¿Qué son los núcleos de CPU?

Un núcleo de CPU es una parte esencial de cualquier computadora. Los núcleos de CPU son parte de cualquier procesador de CPU. Las CPU de escritorio modernas suelen tener entre dos y 16 núcleos, cada uno de los cuales puede encargarse de una tarea específica a la vez. La cantidad de núcleos disponibles es uno de los indicadores críticos de qué tan poderosa y rápida es una PC con el máximo rendimiento.

Vale la pena señalar que los núcleos no son completamente independientes entre sí. Según el diseño particular de la CPU, los núcleos pueden estar más o menos vinculados. Pueden compartir cachés, usarse entre sí para transmitir mensajes o incluso compartir otros tipos de procesos de comunicación. La mayoría de las veces, los núcleos se conectarán a través de buses. También existe una distinción entre las CPU que tienen solo núcleos idénticos y las que combinan núcleos diferentes.

Diseño de CPU

El diseño histórico de CPU multinúcleo generalmente ha utilizado una topología de CPU homogénea. Es decir, todos los núcleos son idénticos. Esto tiene la ventaja de que solo requiere el esfuerzo de desarrollo de una arquitectura central que se puede copiar y pegar tantas veces como sea necesario. También facilita la programación de tareas, ya que todos los núcleos pueden realizar todas las tareas a la misma velocidad y eficiencia.

Se puede encontrar un enfoque más matizado para el diseño del núcleo de la CPU con una topología de CPU heterogénea. En este caso, una matriz de CPU tiene múltiples tipos de núcleo, generalmente optimizados para el rendimiento o la eficiencia energética y, a veces, un término medio. Esta configuración es particularmente útil en dispositivos móviles, donde numerosos núcleos eficientes brindan un buen rendimiento con un consumo mínimo de batería. El rendimiento máximo también se puede proporcionar cuando sea necesario mediante núcleos optimizados de rendimiento más potentes, pero a costa de un mayor consumo de energía y producción de calor.

Históricamente, las CPU comenzaban con un solo núcleo y solo podían manejar una tarea a la vez. Con el tiempo, a medida que aumentaba la demanda de hardware, eso ya no era suficiente. Se desarrollaron y eliminaron CPU más nuevas y modernas que aquellas con menos núcleos. La excepción fueron las computadoras portátiles: debido a las limitaciones de espacio y refrigeración, las CPU de las computadoras portátiles se han quedado históricamente rezagadas con respecto a las computadoras de escritorio en el número de núcleos de CPU. Las computadoras portátiles modernas pueden igualar el número de núcleos con las computadoras de escritorio, pero las CPU a menudo funcionan a niveles de potencia y velocidades de reloj más bajos para controlar las temperaturas.

Consejo: si está tratando de construir una computadora y elige su CPU, el mínimo absoluto de núcleos que debe buscar es cuatro.

subprocesos múltiples

La mayoría de los procesadores modernos utilizan subprocesos múltiples o hiperprocesos para aumentar la cantidad de núcleos disponibles. Este proceso divide un núcleo en varios núcleos virtuales. Específicamente, cada núcleo físico funciona como dos hilos. Por lo tanto, las CPU con cuatro núcleos pueden funcionar con ocho subprocesos, lo que significa que funcionan como una CPU de ocho núcleos.

Nota: Algunas CPU especializadas pueden ofrecer más de dos subprocesos por núcleo de CPU. Sin embargo, todos estos productos son exclusivos de los mercados de HPC ( Computación de alto rendimiento ) y supercomputación. Los núcleos de CPU de escritorio pueden ejecutar uno o dos subprocesos.

Sin embargo, el subprocesamiento múltiple no es una duplicación absoluta de la potencia de la CPU. Hyperthreading no duplica el rendimiento del núcleo de la CPU. La investigación de Intel sugiere que ofrece un aumento del rendimiento de alrededor del 30 %, aunque esto puede variar mucho y, en casos excepcionales, incluso disminuir ligeramente el rendimiento. Algunas aplicaciones y programas funcionan mejor que otros. Los videojuegos, por ejemplo, no siempre se benefician de más núcleos, ya que a menudo son más sensibles a la velocidad del reloj. Otro software, especialmente la edición y animación de video, funciona más lejos con núcleos e hilos adicionales.

Por supuesto, es imposible inventar núcleos adicionales, por lo que los subprocesos simulados deben compartir los recursos físicos disponibles de su núcleo subyacente. Eso puede significar que los subprocesos tienen un rendimiento más bajo individualmente, pero también puede significar que los recursos se distribuyen de manera más efectiva. Pueden ser utilizados por cualquier subproceso que más los necesite.

El futuro del hardware

La tendencia en el desarrollo de núcleos de CPU definitivamente va hacia la implementación de más y más núcleos en las CPU. En teoría, sería posible construir CPU con cientos o incluso miles de núcleos. Esa aún no es una realidad comercial, ya que las CPU Threadripper y EPYC de AMD tienen hasta 64 núcleos. Por ahora, sin embargo, un enfoque más realista es optimizar el rendimiento por vatio. En otras palabras, para reducir el consumo de energía de las CPU. Esto beneficia principalmente a las computadoras portátiles y otros dispositivos que funcionan con baterías.

La gestión del consumo de energía es fundamental para aumentar significativamente el rendimiento. La ley de Moore generalmente ha duplicado el rendimiento de la CPU aproximadamente cada dos años durante décadas. Sin embargo, esto se basó principalmente en la reducción del nodo, es decir, cuán pequeños podían ser los elementos más pequeños de la CPU.

Los nodos de CPU modernos son tan pequeños que están muy cerca de los límites físicos de reducción de tamaño. Por lo tanto, el aumento del rendimiento ha significado un mayor consumo de energía y una mayor producción de calor. En un futuro cercano, las CPU de las supercomputadoras pueden producir tanto calor en un espacio tan pequeño que sea imposible enfriarlas con aire, lo que requiere refrigeración líquida.

Naturalmente, siempre se están desarrollando nuevos tipos de CPU. Las dos marcas más importantes aquí, Intel y AMD, cuentan con diferentes tipos de diseños de CPU. Esto va tan lejos que sus respectivas CPU se adaptan mejor a algunos usos que a otros. Por supuesto, las CPU de nuevo diseño ofrecen nuevos casos de uso y especialidades además de las existentes.

La arquitectura de la CPU es un tema complejo. A medida que crecen las tecnologías disponibles y la demanda de un mayor rendimiento, también crece la potencia que ofrecen las CPU y la variedad de configuraciones disponibles. Al igual que el mercado de GPU, el mercado de CPU muestra signos de cambio hacia aceleradores de hardware específicos. Esto puede permitir un mayor rendimiento y una mayor eficiencia en determinadas tareas, pero aumenta la complejidad.

Conclusión

Un núcleo de CPU es una o más partes específicas de una matriz de CPU que realizan el procesamiento real. Por lo general, se servirán y estarán rodeados de registros y cachés. La gran mayoría de las CPU modernas ofrecen múltiples núcleos en una matriz de CPU. Los núcleos de CPU pueden ser idénticos u optimizados para diferentes etapas en la curva de rendimiento/eficiencia.

Los núcleos de la CPU suelen ser de propósito general, capaces de realizar cualquier procesamiento que la CPU pueda necesitar. Una unidad de procesamiento que no es de propósito general en una matriz de CPU puede denominarse acelerador o núcleo de procesamiento X. X se reemplaza con un propósito específico, como núcleos de procesamiento neuronal y aceleradores neuronales para el procesamiento de IA.