Procesador (CPU)

La CPU (Central Processing Unit) es el componente encargado de ejecutar las instrucciones de los programas y coordinar el funcionamiento del ordenador.

En el bloque anterior estudiamos su funcionamiento interno dentro de la arquitectura de Von Neumann: unidad de control, unidad aritmético-lógica, registros y ciclo de instrucción.

Ahora nos centraremos en los procesadores físicos que encontramos en los ordenadores actuales, sus características y los criterios que debemos tener en cuenta para elegir uno.

1. Características de un procesador

Los procesadores se diferencian por numerosas características que determinan su rendimiento, consumo energético y compatibilidad con otros componentes.

Arquitectura y conjunto de instrucciones

El conjunto de instrucciones (ISA, Instruction Set Architecture) define las instrucciones máquina que puede ejecutar un procesador y otros aspectos de su funcionamiento que deben conocer los programas.

Estas instrucciones permiten realizar operaciones básicas, como:

• Operaciones aritméticas: Sumar, restar o multiplicar.
• Movimiento de datos: Transferir información entre registros y memoria.
• Operaciones lógicas: Comparar valores y realizar operaciones AND, OR o NOT.
• Control del flujo: Realizar saltos y modificar el orden de ejecución de las instrucciones.

Ejemplos de instrucciones x86

Las instrucciones en ensamblador indican al procesador qué operación debe realizar y sobre qué datos debe trabajar.

Los siguientes ejemplos utilizan la sintaxis Intel de x86.

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1. Sumar dos valores (ADD)

mov eax, 5
add eax, 3

• mov: Instrucción que copia un valor en un destino.
• eax: Registro de 32 bits del procesador que utilizamos para almacenar datos.
• 5: Valor inmediato (constante) que se copia en eax.
• add: Instrucción que suma el segundo operando al primero y almacena el resultado en el primero.
• 3: Valor inmediato que se suma al contenido de eax.

Resultado: El registro eax contiene 8.

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2. Mover datos entre registros (MOV)

mov eax, 10
mov ebx, eax

• mov: Instrucción que copia el segundo operando en el primero.
• eax: Registro de 32 bits donde se almacena inicialmente el valor 10.
• 10: Valor inmediato que se copia en eax.
• ebx: Registro de 32 bits que recibe una copia del contenido de eax.
• eax (segunda instrucción): Registro de origen cuyo contenido se copia en ebx.

Resultado: Tanto eax como ebx contienen 10.

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3. Realizar un salto (JMP)

jmp destino
mov eax, 10

destino:
mov eax, 1

• jmp: Instrucción de salto incondicional que modifica el flujo de ejecución.
• destino: Etiqueta que identifica la posición del programa a la que se debe saltar.
• mov eax, 10: Instrucción que no se ejecuta porque el salto la omite.
• destino:: Etiqueta que marca el punto donde continúa la ejecución.
• mov eax, 1: Instrucción que copia el valor inmediato 1 en el registro eax.

Resultado: El registro eax contiene 1, ya que se ha saltado la instrucción que habría almacenado 10.

Entre las arquitecturas más utilizadas o relevantes encontramos:

• x86-64: Utilizada principalmente por los procesadores Intel y AMD de ordenadores personales y servidores.
• ARM: Utilizada en dispositivos móviles y en numerosos ordenadores, como los Mac con Apple Silicon.

Tradicionalmente, las arquitecturas se han clasificado en dos grandes enfoques:

• CISC (Complex Instruction Set Computer): Utiliza un conjunto de instrucciones que puede incluir operaciones complejas. x86-64 pertenece a esta categoría.
• RISC (Reduced Instruction Set Computer): Se basa en instrucciones generalmente más sencillas y regulares. ARM pertenecen a esta categoría.

Ejemplo de instrucciones CISC y RISC

Supongamos que queremos copiar 100 bytes desde una dirección de memoria a otra.

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Ejemplo con CISC (x86-64)

mov rsi, 1000
mov rdi, 2000
mov rcx, 100
rep movsb

• mov rsi, 1000: Guarda en el registro rsi la dirección de memoria de origen (1000).
• mov rdi, 2000: Guarda en el registro rdi la dirección de memoria de destino (2000).
• mov rcx, 100: Establece en el registro rcx el número de bytes que queremos copiar (100).
• rep movsb: Repite la instrucción movsb hasta que rcx llegue a cero.

La instrucción movsb copia un byte desde la dirección indicada por rsi a la indicada por rdi. Después actualiza ambas direcciones.

El prefijo rep hace que esta operación se repita automáticamente 100 veces, decrementando rcx en cada repetición.

Resultado: Se copian 100 bytes de memoria utilizando una única instrucción de copia repetitiva.

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Ejemplo con RISC (ARM, AArch64)

mov x0, 1000
mov x1, 2000
mov x2, 100

bucle:
    ldrb w3, [x0], #1
    strb w3, [x1], #1
    subs x2, x2, #1
    b.ne bucle

• mov x0, 1000: Guarda en x0 la dirección de memoria de origen.
• mov x1, 2000: Guarda en x1 la dirección de memoria de destino.
• mov x2, 100: Guarda en x2 el número de bytes que queremos copiar.
• bucle:: Etiqueta que identifica el comienzo del bucle.
• ldrb w3, [x0], #1: Lee un byte de la dirección indicada por x0, lo almacena en w3 e incrementa x0 en 1.
• strb w3, [x1], #1: Escribe el byte de w3 en la dirección indicada por x1 e incrementa x1 en 1.
• subs x2, x2, #1: Resta 1 al contador x2 y actualiza los indicadores de estado.
• b.ne bucle: Vuelve a la etiqueta bucle mientras el resultado de la resta no sea cero.

Resultado: Se copian los mismos 100 bytes, pero mediante un bucle que ejecuta repetidamente cuatro instrucciones.

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Diferencia fundamental

• CISC: Una instrucción compleja (rep movsb) realiza automáticamente una operación repetitiva de copia de memoria.
• RISC: La misma operación se construye combinando instrucciones más sencillas de lectura, escritura, resta y salto.

Esto no significa que CISC sea necesariamente más rápido. Los procesadores modernos incorporan optimizaciones que hacen que el rendimiento dependa de muchos factores.

Compatibilidad del software

Los programas compilados para una arquitectura no son necesariamente compatibles con otra.

Por ejemplo, un programa compilado para x86-64 no puede ejecutarse directamente en un procesador ARM, salvo que se utilicen mecanismos de traducción o emulación.

Por ello, al instalar un sistema operativo o una aplicación, debemos comprobar que sea compatible con la arquitectura del procesador.

Núcleos e hilos

Un núcleo (core) es una unidad de procesamiento capaz de ejecutar instrucciones de manera independiente.

Los procesadores actuales suelen incorporar varios núcleos, lo que permite ejecutar diferentes tareas simultáneamente.

Por ejemplo, un procesador de 8 núcleos puede distribuir el trabajo entre esos núcleos.

Un hilo hardware (hardware thread) es un contexto de ejecución del procesador que el sistema operativo reconoce como una CPU lógica.

Un núcleo físico es una unidad de procesamiento, mientras que un hilo hardware es un contexto de ejecución dentro de ese núcleo. Un núcleo puede disponer de uno o varios hilos hardware, pero estos comparten sus recursos.

Algunos procesadores permiten que un mismo núcleo gestione varios hilos mediante tecnologías como SMT (Simultaneous Multithreading), aprovechando mejor los recursos del núcleo.

La siguiente imagen compara dos procesadores con 4 núcleos físicos, uno sin SMT y otro con SMT de 2 hilos por núcleo.

Por ello, podemos encontrar procesadores con diferentes configuraciones:

• 6 núcleos y 12 hilos: Dos hilos hardware por núcleo.
• 8 núcleos y 16 hilos: Dos hilos hardware por núcleo.
• 8 núcleos y 8 hilos: Un hilo hardware por núcleo.

Es importante distinguir entre núcleos físicos y CPU lógicas. Dos hilos hardware de un mismo núcleo comparten recursos y no ofrecen necesariamente el mismo rendimiento que dos núcleos físicos independientes.

Tener más núcleos o hilos no implica necesariamente un mayor rendimiento en todas las aplicaciones. Depende de cómo estén diseñadas y de su capacidad para aprovechar el procesamiento paralelo.

Frecuencia de reloj

La frecuencia de reloj indica el número de ciclos por segundo y se expresa habitualmente en gigahercios (GHz).

Por ejemplo:

• 3 GHz equivalen a 3.000 millones de ciclos por segundo.
• 4,5 GHz equivalen a 4.500 millones de ciclos por segundo.

Los procesadores modernos pueden funcionar a distintas frecuencias según la carga de trabajo, la temperatura y los límites de potencia.

Habitualmente se distingue entre:

• Frecuencia base: Frecuencia de referencia definida por el fabricante para determinadas condiciones de funcionamiento.
• Frecuencia turbo o boost: Frecuencia máxima que puede alcanzar el procesador bajo determinadas condiciones.

Instrucciones por ciclo (IPC)

El IPC (Instructions Per Cycle) indica el número medio de instrucciones que un procesador ejecuta por cada ciclo de reloj.

Un IPC mayor significa que el procesador puede realizar más trabajo por ciclo, aunque este valor depende de la arquitectura y del programa que se esté ejecutando.

Para estimar el número de instrucciones ejecutadas por segundo podemos utilizar la siguiente relación:

Instrucciones por segundo = Frecuencia × IPC

Ejemplo: frecuencia frente a IPC

Supongamos dos procesadores ejecutando el mismo programa:

Característica	Procesador A	Procesador B
Frecuencia	4 GHz	3 GHz
IPC	2	3
Instrucciones por segundo	8.000 millones	9.000 millones

Procesador A:

4.000 millones de ciclos/s × 2 instrucciones/ciclo = 8.000 millones de instrucciones/s.

Procesador B:

3.000 millones de ciclos/s × 3 instrucciones/ciclo = 9.000 millones de instrucciones/s.

Aunque el procesador B tiene una frecuencia inferior, ejecuta más instrucciones por segundo gracias a su mayor IPC.

Importante

No podemos comparar el rendimiento de dos procesadores únicamente por su frecuencia de reloj.

También influyen la arquitectura, el IPC, el número de núcleos, la memoria caché y otros factores.

Además, ejecutar más instrucciones por segundo no implica necesariamente terminar antes un programa, ya que distintas arquitecturas pueden necesitar diferentes cantidades de instrucciones para realizar la misma tarea.

Memoria caché

La CPU incorpora pequeñas memorias de gran velocidad que permiten acceder rápidamente a instrucciones y datos utilizados con frecuencia, evitando tener que acceder continuamente a la memoria RAM.

Estas memorias se organizan habitualmente en distintos niveles:

• L1: Es la caché más próxima al núcleo, con menor capacidad y menor latencia. Habitualmente está separada en caché de instrucciones y caché de datos.
• L2: Tiene mayor capacidad que L1, pero generalmente presenta una latencia superior. Habitualmente está asociada a un núcleo.
• L3: Tiene mayor capacidad y suele estar compartida entre varios núcleos. Generalmente presenta una latencia superior a L2.

Para describir el rendimiento de estas memorias debemos distinguir dos conceptos:

• Latencia: Tiempo que transcurre desde que se solicita un dato hasta que está disponible. Se expresa en nanosegundos (ns) o ciclos de reloj. Cuanto menor sea, mejor.
• Velocidad de transferencia (ancho de banda): Cantidad de datos que puede transferirse por unidad de tiempo. Se expresa habitualmente en GB/s. Cuanto mayor sea, mejor.

Una memoria puede tener una latencia baja sin disponer necesariamente de un ancho de banda elevado.

Ejemplo: jerarquía de memoria caché

Supongamos un procesador de 4 núcleos con las siguientes características:

Nivel	Capacidad	Latencia aproximada	Ancho de banda aproximado
L1	32 KiB de datos + 32 KiB de instrucciones por núcleo	4 ciclos	1 TB/s
L2	1 MiB por núcleo	12 ciclos	500 GB/s
L3	16 MiB compartidos	40 ciclos	100 GB/s

Cuando la CPU necesita un dato, comprueba primero si está disponible en la caché L1. Si no lo encuentra, puede recurrir a L2, después a L3 y, finalmente, a la memoria RAM.

En general, conforme nos alejamos del núcleo:

• Aumenta la capacidad de almacenamiento.
• Aumenta la latencia de acceso.
• Disminuye el ancho de banda disponible para el núcleo.

La organización y el tamaño de las cachés dependen de la arquitectura del procesador.

Estudiaremos la memoria caché con más detalle en el apartado dedicado a la memoria.

Ejercicio resuelto: conversión de ciclos de reloj a nanosegundos

Supongamos que el procesador del ejemplo funciona a una frecuencia de 4 GHz y queremos convertir las latencias de sus memorias caché a tiempo real.

Sabemos que:

• 4 GHz = 4.000 millones de ciclos por segundo.
• 1 segundo = 1.000 millones de nanosegundos.

Por tanto, la duración de un ciclo de reloj es:

1 / 4.000.000.000 = 0,25 ns

Para calcular la latencia en nanosegundos multiplicamos el número de ciclos por la duración de cada ciclo:

Latencia (ns) = Ciclos × 0,25 ns

Aplicamos esta relación a las latencias del ejemplo:

Nivel	Latencia en ciclos	Cálculo	Latencia en tiempo
L1	4 ciclos	4 × 0,25 ns	1 ns
L2	12 ciclos	12 × 0,25 ns	3 ns
L3	40 ciclos	40 × 0,25 ns	10 ns

Conclusión: Aunque las latencias se expresen en varios ciclos de reloj, los tiempos de acceso a la memoria caché son extremadamente pequeños, del orden de los nanosegundos.

Consumo energético y temperatura

El funcionamiento de la CPU requiere energía eléctrica y genera calor.

Entre las especificaciones comerciales podemos encontrar:

• TDP (Thermal Design Power): Parámetro térmico utilizado para orientar el diseño de la refrigeración. Su significado concreto depende del fabricante.
• Potencia máxima: Consumo que puede alcanzar el procesador en determinadas condiciones de funcionamiento.
• Temperatura máxima: Límite térmico especificado por el fabricante.

Ejemplo: consumo y temperatura de un procesador

Supongamos un procesador con las siguientes especificaciones:

Característica	Valor
TDP	65 W
Potencia máxima	150 W
Temperatura máxima	100 °C

¿Qué significan estos valores?

• TDP de 65 W: Es un valor de referencia para dimensionar la refrigeración, según los criterios del fabricante. No significa que el procesador consuma siempre 65 W.
• Potencia máxima de 150 W: En determinadas condiciones de funcionamiento, el procesador puede alcanzar ese consumo.
• Temperatura máxima de 100 °C: Es el límite térmico especificado para el procesador. No significa que deba funcionar habitualmente a esa temperatura.

Por ejemplo, al ejecutar una aplicación exigente, el consumo puede aumentar considerablemente respecto al que presenta el procesador cuando está en reposo.

Para evitar temperaturas excesivas se utilizan sistemas de refrigeración, principalmente:

• Disipadores con ventilador: Transfieren el calor del procesador al aire mediante un disipador metálico y uno o varios ventiladores.
• Refrigeración líquida: Utiliza un líquido refrigerante para transportar el calor desde el procesador hasta un radiador.

Thermal throttling

Cuando la temperatura alcanza determinados límites, el procesador puede reducir automáticamente su frecuencia y rendimiento para protegerse. Este mecanismo se conoce como thermal throttling.

Ejemplo: reducción del rendimiento por temperatura

Supongamos que un procesador funciona inicialmente a 4,5 GHz mientras ejecuta una tarea exigente.

Si el sistema de refrigeración no consigue disipar suficiente calor, la temperatura aumenta hasta alcanzar el límite establecido por el fabricante.

El procesador puede reducir entonces su frecuencia, por ejemplo, de 4,5 GHz a 3 GHz, para disminuir el consumo y la generación de calor.

Como consecuencia, el programa puede tardar más tiempo en finalizar.

Gráficos integrados

Algunos procesadores incorporan una GPU integrada (iGPU) que permite generar gráficos sin necesidad de instalar una tarjeta gráfica dedicada.

Resulta especialmente útil en equipos de ofimática, desarrollo y uso general.

No todos los procesadores incorporan gráficos integrados y su rendimiento depende del modelo.

Estudiaremos las GPU con más detalle en el apartado dedicado a los dispositivos de entrada/salida.

Ejemplo: Intel Arc B390 (2026)

La Intel Arc B390 es una GPU integrada en procesadores como el Intel Core Ultra X9 388H, presentado en 2026.

Sus principales características son:

Característica	Valor
Arquitectura	Intel Xe3
Núcleos gráficos (Xe-cores)	12
Frecuencia máxima	2,5 GHz
Memoria gráfica	Compartida con la RAM del sistema
Compatibilidad gráfica	DirectX 12 Ultimate y Vulkan

La Intel Arc B390 utiliza la memoria RAM del ordenador y permite ejecutar aplicaciones gráficas, reproducir contenido multimedia y utilizar videojuegos sin necesidad de instalar una tarjeta gráfica dedicada.

2. Fabricantes y familias de procesadores

Los fabricantes comercializan numerosos procesadores con diferentes características, prestaciones y precios. Para organizar sus catálogos utilizan distintas denominaciones comerciales.

Aunque cada fabricante emplea su propio sistema de nombres, podemos distinguir varios conceptos:

• Familia: Conjunto amplio de procesadores que comparten una denominación comercial, como Intel Core Ultra o AMD Ryzen.
• Gama: Categoría que permite diferenciar niveles de prestaciones dentro de una familia, como Core Ultra 5, 7 y 9 o Ryzen 5, 7 y 9.
• Serie o generación: Agrupación de procesadores correspondiente a una determinada etapa de desarrollo o lanzamiento, como Intel Core Ultra Series 2 o AMD Ryzen 9000.
• Modelo: Procesador concreto identificado mediante una denominación comercial, como Core Ultra 7 265 o Ryzen 7 9700X.
• Variante: Versión de un procesador con características específicas, identificada frecuentemente mediante sufijos como K, F, G o X.

Por ejemplo, podemos identificar las siguientes denominaciones comerciales:

Modelo	Core Ultra 7 265	Ryzen 7 9700X	M4 Pro
Fabricante	Intel	AMD	Apple
Familia	Core Ultra	Ryzen	Apple M
Gama	Core Ultra 7	Ryzen 7	M Pro
Serie o generación	Core Ultra Series 2	Ryzen 9000	M4
Variante	Sin sufijo	X	Pro

Estas categorías ayudan a interpretar los catálogos, pero no constituyen una clasificación universal. Cada fabricante utiliza sus propias denominaciones y criterios comerciales.

Intel

Intel comercializa procesadores para ordenadores personales, estaciones de trabajo y servidores.

Sus principales familias comerciales son:

• Intel Core 3, 5 y 7: Procesadores para ordenadores personales de diferentes gamas. Por ejemplo, un Core 3 puede utilizarse en un ordenador de oficina, mientras que un Core 7 resulta adecuado para tareas más exigentes, como programación y multitarea.
• Intel Core Ultra 5, 7 y 9: Procesadores de gama avanzada, con tecnologías adicionales como unidades de procesamiento neuronal (NPU) en determinadas series. Por ejemplo, un Core Ultra 7 puede utilizarse en un equipo de desarrollo de software que ejecute varias herramientas y máquinas virtuales.
• Intel Xeon: Procesadores destinados principalmente a estaciones de trabajo y servidores. Por ejemplo, un servidor que aloje aplicaciones web y bases de datos.

En las denominaciones de algunos procesadores Intel encontramos sufijos que identifican características específicas.

Procesadores de sobremesa:

Variante	Finalidad	Ejemplo de uso
K	Overclocking.	Ordenador de alto rendimiento.
F	Sin GPU integrada activa.	PC con tarjeta gráfica dedicada.
KF	Overclocking y sin GPU integrada activa.	PC de alto rendimiento con gráfica dedicada.
T	Menor consumo energético.	Ordenador compacto de oficina.

AMD

AMD comercializa procesadores para ordenadores personales, estaciones de trabajo y servidores.

Sus principales familias comerciales son:

• Ryzen 3, 5, 7 y 9: Procesadores para ordenadores personales de diferentes gamas. Por ejemplo, un Ryzen 5 puede utilizarse para programación y tareas cotidianas, mientras que un Ryzen 9 resulta adecuado para compilaciones exigentes, edición de vídeo y multitarea intensiva.
• Ryzen AI: Procesadores con unidades especializadas en inteligencia artificial. Por ejemplo, un portátil que ejecute funciones de IA localmente.
• Ryzen Threadripper: Procesadores de alto rendimiento destinados principalmente a estaciones de trabajo. Por ejemplo, un equipo profesional de renderizado 3D.
• EPYC: Procesadores diseñados para servidores y centros de datos. Por ejemplo, un servidor que aloje numerosas máquinas virtuales.

En los ordenadores de sobremesa encontramos diferentes series, como Ryzen 7000, 8000 y 9000, así como variantes con denominaciones específicas:

Variante	Finalidad	Ejemplo de uso
G	Gráficos integrados de mayor capacidad.	PC doméstico sin gráfica dedicada.
X	Mayor rendimiento dentro de determinadas series.	Ordenador para desarrollo de software exigente.
X3D	Mayor memoria caché mediante AMD 3D V-Cache.	Ordenador para videojuegos.

Apple

Apple diseña sus propios procesadores basados en la arquitectura ARM, conocidos comercialmente como Apple Silicon.

Estos chips integran diferentes componentes, como CPU, GPU y controladores de memoria.

La familia Apple M, utilizada en los ordenadores Mac, incluye diferentes variantes:

Variante	Finalidad	Ejemplo de uso
M	Uso general.	MacBook Air para ofimática y programación.
M Pro	Mayor rendimiento de CPU y GPU.	MacBook Pro para desarrollo profesional.
M Max	Alto rendimiento gráfico.	Edición de vídeo y renderizado profesional.
M Ultra	Máxima capacidad de procesamiento en las generaciones que lo incluyen.	Mac Studio para producción audiovisual exigente.

Fabricantes de procesadores y ordenadores

Intel y AMD suministran procesadores a numerosos fabricantes de ordenadores, como Dell, HP, Lenovo, ASUS, Acer y MSI.

En cambio, Apple diseña sus propios procesadores y los utiliza en sus equipos.