En esta entrada de blog veremos como los diferentes componentes de una computadora aportan a su desempeño. Para iniciar solicité a ChatGPT nos explique de forma general como influyen los componentes de una computadora en su desempeño, o lo que es lo mismo Como es que una computadora puede ser rápida y poderosa.
Instrucción a ChatGPT: "escribe un ensayo que explique como influyen los componentes de una computadora en su desempeño, que mencione las aportaciones de la memoria RAM, la cantidad de hertz, núcleos e hilos del CPU, el disco duro y el adaptador gráfico."
"Influencia de los Componentes de una Computadora en su Desempeño
En la era actual de la información y la tecnología, las computadoras se han convertido en herramientas esenciales que influyen en todas las esferas de la vida humana. El desempeño de una computadora está intrínsecamente ligado a la calidad y capacidad de sus componentes, los cuales trabajan en conjunto para determinar la velocidad, eficiencia y capacidad de respuesta del sistema. Entre los componentes cruciales que ejercen una influencia significativa en el desempeño de una computadora se encuentran la memoria RAM, la velocidad del CPU (Unidad Central de Procesamiento), el disco duro y el adaptador gráfico. Estos componentes no solo definen la capacidad de la computadora para ejecutar tareas, sino que también afectan directamente la experiencia del usuario.
El CPU, a menudo considerado el cerebro de la computadora, juega un papel fundamental en su rendimiento. La cantidad de núcleos y hilos en un CPU determina su capacidad para ejecutar tareas paralelas. Un mayor número de núcleos e hilos permite a la computadora realizar múltiples procesos en paralelo, mejorando la eficiencia en tareas que requieren alto poder de procesamiento, como edición de video, renderizado 3D y programación científica. Además, la velocidad del CPU, medida en hertz (Hz), influye en la velocidad a la que se ejecutan las instrucciones. Un CPU de mayor velocidad puede procesar más instrucciones por segundo, lo que resulta en una mayor capacidad de respuesta y tiempos de carga más rápidos.
La memoria RAM (Random Access Memory) es uno de los componentes más influyentes en el desempeño de una computadora. Funcionando como una especie de "memoria de trabajo" de corto plazo, la RAM almacena datos y programas que están siendo utilizados activamente por el sistema operativo y las aplicaciones. Una mayor capacidad de RAM permite a la computadora manejar múltiples tareas simultáneamente y evitar cuellos de botella en la transferencia de datos. La RAM rápida y suficiente permite un rápido acceso a la información necesaria, lo que resulta en una experiencia fluida y sin interrupciones.
El disco duro, o unidad de almacenamiento, también es un componente crucial para el desempeño de la computadora. Los discos duros tradicionales (HDD) y los discos de estado sólido (SSD) tienen diferencias significativas en términos de velocidad de acceso y transferencia de datos. Los SSDs, al no depender de partes mecánicas en movimiento, son considerablemente más rápidos que los HDDs. Un disco duro rápido permite tiempos de inicio más rápidos del sistema operativo y de las aplicaciones, así como una mayor velocidad de carga y guardado de archivos.
El adaptador gráfico, o tarjeta de video, tiene un impacto directo en la capacidad de la computadora para renderizar gráficos y videos de alta calidad. Las tareas relacionadas con gráficos, como juegos, edición de video y diseño gráfico, requieren una tarjeta de video potente. Una tarjeta de video con suficiente memoria y capacidad de procesamiento garantiza una experiencia visual fluida y detallada.
En conclusión, los componentes de una computadora desempeñan un papel esencial en su rendimiento general. La memoria RAM influye en la capacidad de manejar múltiples tareas, el CPU determina la velocidad de procesamiento y la capacidad para realizar tareas paralelas, el disco duro afecta la velocidad de acceso y transferencia de datos, y el adaptador gráfico define la calidad de la representación visual. La elección y combinación de estos componentes debe estar en función de las necesidades y expectativas del usuario, ya que un equilibrio adecuado garantiza una experiencia informática óptima y satisfactoria." OpenAI.(2023)
Luego de la elocuente introducción revisaremos los componentes en particular para entender un poco mejor la manera en que contribuyen al desempeño de la computadora; en lo particular revisaremos como verificar sus capacidades, velocidad y funcionalidad. También describiremos como han evolucionado tecnológicamente y cual es el estatus en la oferta de mercado.
El CPU
Hoy en día el CPU en la mayoría de los equipos informáticos (computadoras, laptops, teléfonos y relojes inteligentes) lo encontramos en un circuito integrado también conocido como microprocesador
Funcionalmente los procesadores modernos son una evolución de la arquitectura de cómputo propuesta por Jon Von Neumann en 1945, basada a su vez en las ideas publicadas en 1936 por Alan Turin para una "Universal Computing Machine" Neumann describió una computadora que almacenaba tanto sus datos como su programa en la misma memoria.
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| https://computersciencewiki.org/index.php/File:Cpu_diagram.png |
Esta arquitectura describe dos partes fundamentales de las computadoras, la Unidad Lógica Aritmética (ALU) responsable de procesar los datos mediante operaciones lógico-matemáticas y la Unidad de Control (CU), responsable del flujo de los datos en el CPU y la interpretación de instrucciones.
Hoy en día los CPUs modernos incorporan mejoras e innovaciones que han incrementado el desempeño y definido nuevas características en los CPUs. A continuación una representación sobresimplificada de un CPU moderno para ayudarnos a comprender las características y como influyen en su desempeño:
Cores/Núcleos
Debemos de pensar en un core o núcleo como si fuera un CPU independiente que junto con otros se empaquetó en un solo circuito integrado. La evolucion de las computadoras en algun momento permitió que múltiples CPUs funcionaran en un solo dispositivo; se adaptaron el sistema operativo, el software y los compiladores para poder aprovechar este incremento de recursos y luego finalmente un proceso de miniaturización permitió de manera eficiente tener CPUs multinúcleo.
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| Oblea de Silicio con CPUs |
La miniaturización de los CPUs es posible gracias a que se fabrican utilizando procesos modernos y de alta especialización como la fotolitografía en obleas de silicio, en donde por medio de luz ultravioleta se pueden grabar patrones y relieves en capás sobrepuestas en una oblea semiconductora para construir los miles de millones de transistores que conforman el CPU. Así es como con gran precisión se fabrican circuitos integrados en masa. Hoy en día los procesos de fabricación permiten detalles en las obleas de hasta 3 nm (nanómetros), aunque lo más común en las nuevas generaciones de CPUs es fabricarlos en 5 o 7 nm.
Hilos/Threads
Una de las innovaciones incorporadas a los CPUs de nuevas generaciones es la capacidad de tener más de un camino de entrada de los datos a cada núcleo del CPU, es algo similar como lo que ocurre con los ejecutivos en los bancos que pueden recibir y atender a una persona de forma presencial y también por teléfono. Por supuesto que no puede atender dos personas de forma simultánea, pero dependiendo del tramite que se realice se pueden poner actividades en espera mientras la otra es atendida y luego regresar; así se reducen los tiempos muertos y el ejecutivo siempre esta trabajando. En los CPUs modernos típicamente podemos encontrar que para cada núcleo se establecen dos hilos que aprovechan los recursos del CPU para hacer una especie de multitarea. Organizando estructuras de control y procesamiento para cada hilo, es posible ejecutar múltiples tareas en un núcleo de procesamiento, el Multithreading, como se le denomina, requiere CPUs con multiples núcleos y más recursos del CPU. Por otro lado existe también el Hyperthreading que es simplemente virtualizar cada núcleo haciendo creer al sistema operativo que existen 2 núcleos independientes y así procesar más tareas, esta última opción consume menos recursos del CPU, no requiere optimización del software como el multithreading, pero tiene un menor desempeño comparado; ha tenido problemas con ciertos procesos y tiene un consumo eléctrico y generación de calor mayores, por lo que en CPUs modernos existe la opción de deshabilitar la funcionalidad.
Velocidad de reloj/Clockspeed
La velocidad de reloj es quizás la característica que tradicionalmente se identificaba como la que describía la capacidad de procesamiento en un CPU. Se mide en Hertz o ciclos por segundo. Un CPU ejecuta instrucciones (operaciones) que son completadas en un ciclo de tiempo, de tal forma que para que un procesador funcione más rápido hay que incrementar el ritmo que recibe datos y los procesa. Sin embargo existen limitaciones físicas y de diseño que impiden que a un CPU simplemente le incrementemos la velocidad de reloj; típicamente mayor velocidad de reloj implica mayor consumo eléctrico y generación de calor. Dependiendo de los materiales, se puede reducir el consumo eléctrico o si disminuimos las distancias y resistencia podemos reducir el voltaje y la generación de calor. Todo esto se establece por diseño para tener un producto estable y duradero. Cuando se diseña un nuevo CPU se establece el TDP (thermal design power) que es la característica que define el consumo máximo en watts en que un CPU puede operar.
Memoria Cache
La memoria cache tiene como característica principal su velocidad y esta diseñada para operar tan rápido como el CPU. Este tipo de memoria es más costosa que la memoria RAM incorporada al equipo y tiene fuertes limitaciones de distancia, por lo que el CPU la utiliza para establecer un area de trabajo donde se puede trabajar a la maxima velocidad y colocar los datos que sean requeridos con más frecuencia o que se requieren acceder de forma muy rápida para las funciones primordiales del CPU.
Midiendo el desempeño de CPUs
Aunque existen herramientas para hacer benchmarks de CPUs como https://www.passmark.com/, lo más práctico es acceder a los resultados que se publican con información de las liberaciones de los grandes fabricantes. Un portal de internet con información confiable es https://www.cpubenchmark.net/ aquí además de encontrar la información de características de todos los CPUs liberados por todos los fabricantes, podemos hacer comparativos y así tomar la mejor decisión de cuál es el CPU ideal para nuestras necesidades particulares.
Este es un ejemplo que nos arroja las diferencias en las características de CPUs liberados a lo largo de 4 años en el segmento de uso promedio para equipos de oficina. Es curioso como el mejor desempeño con respecto al año anterior se de en los dos CPUs más nuevos de la tabla, donde el incrementó en menos de un año fué de más de 29%, manteniendo el mismo TDP y velocidad de reloj de 2.5GHz, pero incrementando de 6 a 10 la cantidad de núcleos.
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| CPU | Intel Core i5-10400 | Intel Core i5-11400 | Intel Core i5-12400 | Intel Core i5-13400 |
| Clockspeed | 2.9 GHz | 2.6 GHz | 2.5 GHz | 2.5 GHz |
| Cores/Threads | 6 (Threads: 12) | 6 (Threads: 12) | 6 (Threads: 12) | 10 (Threads: 16) |
| TDP | 65W | 65W | 65W | 65W |
| Liberación | Q2 2020 | Q1 2021 | Q1 2022 | Q3 2022 |
| Single thread performance | 2579 | 3042 | 3541 | 3712 |
| Dif respecto al anterior | | 17.95% | 16.40% | 4.83% |
| CPU Mark | 12202 | 17102 | 19478 | 25288 |
| Dif respecto al anterior | | 40.16% | 13.89% | 29.83% |
| Precio 02/010/2023 (amazon.com) | $149.00 | $144.88 | $185.00 | $288.00 |
| Dif respecto al anterior | | -2.77% | 27.69% | 55.68% |
También hay que señalar que el precio juega un factor clave en la decisión de compra, si vemos la tabla nos daremos cuenta que la mejor opción la tenemos en el Intel Core i5-11400 pues con un desempeño 40% mayor que su predecesor es 5 USD más económico, mientras que el tope de la tabla aunque tiene un desempeño de 48% superior el precio es el doble que su predecesor.
El mercado de CPUs a nivel mundial
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| https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Moore#/media/Archivo:Ley_de_Moore.png |
Los CPUs modernos son la culminación de la evolución tecnológica de semiconductores gestada en el Silicon Valley al sur de San Francisco, California desde mediados del siglo XX hasta nuestros días. El recorrido de innovación iniciado por la invención del transistor por William Shockley en 1951 no solo se ha centrado en el campo de la electrónica. Silicon Valley, como fenómeno de evolución tecnológica acelerada, es una amalgama de proyectos de innovación en diversas áreas:
- La electrónica donde pasamos de válvulas de vacío a transistores y luego a circuitos integrados.
- Las innovaciones en procesos de manufactura, factor clave para lograr la miniaturización de componentes, que a su vez hicieron posible cumplir con la "Ley de Moore", (acuñada por Gordon Moore en 1965 cuando trabaja aún para Fairchild Semiconductor) y que se ha sostenido hasta nuestros días. Moore, fundador de Intel, predijo que cada 2 años sería posible incorporar el doble de transistores un circuito integrado.
- Los procesos de negocios y establecimiento de mejores prácticas en la industria fueron parte del Silicon Valley. Inicialmente los semiconductores fueron consumido primordialmente por los proyectos militares y espaciales del gobierno estadounidense, pero depender de un solo cliente no permite a un grupo de empresas establecer una ruta de crecimiento y ser exitosos. Silicon Valley literalmente creó un mercado desde cero y comenzaron a vender sus chips para productos de consumo y de negocios, logrando con esto cambiar al mundo a un ritmo tan acelerado como nunca antes en la historia.
- El Software. Aunque el software se remonta a los inicios de las primeras computadoras digitales y el primer programa de computadora se escribió en 1950 por Tim Kilburn en la Universidad de Manchester para la "Small-Scale Experimental Machine" mejor conocida como "The Baby", no fué sino con el advenimiento de las microcomputadoras que despegó el desarrollo de software que permitiría brindar soluciones para los diferentes mercados a los que se enfocaría el desarrollo de semiconductores. En sí podemos decir que entre más chips se fabricaban más software se requería para habilitar las soluciones de cada grupo de usuarios en los mercados militar, de negocios y de consumo.
Los CPUs en la actualidad
En la mayoría de los dispositivos informáticos disponibles para usuarios encontraremos tan solo algunas cuantas compañias que diseñan microprocesadores, por lo que hay que reconocer que quienes aportan innovación y definen la dirección del mercado hoy en día son las compañias: Intel, AMD, ARM, Samsung, Apple, Qualcomm, TSMC y recientemente Huawei; gran potencial a futuro tiene también el proyecto de hardware libre RISC-V.
Intel (INTC) y AMD (AMD)
Prácticamente desde antes de la concepción de la IBM-PC estos dos fabricantes han competido para proveer de CPUs el mercado de computadoras personales. Inicialmente AMD era un segundo proveedor para la industria militar de los Estados Unidos para los chips de Intel como el 8086 y 80286, pero poco a poco fueron también generando innovación e incrementando su participación en el mercado. A partir del surgimiento del porcesador 80386 comenzaron batallas legales, comerciales y tecnológicas entre estas dos compañias por liderar la producción de chips de arquitectura x86, lo que dió lugar a una espiral de innovación que ha traido grandes beneficios a la industria en general. Hoy AMD e Intel compiten frente a frente en el desarrollo de CPUs frecuentemente alternando en el liderazgo en los diferentes segmentos (Gaming, Estaciones de trabajo, servers, etc). Al día de hoy la arquitectura Zen4 de AMD y la familia de CPUs Raptor Lake de Intel dominan el mercado del computo personal de forma indiscutida, aunque un reciente jugador esta dando mucho de que hablar. Apple (AAPL) a renovado toda su línea de cómputo personal, desktops y laptops con los procesadores M1 y M2 de su propio diseño, utilizando la arquitectura ARM con mucho éxito. Sin embargo aun está por verse el impacto que pueda tener en este segmento de mercado en los próximos años.
ARM es una compañia británica que comenzó en 1997 fabricando chips para dispositivos móviles y hoy en día es el lider tecnológico en este mercado, practicamente todos los telefonos inteligentes modernos utilizan tecnología de ARM, pues los procesadores para móviles de Samsung, Qualcomm, Apple, Huawei y otros, utilizan bajo licencia la arquitectura de CPUs de ARM. ARM inicio como compañia en 1990 con el nombre de Advanced RISC Machines LTD y no fué sino hasta Septiembre de 2023 en que se convirtió en una compañía pública. Pionera en el diseño y desarrollo de chips de bajo consumo eléctrico, hoy participa en la mayoría de los mercados y ya existen Centros de Datos en la nube con servidores con CPUs ARM y como semencionó anteriormente ya hay laptops y equipos de escritorio de Apple utilizando procesadores basados en arquitectura ARM. A diferencia de Intel y AMD ellos no venden productos (Chips) ellos comercializan su tecnología mediante licencias por uso y por cantidad de equipos que sus clientes fabriquen. Este modelo fué una innovación importantísima, pues les ha permitido enfocar todos sus esfuerzos en el desarrollo de tecnología, manteniendo un limitado número de clientes sin considerar logística de producción, marketing, ventas y soporte.
De acuerdo con su portal web "TSMC atendió a 532 clientes y fabricó 12.698 productos para diversas aplicaciones que cubren una variedad de mercados finales, incluida la informática de alto rendimiento, los teléfonos inteligentes, el Internet de las cosas (IoT), la automoción y la electrónica de consumo digital". Lo que hay que hacer notar es que TSMC es la única compañía a nivel mundial capaz de fabricar a gran escala los chips más modernos y sofisticados, inclusive Intel que fabrica sus propios chips, ha anunciado que solicitará en 2024 a TSMC la maquila de algunos de sus CPUs de nueva generación. La fabricación de chips utilizando técnicas avanzadas de fotolitografía capaz de producir con precisión de hasta 3 nm es prácticamente una exclusiva de esta compañia y la convierte en un foco de atención enorme en el contexto geopolítico. Con la escalada de la guerra en Ucrania y la complicada situación en el mundo postpandemia, TSMC enfrenta el gran reto de diversificar su producción y ha anunciado ya el establecimiento de fábricas en los EE.UU. y Japón.
RISC-V
En tanto la mayoría de los fabricantes de CPUs desarrolla sus propias arquitecturas propietarias o las adquiere con un pago de licencia de otras como ARM, RISC-V propone un nuevo inicio de cero para desarrollar arquitecturas de chips sin ataduras tecnológicas ni pago de regalías. De acuerdo a suportal web RISC-V es: "Una arquitectura de conjunto de instrucciones (ISA) de estándar abierto que permite una nueva era de innovación de procesadores a través de la colaboración abierta".
RISC-V permite a la comunidad compartir inversiones técnicas, contribuir al futuro estratégico, crear más rápidamente, disfrutar de una libertad de diseño sin precedentes y reducir sustancialmente el costo de la innovación".
Estamos muy lejos que un CPU RISC-V pueda ser un contendiente en la feroz competencia que existe en el mercado de móviles o computadoras de escritorio, pero el avance es muy significativo. De acuerdo con BCC Research "Se estimó que el mercado global de la tecnología RISC-V será de 445.7 millones de dólares en 2021 y se prevé que crecerá a una tasa compuesta anual del 33,1%. Se prevé que el mercado de la tecnología RISC-V alcance los 2,700 millones de dólares en 2027"
En la parte 2 de este blog post revisaremos la memoria RAM, los dispositivos de almacenamiento y los adptadores gráficos, al igual que lo hicimos aqui, revisaremos no solo la descripción de las tecnologías, veremos su evolución y como se posicionan en el mercado las distintas ofertas.
Bibliografía
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Miller, C. (2022). Chip war: The fight for the world’s most critical technology. Simon & Schuster.
Morrison, J. (1693676923000). TSMC is reporting Intel is outsourcing nearly half its 10 and 7 nm revenue to the Taiwanese juggernaut. Linkedin.com. https://www.linkedin.com/pulse/tsmc-reporting-intel-outsourcing-nearly-half-its-10-nm-jeff-morrison/
Shanto, A. A. (2023, September 7). Breaking boundaries: Huawei Kirin 9000S chipset explained. Gizchina.com; GizChina Media. https://www.gizchina.com/2023/09/07/huawei-kirin-9000s-chipset/
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Williams, R. (2023, March 1). AMD Ryzen 7000 vs. Intel 13th-gen Core Workstation Performance Review. Techgage. https://techgage.com/article/cpus-for-creators-amds-zen-4-vs-intels-raptor-lake/
Three-Edged Sword by Jeff Lindsay
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