La arquitectura de un procesador

El procesador es el coordinador de todas las tareas que realiza un PC, esto significa su diseño interno es muy importante. En su interior, no es más que un conjunto de bloques interconectados entre sí en el cual cada uno de ellos realiza una función. El diseño de esos elementos y como se interconectan es lo que se llama arquitectura del procesador.

¿Cuál es su función?

Para funcionar, una computadora lee instrucciones y datos. La velocidad a la que una computadora lee datos y realiza cálculos, viene determinada por la famosa frecuencia de funcionamiento que puedes ver en cualquier folleto de un micro y que se mide en gigahertzios. Ese reloj sirve para coordinar a todo el sistema así que en principio un procesador a 2 GHz puede hacer el doble de trabajo en el mismo tiempo que uno de 1 GHz pero no es tan sencillo. Gracias a los avances producidos en el diseño de la arquitectura, las prestaciones cada vez dependen menos de esa frecuencia de funcionamiento. Puede ocurrir, por tanto, que un micro con una menor velocidad sea capaz de realizar más tareas.

Para entenderlo, hay que revisar la historia. Cuando se crearon los primeros microprocesadores, estos sólo eran capaces de realizar una operación en cada ciclo de reloj y algunas, las más complejas, podían incluso llevar más tiempo. Sin embargo, gracias a cambios arquitectónicos, cualquier procesador actual es capaz de procesar varias instrucciones al mismo tiempo. Por supuesto, cada arquitectura es distinta lo cual lleva a que dos procesadores funcionando a la misma velocidad no tengan que funcionar igual de rápido.

¿Qué pasa cuando se cambia la arquitectura?

Cuando se cambia la arquitectura, se pueden añadir más bloques que ejecuten nuevas instrucciones. Es lo que ocurre con los conjuntos de instrucciones SSE y AVX, por ejemplo. Estas, permiten acelerar ciertos cálculos asociados a programas matemáticos, científicos, financieros y de seguridad. Al incluir estos bloques, se consigue aumentar la velocidad de ejecución de forma radical, en algunas utilidades se puede realizar el doble o incluso más de trabajo en el mismo tiempo, pero se necesita que los desarrolladores de software vuelvan a crear los programas de nuevo.

El proceso es continuo, mejoras en las técnicas de fabricación permiten hacer transistores más pequeños que dejan más espacio para añadir más funcionalidades. La primera opción que se tomo fue la más lógica. Se añaden más núcleos, que no es más que replicar procesadores simplificados e interconectarlos entre sí. Tras esto, se tiende a integrar cada vez más elementos dentro de la CPU. Digamos que los elementos pasan de la placa base poco a poco al micro. Se van integrando por ejemplo, el controlador de memoria, o la tarjeta gráfica.

A tanto ha llegado esta evolución, que se empieza a utilizar el concepto de APU en vez del de CPU. En un futuro no muy lejano se tendera a SOC (system on a chip) es decir a que todo el sistema se encuentre en el interior de una pastilla.

Limites físicos de un procesador

Aparte de la parte lógica, no debemos de olvidar que un micro es un dispositivo físico. Como tal, está limitado en aspectos tales como la temperatura o el voltaje. En esencia, la potencia consumida por un procesador es proporcional a la frecuencia de funcionamiento. Es decir, si aumentamos en un 30% la velocidad también la potencia aumentara en la misma proporción. Si el sistema de refrigeración, normalmente un ventilador, no es capaz de disipar esa potencia, la temperatura aumentara de manera constante hasta que el dispositivo se queme o se pare.

Los fabricantes, teniendo en cuenta esto, añaden sistemas a los procesadores para acelerar su funcionamiento siempre y cuando estemos dentro de unos límites físicos aceptables. Ejemplos de tecnologías que realizan esto son los famosos Turbo Core de AMD y Turbo Boost de Intel. El procesador puede funcionar más lento en caso de que el sistema no necesite tanta velocidad de ejecución.

La arquitectura y la placa base

Por supuesto, la arquitectura también define como se comporta el procesador en relación a otros elementos de la placa base. Por ejemplo la conexión con las memorias o los canales de acceso a las tarjetas gráficas.

En definitiva, la arquitectura es junto a la tecnología de fabricación lo que define las características y las posibles prestaciones de un microprocesador. Como ves, todo esto hace que sea cada vez más complejo la comparación entre los distintos procesadores ya que puede ser que algunos sean más rápidos que otros en un tipo de aplicaciones y en otras no.