Procesador (informática)

En informática y ciencias de la computación , un procesador o unidad de procesamiento es un componente eléctrico ( circuito digital ) que realiza operaciones sobre una fuente de datos externa, generalmente memoria u otro flujo de datos. ^{[ 1 ]} El término se usa frecuentemente para referirse a la unidad central de procesamiento (CPU), el procesador principal en un sistema. También puede referirse a otros procesadores especializados como unidades de procesamiento gráfico (GPU), unidades de procesamiento cuántico (QPU) y procesadores de señales digitales (DSP). El diseño y desarrollo de un procesador es complejo y requiere mucho tiempo porque requiere definir tanto sus requisitos funcionales (operaciones que debe realizar) como sus requisitos no funcionales (las restricciones físicas y de rendimiento). ^{[ 2 ]} Normalmente se construye para operar con datos digitales , como un circuito integrado que utiliza material semiconductor , que contiene transistores organizados en puertas lógicas , organizadas a su vez en secciones como bloques IP o núcleos, que se pueden conectar entre sí.

El término «procesador» se ha aplicado a las computadoras al menos desde principios de la década de 1950. ^{[ 3 ]} Las primeras computadoras utilizaban complejos conjuntos de tubos de vacío . Estas primeras computadoras eran grandes, costosas y consumían mucha energía, lo que limitaba su uso a grandes organizaciones. La Manchester Mark 1 representa uno de los primeros procesadores en el sentido moderno, al ser la primera computadora de propósito general capaz de almacenar programas. ^{[ 4 ]}

La invención del transistor impulsó una rápida innovación en la industria informática. ^{[ 5 ]} Los transistores permitieron que los procesadores fueran más densos y eficientes energéticamente, reduciendo el tamaño de las computadoras de habitaciones enteras a dispositivos que cabían en un escritorio. La potencia de procesamiento de los procesadores comenzó a duplicarse anualmente a medida que los transistores se reducían de tamaño y se podían incorporar más en una sola computadora, un fenómeno conocido como la ley de Moore . Los primeros transistores utilizados en informática medían milímetros de diámetro; actualmente, los transistores modernos se fabrican con un tamaño inferior a 5 nm. ^{[ 6 ]}

Los transistores se redujeron hasta el punto de que un procesador completo podía implementarse en unos pocos circuitos integrados monolíticos ( chips ); estos procesadores se denominaron microprocesadores . El primer microprocesador de un solo chip disponible en el mercado fue el Intel 4004 , que combinaba todos los circuitos lógicos necesarios para un ordenador en un único chip integrado. Este chip aportó capacidad de procesamiento a dispositivos de consumo como calculadoras digitales y máquinas de pinball. El Intel 8008 fue el primer microprocesador de un solo chip utilizado como procesador de propósito general. Los procesadores modernos han seguido este formato, utilizando microprocesadores de un solo chip con encapsulado discreto, memoria externa y E/S.

Al diseñar un procesador, es fundamental establecer los requisitos funcionales y no funcionales antes de aplicar el diseño a sistemas de hardware o software. Muchos requisitos funcionales se seleccionan de un conjunto de instrucciones básicas o algoritmos comunes utilizados en los chips de procesamiento. Si bien se emplean diversas herramientas para facilitar el desarrollo de procesadores, el proceso de diseño general sigue siendo laborioso debido a la complejidad que implica.

Los requisitos no funcionales de un procesador se refieren a sus componentes materiales. Por ejemplo, el área de silicio del procesador, el número de pines y el consumo de energía influyen en el diseño. El costo de fabricación del procesador y su precio de venta al público afectan a dichos componentes. ^{[ 2 ]}

Los requisitos funcionales de un procesador son sus operaciones y su entorno operativo. Las operaciones son el conjunto de instrucciones que el procesador sigue para ejecutar su función principal. Las operaciones se escriben utilizando diferentes conjuntos de algoritmos, con operandos variables . El tiempo de ejecución del procesador, el tipo de subsistema de memoria conectado a él y la entrada/salida (E/S) son ejemplos de entornos operativos. Estos entornos influyen en cómo se escriben las operaciones dentro de los requisitos funcionales. ^{[ 2 ]}

El análisis de rendimiento de algoritmos ayuda a determinar detalles críticos dentro de un algoritmo que afectan su optimización. El análisis de rendimiento entre el código prototipo y los diseños de procesadores existentes permite comprender mejor las aplicaciones algorítmicas. Los algoritmos dentro de los procesadores existentes generalmente se construyen para optimizar funciones principales ligeramente diferentes, por lo que no todas las operaciones utilizadas en esta referencia pueden ser necesarias en el diseño del prototipo. Si el desarrollador se basa únicamente en la referencia, el código operativo final puede ser ineficiente. ^{[ 2 ]}

La arquitectura organizativa de un procesador se refiere al conjunto ordenado de instrucciones básicas que le permiten completar su tarea. Existen numerosas formas de organizar las instrucciones para lograr un objetivo determinado, pero la eficiencia del código variará. El uso de operaciones de núcleo, estimadores de rendimiento automatizados o generadores de simuladores puede ayudar al desarrollador a determinar la arquitectura organizativa más eficiente para el procesador. ^{[ 2 ]}

Cuando se crea el prototipo final del procesador, se implementa en diferentes componentes de hardware y software. La implementación del hardware requiere un modelado de alto nivel, como la conversión de bloques funcionales a un lenguaje de descripción de hardware y la organización de dichos bloques en el chip del procesador para optimizar su rendimiento y área. La implementación del software es la parte más difícil del proceso de diseño. Este proceso requiere la depuración de problemas de hardware y software que impiden que el procesador funcione correctamente dentro del software. ^{[ 2 ]}