Procesadores de doble núcleo

Un procesador es una cajita cuadrada algo mayor que una moneda de dos euros, tanto en superficie como en profundidad. Dentro de este espacio deben caber sus diferentes componentes. Para empezar está la CPU (Unidad Central de Procesamiento). La CPU consiste en una capa finísima (casi imperceptible) de dióxido de silicio en la que ha sido grabadas, con un proceso fotoquímico similar al revelado de las fotografías, una red de microcircuitos por donde pasa la corriente eléctrica.

Además, los microcircuitos han sido bombardeados con miles iones en lugares concretos para que conduzcan la corriente electrica de una forma determinada (lógica) y la modifiquen del mismo modo en que lo haría un interruptor de apagado/encendido, pero de modo electrónico. Estos iones son lo que se conoce como transistores (etimológicamente procedente del inglés ‘trasfer resistor’ o ‘resistencia de transferencia’).

Los transistores son semiconductores (se excitan con la corriente eléctrica y retienen electrones) que tienen, además, la capacidad de amplificar la señal eléctrica y oscilar en ciclos fijos. En un procesador Pentium II, por ejemplo, hay cerca de 30 millones de transistores.

Junto a la CPU, y en orden creciente de distancia respecto a la misma, se sitúan tres unidades o niveles de memoría. La ‘memoria caché de primer nivel’ (L1), la ‘memoria caché externa’ (L2) y la memoria RAM. En los tres casos se trata de conjuntos de microcircuitos integrados y formados con placas de materiales semiconductores capaces de retener en sus moléculas diferentes estados electrónicos a la vez, de forma que según sea la topografía de estos estados electrónicos (de más cargados de electrones a menos cargados) se puede leer un tipo de información u otra.

Es así como guardan memoria (cada ‘mapa de electrones’ se corresponde a una información determinada) de las órdenes que tienen que transmitir, aunque de un modo volátil, o dinámico: es decir, con el paso del tiempo tienen a perder sus diferencias de carga electrónica y perder la información almacenada, que no se queda grabada. No son como las memorias de disco duro, por ejemplo, que sí sirven para grabar los datos durante el tiempo que se les ordene.

Todos estos componentes (la CPU y las memorias) van ensamblados sobre una matriz plana conocida como ‘placa base’, que es la encargada de interconectarlos entre sí. La placa base, finalmente, se encapsula dentro de un pequeño cofre. El procesador queda así conformado.

En realidad el procesador está diseñado para ordenar instrucciones muy elementales (sumar, restar, multiplicar, dividir y unas pocas más) de las que se derivan, sin embargo, el resto de funciones que pueda realizar un ordenador mediante la programación. Por lo tanto, lo que importa en un procesador no es la complejidad de las instrucciones que ordene sino la rapidez con que las va ordenando las repetidas veces y su capacidad para ordenar simultaneamente muchas veces estas sencillas instrucciones.

Un índice de la velocidad con la que se procesa una instrucción es la frecuencia del oscilador (generalmente un cristal de cuarzo inserto en el microprocesador), ya que el tiempo de oscilación de éste nunca puede ser inferior a la más compleja de las instrucciones, puesto que entonces el procesador no podría trasmitirla.

El transistor es el encargado de transmitir desde el microcircuito la información al resto del ordenador a través de los niveles de memoria. A la inversa, los transistores también transmiten al procesador las órdenes del usuario para que ejecute sus instrucciones. ¿Cómo lo hacen? Sencillamente en código binario de unos y ceros. Su capacidad de ser interruptores les permite crear una clave de ‘apagado/encendido’.

Si en un ciclo de oscilación se produce una señal ‘apagado-encendido’, se traduce como un uno; por el contrario, una señal de ‘encendido-encendido’ o ‘apagado-apagado’ se lee como cero. En el código binario, las diferencias de estado siempre corresponden a un uno y la ausencia de diferencias a un cero. Es así, creando largas series de unos y ceros, como transforman los impulsos eléctricos del microprocesador a código legible para el resto del ordenador y viceversa.

Por lo tanto, cuanto más rápido pueda traducir la información el transistor más deprisa podrá ir el oscilador y mayor podrá ser su ritmo. Este ritmo, que se conoce como la ‘frecuencia de reloj’, se mide en Megaherzios (millones de oscilaciones por segundo) e incluso ya en Gigaherzios (miles de millones de oscilaciones por segundo). Actualemte, en un ordenador medianamente potente la ‘frecuencua de reloj’ alcanza los 3 Gigaherzios.

Sin embargo, la capacidad de un procesador no se puede medir solamente en función de su ‘frecuencia de reloj’, sino que interviene también la cantidad de instrucciones que es capaz de gestionar a la vez (‘juego de instrucciones’), y lo que se conoce como ‘ancho de bus’ (cantidad máxima de información en bruto transmisible) que se mide en bits. Un bit es una pareja del tipo ‘0/0’, ‘0/1’, ‘1/1’ o ‘1/0’ en el código binario: cuantos más bits admita el ‘ancho de bus’, códigos más largos de ceros y unos se pueden procesar. Esta capacidad viene determinada por el número de transistores, pero también por los sucesivos niveles de memoría que se sitúan cerca de la CPU.

En el pasado, los procesadores contaban sólo con la memoria RAM para almacenar la información de las órdenes que se iban pasando sucesivamente al procesador; llegó un momento en que los procesadores eran más potentes que la memoría RAM. Es decir, que ésta les podía pasar de golpe menos información de la que ellos podían gestionar, con lo que el procesador estaba ampliamente desaprovechado; era como un Ferrari en las curvas del Tourmalet.

Para solucionar este desfase se diseñaron las ‘memorias caché’, estableciendo así dos niveles consecutivos de memoria entre la CPU y la memoria RAM. La ‘caché interna’, o de ‘primer nivel’, es la que determina los datos que el procesador gestionará más inmediatamente, los prioritarios en la cola; su capacidad para almacenar datos es la que define, junto a la ‘frecuencia de reloj’ y la capacidad de la memoria RAM, la potencia del procesador, puesto que es la que surte el chorro de datos a la CPU.

Hasta hace pocos años su capacidad era de 32 Kilobytes (aproximadamente 8 bits son un byte), pero los actuales procesadores la han aumentado a 64 Kilobytes. Estos son los datos que la caché de primer nivel es capaz de propocionar a la CPU en cada oscilación. Es, por tanto, una memoria corta y de alta capacidad de transmisión.

La ‘caché de segundo nivel’ tiene una capacidad de gestionar muy superior (entre 256 Kilobyes y 2 Megabytes), pero muy inferior a la memoria RAM, la más alejada, que actualmente se sitúa entre los 500 Megabytes y un Gigabyte. Esta capacidad es tan importante como la fluidez de datos entre las memorias, pues limita la capacidad del usuario, o de los programas que éste esté ejecutando, de dar muchos datos a la vez al procesador.

Si se está ejecutando un videojuego o un programa con gráficos complejos, se necesitará una memoria RAM de elevada capacidad para almacenar la gran cantidad de instrucciones que conllevan estos programas, e irlas pasando a los sucesivos niveles de memoría para que el procesador las ejecute.

Cuando se insertaron las memorias de nivel entre la RAM y la CPU se optimizó el rendimiento del procesador. En consecuencia, a partir de ese momento los procesadores pasaron a funcionar al máximo de su capacidad y los transistores comenzaron a ejercer su función de ‘resistencia’ también al máximo. Cuando un transistor retiene un electrón (como también sucede con las resistencias mecánicas) se calienta.

Por lo tanto, a medida que el mercado y la revolución de la informática demandaban mayor potencia a los procesadores, el número de transistores se duplicaba cada dos años (Ley de Moore) y el calentamiento general del procesador aumentaba, pues era la suma del calentamiento de todos los transistores. Esto forzó la inclusión de poderosos sistemas de ventilación en los ordenadores, muy grandes en comparación con el tamaño del procesador al que tenían que refrigerar. De ahí el molesto ruido que emitían los ordenadores de sobremesa hasta hace pocos años.

También, al aumentar el calor disminuía la eficiencia del procesador en general por problemas de dilataciones y debido al comportamiento de los transistores a diferentes temperaturas. Por lo tanto, para que el procesador siguiera funcionando óptimamente tenía que aumentar su consumo de energía. Es decir, que se llegó a un punto en que una sola placa base no podía crecer más (para alojar más transistores) por la gran cantidad de calor que generaba y la gran cantidad de energía que consumía para seguir funcionando al máximo.

Además, con el auge de los portátiles, el problema del espacio y de la generación de calor se magnificó, pues los sistemas de ventilación estaban limitados por el tamaño del ordenador; el calor que generaban era excesivo y el consumo de energía terminaba inmediatamente con las baterías.

La solución a este problema ya se conocía con anterioridad, aunque hasta que no fue estrictamente necesaria aplicarla, los fabricantes no se pusieron manos a la obra. Su nombre es ‘computación paralela’, y es algo tan sencillo como colocar dos ordenadores en red con un cable paralelo y dejar que se repartan las tareas de procesado. Su eficiencia no es el doble de la de un ordenador con un solo procesador, pero sí aumenta sensiblemente. De hecho, los superordenadores actuales (como el SARAque utiliza la administración española) son esencialmente series de ordenadores que computan en paralelo.

De esta experiencia se sacó la idea del procesador de doble núcleo: al fin y al cabo el alma del ordenador es su procesador, por lo que si se colocan dos procesadores en un mismo cofre se obtienen dos ordenadores trabajando en paralelo. La potencia del procesador aumenta notablemente; el calor, aunque en la suma de los dos procesadores se dobla, no se transmite por conducción entre los materiales, por lo que en la práctica se mantiene estable y es mucho más fácil de refrigerar. De esto se deriva que la eficiencia no disminuye y, por tanto, el consumo de energía no tiene que crecer para que el procesado sea óptimo. Así de simple.

Actualemente tanto Intel como AMD, principales productores, fabrican ya procesadores de doble núcleo bajo distintas marcas comerciales, que se van integrando progresivamente a los nuevos ordenadores. Los procesadores de doble núcleo son especialmente indicados en los ordenadores de sobremesa que se utilizan como servidores o controladores en una red de computación.

También, en el mercado doméstico, los portátiles que tienen un procesador de doble núcleo reducen su calentamientio y su consumo de energía con respecto a lo que aumenta su capacidad. Tanto es así que Apple ha cambiado la marca de los procesadores que utiliza en su hardware sustituyendo a IBM por Intel, que permite el multiprocesado.