En el corazón de la máquina

Introducción al procesador central del ordenador

Los procesadores de una unidad central de proceso (CPU, de Central Processing Unit) funcionan al ritmo de un circuito de «reloj», que actualmente tiene una frecuencia variable según un equilibrio entre eficiencia y consumo de energía.

Por ejemplo, la CPU de la marca Intel denominada Core i9-12900KF tiene una frecuencia base de 3,2 GHz y suele alcanzar los 4,55 o incluso 5,2 GHz.

Un gigahercio (símbolo: GHz) corresponde a mil millones de ciclos por segundo, lo que es considerable si se tiene en cuenta que la corriente alterna en España es de 50 Hz y que el oído humano no puede distinguir sonidos agudos por encima de 20 000 Hz (ni graves con una frecuencia inferior a 16 Hz).

Desde la década de los 2000, se han tenido que poner en marcha nuevas estrategias para seguir duplicando, cada dos años, el número de componentes en una misma superficie de silicio, a la vez que se duplicaba la potencia del chip en cuestión (lo que a menudo se conoce como «ley de Moore», aunque esta denominación ha sido objeto de mucho debate).

La ley de Moore en pocas palabras

Ya no podemos contentarnos con miniaturizar los componentes y aumentar la frecuencia. De hecho, estamos llegando a límites físicos y el calentamiento es demasiado grande. Añadir sistemas de refrigeración funciona, pero da lugar a máquinas...

Funcionamiento del procesador y del ensamblador

Alrededor de la CPU

Los ordenadores actuales calculan en binario

Nosotros calculamos en base 10 y las máquinas lo hacen en base 2.

Los valores binarios (en base 2) que maneja el ordenador se nos presentan a menudo en hexadecimal (base 16) o en octal.

Por ejemplo, en nuestro código ensamblador, 0x80 designaba el identificador hexadecimal (reconocible por el prefijo 0x utilizado en los lenguajes C y ensamblador) del código del núcleo de Linux.

Por lo tanto, verá códigos de error del sistema expresados en hexadecimal con este prefijo, ya que el ensamblador y C se utilizan ampliamente para las capas más bajas de código.

Codificación de caracteres

Cuando se utiliza un editor de texto, la línea de comandos, una base de datos convencional o una hoja de cálculo, se manipulan principalmente expresiones en forma de texto.

Estas expresiones incluyen caracteres alfabéticos, representaciones de los diez dígitos (tenga en cuenta que no son los valores lo que está manipulando, sino el carácter, es decir, una referencia al «dibujo» que los representa), caracteres más raros -como una barra vertical (|)- y, por último, caracteres especiales, invisibles si no se solicita verlos, que tienen la particularidad de afectar al aspecto del texto cuando se visualiza en la pantalla o cuando se edita en papel (como el carácter invisible «salto de línea» para partir línea o el carácter «tabulador»). 

Los programas que manipulan estos datos textuales los interpretan y almacenan según sus propios objetivos. Un editor de texto le permite ver los caracteres de su idioma e interpreta ciertos caracteres especiales, como el salto de línea o el tabulador, en lugar de mostrárselos (a menos que se lo pida explícitamente). Una hoja de cálculo hace lo mismo, excepto en determinadas celdas que usted ha definido como numéricas, en cuyo caso interpreta la cadena de caracteres que representan números (así como los caracteres más, menos, coma o punto) para reconstituir un valor numérico, que luego se manipula y guarda como tal.

Cuando usted abre un archivo con extensión .csv en un editor de texto sencillo como Vim, Nano o Notepad++, podrá comprobar que ese archivo está formado por líneas con estructuras similares que incluyen caracteres, incluso para valores numéricos. La prueba de ello es que puede eliminar un solo carácter de una expresión que representa un valor numérico; de lo contrario solo tendría la opción de eliminar toda la cadena o no eliminar nada. Si le pide a su editor que le muestre los caracteres especiales, le indicará dónde termina la línea.

Sistemas de archivos

Los datos se almacenan (o «serializan») en distintos soportes, normalmente en discos duros. Para recuperar estos datos, es necesario disponer de una representación fiable y normalizada de los distintos agregados de datos: los archivos. Como estos se actualizan o se destruyen con regularidad, ha sido necesario poner en marcha distintas estrategias para dividir eficazmente estos datos en pequeñas partes. Esto se consigue particionándolos y gestionando directorios que los indexan, lo que permite memorizar la disposición de todas las partes constituyentes de los distintos archivos. Esta voluntad de organización eficaz y óptima se concreta en el concepto de «sistema de archivos».

Los siguientes sistemas de archivos son muy comunes (no hay que confundir sistema de archivos con formato de archivo; este último representa la organización lógica interna del archivo):

Tarjeta gráfica GPU, CUDA e IA

A diferencia de los conceptos anteriores, ahora vamos a analizar un elemento de configuración mucho más cercano al usuario final o a su estación de trabajo, así como a los nuevos hábitos de procesamiento de datos popularizados por ChatGPT: las tarjetas gráficas, es decir, las GPU.

Las GPU actuales son capaces de procesar grandes cantidades de datos en paralelo, lo que las hace especialmente adecuadas para tareas de alta carga computacional, como la inteligencia artificial (IA), la simulación científica y el renderizado de vídeo. Las GPU también se utilizan en los campos de la realidad virtual y aumentada, donde se requiere un alto rendimiento gráfico para crear experiencias inmersivas.

Las GPU potentes se utilizan en IA; en particular, a través de frameworks como TensorFlow y PyTorch, por varias razones:

El estándar de facto relativamente hegemónico...

Redes y comunicaciones de aplicaciones

1. Introducción a las redes locales

En la vida cotidiana, nuestras máquinas suelen estar conectadas a una LAN. Una LAN (Local Area Network) es una red local que conecta dispositivos, como ordenadores, impresoras y servidores, dentro de un área geográfica limitada, como un edificio, una oficina o una casa.

El objetivo de una red local es permitir la comunicación y el uso compartido de recursos entre los dispositivos conectados.

Las principales características de una red local son las siguientes:

• Área geográfica limitada: las redes locales cubren un área relativamente pequeña, como un solo edificio o un grupo de edificios cercanos.

• Conexión de alta velocidad: las redes locales suelen utilizar conexiones de alta velocidad, como Ethernet, para facilitar la transferencia rápida de datos entre dispositivos.

• Recursos compartidos: los dispositivos de una red local pueden compartir recursos como impresoras, servidores y dispositivos de almacenamiento. Esto permite una colaboración y un uso eficientes de los recursos dentro de la red.

• Control local: las redes locales suelen ser privadas y controladas por la organización o el individuo que las ha creado. Esto permite al administrador de la red gestionarla y protegerla según sus necesidades específicas.

Las redes de área local se utilizan habitualmente en hogares, pequeñas empresas, centros educativos y otros entornos, donde una red localizada es suficiente para satisfacer las necesidades de comunicación e intercambio de recursos de los usuarios.

Las redes locales pueden adoptar distintas topologías, es decir, los dispositivos están conectados según distintos patrones de relación.

¿Cómo se distribuyen las máquinas en una red?

Para encaminar los datos de un emisor a uno o varios destinatarios a través de la red, a menudo se establece un sistema de enrutamiento de red más o menos sofisticado que selecciona las rutas más adecuadas.

He aquí algunos tipos comunes de enrutamiento:

• Unicast: encaminamiento de datos a un único destino específico;

• Difusión: envío de datos a todos los destinatarios de la red;

• Multidifusión: envío de datos a un grupo específico de destinatarios;

• Anycast: envío de datos a uno de entre varios destinatarios...