El Microprocesador (CPU)

EL Microprocesador (CPU)

1.1.- ¿Qué función hace la CPU (o microprocesador)?

El microprocesador (o simplemente procesador) es el circuito integrado central más complejo de un sistema informático; a modo de ilustración, se le suele llamar por analogía el «cerebro» de un computador.

Es el encargado de ejecutar los programas, desde el sistema operativo hasta las aplicaciones de usuario; sólo ejecuta instrucciones programadas en lenguaje de bajo nivel, realizando operaciones aritméticas y lógicas simples, tales como sumar, restar, multiplicar, dividir, las lógicas binarias y accesos a memoria.

Puede contener una o más unidades centrales de procesamiento (CPU) constituidas, esencialmente, por registros, una unidad de control, una unidad aritmético lógica (ALU) y una unidad de cálculo en coma flotante (conocida antiguamente como «coprocesador matemático»).

El microprocesador está conectado generalmente mediante un zócalo específico de la placa base de la computadora; normalmente para su correcto y estable funcionamiento, se le incorpora un sistema de refrigeración que consta de un disipador de calor fabricado en algún material de alta conductividad térmica, como cobre o aluminio, y de uno o más ventiladores que eliminan el exceso del calor absorbido por el disipador. Entre el disipador y la cápsula del microprocesador usualmente se coloca pasta térmica para mejorar la conductividad del calor. Existen otros métodos más eficaces, como la refrigeración líquida o el uso de células peltier para refrigeración extrema, aunque estas técnicas se utilizan casi exclusivamente para aplicaciones especiales, tales como en las prácticas de overclocking.

1.2.- Un microprocesador está formado por transistores, y en principio, a mayor número de transistores, más capacidad de cálculo tendrá el microprocesador. Busca información sobre la Ley de Moore, y di si en términos generales, esta ley aún está vigente.

La Ley de Moore

La ley de Moore expresa que aproximadamente cada dos años se duplica el número de transistores en un microprocesador.

A pesar de que la ley originalmente fue formulada para establecer que la duplicación se realizaría cada un año, posteriormente Moore redefinió su ley y amplió el periodo a dos años. Se trata de una ley empírica, formulada por el cofundador de Intel, Gordon E. Moore, el 19 de abril de 1965, cuyo cumplimiento se ha podido constatar hasta hoy.

En 1965, Gordon Moore afirmó que la tecnología tenía futuro, que el número de transistores por unidad de superficie en circuitos integrados se duplicaba cada año y que la tendencia continuaría durante las siguientes dos décadas.

Más tarde, en 1975, modificó su propia ley al corroborar que el ritmo bajaría, y que la capacidad de integración no se duplicaría cada 12 meses sino cada 24 meses aproximadamente. Este periodo a veces se cita equivocadamente como 18 meses debido al ejecutivo de Intel David House, quien predijo que el desempeño del chip se duplicaría cada 18 meses (siendo una combinación del efecto de más transistores y los transistores siendo más rápidos). Esta progresión de crecimiento exponencial, duplicar la capacidad de los circuitos integrados cada dos años, es lo que se denomina ley de Moore. Sin embargo, en 2007 el propio Moore determinó una fecha de caducidad: «Mi ley dejará de cumplirse dentro de 10 o 15 años», según aseguró durante la conferencia en la que afirmó, no obstante, que una nueva tecnología vendrá a suplir a la actual.

"La Ley de Moore sigue muy viva", afirma Intel
Diario EL Mundo 13/01/2017 17:22

La Ley de Moore es la norma que lleva rigiendo desde hace tres décadas el destino de los procesadores y chips que todos llevamos en nuestros ordenadores, smartphones y otros equipos tecnológicos. Una regla por la que, cada dos o tres años, se debe duplicar el tamaño de transistores que caben en un microprocesador.

Así ha sido siempre: en 1971, un chip podía contener hasta 2.300 transistores. Hoy en día caben más de 1.000 millones por unidad. Pero la capacidad de seguir aumentando esta cifra de forma sostenible en el tiempo había sido puesta en duda por muchos expertos; aunque hoy Intel ha arrojado un halo de esperanza sobre su pervivencia.

En ese sentido, Carlos Clerencia -country manager de Intel en España- ha afirmado hoy que "la Ley de Moore sigue muy viva". Sustenta sus palabras no en creencias o fe ciega en el manido mantra, sino en los últimos avances presentados por la mítica firma durante esta pasada semana en el CES de Las Vegas, una de las principales ferias de electrónica de consumo del mundo. "Ya estamos preparando la producción a gran escala de chips a escala de 10 nanómetros para este 2017. Y en el CES ya hemos mostrado un dispositivo '2 en 1' (tablet+PC) con un procesador de 10 nm plenamente funcional". Y ya se sabe: a menor tamaño de los componentes, mayor densidad por unidad.

Por delante el reto será llegar a los 7 nanómetros en unos dos o tres años; algo en lo que Intel "ya está trabajando dentro de su visión tecnológica".

Fron-Side-BUS (FSB)

1.3.- ¿Qué es el Front-Side-BUS (FSB) del procesador?

Tecnología FSB: (“Frontal Side Bus”) que significa transporte frontal interno, que para el caso de los microprocesadores se refiere a la velocidad máxima con la que es capaz de transmitir datos con la tarjeta principal (“Motherboard”) y el sistema en general.

El FSB en términos físicos se trata de una serie de líneas eléctricas interconectadas de modo paralelo, implementado por la marca Intel®; actualmente todos los dispositivos tienden a utilizar el modo serial, por lo que este tipo de tecnología genera cuellos de botella en los nuevos equipos de alta capacidad de proceso. Por este motivo la empresa AMD® desarrolló a partir de 2001 una nueva tecnología denominada HT “Hypertransport”.

La unidad de medida para el FSB del microprocesador es el MegaHertz (MHz), actualmente las velocidades se encuentran entre los 800, 1066 y 1333 MHz.

Ejemplo de ello es:

+ Microprocesador Intel® Pentium 4, modelo E 6750, velocidad de 2.66 GHz, memoria caché de 4 MB, FSB de 1333 MHz, para socket 775. (Agosto de 2008).

Tecnología HT: (“HyperTransport”) significa Hiper-transportación; se trata de una tecnología desarrollada por AMD® en 2001 en sustitución del FSB clásico, la cuál implementa un bus serial con controlador de memorias independiente que permite la conexión directa con la memoria RAM sin necesidad del uso del NorthBridge de la tarjeta principal (“Motherboard”), es utilizado en microprocesadores basados en arquitectura de 64 bits.

Ejemplo de ello es:

+ Microprocesador marca AMD®, modelo Phenom 8450 X3, frecuencia 2.1 GHz, L2 3.5 MB, para socket AM2.

Tecnología QPI: (“QuickPath Interconnect”) significa interconexión de ruta sencilla; se trata de tecnología desarrollada por Intel® en contraposición a la tecnología HT de AMD®, la cual consiste en un controlador de memoria que permite el control de memoria RAM directamente desde el microprocesador. La unidad de medida utilizada en esta nueva gama de productos es la unidad GT/s, lo cuál significa literalmente GigaTransferencias/segundo. Esta tecnología coexiste aún con FSB.

Ejemplo de ello es:

+ Microprocesador marca Intel®, modelo i7 920 Quad, frecuencia 2.66 GHz, 4.8 GT/s, caché 8 MB, para socket 1366.

Memoria Cache del Procesador

1.4.- ¿Qué es la memoria cache?

La cache es la solución al problema de rendimiento del sistema de memoria. Es muy pequeña y está incluida en el interior del micro. Su función es sencilla, conseguir que los datos más usados estén lo más cerca del procesador para ser accedidos de la manera más rápida posible.

¿Cómo funciona la memoria cache?

Se organiza en niveles, de menor a mayor tamaño según lo alejada que esté del micro. Si el procesador necesita un dato de la memoria se comprueba si este se encuentra en el primer nivel. En caso de no encontrarlo, se busca en el segundo nivel y si no en el tercero. Todo se acelera si se colocan los datos más utilizados en los niveles más cercanos al procesador.

Cada uno de estos niveles tiene un bloque de control el cual se encarga de almacenar y poner los datos a disposición del micro.

El tiempo que tarda en buscar la información es proporcional al tamaño de la propia memoria que administra. Como queremos que los datos lleguen lo antes posible al micro los niveles más bajos tendrán menor capacidad. Cada nivel superior, por tanto, es bastante más grande que el anterior.

La memoria cache es muy pequeña.

En comparación con la memoria RAM unas mil veces más pequeña. Por suerte, los programas suelen realizar muchas operaciones sobre los mismos datos y por lo tanto se consiguen grandes mejoras al usar esta técnica.

¿Qué tipo de aplicaciones se benefician de esta memoria?

La memoria cache es capaz de acelerar todo tipo de aplicaciones. Al ser un sistema pensado para evitar bloqueos sus ventajas no son lineales. Es decir, una memoria de seis megas, no te dará el doble de prestaciones que una de tres si no que en ciertas situaciones será algo mayor. En este caso y como ocurre con el tamaño de la memoria RAM cuanto más mejor.

Niveles de la memoria Cache

1.5.- Qué son los niveles (levels) de caché?

Caché: es una memoria tipo SRAM, basada en transistores y por ello es muy veloz. Es intermedia entre el microprocesador y la memoria RAM, esta memoria guarda los datos utilizados frecuentemente y evita volver a buscarlos en la memoria RAM ya que está es relativamente lenta, por lo que se agilizan los procesos. Su unidad de medida es en Megabytes (MB).

En el caso de los microprocesadores, estos integran de 1 a 3 tipos de memoria caché denominadas L1, L2 y L3, que significan (“Level X“) ó traducido es nivel 1, nivel 2 y nivel 3.

Memoria Cache L1

En este caso se divide la memoria en varios bloques. Existe un controlador el cual se encarga de poner la información que más se usa más cerca del procesador. Esto es debido a que el tiempo que tarda el procesador en acceder a la memoria de nivel uno siempre es menor que a la de nivel dos y así sucesivamente.

Normalmente este primer nivel se divide en dos partes una para datos y otra para instrucciones. De esta forma se intenta conseguir que el procesador este alimentado al menos con instrucciones sin ningún problema.

Memoria Cache L2

Normalmente es por núcleo y no distingue entre datos e instrucciones. Se tarda más en acceder a la cache de L1 pero es mucho más grande.

El tiempo que tardas en encontrar un determinado dato en estas memorias es proporcional al tamaño de estas. Debido a esto las caches aumentan de tamaño según subimos a la jerarquía.

Memoria Cache L3

Se tarda más en acceder a la cache de L2 pero es mucho más grande. Normalmente los fabricantes sólo te dan el tamaño de la última memoria la que se llama Last Level Cache que suele ser la de nivel dos o tres.

Suele tener varios un tamaño de varios megas es decir miles de veces más pequeña que la memoria RAM.

La Velocidad del Microprocesador

1.6.- ¿Qué es la velocidad interna del microprocesador? En qué unidades se especifica en las CPU actuales?

Esta variable se refiere al máximo número de procesos por segundo que es capaz de realizar el microprocesador. Su unidad de medida es el Hertz (Hz). Actualmente se utilizan múltiplos como el MegaHertz y el GigaHertz (GHz) debido a la gran capacidad que pueden llegar a desarrollar.

Actualmente, los microprocesadores pueden desarrollar hasta 4.3 GHz es decir 4300 MHz de velocidad interna, mientras que los primeros microprocesadores comerciales (año 1982), tenían una velocidad de 8 MHz.

1.7.- En términos generales, la velocidad interna de la CPU indica el rendimiento del microprocesador. Cómo puedes explicar que un procesador Pentium 4 a 3.0Ghz sea más lento (globalmente) que un procesador Core2 Duo a 2.4GHz?

Simple, el Core2 Duo tiene doble nucleo por lo tanto hace el doble de operaciones en cada ciclo de reloj.

Multiplicador de CPU

1.8 ¿Qué es el multiplicador de CPU? Para qué sirve?

En computación, el multiplicador de CPU (o multiplicador de reloj o relación bus/núcleo) mide la relación entre el reloj de la CPU y el reloj externo. Una CPU con un multiplicador de 10x tendrá entonces 10 ciclos internos (producidos por un circuito multiplicador de frecuencia basado en PLL) por cada ciclo del reloj externo. Por ejemplo, un sistema con un reloj externo de 133 MHz y un multiplicador de reloj de 10x tendrá un reloj de CPU interno de 1,33 GHz. Los buses externos de direcciones y datos de la CPU (a menudo agrupados como front side bus o FSB en las PC) también usan el reloj externo como reloj base; sin embargo, estos también pueden usar un multiplicador (más pequeño) para la frecuencia base (típicamente 2x o 3x) para obtener transferencias de datos más rápidas.

La frecuencia interna del procesador está usualmente basada en la frecuencia del FSB. Para calcular la frecuencia interna de la CPU se multiplica la frecuencia del bus por un número llamado multiplicador de reloj. Es importante destacar que para el cálculo, la CPU usa la frecuencia real del bus y no la frecuencia efectiva. Para determinar la frecuencia real del bus para procesadores que usan buses de tasa de datos dual (DDR, dual-data rate) (AMD Athlon y Duron) y tasa de datos cuádruple (todos los procesadores Intel a partir del Pentium 4) la velocidad efectiva del bus debe dividirse por 2 para AMD y por 4 para Intel.

Los multiplicadores de reloj en muchos procesadores modernos es fija; normalmente no es posible cambiarla. Algunas versiones de los procesadores tienen los multiplicadores de reloj desbloqueados; en este caso, pueden ser "overclockeados" incrementando el multiplicador de reloj en el programa de configuración de BIOS de la placa madre. Algunas CPU de muestra de ingeniería también pueden tener el multiplicador de reloj desbloqueado. Muchas muestras de calificación de Intel tienen multiplicador de reloj bloqueado en su valor máximo: estas CPU pueden correr a menor velocidad, pero no pueden overclockearse incrementando con un multiplicador más alto de lo previsto en el diseño del procesador. Mientras que estas muestras de calificación y la mayoría de los procesadores de producción no pueden overclockearse por medio del multiplicador de reloj, aún puede hacerse mediante otra técnica diferente: incrementando la frecuencia de FSB.

Densidad de Integración

1.9 ¿Qué es la densidad de integración (o tecnología de fabricación)? En qué unidad se expresa?

Indica la separación fisica que hay entre los transistores que conforman el microprocesador.

También se conoce como tecnología de fabricación y se mide en micras o micrómetros (µm) o nanometros (nm), entre mayor sea la densidad de integración se pueden agregar más componentes o ampliar los existentes, que se traduce en mayor rendimiento. La densidad de integración sigue un patron denominado Ley DE Moore.

No es lo mismo Dual Core que Core2Duo

1.10 Las nomenclaturas de los procesadores pueden ser confusas ... Busca las diferencias entre un Intel Dual Core y un Intel Core2Duo.

Si en estos días echamos un vistazo a un catálogo de un centro comercial cualquiera nos vamos a encontrar siempre con una amplia oferta de ordenadores, la mayoría de los cuales cuentan con un microprocesador Intel en su interior ya sea “Dual Core” o “Core 2 Duo”. Lo que ocurre es que pese a que la denominación de los dos micros que más se emplean actualmente es muy similar, hay grandes diferencias entre ellos; y por eso me he animado a escribir este pequeño artículo aclaratorio que puede venir bien a aquellos que no estén muy al tanto de este tema y anden pensando en hacerse con un nuevo ordenador.

Los micros Dual Core de Intel (también llamados Core Duo) están basados en la arquitectura del conocido Pentium 4 rebautizada como “Intel Core”, y fueron el primer intento de la compañía de crear un procesador de bajo coste con doble núcleo (anteriormente se había empleado una técnica de multiproceso en los P4 llamada Hyper-threading que se fundamentaba en procesar dos hilos de ejecución al mismo tiempo con un sólo núcleo).

Estos micros consisten básicamente en una modificación de los últimos P4 para dotarlos de dos núcleos en lugar de uno y así obtener una mayor potencia de proceso sin necesidad de elevar la frecuencia de reloj del circuito y, por lo tanto, disparar el consumo de energía (bajar tan sólo un 15% la velocidad del procesador implica un consumo energético del 50%).

El problema de los Dual Core es que,  su arquitectura es algo antigua y por lo tanto van a estar algo “lastrados” debido a que la tecnología avanza a pasos cada vez más grandes. El hecho de contar tan sólo con 2 MB de memoria caché, un bus de 533 ó 667 MHz y estar construidos con una estructura interna de 32 bits hace que no rindan tanto como pudiéramos pensar de un micro de última generación (porque de hecho no lo son).

Los Core 2 Duo se basan en una arquitectura completamente nueva llamada “Intel Core 2” compatible con las anteriores pero con un diseño completamente de 64 bits. La tecnología empleada es de 45 ó 65 micras en según qué modelos de microprocesador y tenemos las variantes de una unidad con dos núcleos (Core 2 Duo) o con dos unidades de dos núcleos cada una (Core 2 Quad). Sin embargo nos vamos a centrar en la versión con dos núcleos, pues es la que lleva a confusión con la generación anterior de procesadores por la similitud de nombres. Estos micros están equipados con buses a 800, 1066 y 1333 MHz y cuentan con memoria caché de 2, 3, 4, ó 6 MB.

Los microprocesadores Core 2 Duo no son mucho más caros que los Dual Core y el aumento de rendimiento puede ser bastante evidente en función de lo que vayamos a hacer con el ordenador. Puede que si lo vamos a emplear para jugar no lo notemos demasiado, pues la mayor parte del proceso va a recaer en la tarjeta gráfica; pero si necesitamos potencia de cálculo pura y dura (retoque fotográfico, edición de sonido…) los Core 2 Duo nos van a dar cierta ventaja, sobre todo al poder emplear instrucciones de 64 bits que aprovecharán programas como Adobe Photoshop Lightroom y algunos sistemas operativos actuales; aunque bien es cierto que en esos casos podemos sacar todavía más rendimiento si optamos por un Core 2 Quad.

2.- Descarga e instala (en el ordenador facilidad para la práctica) el software CPUID CPU-Z para obtener más datos sobre el microprocesador.

3.- Visita la siguiente página BENCHMARK y encuentra tu CPU. Indica la valoración de la CPU mejor puntuada hoy en día, la de tu ordenador, y la del portátil del profe (T4300 2.1GHz).

Mejor Puntuada:  Intel Xeon E5-2679 v4 @ 2.50GHz   25,236

La Mia:                Intel Core I5-2400 @ 3.10 Ghz    5,891

El Profe:              Intel Pentium T4300 @ 2.10 Ghz    1,244