Hardware informático

La arquitectura de conjunto de instrucciones (ISA) más común —la interfaz entre el hardware y el software de una computadora— se basa en la ideada por von Neumann en 1945. ^{[ 17 ]} A pesar de la separación de la unidad de cálculo y el sistema de E/S en muchos diagramas, normalmente el hardware se comparte, con un bit en la unidad de cálculo que indica si está en modo de cálculo o de E/S. ^{[ 18 ]} Los tipos comunes de ISA incluyen CISC ( computadora de conjunto de instrucciones complejo ), RISC ( computadora de conjunto de instrucciones reducido ), operaciones vectoriales y modos híbridos. ^{[ 19 ]} CISC implica el uso de un conjunto de expresiones más grande para minimizar la cantidad de instrucciones que las máquinas necesitan usar. ^{[ 20 ]} Basado en el reconocimiento de que solo se usan comúnmente unas pocas instrucciones, RISC reduce el conjunto de instrucciones para una mayor simplicidad, lo que también permite la inclusión de más registros . ^{[ 21 ]} Tras la invención de RISC en la década de 1980, las arquitecturas basadas en RISC que utilizaban segmentación y almacenamiento en caché para aumentar el rendimiento desplazaron a las arquitecturas CISC, especialmente en aplicaciones con restricciones de consumo de energía o espacio (como los teléfonos móviles ). De 1986 a 2003, la tasa anual de mejora del rendimiento del hardware superó el 50 por ciento, lo que permitió el desarrollo de nuevos dispositivos informáticos como tabletas y móviles. ^{[ 22 ]} Junto con la densidad de transistores, la memoria DRAM, así como el almacenamiento en disco flash y magnético, también se volvieron exponencialmente más compactos y económicos. La tasa de mejora se ralentizó en el siglo XXI. ^{[ 23 ]}

En el siglo XXI, los aumentos en el rendimiento han sido impulsados ​​por una mayor explotación del paralelismo . ^{[ 24 ]} Las aplicaciones suelen ser paralelizable de dos maneras: o bien la misma función se ejecuta en múltiples áreas de datos ( paralelismo de datos ) o bien se pueden realizar diferentes tareas simultáneamente con una interacción limitada ( paralelismo de tareas ). ^{[ 25 ]} Estas formas de paralelismo se adaptan a diversas estrategias de hardware, incluido el paralelismo a nivel de instrucción (como la segmentación de instrucciones ), las arquitecturas vectoriales y las unidades de procesamiento gráfico (GPU) que pueden implementar paralelismo de datos, paralelismo a nivel de subprocesos y paralelismo a nivel de solicitudes (ambos implementan paralelismo a nivel de tareas). ^{[ 25 ]}

La microarquitectura , también conocida como organización de computadoras, se refiere a cuestiones de hardware de alto nivel, como el diseño de la CPU, la memoria y la interconexión de memoria . ^{[ 26 ]} La jerarquía de memoria garantiza que la memoria de acceso más rápido (y más costosa) se ubique más cerca de la CPU, mientras que la memoria más lenta y económica para el almacenamiento de grandes volúmenes se ubica más lejos. ^{[ 27 ]} La memoria generalmente se segrega para separar los programas de los datos y limitar la capacidad de un atacante para alterar los programas. ^{[ 28 ]} La mayoría de las computadoras utilizan memoria virtual para simplificar el direccionamiento de los programas, utilizando el sistema operativo para asignar la memoria virtual a diferentes áreas de la memoria física finita. ^{[ 29 ]}

Los procesadores de computadora generan calor, y el calor excesivo afecta su rendimiento y puede dañar los componentes. Muchos chips de computadora reducen automáticamente su rendimiento para evitar el sobrecalentamiento. Las computadoras también suelen tener mecanismos para disipar el calor excesivo, como refrigeradores de aire o líquido para la CPU y la GPU y disipadores de calor para otros componentes, como la RAM . Las carcasas de las computadoras también suelen estar ventiladas para ayudar a disipar el calor de la computadora. ^{[ 30 ]} Los centros de datos suelen utilizar soluciones de refrigeración más sofisticadas para mantener segura la temperatura de funcionamiento de todo el centro. Los sistemas de refrigeración por aire son más comunes en centros de datos más pequeños o antiguos, mientras que la refrigeración por inmersión líquida (donde cada computadora está rodeada de fluido refrigerante) y la refrigeración directa al chip (donde el fluido refrigerante se dirige a cada chip de la computadora) pueden ser más costosas pero también son más eficientes. ^{[ 31 ]} La mayoría de las computadoras están diseñadas para ser más potentes que su sistema de refrigeración, pero sus operaciones sostenidas no pueden exceder la capacidad del sistema de refrigeración. ^{[ 32 ]} Si bien el rendimiento puede incrementarse temporalmente cuando la computadora no está caliente ( overclocking ), ^{[ 33 ]} para proteger el hardware del calor excesivo, el sistema reducirá automáticamente el rendimiento o apagará el procesador si es necesario. ^{[ 32 ]} Los procesadores también se apagarán o entrarán en un modo de bajo consumo cuando estén inactivos para reducir el calor. ^{[ 34 ]} La entrega de energía, así como la disipación de calor, son los aspectos más desafiantes del diseño de hardware, ^{[ 35 ]} y han sido el factor limitante para el desarrollo de chips más pequeños y rápidos desde principios del siglo XXI. ^{[ 34 ]} Los aumentos en el rendimiento requieren un aumento proporcional en el consumo de energía y la demanda de refrigeración. ^{[ 36 ]}

El ordenador personal es uno de los tipos de ordenadores más comunes debido a su versatilidad y a su precio relativamente bajo.

• Los ordenadores de sobremesa constan de un monitor , un teclado , un ratón y una carcasa . La carcasa aloja la placa base , las unidades de disco (fijas o extraíbles) para el almacenamiento de datos, la fuente de alimentación y, en ocasiones, otros periféricos como módems o interfaces de red. Algunos modelos integraban el monitor y el teclado en la misma carcasa que el procesador y la fuente de alimentación. Esta separación permite al usuario organizar los componentes de forma cómoda y ordenada, aunque implica la gestión de los cables de alimentación y de datos.
• Los portátiles están diseñados para la portabilidad, pero funcionan de forma similar a los ordenadores de sobremesa. ^{[ 37 ]} Pueden utilizar componentes de menor potencia o tamaño reducido, con un rendimiento inferior al de un ordenador de sobremesa de precio similar. ^{[ 38 ]} Los portátiles contienen el teclado, la pantalla y el procesador en una sola carcasa. El monitor, ubicado en la cubierta superior plegable de la carcasa, se puede cerrar para su transporte y así proteger la pantalla y el teclado. En lugar de un ratón, los portátiles pueden tener un panel táctil o un puntero .
• Las tabletas son computadoras portátiles que utilizan una pantalla táctil como dispositivo de entrada principal. Generalmente, las tabletas pesan menos y son más pequeñas que las computadoras portátiles. Algunas tabletas incluyen teclados plegables u ofrecen conexiones para teclados externos. Algunos modelos de computadoras portátiles tienen un teclado desmontable, lo que permite configurar el sistema como una tableta con pantalla táctil. A veces se les denomina computadoras portátiles desmontables 2 en 1 o híbridos tableta-computadora portátil. ^{[ 39 ]}
• Los teléfonos móviles están diseñados para tener una batería de larga duración y un peso ligero, aunque con menos funcionalidades que los ordenadores más grandes. Presentan una arquitectura de hardware diversa, que suele incluir antenas, micrófonos, cámaras, dispositivos GPS y altavoces. Las conexiones de alimentación y datos varían entre los teléfonos. ^{[ 40 ]}

• Un ordenador central (mainframe) es un ordenador mucho más grande que normalmente ocupa una habitación entera y puede costar cientos o miles de veces más que un ordenador personal. Están diseñados para realizar un gran número de cálculos para gobiernos y grandes empresas.
• En las décadas de 1960 y 1970, cada vez más departamentos comenzaron a utilizar sistemas más económicos y dedicados para fines específicos, como el control de procesos y la automatización de laboratorios . Una minicomputadora , o coloquialmente mini , es una clase de computadoras más pequeñas que se desarrolló a mediados de la década de 1960 ^{[ 41 ] [ 42 ]} y se vendía por mucho menos que las computadoras centrales ^{[ 43 ]} y las computadoras de tamaño mediano de IBM y sus competidores directos.
• Las supercomputadoras pueden costar cientos de millones de dólares. Están diseñadas para maximizar el rendimiento en aritmética de punto flotante y ejecutar programas por lotes que pueden tardar semanas en completarse. Debido a la necesidad de una comunicación eficiente entre programas paralelos , la velocidad de la red interna es una prioridad crítica. ^{[ 44 ]}
• Los ordenadores a escala de almacén son versiones más grandes de los clústeres de ordenadores que se popularizaron con el software como servicio (SaaS) proporcionado a través de internet . Su diseño busca minimizar el coste por operación y el consumo de energía, ya que pueden costar más de 100 millones de dólares para un almacén y los ordenadores que se instalan en él (los ordenadores deben reemplazarse cada pocos años). Si bien la disponibilidad es crucial para los productos SaaS, el software está diseñado para compensar los fallos de disponibilidad, a diferencia de las supercomputadoras. ^{[ 44 ]}

El hardware virtual es un software que imita la función del hardware; se utiliza comúnmente en infraestructura como servicio (IaaS) y plataforma como servicio (PaaS). ^{[ 45 ]}

Los sistemas embebidos presentan la mayor variación en su potencia de procesamiento y costo: desde un procesador de 8 bits que puede costar menos de 0,10 USD , hasta procesadores de gama alta capaces de realizar miles de millones de operaciones por segundo y que cuestan más de 100 USD. El costo es una preocupación particular en estos sistemas, y los diseñadores suelen optar por la opción más económica que cumpla con los requisitos de rendimiento. ^{[ 46 ]}

Una carcasa de ordenador encierra la mayoría de los componentes de un sistema informático de sobremesa. Proporciona soporte mecánico y protección a elementos internos como la placa base, las unidades de disco y la fuente de alimentación, y controla y dirige el flujo de aire de refrigeración sobre los componentes internos. La carcasa también forma parte del sistema para controlar la interferencia electromagnética emitida por el ordenador y protege las partes internas de las descargas electrostáticas. Las carcasas de torre grandes ofrecen espacio para varias unidades de disco u otros periféricos y suelen colocarse en el suelo, mientras que las carcasas de sobremesa ofrecen menos espacio de expansión. Los diseños todo en uno incluyen una pantalla de vídeo integrada en la misma carcasa. Los ordenadores portátiles requieren carcasas que proporcionen protección contra impactos. Los aficionados pueden decorar las carcasas con luces de colores, pintura u otros elementos, en una actividad conocida como modificación de carcasas .

La mayoría de las fuentes de alimentación de ordenadores personales cumplen con el estándar ATX y convierten la corriente alterna (CA) de entre 120 y 277 voltios suministrada por una toma de corriente a corriente continua (CC) de un voltaje mucho menor: normalmente 12, 5 o 3,3 voltios. ^{[ 47 ]}

La placa base es el componente principal de una computadora. Es una placa con circuitos integrados que conecta las demás partes de la computadora, incluyendo la CPU , la RAM , las unidades de disco ( CD , DVD , disco duro u otras), así como cualquier periférico conectado a través de los puertos o las ranuras de expansión . Los chips de circuitos integrados (CI) de una computadora suelen contener miles de millones de pequeños transistores de efecto de campo de óxido metálico-semiconductor (MOSFET). ^{[ 48 ]}

Los componentes conectados directamente a la placa base o a parte de ella incluyen:

• Al menos una CPU (unidad central de procesamiento), que realiza la mayoría de las tareas computacionales necesarias para que una computadora funcione. ^{[ 49 ]} A menudo descrita informalmente como el cerebro de la computadora, ^{[ 50 ]} la CPU obtiene las instrucciones del programa de la memoria de acceso aleatorio (RAM), las decodifica y ejecuta, luego devuelve los resultados para su posterior procesamiento por otros componentes. Este proceso se conoce como ciclo de instrucción . Las CPU modernas son microprocesadores fabricados en un circuito integrado (CI) de metal-óxido-semiconductor (MOS) utilizando técnicas avanzadas de fabricación de dispositivos semiconductores , a menudo empleando fotolitografía . Por lo general, se enfrían utilizando un disipador de calor y un ventilador o un sistema de refrigeración líquida . Muchas CPU contemporáneas integran una unidad de procesamiento gráfico ( GPU ) en el chip , eliminando la necesidad de una GPU discreta en los sistemas básicos. El rendimiento de la CPU está influenciado por la velocidad de reloj, medida en gigahercios (GHz), con procesadores de consumo comunes que van de 1 GHz a 5 GHz. Además, existe una tendencia creciente hacia los diseños multinúcleo , donde se incluyen múltiples núcleos de procesamiento en un solo chip, lo que permite un mayor paralelismo y un mejor rendimiento multitarea. ^{[ 50 ]}  
• El bus interno conecta la CPU a la memoria principal a través de múltiples líneas de comunicación —normalmente de 50 a 100— divididas en buses de dirección, datos y control, cada uno manejando tipos específicos de señales. ^{[ 51 ]} Históricamente, los buses paralelos fueron dominantes, pero en el siglo XXI, los buses serie de alta velocidad (a menudo utilizando tecnología serializador/deserializador (SerDes)) los han reemplazado en gran medida, permitiendo un mayor rendimiento de datos a través de menos conexiones físicas. Ejemplos incluyen PCI Express y USB . ^{[ 52 ]} En sistemas con múltiples procesadores, se utiliza un bus de interconexión, tradicionalmente coordinado por un chip puente norte , que enlaza la CPU, la memoria y periféricos de alta velocidad como PCI . El puente sur maneja la comunicación con dispositivos de E/S más lentos como almacenamiento y puertos USB. ^{[ 53 ]} Sin embargo, en arquitecturas modernas como Intel QuickPath Interconnect o sistemas basados ​​en AMD Ryzen , estas funciones están cada vez más integradas en la propia CPU, formando un diseño similar a un sistema en un chip (SoC).
• La memoria de acceso aleatorio (RAM) almacena el código y los datos que utiliza activamente la CPU, organizados en una jerarquía de memoria optimizada para la velocidad de acceso y la reutilización prevista. En la parte superior de esta jerarquía se encuentran los registros , ubicados dentro del núcleo de la CPU, que ofrecen el acceso más rápido pero una capacidad extremadamente limitada. ^{[ 54 ]} Debajo de los registros hay varios niveles de memoria caché —L1, L2 y, a veces, L3— que normalmente se implementan utilizando memoria de acceso aleatorio estática (SRAM). Las cachés tienen mayor capacidad que los registros pero menor que la memoria principal, y aunque son más lentas que los registros, son significativamente más rápidas que la memoria de acceso aleatorio dinámica (DRAM), que se utiliza para la RAM principal. ^{[ 55 ]} El almacenamiento en caché mejora el rendimiento al precargar los datos de uso frecuente, reduciendo así la latencia de la memoria . ^{[ 55 ] [ 56 ]} Cuando no se encuentran datos en la caché (un fallo de caché ), se recuperan de la memoria principal. La RAM es volátil, lo que significa que su contenido se pierde cuando el sistema pierde energía. ^{[ 57 ]} En los sistemas modernos, la DRAM suele ser del tipo DDR SDRAM , como DDR4 o DDR5.
• El almacenamiento permanente o memoria no volátil suele tener mayor capacidad y ser más económico que la memoria RAM, pero su acceso es mucho más lento. Históricamente, este tipo de almacenamiento se proporcionaba generalmente en forma de disco duro, pero las unidades de estado sólido (SSD) son cada vez más económicas y rápidas, lo que ha impulsado su creciente adopción. Las unidades USB y el almacenamiento en red o en la nube también son opciones viables. ^{[ 58 ]}
• La memoria de solo lectura (ROM) contiene firmware como el BIOS (Sistema Básico de Entrada/Salida), que inicializa el hardware durante el proceso de arranque —conocido como arranque o autoarranque— cuando se enciende el ordenador. Este firmware se almacena en un chip de memoria no volátil, tradicionalmente ROM o memoria flash , lo que permite actualizaciones en los sistemas modernos mediante actualización de firmware . ^{[ 59 ]}
  • La BIOS gestiona funciones esenciales, como la secuencia de arranque y la administración de energía, mediante el estándar ACPI . Sin embargo, la mayoría de las placas base modernas han adoptado la Interfaz de Firmware Extensible Unificada (UEFI), que ofrece capacidades mejoradas, tiempos de arranque más rápidos, compatibilidad con la Tabla de Particiones GUID (GPT) y funciones de arranque seguro.
• La batería CMOS (MOS complementario) , que alimenta la memoria CMOS para la fecha y la hora en el chip BIOS. Esta batería suele ser una pila de reloj .
• Los MOSFET de potencia componen el módulo regulador de voltaje (VRM), que controla la cantidad de voltaje que reciben otros componentes de hardware. ^{[ 60 ]}

En informática, una tarjeta de expansión es una placa de circuito impreso que se puede insertar en una ranura de expansión de la placa base o del backplane de un ordenador para añadir funcionalidad al sistema informático a través del bus de expansión. Las tarjetas de expansión se pueden utilizar para obtener o ampliar características que no ofrece la placa base. ^{[ 61 ]} El uso de tarjetas de expansión para un procesador de vídeo solía ser común, pero los ordenadores modernos suelen tener una GPU integrada en la placa base. ^{[ 62 ]}

La mayoría de las computadoras también tienen un bus de datos externo para conectar dispositivos periféricos a la placa base. Lo más común es usar el Bus Serie Universal (USB). ^{[ 63 ]} A diferencia del bus interno, el bus externo se conecta mediante un controlador de bus que permite que el sistema periférico opere a una velocidad diferente a la de la CPU. ^{[ 63 ]} Los dispositivos de entrada y salida se utilizan para recibir datos del mundo exterior o escribir datos, respectivamente. Ejemplos comunes incluyen teclados y ratones (entrada) y pantallas e impresoras (salida). Los controladores de interfaz de red se utilizan para acceder a Internet . ^{[ 64 ]} Los puertos USB también permiten alimentar los dispositivos conectados: un USB estándar suministra energía a 5 voltios y hasta 500 miliamperios (2,5 vatios ), mientras que los puertos USB alimentados con pines adicionales pueden permitir el suministro de más energía: hasta 6 amperios a 24 V. ^{[ 65 ]}

La unidad central de procesamiento contiene diversos materiales tóxicos. Puede incluir plomo y cromo en placas metálicas. Las resistencias, semiconductores, detectores infrarrojos, estabilizadores, cables y alambres pueden contener cadmio, mientras que las placas de circuitos de las computadoras también pueden contener mercurio y cromo. ^{[ 74 ]} La eliminación inadecuada de estos materiales y productos químicos puede representar graves riesgos para el medio ambiente.

Cuando los subproductos de los residuos electrónicos se filtran a las aguas subterráneas, se queman o se manipulan incorrectamente durante el reciclaje, causan daños. Los problemas de salud asociados con estas toxinas incluyen deterioro del desarrollo mental, cáncer y daños en los pulmones, el hígado y los riñones. ^{[ 75 ]} Los componentes de las computadoras contienen muchas sustancias tóxicas, como dioxinas , bifenilos policlorados (PCB), cadmio , cromo , isótopos radiactivos y mercurio . Las placas de circuitos contienen cantidades considerables de soldaduras de plomo-estaño que tienen más probabilidades de filtrarse a las aguas subterráneas o generar contaminación del aire debido a la incineración. ^{[ 76 ]}

El reciclaje de hardware informático se considera respetuoso con el medio ambiente porque evita que los residuos peligrosos , incluidos los metales pesados ​​y los carcinógenos, lleguen a la atmósfera, los vertederos o los cursos de agua. Si bien los aparatos electrónicos representan una pequeña fracción del total de residuos generados, son mucho más peligrosos. Existe una legislación estricta diseñada para garantizar y fomentar la eliminación sostenible de aparatos, entre las que destacan la Directiva sobre Residuos de Aparatos Eléctricos y Electrónicos de la Unión Europea y la Ley Nacional de Reciclaje de Ordenadores de Estados Unidos. ^{[ 77 ]}

El reciclaje electrónico , o reciclaje de hardware informático, se refiere a la donación, reutilización, trituración y recolección general de aparatos electrónicos usados. En términos generales, el término se refiere al proceso de recolección, intermediación, desmontaje, reparación y reciclaje de los componentes o metales contenidos en equipos electrónicos usados ​​o desechados, también conocidos como residuos electrónicos (RAEE). Los artículos reciclables incluyen, entre otros: televisores, computadoras, hornos microondas, aspiradoras, teléfonos fijos y celulares, equipos de música, reproductores de video y DVD; prácticamente cualquier cosa que tenga un cable, luz o funcione con algún tipo de batería. ^{[ 78 ]}

Algunas empresas, como Dell y Apple , reciclan ordenadores de su propia marca o de cualquier otra. También se puede donar un ordenador a Computer Aid International , una organización que recicla y reacondiciona ordenadores usados ​​para hospitales, escuelas, universidades, etc. ^{[ 79 ]}