante veremos las partes del procesador x86.
Tras esto, la arquitectura comenzó a hacerse cada vez más compleja, con chips más pequeños y además con la introducción primero de más núcleos en su interior, y luego con núcleos especialmente dedicados al procesado de gráficos. Incluso se introdujo en el interior de estos pequeños chips unos bancos de memoria ultra rápida llamada memoria caché y el bus de conexión con la memoria principal, la RAM.
Las partes externas de un procesador
Tras este pequeño repaso a la historia de los procesadores hasta situarnos en nuestros días, vamos a ver qué elementos externos tiene un procesador actual. Hablamos de elementos físicos que se pueden tocar y que están a la vista del usuario. Esto nos ayudará a comprender mejor las necesidades físicas y de conectividad de un procesador.
Socket
El socket o zócalo de la CPU es un sistema electromecánico instalado de forma fija en una placa base que se encarga de interconectar el procesador con los demás elementos de la placa y el ordenador. Existen varios tipos básicos de socket en el mercado y además con muchas configuraciones diferentes. Existen tres elementos en su nombre o denominación que nos harán entender de cual estamos hablando:
El fabricante puede ser Intel o AMD tratándose de ordenadores personales, esto es algo simple de entender. En cuanto al tipo de conexión tenemos tres tipos diferentes:
- LGA: (matriz de contactos en rejilla), significa que los pines de contactos están instalados en el propio socket, mientras que la CPU solo tiene una matriz de contactos planos.
- PGA: (matriz de rejilla de pines), es justo lo contrario al anterior, es el procesador el que tienen los pines, y el socket los huecos para introducirlos.
- BGA: (matriz de rejilla de bolas), en este caso el procesador va directamente soldado a la placa base.
En cuanto al último número, identifica el tipo de distribución o cantidad de pines de conexión que tienen la CPU con el socket. Existe una enorme cantidad de ellos tanto en Intel como en AMD.
Sustrato
El sustrato básicamente es la PCB en donde va instalado el chip de silicio que contiene el circuito electrónico de los núcleos, llamado DIE. En los procesadores actuales puede haber más de uno de estos elementos instalados de forma separada.
Pero además esta pequeña PCB contiene toda la matriz de pines de conexión con el socket de la placa base, casi siempre chapados en oro para mejorar el traspaso de electricidad, y con protección ante sobrecargas y picos de corriente en forma de condensadores.
DIE
El DIE es precisamente el cuadrado o pastilla que contiene todo el circuito integrado y componentes internos de un procesador. Visualmente, se ve como un pequeño elemento negro que sobresale del sustrato y que hace contacto con el elemento de disipación de calor.
Debido a que dentro de él está todo el sistema de procesamiento, el DIE alcanza unas temperaturas increíblemente altas, así que debe estar protegido mediante otros elementos.
IHS
También se denomina DTS o Difusor térmico Integrado, y su función es la de capturar toda la temperatura de los núcleos del procesador y transferirla al disipador que este elemento tenga instalado. Está fabricado de cobre o aluminio.
Este elemento es una chapa o encapsulado que protege el DIE del exterior, y puede estar en contacto directo con él mediante pasta térmica o directamente soldado. En equipos gaming personalizados, los usuarios retiran este IHS para colocar disipadores directamente en contacto con el DIE mediante pasta térmica en un compuesto de metal líquido. A este proceso de la denomina Delidding y su propósito es mejorar de forma sustancial las temperaturas del procesador.
Disipador
El elemento final que se encarga de capturar todo el calor posible y transferirlo a la atmósfera. Son pequeños o grandes bloques compuestos por aluminio y una base de cobre, provisto de ventiladores que ayudan a enfriar toda la superficie mediante una corriente de aire forzada a través de las aletas.
Todo procesador de PC, necesita un disipador para poder funcionar y mantener bajo control las temperaturas del mismo.
Pues estas son las partes de un procesador en de forma externa, ahora vamos a ver la parte más técnica, sus componentes internos.
Arquitectura de Von Neumann
Los ordenadores actuales están basados en la arquitectura de Von Neumann, que fue el matemático encargado de dar vida en 1945 a los primeros ordenadores de la historia, ya sabéis, el ENIAC y sus otros corpulentos amigos. Esta arquitectura básicamente es la forma en la que distribuyen los elementos o componentes de un ordenador para que sea posible su funcionamiento. Se compone de cuatro partes básicas:
- Memoria programas y datos: es el elemento en donde se guardan las instrucciones que se deben ejecutar en el procesador. Se compone de las unidades de almacenamiento o discos duros, la memoria RAM de acceso aleatorio, y los programas que contienen las propias instrucciones.
- Unidad Central de Proceso o CPU: se trata del procesador, la unidad que controla y procesador toda la información que vienen desde la memoria principal y de los dispositivos de entrada.
- Unidad de entrada y salida: permite la comunicación con los periféricos y los componentes que están conectados a la unidad central. Físicamente podríamos identificarlos como las ranuras y puertos de nuestra placa base.
- Buses de datos: son las pistas, vías o cables que conectan físicamente los elementos En una CPU se dividen en el bus de control, bus de datos y en el bus de direcciones.
Procesadores multi-núcleo
Antes de comenzar a enumerar los componentes internos de un procesador, es muy importante saber qué son los núcleos de un procesador y su función en él.
El núcleo de un procesador es el circuito integrado que se encarga de realizar los cálculos necesarios con la información que pasa a través de él. Cada procesador funciona a una determinada frecuencia, medida en MHz, que indica la cantidad de operaciones que es capaz de realizar. Pues bien, los procesadores actuales no solo tienen un núcleo, sino varios de ellos, todos ellos con los mismos componentes internos y capaces de ejecutar y resolver instrucciones de forma simultánea en cada ciclo de reloj.
Entonces si un procesador con un núcleo puede ejecutar una instrucción en cada ciclo, si tuviera 6, podría ejecutar 6 de estas instrucciones en el mismo ciclo. Esto es una mejora de rendimiento espectacular, y es precisamente lo que hacen los procesadores actuales. Pero no solo tenemos núcleos, sino también hilos de procesamiento, que son como una especie de núcleos lógicos por el que circulan los subprocesos de un programa.
Visita nuestro artículo de: ¿qué son los hilos de un procesador? Diferencias con los núcleos para saber más sobre el tema.
Partes internas de un procesador (x86)
Existen multitud de arquitecturas y configuraciones diferentes de microprocesador, pero la que a nosotros nos interesa es la que está dentro de nuestros ordenadores, y esta sin duda es la que recibe el nombre de x86. Podríamos verlo directamente de forma física o de forma esquemática para que quedase un poco más claro, sabed que todo esto se encuentra dentro del DIE.
Debemos tener en cuenta que la Unidad de control, Unidad Aritmético-Lógica, Registros y FPU estarán presentes en cada uno de los núcleos del procesador.
Veamos primero los componentes internos principales:
Unidad de control
En inglés llamada Conrol Unit o CU, es la encargada de dirigir el funcionamiento del procesador. Lo hace impartiendo órdenes en forma de señales de control a la memoria RAM, la unidad aritmético-lógica y os dispositivos de entrada y salida para que sepan cómo gestionar la información e instrucciones que se envían al procesador. Por ejemplo, que recojan datos, lleven a cabo los cálculos y almacenen resultados.
Esta unidad se asegura que el resto de componente funcionen de forma sincronizada mediante señales de reloj y temporización. Prácticamente la totalidad de procesadores cuentan con esta unidad en su interior, pero digamos que está fuera de lo que es el núcleo de procesamiento en sí mismo. A su vez, podemos distinguir dentro de él las siguientes partes:
- Reloj (CLK): se encarga de generar una señal cuadrada que sincroniza los componentes internos. Existen otros relojes que se encargan de esta sincronía entre elementos, por ejemplo, el multiplicador, que luego veremos.
- Contador de programa (CP): contiene la dirección de memoria de la siguiente instrucción que se va a ejecutar.
- Registro de instrucciones (RI): guarda la instrucción que se está ejecutando
- Secuenciador y Decodificador: interpreta y ejecuta las instrucciones a través de órdenes
Unidad Aritmético-Lógica
Ésta la conocerás seguramente por sus siglas en inglés “ALU”. La ALU se encarga de realizar todos los cálculos aritméticos y lógicos con números enteros a nivel de bits, esta unidad sí que trabaja directamente con las instrucciones (operandos) y con la operación que la unidad de control le ha indicado de haga (operador).
Los operandos puede venir, bien de los registros internos del procesador, o directamente de la memoria RAM, incluso se pueden generar en la propia ALU como resultado de otra operación. La salida de ésta, será el resultado de la operación, siendo otra palabra que será almacenada en un registro. Estas son sus partes básicas:
- Registros de entrada (REN): guardan en ellos los operandos que se van a evaluar.
- Código de operación: la CU envía el operador para que la operación será realizada
- Acumulador o Resultado: de la ALU sale el resultado de la operación como una palabra binaria
- Registro de estado (Flag): almacena distintas condiciones a tener en cuenta durante la operación.
Unidad de coma flotante
La conocerás como FPU o Floating Point Unit. Básicamente es una actualización llevada a cabo de los procesadores de nueva generación que se especializa en el cálculo de operaciones en coma flotante mediante un coprocesador matemático. Existen unidades que incluso pueden llegar a realizar cálculos trigonométricos o exponenciales.
Básicamente es una adaptación para aumentar el rendimiento de los procesadores en el procesamiento de gráficos en donde los cálculos a realizar con mucho más pesados y complejos que en los programas normales. En algunos casos, las funciones de la FPU las realiza la propia ALU mediante un microcódigo de instrucción.
Registros
Lo procesadores actuales cuentan con un sistema propio de almacenamiento, por así decirlo, y la unidad más pequeña y rápida son los registros. Básicamente se trata de un pequeño almacén en donde se almacenan las instrucciones que se están procesado y los resultados obtenidos de ellas.
Memoria caché
El siguiente nivel de almacenamiento es la memoria caché, que también es una memoria extremadamente rápida, mucho más que la memoria RAM que se encarga de almacenar las instrucciones que serán inminentemente usadas por el procesador. O al menos intentará almacenar las instrucciones que cree que será usadas, ya que a veces no hay más remedio que pedirlas directamente desde la memoria RAM.
La memoria caché de los procesadores actuales está integrada en el mismo DIE del procesador, y se divide en un total de tres niveles, L1, L2 y L3:
- Caché de nivel 1 (L1): es la más pequeña después de los registros, y la más rápida de las tres. Cada núcleo de procesamiento tiene su propia cache L1, que a su vez está dividida en dos, la L1 Data que se encarga de almacenar los datos, y la L1 Instruction, que almacena las instrucciones a llevar a cabo. Suele ser de 32KB cada una de ellas.
- Caché de nivel 2 (L2): esta memoria es más lenta que la L2, aunque también más grande. Normalmente, cada núcleo tiene su propia L2 que puede ser de unos 256 KB, pero en este caso no está integrada directamente en el circuito del núcleo.
- Caché de nivel 3 (L3): es la más lenta de las tres, aunque mucho más rápida que la memoria RAM. También está situada fuera de los núcleos y está repartida entre varios núcleos. Oscila entre los 8 MB y los 16 MB, aunque en CPU de muy potentes alcanza hasta 30 MB.
Buses de entrada y salida
El bus es el canal de comunicación entre los distintos elementos que forman un ordenador. Son las líneas físicas por donde circulan los datos en forma de electricidad, las instrucciones y todos los elementos necesarios para procesar. Estos buses se pueden situar directamente dentro del procesador o fuera de él, en la placa base. Existen tres tipos de buses en un ordenador:
- Bus de datos: seguramente el más sencillo de entender, porque es el bus por donde circulan los datos que envían y reciben los distintos componentes, hacia o desde el procesador. Esto significa que es un bus bidireccional y por el circularán palabras con una longitud de 64 bits, la longitud que el procesador es capaz de manejar. Un ejemplo de bus de datos son los LANES o Líneas PCI Express, que comunican la CPU con las ranuras PCI, por ejemplo, para una tarjeta gráfica.
- Bus de direcciones: por el bus de direcciones no circulan datos, sino direcciones de memoria para ubicar dónde están los datos almacenados en la memoria. La memoria RAM es como un gran almacén de datos dividido en celdas, y cada una de estas celdas tiene su propia dirección. Será el procesador el que pida a la memoria el dato mediante el envío de una dirección de memoria, esta dirección debe ser tan grande como celdas tenga la memoria RAM. Actualmente un procesador puede direccionar direcciones de memoria de hasta 64 bits, es decir, podríamos manejar memorias de hasta 264 celdas.
- Bus de control: el bus de control es el encargado de gestionar los dos buses anteriores, mediante señales de control y temporización para hacer un uso sincronizado y eficiente de toda la información que circular desde o hacia el procesador. Sería como la torre de control aéreo de un aeropuerto.
BSB, unidad de entrada/salida y multiplicador
Es importante saber que los procesadores actuales no cuentan con el tradicional FSB o Bus Frontal, el cual servía para comunicar el CPU con el resto de elementos de la placa base, por ejemplo, chipset y periféricos a través del puente norte y el puente sur. Esto se debe a que el propio bus se ha introducido dentro de la CPU como una unidad de administración de datos de entrada y salida (I/O) que comunica directamente la memoria RAM con el procesador como si del antiguo puente norte se tratase. Tecnologías como HyperTransport de AMD o HyperThreading de Intel se encargan de gestionar el intercambio de información en los procesadores de alto rendimiento.
El BSB o Back Side Bus es el bus que se encarga de conectar el microprocesador con su propia memoria caché, normalmente la de L2. De esta forma se puede liberar el Bus Frontal de bastante carga, y así acercar aún más la velocidad de las memorias caché a la velocidad del núcleo.
Y finalmente tenemos los multiplicadores, que son una serie de elementos ubicados dentro o fuera del procesador que se encargan de medir la relación entre el reloj de la CPU y el reloj de los buses externos. A estas alturas sabemos que la CPU está conectada con elementos como la memoria RAM, el chipset y otros periféricos a través de buses. Gracias a estos multiplicadores, es posible que la frecuencia de la CPU sea muchísimo más rápida que los buses externos, para así ser capaz de procesar más datos.
Un multiplicador de x10 por ejemplo, permitirá que un sistema que trabaje a 200 MHz, lo haga en la CPU a 2000 MHz. En los procesadores actuales, podemos encontrar unidades con el multiplicador desbloqueado, esto significa que podremos aumentar su frecuencia y así su velocidad de procesamiento. A esto le llamamos overclocking.
IGP o tarjeta gráfica interna
Para finalizar con las partes de un procesador no podemos olvidarnos de la unidad de gráficos integrados que algunos de ellos llevan. Antes hemos visto lo que es una FPU, y en este caso estamos ante algo similar, pero con mucha más potencia, ya que básicamente son una serie de núcleos capaces de procesar de forma independiente los gráficos de nuestro equipo, que a efectos matemáticos, son una cantidad masiva de cálculos en coma flotante y renderizado de gráficos que saturaría mucho en procesador.
El IGP hace la misma función que una tarjeta gráfica externa, la que instalamos sobre la ranura PCI-Express, solo que a una escala o potencia menor. Se denomina Integrated Graphics Processor porque es un circuito integrado instalado en el mismo procesador que alivia de esta serie de complicados procesos a la unidad central. Será de utilidad cuando no tengamos tarjeta gráfica, pero por ahora, no cuenta con un rendimiento comparable a éstas.
Tanto AMD como Intel tienen unidades que integran IGP en la CPU, pasando así a denominarse APU (Accelerated Processing Unit). Un ejemplo de ello, son casi todos los Intel Core de la familia i, junto con los AMD Athlon y algunos Ryzen.
Conclusión sobre las partes de un procesador
Pues llegamos al final de este largo artículo en donde vemos de forma más o menos básica cuáles son las partes de un procesador, tanto desde el punto de vista externo como interno. Lo cierto es que es un tema muy interesante pero endemoniadamente complejo y largo de explicar, cuyos detalles se escapan a la comprensión de casi todos los que no estemos inmersos en las cadenas de ensamblaje y fabricantes de este tipo de dispositivos.
Ahora te dejamos con unos cuantos de tutoriales que te pueden resultar interesantes.
Si tienes alguna pregunta o quieres aclarar alguna cuestión del artículo, te invitamos a que lo escribas en la caja de comentarios. Siempre es bueno poder contar con la opinión y sabiduría de los demás.
