ARQUITECTURA DE LA CPU O CENTRAL PROCESSING UNIT
El procesador o CPU (Central Processing Unit) es el componente más importante a la hora de configurar un PC.
Su función es la de procesar las instrucciones de los programas que se están ejecutando y coordinar al resto de componentes entre sí. Si elegimos un procesador poco eficiente, nuestro PC será lento independientemente de la calidad del resto de componentes que le acompañen.
A continuación encontrarás todo lo que conviene saber en relación a este componente:
1. El zócalo o socket
2. La frecuencia de reloj y el IPC
3. Arquitectura
4. La memoria caché
5. Límites físicos
6. Cómo comparar dos procesadores
1. EL ZÓCALO O SOCKET
El zócalo o socket es la zona de la placa base donde se inserta físicamente el procesador. El socket determina el procesador que se puede instalar, por lo que hay que asegurar muy bien su compatibilidad. Existen los siguientes tipos:
1.1 PGA (PIN GRID ARRAY)
Es el tipo de socket más antiguo. Sólo dispone de los taladros pertinentes, los pines se encuentran en el procesador.
1.2 LGA (LAND GRID ARRAY)
Formato más moderno, en el que los pines están en la placa base y los contactos eléctricos en el procesador.
1.3 BGA (BALL GRID ARRAY)
Formato poco usual, utilizado cuando se desea soldar el procesador a la placa base, de manera que éste no se pueda sustituir con facilidad.
Los sockets más conocidos y comunes hoy en día son:
- Socket LGA 1151 o socket H4: compatible con los procesadores Intel de 6ª, 7ª, 8ª y 9ª generación
- Socket LGA 1200: compatible con los procesadores Intel de 10ª y 11ª generación
- Socket LGA 1700: compatible con los procesadores Intel de 12ª y 13ª generación
- Socket AM4: compatible con los procesadores Ryzen 5, Ryzen 7, Ryzen 9 y Athlon de AMD
- Socket sWRX8: compatible con los procesadores de la serie Ryzen Threadripper Pro de AMD
2. LA FRECUENCIA DE RELOJ Y EL IPC
La frecuencia de reloj de un procesador ha sido históricamente el parámetro al que más importancia se le daba, sobre todo en los años 80 y 90 con las nuevas versiones de procesadores i386, i486 y Pentium. En la actualidad la importancia de la frecuencia de reloj es mucho más relativa, según veremos a continuación.
2.1 LA FRECUENCIA DE RELOJ
La frecuencia de reloj de un procesador está relacionada con su velocidad de trabajo y se mide en GHz (Gigahercios) o ciclos por segundo. Como ya se ha comentado, este valor no se debe utilizar para comparar de forma directa distintos procesadores, sino que simplemente es un dato de referencia para procesadores de la misma serie del mismo fabricante. Es decir, no debemos pensar que un procesador será más o menos eficiente sólo teniendo en cuenta su frecuencia de reloj, sino que consideraremos otros factores como las instrucciones por ciclo, la arquitectura, la memoria caché, etc. No tenemos más que pensar en la enorme diferencia de rendimiento entre un procesador Intel i3 a 3 GHz y un Intel i9 a 3 GHz.
2.2 LAS INSTRUCCIONES POR CICLO O IPC
El IPC es el número de instrucciones que un procesador es capaz de ejecutar en cada ciclo de reloj. Por tanto, un procesador con un IPC alto es capaz de realizar un mayor número de operaciones por ciclo, lo que se acaba traduciendo en un mayor rendimiento global con la misma frecuencia de reloj.
3. ARQUITECTURA DE UNA CPU
Tal y como hemos comentado, la frecuencia de reloj no lo es todo en un procesador. Los primeros procesadores sólo eran capaces de realizar una operación en cada ciclo de reloj. Posteriormente, gracias a cambios arquitectónicos, las CPU de hoy en día son capaces de procesar varias instrucciones en un solo ciclo.
Para conseguir esto, los fabricantes mejoraron la arquitectura de los procesadores añadiendo nuevos bloques (nuevos conjuntos de circuitos integrados) pensados para ejecutar instrucciones muy concretas, los cuales permiten acelerar, por ejemplo, cálculos asociados a programas matemáticos, científicos, financieros, etc.
Al incluir estos bloques en la CPU, se consigue aumentar la velocidad de proceso de forma notable dependiendo del tipo de software que se esté ejecutando. Para poder agregar estos nuevos circuitos en la CPU era necesario mejorar las técnicas de fabricación, reduciendo el tamaño de los componentes utilizados para dejar más espacio y poder añadir más funcionalidades. La primera opción que se tomó fue la más lógica: añadir más núcleos (dual core, quad core), que no es más que replicar procesadores e interconectarlos entre sí.
Más tarde, se buscó integrar cada vez más elementos dentro de la CPU, incluso algunos que tradicionalmente se encuentran en la placa base, como por ejemplo el controlador de memoria y el de la tarjeta gráfica.
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4. LA MEMORIA CACHÉ DE LA CPU
La memoria caché es la más rápida (y pequeña) de todo el sistema, mucho más que la memoria RAM. Esta memoria permite acceder a la CPU a muy alta velocidad, principalmente porque está muy próxima al procesador, llegando a estar instalada dentro de la propia CPU.
El procesador utiliza esta memoria para almacenar información relevante para su trabajo, como por ejemplo el conjunto de instrucciones que más se estén utilizando en ese momento y, con carácter predictivo, la información que necesitará la CPU para ejecutar las instrucciones posteriores.
Tener estos datos con una probabilidad alta de ejecución tan próximos, permite a la CPU reducir mucho los accesos a la memoria RAM (más lenta), aumentando así el rendimiento global del sistema. Es decir, cuanto mayor sea la cantidad de memoria caché y más cerca esté de la CPU, más óptimo será su rendimiento.
Existen 3 tipos de memoria caché: Nivel 1, Nivel 2 y Nivel 3, o Level 1, Level 2 y Level 3, abreviadas como L1, L2 y L3.
L1 es la más cercana al procesador y L3 la más lejana, según el siguiente esquema:
4.1 MEMORIA CACHÉ NIVEL 1 (LEVEL 1 O L1)
Esta memoria caché es extremadamente rápida pero bastante pequeña y hoy día se encuentra integrada en la CPU (años atrás podía o no estar integrada). Todas las instrucciones a ejecutar se buscan por defecto aquí, si no están presentes entonces se baja al siguiente nivel.
4.2 MEMORIA CACHÉ NIVEL 2 (LEVEL 2 O L2)
Esta memoria caché es bastante más grande que la L1 y también está dentro de la CPU (años atrás no lo estaba). Este tipo de memoria no es tan rápida como la L1, por lo que hará esperar más a la CPU. Si la instrucción buscada no se encuentra en la memoria L2, se baja al siguiente nivel.
4.3 MEMORIA CACHÉ NIVEL 3 (LEVEL 3 O L3)
Este es un nivel de memoria especializada que ayuda a mejorar el rendimiento de las cachés L1 y L2. Es mucho más lenta que las L1 o L2, pero mucho más rápida que la memoria RAM del sistema, que se encuentra un nivel por debajo. En el caso de los procesadores con más de un núcleo (dual core, quad core), cada uno de ellos tiene su propia caché L1 y L2, pero, todos comparten la misma caché L3.
Si tienes curiosidad por saber cuanta memoria caché tiene tu procesador, instálate el programa CPU-Z, y consulta la pestaña "Caches". Abajo te dejo el link para que puedas descargarlo de forma gratuita:
5. LÍMITES FÍSICOS DE UN PROCESADOR
Un aspecto a tener en cuenta en el diseño y uso de una CPU es que, como cualquier dispositivo por el que circula corriente, tiene un consumo eléctrico y se calienta. Simplificando mucho, cuanto más rápido y potente sea un procesador, más tendencia a calentarse tendrá. El aumento descontrolado de la temperatura puede dañar el procesador y dejarlo inservible, por lo que se hace necesario instalar un ventilador y un disipador en contacto físico con el procesador para evacuar el exceso de calor y evitar problemas.
Las altas temperaturas son un reto para los diseñadores de procesadores, ya que la tendencia de reducir cada vez más el tamaño de los circuitos para poder aumentar el número de bloques y aumentar la velocidad de reloj hace que se calienten con más facilidad. Por ello los sistemas de refrigeración han ido mejorando con el tiempo, pasando de ventiladores y disipadores cada vez más eficaces a la refrigeración líquida en aquellos casos en los que las exigencias son máximas para la CPU.
6. CÓMO COMPARAR DOS PROCESADORES
Visto todo lo anterior, la siguiente pregunta surge de inmediato:
¿Cómo podemos saber si un procesador tiene un rendimiento superior a otro?
Para ello los fabricantes suelen utilizar los denominados Benchmarks, aplicaciones especiales que analizan el rendimiento general del procesador. El problema es que no es fácil sacar conclusiones consultando estos Benchmarks.
Para comparar el rendimiento de dos procesadores lo mejor es consultar una página que ya tenga las comparativas hechas. En el siguiente link puedes acceder, a modo de ejemplo, a la comparativa entre un Intel i7 12700K y un Ryzen 9 5900X
AMD Ryzen 9 5900X vs Intel Core i7-12700K
Se observa que el Ryzen 9 está en una posición inferior en el ranking al i7, lo que indica que el rendimiento del Ryzen 9 está por debajo. Concretamente, esta diferencia de rendimiento es de un +15%, según nos informa la web en "Effective Speed". Además, se ofrecen muchos detalles y comparaciones desde varios puntos de vista, junto a un resumen final muy interesante.
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