Procesador o CPU – Toda la información que necesitas saber
Todo aficionado a la informática y al gaming tiene que conocer el hardware interno de su PC, especialmente el procesador. El elemento central de nuestro equipo, sin él no podríamos hacer nada, en este artículo te contamos todos los conceptos más importantes acerca del procesador, para que tengas una idea general sobre su uso, partes, modelos, historia y conceptos importantes.
Índice de contenidos
Qué es un procesador
El procesador o CPU (Unidad Central de Procesamiento) es un componente electrónico en forma de chip de silicio que está dentro de un ordenador, concretamente instalado sobre la placa base a través de un socket o zócalo.
El procesador es el elemento que se encarga de llevar a cabo todos los cálculos aritméticos lógicos que generan los programas y el sistema operativo alojados en el disco duro o almacenamiento central. La CPU toma las instrucciones desde la memoria RAM para procesarlas y posteriormente enviar la respuesta de nuevo a la memoria RAM, de esta forma se crea un flujo de trabajo con el que puede interactuar el usuario.
El primer microprocesador basado en transistores de semiconductor fue el Intel 4004, en 1971 el cual podía trabajar con 4 bits a la vez (cadenas de 4 ceros y unos) para sumar y restar. Lejos queda esta CPU en comparación con los 64 bits que pueden manejar los procesadores actuales. Pero es que antes de éste, tan solo teníamos enormes habitaciones llenas de tuvos de vacío que hacían la función de transistores, como por ejemplo el ENIAC.
Arquitectura de un procesador
Un elemento muy importante que debemos conocer de un procesador es su arquitectura y su proceso de fabricación. Son conceptos más orientados a cómo se fabrican físicamente éstos, pero marcan las directrices del mercado y es un elemento más de marketing.
La arquitectura de un procesador es básicamente la estructura interna que tiene este elemento. No hablamos de la forma y tamaño, sino de cómo están ubicadas las distintas unidades lógicas y físicas que componen un procesador, hablamos de la ALU, registros, Unidad de Control, etc. En este sentido, actualmente existen dos tipos de arquitectura la CISC y la RISC, dos formas de trabajar basadas en la arquitectura de Von Neuman, la persona que inventó el microprocesador digital en 1945.
Si bien es cierto que arquitectura no solamente significa esto, ya que en la actualidad los fabricantes más bien toman el concepto con interés comercial, para definir las distintas generaciones de sus procesadores. Pero una cosa debemos tener presente, y es que todos los procesadores de escritorio actuales están basados en la arquitectura CISC o x86. Lo que ocurre, es que los fabricantes realizan pequeñas modificaciones a ésta arquitectura incorporando elementos como más cantidad de núcleos, controladores de memoria, buses internos, memoria caché de distintos niveles, etc. Así escuchamos denominaciones como Coffee Lake, Skylake, Zen, Zen 2, etc. Ya veremos qué es esto.
Proceso de fabricación
Por otro lado, tenemos lo que se denomina el proceso de fabricación, que básicamente es el tamaño de los transistores que forman el procesador. Desde las válvulas de vacío de las primeras computadoras hasta los transistores FinFET actuales fabricados por TSMC y Global Foundries de solo unos nanómetros, la evolución ha sido alucinante.
Un procesador está formado por transistores, las unidades más pequeñas que encontramos en su interior. Un transistor es un elemento que permite o no pasar corriente, 0 (no corriente), 1 (corriente). Uno de estos, actualmente mide 14 nm o 7 nm (1 nm = 0,00000001 m). Con los transistores se crean puertas lógicas, y con las puertas lógicas se crean circuitos integrados capaces de realizar distintas funciones.
Principales fabricantes de procesadores de escritorio
Estos son los elementos básicos para entender cómo se han desarrollado los procesadores a lo largo de la historia hasta nuestros días. Pasaremos por los más importantes y no debemos olvidar los fabricantes, que son Intel y AMD, los líderes indiscutibles de los ordenadores personales actuales.
Por supuesto existen otros fabricantes como IBM, el más importante de todos por ser prácticamente el creado del procesador y el referente en tecnología. Otros como Qualcomm se han hecho un hueco en el mercado acaparando prácticamente la fabricación de procesadores para Smartphone. Pronto podría dar el paso a ordenadores personales, así que se preparen Intel y AMD porque sus procesadores son simplemente una maravilla.
Evolución de los procesadores Intel
Repasemos entonces los principales hitos históricos de Intel Corporation, el gigante azul, la empresa más grande y que siempre ha estado a la cabeza en ventas de procesadores y otros componentes para PC.
- Intel 4004
- Intel 8008, 8080 y 8086
- Intel 286, 386, y 486
- Intel Pentium
- La era de varios núcleos: Pentium D y Core 2 Quad
- La era de los Core iX
Comercializado en 1971, fue el primero microprocesador construido en un solo chip y de uso no industrial. Este procesador se montaba sobre un paquete de 16 pines CERDIP (una cucaracha de toda la vida). Estaba construido con 2.300 transistores de 10.000 nm y tenía un ancho de bus de 4 bits.
El 4004 solo fue el inicio de la andadura de Intel en los ordenadores personales, que en aquel tiempo estaba monopolizada por IBM. Fue entonces entre 1972 y 1978 cuando Intel hizo un cambio de filosofía en la empresa para dedicarse íntegramente a la construcción de procesadores para computadoras.
Tras el 4004 vino el 8008, un procesador todavía con encapsulado DIP y 18 pines que elevaba su frecuencia hasta los 0,5 MHz y también el recuento de transistores a 3.500. Tras éste, el Intel 8080 elevó el ancho de bus hasta los 8 bits y una frecuencia de nada menos que 2 MHz bajo encapsulado DIP de 40 pines. Se considera como le primer procesador realmente útil capaz de procesar gráficos en máquinas como el Altair 8800m o el IMSAI 8080.
El 8086 es un microprocesador referencia por ser el primero en adoptar la arquitectura y conjunto de instrucciones x86, vigente hasta la actualidad. Una CPU de 16 bits, diez veces más potente que el 4004.
En estos modelos es donde el fabricante comenzó a utilizar un zócalo PGA con un chip cuadrado. Y su gran avance radica en el hecho de ser capaz de ejecutar programas en línea de comandos. El 386 fue el primer procesador multitarea de la historia, con un bus de 32 bits, que seguramente os suene mucho más.
Llegamos al Intel 486 comercializado en 1989, que también es muy importante por ser un procesador que implementaba una unidad de coma flotante y memoria caché. ¿Qué significa esto? Pues que ahora sí los ordenadores evolucionaron desde la línea de comandos a ser usados mediante interfaz gráfica.
Por fin llegamos a la era de los Pentium, en donde tenemos unas cuantas generaciones hasta el Pentium 4 como versión para equipos de escritorio, y Pentium M para equipos portátiles. Digamos que era el 80586, pero Intel cambió su denominación para poder licencia su patente y que otros fabricantes como AMD dejaran de copiar sus procesadores.
Estos procesadores bajaron por primera vez los 1000 nm en su proceso de fabricación. Ocuparon los años entre 1993 y 2002, con el Itanium 2 como un procesador fabricado para servidores y que por primera vez usaba un bus de 64 bits. Estos Pentium estaba ya orientados puramente a escritorio, y eran capaces de usarse en renderizado multimedia sin problemas, con los míticos Windows 98, ME y XP.
El Pentium 4 ya utilizaba conjunto de instrucciones orientadas íntegramente a multimedia como son las MMX, SSE, SSE2 y SSE3, en su microarquitectura denominada NetBurst. De igual forma fue de los primeros procesadores en llegar a una frecuencia de trabajo superior a 1 GHz, concretamente 1,5 GHz, por lo que los disipadores de alto rendimiento y tamaño hicieron acto de presencia incluso en modelos personalizados.
Y llegamos entonces a la era de los procesadores de varios núcleos de procesamiento. Ahora no solo podíamos ejecutar una instrucción en cada ciclo de reloj, sino dos de ellas de forma simultánea. El Pentium D consiste básicamente en un chip con dos Pentium 4 metidos en un mismo encapsulado. De esta forma también se reinventa el concepto de FSB (Front-Side Bus) que servía para que la CPU se comunicara con el chipset o puente norte, usado ahora también para comunicar ambos núcleos.
Tras los dos, llegaron los 4 núcleos en el año 2006 bajo el socket LGA 775, bastante más actual y que incluso podemos ver todavía en algunos equipos. Todos ellos adoptaron ya una arquitectura x86 de 64 bits para sus cuatro núcleos con proceso de fabricación partiendo en 65 nm y luego en 45 nm.
Llegamos entonces a nuestros días, en donde el gigante adoptó una nueva nomenclatura para sus procesadores multinúcleo y multihilo. Tras los Core 2 Duo y Core 2 Quad, se adoptó la nueva arquitectura Nehalem en 2008, en donde las CPU se dividía en i3 (bajo rendimiento), i5 (rango medio) e i7 (procesadores de alto rendimiento).
Desde aquí en adelante, los núcleos y la memoria caché utilizaban el BSB (Back-Side Bus) o bus trasero para comunicarse, y además se introdujo el controlador de memoria DDR3 dentro del propio chip. El bus frontal también evolucionó al estándar PCI Express capaz de proporcionar un flujo de datos bidireccional entre periféricos y tarjetas de expansión y CPU.
La 2ª generación de Intel Core adoptó la denominación de Sandy Bridge en 2011 con proceso de fabricación de 32 nm y un recuento de 2, 4 y hasta 6 núcleos. Estos procesadores soportan las tecnologías multihilo HyperThreading y el aumento dinámico de frecuencia Turbo Boost en función de la gama de procesadores comercializados. Todos estos procesadores cuentan con gráficos integrados y soportan memorias RAM DDR3 a 1600 MHz.
Poco después, en 2012 se presentó la 3ª generación denominada Ivy Bridge, bajando hasta los 22 nm el tamaño de los transistores. No solo disminuyeron, sino que pasaron a ser 3D o Tri-Gate que disminuyen el consumo hasta en un 50% respecto a los anteriores dando el mismo rendimiento. Esta CPU ofrece soporte para PCI Express 3.0 y se montan sobre los zócalos LGA 1155 para la gama de escritorio y 2011 para la gama Workstation.
La 4ª y 5ª generación se denomina Haswell y Broadwell respectivamente, y tampoco fueron una revolución respecto a la generación anterior precisamente. Los Haswell compartían proceso de fabricación con Ivy bridge y memorias RAM DDR3. Sí que se introdujo el soporte para Thunderbolt, y se realizó un nuevo diseño para la memoria caché. Se introdujeron además procesadores con hasta 8 núcleos. Se continuó utilizando el socket 1150, y el 2011, aunque estas CPU no son compatibles con el de la anterior generación. Respecto a los Broadwell, fueron los primeros procesadores en bajar a los 14 nm, y en este caso sí que eran compatibles con el socket LGA 1150 de Haswell.
Llegamos al final con las generaciones 6ª y 7ª de Intel, denominadas Skylake y Kaby Lake con proceso de fabricación en 14 nm, y adoptando un nuevo socket LGA 1151 compatible para ambas generaciones. En estas dos arquitecturas se ofrecía ya soporte para DDR4, el bus DMI 3.0 y Thunderbol 3.0. De igual forma, los gráficos integrados subieron de nivel siendo compatibles con DirectX 12 y OpenGL 4.6 y resolución 4K@60 Hz. Kaby Lake por su parte, llego en 2017 con mejoras en las frecuencias de reloj de los procesadores, y soporte para USB 3.1 Gen2 y HDCP 2.2.
Evolución de los procesadores AMD
Otro de los fabricantes que estamos obligados a conocer es AMD (Advanced Micro Devices), el eterno rival de Intel y que casi siempre ha ido a la zaga del primero hasta que en la actualidad ha llegado los Ryzen 3000. Pero bueno, esto es otro asunto que veremos más adelante, así que repasemos un poco la historia de los procesadores AMD.
- AMD 9080 y AMD 386
- AMD K5, K6 y K7
- AMD K8 y Athlon 64 X2
- AMD Phenom
- AMD Llano y Bulldozer
- Llegaron los AMD Ryzen
La andada de AMD comienza básicamente con este procesador que no es más que una copia del 8080 de Intel. De hecho, el fabricante firmó un contrato con Intel para poder fabricar procesadores con arquitectura x86 propiedad de Intel. El siguiente salto fueron los AMD 29K que ofrecía unidades gráficas y memorias EPROM para sus creaciones. Pero poco después AMD decidió hacerse competencia directa de Intel ofreciendo procesadores compatibles entre ellos para los ordenadores personales y servidores.
Pero claro este acuerdo de crear “copias” de los procesadores Intel, comenzó a ser un problema en cuanto AMD pasó a ser competencia real de Intel. Tras varias disputas legales, ganadas por AMD, el contrato se rompió con el Intel 386, y ya sabemos la razón por la cual los Intel pasaron a llamarse Pentium, registrando así la patente.
A partir de aquí, AMD no tuvo más remedio que crear procesadores de forma completamente independiente y que no fueran simples copias. Lo más gracioso es que el primer procesador independiente de AMD fue el Am386 que luchaba obviamente con el 80386 de Intel.
Ahora sí, AMD comenzó a buscar su propio camino en esta guerra tecnológica con procesadores fabricados por el él mismo desde cero. De hecho, fue con el K7 cuando la compatibilidad entre ambos fabricantes desapareció y en consecuencia AMD creó sus propias placas y su propio socket, denominado Socket A. En él se instalaron los nuevos AMD Athlon y Athlon XP en el año 2003.
AMD fue el primer fabricante en implementar la extensión de 64 bits a un procesador de escritorio, si, antes que Intel. Fijaos como es el destino, que ahora sería Intel la que adoptara o copiara la extensión x64 a AMD para sus procesadores.
Pero esto no paró aquí, ya que AMD también fue capaz de comercializar un procesador de doble núcleos antes que Intel en 2005. El gigante azul por supuesto le contestó con los Core 2 Duo que antes hemos visto, y a partir de aquí termino el liderazgo de AMD.
AMD se quedó atrás debido al espectacular salto de rendimiento de los procesadores Intel de varios núcleos, y trató de contrarrestarlo rediseñando la arquitectura del K8. De hecho, los Phenom II lanzados en 2010 contaban con hasta 6 núcleos, pero tampoco sería suficiente para una Intel desatada. Esta CPU contaban con transistores de 45 nm y se montaban inicialmente sobre un socket AM2+, y posteriormente sobre un socket AM3 para ofrecer compatibilidad con memorias DDR3.
AMD compró a ATI, la compañía que hasta la fecha había sido rival directa de Nvidia en tarjetas gráficas 3D. De hecho, el fabricante aprovechó esta ventaja tecnológica para implementar procesadores con GPU integrada mucho más potente de la que tenía Intel con su Westmere. Los AMD Llano fueron estos procesadores, basados en la arquitectura K8L de los anteriores Phenom y por supuesto con sus mismas limitaciones.
Por ello AMD rediseño su arquitectura en los nuevos Bulldozer, aunque los resultados fueron bastante pobres frente a los Intel Core. El hecho de tener más de 4 núcleos no era un beneficio, ya que el software de la época aún estaba muy verde en su gestión multihilo. En ellos se utilizaba proceso de fabricación de 32 nm con recursos de memoria caché L1 y L2 compartidos.
Tras el fracaso de AMD con la anterior arquitectura, Jim Keller, el creador de la arquitectura K8 llegó para revolucionar una vez más la marca con la denominada arquitectura Zen o Summit Ridge. Los transistores bajaron hasta los 14 nm, al igual que Intel, y se hicieron mucho más potentes y con un ICP mayor que los débiles Bulldozer.
Algunas de las tecnologías más identificativas de estos nuevos procesadores fueron: el AMD Precision Boost, que aumentaba el voltaje y frecuencia de las CPU de forma automática. O la tecnología XFR, por la cual todos los Ryzen tienen la capacidad de overclocking con su multiplicador desbloqueado. Estas CPU comenzaron a montarse sobre el socket PGA AM4, que continúa en la actualidad.
De hecho, la evolución de esta arquitectura Zen fue la Zen+, en la que AMD adelantó a Intel implementado transistores de 12 nm. Estos procesadores aumentaban su rendimiento con mayores frecuencias a un menor consumo. Gracias a un bus interno Infinity Fabric, la latencia entre las transaccionas de CPU y memoria RAM mejoró de forma notable para competir casi de tú a tú con Intel.
Procesadores actuales de Intel y AMD
Llegamos entonces a la actualidad para centrarnos en las arquitecturas en las que ambos fabricantes están trabajando. No decimos que sea obligatorio comprar uno de estos, pero ciertamente son el presente y también futuro próximo de cualquier usuario que quiera montar un PC gaming actualizado.
Intel Coffee Lake y entrada a los 10 nm
Intel se encuentra actualmente en la 9ª generación de procesadores para escritorio, portátiles y Workstation. Tanto la 8ª (Coffee Lake) como 9ª generación (Coffee Lake Refresh) continúan con transistores de 14 nm y un socket LGA 1151, aunque no compatible con las anteriores generaciones.
Esta generación básicamente eleva el recuento de núcleos en 2 por cada familia, teniendo ahora un i3 4 núcleos en lugar de 2, un i5 6 núcleos y un i7 8 núcleos. El recuento de carriles PCIe 3.0 se eleva hasta los 24, soportando hasta 6 puertos 3.1 y también 128 GB de memoria RAM DDR4. La tecnología HyperThreading tan solo se ha habilitado en los procesadores con denominación i9 como los de alto rendimiento que cuentan con 8 núcleos y 16 hilos, y en los procesadores de portátiles.
En esta generación también se encuentran los Intel Pentium Gold G5000 orientados a estaciones multimedia con 2 núcleos y 4 hilos, y los Intel Celeron, los más básicos con doble núcleos y para MiniPC y multimedia. Todos los procesadores de esta generación cuentan con gráficos integrados UHD 630 excepto los de denominación F en su nomenclatura.
Respecto a la 10ª generación, pocas confirmaciones hay, aunque se prevé que las nuevas CPU Ice Lake entren con sus especificaciones para portátiles, y no con los de escritorio. Los datos dicen que se aumentará hasta un 18% el IPC por núcleo respecto a Skylake. Habrá un total de 6 subconjuntos nuevos de instrucciones y serán compatibles con IA y técnicas de aprendizaje profundo. La GPU integrada también sube de nivel a la 11ª generación y con capacidad para reproducir contenido en 4K@120 Hz. Finalmente tendremos soporte integrado con Wi-Fi 6 y memoria RAM de hasta 3200 MHz.
AMD Ryzen 3000 y la arquitectura Zen 3 ya prevista
AMD ha lanzado este 2019 la arquitectura Zen 2 o Matisse y no solo ha adelantado a Intel en proceso de fabricación, sino también en rendimiento puro de sus procesadores de escritorio. Los nuevos Ryzen están fabricados sobre transistores de 7 nm TSMC y con un recuento que va desde los 4 núcleos de los Ryzen 3, hasta los 16 núcleos de Ryzen 9 9350X. Todos ellos implementan la tecnología multihilo AMD SMT y tienen su multiplicador desbloqueado. Recientemente se ha liberado la actualización de BIOS AGESA 1.0.0.3 ABBA para subsanar los problemas que tienen estos procesadores para alcanzar su máxima frecuencia de stock.
No llegan solo aquí sus novedades, ya que soportan el nuevo estándar PCI Express 4.0 y Wi-Fi 6, siendo unas CPU con hasta 24 carriles PCIe. El aumento del ICP medio sobre Zen+ ha sido del 13% gracias a una mayor frecuencia base y mejoras en el bus Infinty Fabric. Esta arquitectura se basa en chiplets o bloques físicos en los que hay 8 núcleos por unidad, junto a otro módulo siempre presente para el controlador de memoria. De esta forma el fabricante desactiva o activa un número determinado de núcleos para conformar así sus distintos modelos.
En 2020 está ya prevista la actualización a Zen 3 en sus procesadores Ryzen con la que el fabricante quiere mejorar la eficiencia y el rendimiento de sus AMD Ryzen. Se hecho afirman que el diseño de su arquitectura ya está completado y solo falta dar luz verde para comenzar el proceso de producción.
Se basarán de nuevo en 7 nm, pero permitiendo hasta un 20% más de densidad de transistores que en los chips actuales. La línea EPYC de procesadores WorkStation sería la primera en la que se esté trabajando, con procesadores que podrían tener 64 núcleos y 128 hilos de procesamiento.
Partes que debemos conocer de un procesador
Tras este festín de información que la dejamos como de lectura opcional y como base para saber dónde nos situamos en la actualidad, toca entrar más en detalles acerca de los conceptos que debemos conocer sobre un procesador.
En primer lugar, trataremos de explicar la estructura y elementos más importantes de una CPU de cara al usuario. Esto será el día a día para un usuario que esté interesado en conocer un poco más sobre este hardware.
Los núcleos de un procesador
Los núcleos son las entidades de procesamiento de información. Aquellos elementos formados por los elementos básicos de la arquitectura x86, como son la Unidad de Control (UC), Decodificador de Instrucciones (DI), Unidad Aritmeticológica (ALU), Unidad de Coma Flotante (FPU) y la Pila de Instrucciones (PI).
Cara uno de estos núcleos está formado exactamente por los mismos componentes internos, y cada uno de ellos es capaz de llevar a cabo una operación en cada ciclo de instrucción. Este ciclo de mide en frecuencia o Hertzios (Hz), mientras más Hz, más instrucciones se puede hacer por segundo, y mientras más núcleos, más operaciones al mismo tiempo se pueden hacer.
En la actualidad, fabricantes como AMD implementan estos núcleos en bloques de silicio, Chiplets o CCX de forma modular. Con este sistema se consigue una mejor escalabilidad a la hora de construir un procesador, ya que se trata de colocar chiplets hasta conseguir el número deseado, existiendo 8 núcleos por cada elemento. Además, es posible activar o desactivar cada núcleo para conseguir el recuento deseado. Intel por su parte, aún mete todos los núcleos en un solo silicio.
Turbo Boost y Precision Boost Overdrive
Son los sistemas que utilizan Intel y AMD respectivamente para controlar el voltaje de sus procesadores de forma activa e inteligente. Esto les permite aumentar la frecuencia de trabajo cuando, como si de un overclocking automático se tratase, para que la CPU rinda más ante una gran carga de tareas.
Este sistema ayuda a mejorar la eficiencia térmica y el consumo de los procesadores actuales o ser capaces de variar su frecuencia cuando sea necesario.
Hilos de procesamiento o Threads
Pero claro, no solo tenemos núcleos, también existen los hilos de procesamiento. Normalmente los veremos representados en las especificaciones como X Cores / X Threads, o directamente X C/ X T. Por ejemplo, un Intel Core i9-9900K tiene 8C/16T, mientras que un i5 9400 tienen 6C/6T.
El término Thread viene de Subproceso, y no es algo que forme parte físicamente del procesador, que su funcionalidad es puramente lógica y se realiza mediante el conjunto de instrucciones del procesador en cuestión.
Se puede definir como el flujo de control de datos de un programa (un programa está formado por instrucciones o procesos), el cual permite administrar las tareas de un procesador dividiéndolas en trozos más pequeños llamados subprocesos. De esta forma se pretende optimizar los tiempos de espera de cada instrucción en la cola de proceso.
Entendámoslo así: hay tareas más difíciles que otras, por lo que un núcleo tardará más o menos tiempo en terminar una tarea. Con los hilos, lo que se hace es dividir esta tarea en algo más simple, para que así cada trozo sea procesado por el primer núcleo libre que encontremos. El resultado siempre es mantener continuamente los núcleos ocupados para que no haya tiempos muertos.
Tecnologías multithreading
¿Por qué vemos en unos casos que hay el mismo número de núcleos que de hilos y en otros no? Pues esto se debe a las tecnologías multithreading que tienen las fabricantes implementadas en sus procesadores.
Cuando una CPU cuenta con el doble de hilos que de núcleos significa que en él está implementada esta tecnología. Básicamente es la forma de ejecutar el concepto que antes hemos visto, dividiendo un núcleo en dos hilos o “núcleos lógicos” para dividir tareas. Esta división siempre se realiza en dos threads por núcleo y no más, digamos que es el límite actual con las que los programas son capaces de trabajar.
La tecnología de Intel se denomina HyperThreading, mientras que la de AMD se denomina SMT (Simultaneous multithreading). A efectos prácticos ambas tecnologías funcionan igual, y en nuestro equipo los podremos ver como núcleos reales, por ejemplo, si renderizamos una foto. Un procesador con idéntica velocidad es más rápido si tiene 8 núcleos físicos que si tuviera 8 lógicos.
¿Es importante la memoria caché?
De hecho, es el segundo elemento más importante de un procesador. La memoria caché es una memoria mucho más rápida que la memoria RAM y que está directamente integrada en el procesador. Mientras que una memoria RAM DDR4 a 3600 MHz puede alcanzar los 50.000 MB/s en lectura, una memoria caché L3 puede llegar a los 570 GB/s, una L2 a los 790 GB/s y una L1 a los 1600 GB/s. Cifras completamente demenciales registradas en los nevos Ryzen 3000.
Esta memoria es de tipo SRAM (Static RAM), rápida y cara, mientras que la usada en la RAM es de tipo DRAM (Dynamic RAM), lenta y barata por necesitar continuamente una señal de refresco. En la caché se almacenan los datos que van a ser usados inmediatamente por el procesador, eliminando así la espera si cogemos los datos de la RAM y optimizado el tiempo de proceso. En los procesadores tanto AMD como Intel, existen tres niveles de memoria caché:
- L1: es la más cercana a los núcleos de la CPU, la más pequeña y la más rápida. Con latencias de menos de 1 ns, esta memoria está actualmente dividida en dos, la L1I (instrucciones) y la L1D (datos). Tanto en los Intel Core de 9ª generación como los Ryzen 3000, son de 32 KB en cada caso, y cada núcleo tiene la suya propia.
- L2: la L2 es la siguiente, con latencias en torno a los 3 ns, también está asignada de forma independiente en cada núcleo. Las CPU Intel la tienen de 256 KB, mientras que los Ryzen la tienen de 512 KB.
- L3: esta es la memoria más grande de las tres, y que está asignada de forma compartida en los núcleos, normalmente en grupos de 4 núcleos.
El puente norte ahora dentro de las CPU
El puente norte de un procesador o una placa base tiene la función de conectar la memoria RAM con la CPU. En la actualidad, ambos fabricantes implementan este controlador de memoria o PCH (Platform Conroller Hub) dentro de la propia CPU, por ejemplo, en un silicio independiente como ocurre en las CPU basadas en chiplets.
Esta es una forma de aumentar significativamente la velocidad en las transacciones de información y de simplificar los buses existentes en las placas base, quedándose solo con el puente sur que llamados chipset. Este conjunto de chips se dedica a direccionar los datos de los discos duros, periféricos y algunas ranuras PCIe. Los procesadores de última generación de escritorio y portátiles son capaces de direccionar hasta 128 GB de memoria RAM en Dual Channel a una frecuencia de 3200 MHz nativos (4800 MHz con perfiles JEDEC con XMP activado). Este bus de divide en dos:
- Bus de datos: transporta los datos e instrucciones de los programas
- Bus de direcciones: por él circulan las direcciones de las celdas en donde se guardan los datos.
Además del propio controlador de memoria, los núcleos también necesitan utilizar otro bus para comunicarse entre ellos y con la memoria caché, el cual se denomina BSB o Back-Side Bus. El que utiliza AMD en su arquitectura Zen 2 se denomina Infinity Fabric, el cual es capaz de trabajar a 5100 MHz, mientras que el de Intel de denomina Intel Ring Bus.
IGP o gráficos integrados
Otro elemento que cobra bastante importante, no tanto en los procesadores orientados a gaming, pero sí en los de menor potencia, son los gráficos integrados. La mayoría de procesadores existentes en la actualidad cuentan con una serie de núcleos destinados a trabajar exclusivamente con gráficos y texturas. Ya sea Intel, AMD, y otros fabricantes como Qualcomm con sus Adreno para Smartphone, o Realtek para Smart TV y NAS cuentan con núcleos de este tipo. A este tipo de procesadores le llamamos APU (Accelerated Processor Unit)
La razón es simple, separar este duro trabajo del resto de tareas típicas de un programa, ya que son mucho más pesadas y más lentas si no se usa un bus de mayor capacidad, por ejemplo, de 128 bits en las APU. Al igual que los núcleos normales, estos se pueden medir en cantidad y en la frecuencia a la que trabajan. Pero además tienen otro componente como son las unidades de sombreado. Y otras medidas como son las TMUs (unidades de texturizado) y las ROPs (unidades de renderizado). Todas ellas nos ayudarán a identificar la potencia gráfica del conjunto.
Los IGP que actualmente utilizan Intel y AMD son los siguientes:
- AMD Radeon RX Vega 11: es la especificación más potente y utilizada en los procesadores Ryzen 5 2400 y 3400 de 1ª y 2ª generación. Son un total de 11 núcleos Raven Ridge con arquitectura GNC 5.0 trabajando a un máximo de 1400 MHz. Cuentan con un máximo de 704 unidades de sombreado, 44 TMUs y 8 ROPs.
- AMD Radeon Vega 8: es la especificación inferior a los anteriores, con 8 núcleos y trabajando a una frecuencia de 1100 MHz con 512 unidades de sombreado, 32 TMUs y 8 ROPs. Los montan en Ryzen 3 2200 y 3200.
- Intel Iris Plus 655: estos gráficos integrados están implementado en los procesadores Intel Core de 8ª generación de la gama U (bajo consumo) para portátiles, y son capaces de llegar a los 1150 MHz, con 384 unidades de sombreado, 48 TMUs y 6 ROPs. Su rendimiento es similar a los anteriores.
- Intel UHD Graphic 630/620: son los gráficos integrados en todas las CPU de escritorio de 8ª y 9ª generación que no lleven la F en su nombre. Son unos gráficos inferiores a los Vega 11 que rinden a 1200 MHz, con 192 unidades de sombreado, 24 TMUs y 3 ROPs.
El socket de un procesador
Ahora nos trasladamos fuera de lo que son los componentes de una CPU para ver dónde debemos conectarlo. Evidentemente es el zócalo o socket, un gran conector ubicado en la placa base y provisto de cientos de pines que harán contacto con la CPU para trasladarle la energía y los datos a procesar.
Como es normal, cada fabricante tiene sus propios sockets, y además pueden ser de varios tipos:
- LGA: Land Grid Array, el cual tiene los pines instalados directamente en el socket de la placa y la CPU tan solo cuenta con los contactos planos. Permite mayor densidad de conexiones y es usado por Intel. Los sockets actuales son el LGA 1151 para CPU de escritorio y LGA 2066 para CPU orientadas a Workstation. También lo usa AMD para sus Threadripper con denominación TR4.
- PGA: Pin Grid Array, justo lo contrario, ahora los pines están en la propia CPU y el socket tienen huecos. Lo usa AMD todavía para todos sus Ryzen de escritorio con el nombre
- BGA: Ball Grid Array, básicamente es un socket en el que se suelda directamente el procesador. Se usa en los portátiles de nueva generación, tanto de AMD como de Intel.
Disipadores y IHS
El IHS (Integrated Heat Spreader) es el encapsulado que trae en la parte superior un procesador. Básicamente es una placa cuadrada construida en aluminio que está pegada al sustrato o PCB de la CPU y a su vez en los DIE o silicios internos. Su función es la de trasferir el calor desde éstos hacia el disipador, y además hacer como cobertura de protección. Pueden ir soldados directamente en el DIE o pegados con pasta térmica.
Los procesadores son elementos que trabajan a muy alta frecuencia, por lo que necesitarán un disipador que capture ese calor y lo expulse al ambiente con ayuda de uno o dos ventiladores. La mayoría de CPU traen un disipador de stock más o menos malo, aunque los mejores son los de AMD. De hecho, tenemos modelos en función del rendimiento de la CPU:
- Wrait Stealth: el más pequeño, aunque todavía más grande que el de Intel, para lo Ryzen 3 y 5 sin denominación X
- Intel: no tiene nombre, y es un pequeño disipador de aluminio con ventilador muy ruidoso que viene en casi todos sus procesadores excepto los i9. Este disipador se ha mantenido invariante desde los Core 2 Duo.
- Wraith Spire: el mediano, con un bloque de aluminio más alto y un ventilador de 85 mm. Para Ryzen 5 y 7 con denominación X.
- Wrait Prism: el modelo superior, el cual incorpora un bloque de dos niveles y tubos de calor de cobre para aumentar el rendimiento. Lo traen los Ryzen 7 2700X y 9 3900X y 3950X.
- Wraith Ripper: es un disipador de torre fabricado por Cooler Master para los Threadripper.
Además de estos, existen gran cantidad de fabricantes que tienen sus propios modelos personalizados compatibles con los sockets que hemos visto. De igual forma, contamos con sistemas de refrigeración líquida que ofrecen un rendimiento superior a los disipadores de torre. Para procesadores de gama alta recomendamos utilizar uno de estos sistemas de 240 mm (dos ventiladores) o 360 mm (tres ventiladores).
Conceptos más importantes de una CPU
Ahora veamos otros conceptos también relacionados con el procesador que serán importantes de cara al usuario. No se trata de estructura interna, sino de tecnologías o procedimientos que se llevan a cabo en ellos para medir o mejorar su rendimiento.
Cómo medir el rendimiento: que es un benchmark
Cuando nos compramos un nuevo procesador siempre nos gusta mirar hasta dónde es capaz de llegar y poder comprarlo con otros procesadores o incluso con otros usuarios. A estos test les llamados benchmarks, y son pruebas de estrés a las que es sometido un procesador para arrojar una determinada puntuación en función de su rendimiento.
Existen programas como Cinebench (puntuación de renderizado), wPrime (tiempo en ejecutar una tarea), el programa de diseño Blender (tiempo de renderizado), 3DMark (rendimiento en juegos), etc que se encargan de hacer estos test para que podamos compararlos con otros procesadores mediante una lista colgada en la red. Casi todos ellos lo que dan es una puntuación propia calculada mediante unos factores que solamente ese programa tiene, por lo que no podríamos comprar una puntuación de Cinebench con una de 3DMark.
Las temperaturas siempre bajo control para evitar el thermal throttling
También hay conceptos relacionados con las temperaturas que todo usuario debe conocer, especialmente si tiene un procesador caro y potente. En internet existen gran cantidad de programas capaces de medir la temperatura no solo de la CPU, sino de muchos otros componentes que estén provistos de sensores. Uno muy recomendable será HWiNFO.
Relacionado con la temperatura estará el Thermal Throttling. Es un sistema de protección automático que tienen las CPU para disminuir el voltaje y potencia suministrada cuando las temperaturas lleguen a su máximo admisible. De esta forma bajamos la frecuencia de trabajo y también la temperatura, estabilizando el chip para que no se queme.
Pero también los propios fabricantes ofrecen datos acerca de las temperaturas de sus procesadores, por lo que podremos encontrar algunos de estos:
- TjMax: Este término hace referencia a la máxima temperatura que un procesador es capaz de aguantar en su matriz, es decir, dentro de sus núcleos de procesamiento. Cuando una CPU se acerca a estas temperaturas automáticamente saltará la protección antes comentada que bajará el voltaje y potencia de la CPU.
- Tdie, Tjunction o Temperatura de unión: esta temperatura se medida en tiempo real por sensores colocados en el interior de los núcleos. Nunca superará TjMax, ya que el sistema de protección actuará antes.
- TCase: es la temperatura que se mide en el IHS del procesador, es decir en su encapsulado, que siempre va a ser distinta a la que se marca dentro de un núcleo
- CPU Package: es un promedio de la temperatura Tunion de todos los núcleos de la CPU
Delidding
El delid o delidding es una práctica que se lleva a cabo para mejorar las temperaturas de las CPU. Consiste en retirar el IHS del procesador para dejar a la vista los distintos silicios instalados. Y si no es posible retirarlo por estar soldado, puliremos al máximo la superficie del mismo. Esto se hace para mejorar la transferencia de calor al máximo, colocando directamente sobre estos DIE pasta térmica de metal líquido y colocando el disipador encima.
¿Qué ganamos haciendo esto? Pues eliminamos o llevamos a su mínima expresión el grosor extra que nos da el IHS para que el calor pase directamente al disipador sin pasos intermedios. Tanto la pasta como el IHS son elementos con resistencia al calor, así que eliminándolos y colocando metal líquido podríamos disminuir las temperaturas hasta 20⁰C con overclocking. En algunos casos no es tarea sencilla, ya que el IHS está directamente soldado al DIE, así que no queda otra que lijarlo en lugar de despegarlo.
El siguiente nivel a esto sería colocar un sistema de refrigeración por nitrógeno líquido, solamente reservadas a entornos de laboratorio. Aunque claro, siempre podemos crear nuestro sistema con un motor de nevera que lleva dentro helio o derivados.
Overclocking y undervolting en el procesador
Muy relacionado con lo anterior está el overclocking, una técnica en la que se aumenta el voltaje de la CPU y se modifica el multiplicador para aumentar así su frecuencia de operación. Pero no hablamos de frecuencias que vienen en las especificaciones como el modo turbo, sino registros que superen los establecidos por el fabricante. No se le escapa a nadie que es un riesgo para la estabilidad e integridad del procesador.
Para realizar un overclocking, primero necesitamos una CPU con el multiplicador desbloqueado, y luego, una placa base con chipset que permita este tipo de acción. Todos los AMD Ryzen, son susceptibles de ser overclockeados, al igual que los procesadores Intel con denominación K. De igual forma, los chipsets AMD B450, X470 y X570 admiten esta práctica, al igual que los Intel de la serie X y Z también.
El overclocking también se puede realizar aumentando la frecuencia del reloj base o BCLK. Es el reloj principal de la placa base que controla prácticamente todos los componentes, como CPU, RAM, PCIe y Chipset. Si aumentamos este reloj, estamos aumentado la frecuencia de otros componentes que incluso tienen el multiplicador bloqueado, aunque conlleva aún más riesgos y es un método muy inestable.
El Undervolting por su parte, es justo lo contrario, disminuir el voltaje para evitar que un procesador haga thermal throttling. Es una práctica usada en portátiles o tarjeta gráficas con sistemas de refrigeración ineficaces.
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Conclusión acerca del procesador
No os podéis quejar que con este artículo no se aprenda nada, ya que hemos repasado de forma bastante completa la historia de los dos principales fabricantes y sus arquitecturas. Además, hemos repasado las distintas partes de una CPU que son esenciales para conocerlas por fuera y por dentro, junto a algunos conceptos importantes y comúnmente usados por la comunidad.
Os invitamos a que pongáis en los comentarios otros conceptos importantes que hayamos pasado por alto y que veáis importantes para este artículo. Siempre tratamos de mejorar todo lo posible estos artículos de especial importancia para la comunidad que se está iniciando.
