El hardware de la computadora incluye las partes físicas de una computadora , como la unidad central de procesamiento (CPU), la memoria de acceso aleatorio (RAM) , la placa base , el almacenamiento de datos de la computadora , la tarjeta gráfica , la tarjeta de sonido y la carcasa de la computadora . Incluye dispositivos externos como un monitor , mouse , teclado y parlantes . [1] [2]
Por el contrario, el software es el conjunto de instrucciones que el hardware puede almacenar y ejecutar. El hardware se denomina así porque es duro o rígido con respecto a los cambios, mientras que el software es blando porque es fácil de cambiar.
El hardware normalmente es dirigido por el software para ejecutar cualquier comando o instrucción . Una combinación de hardware y software forma un sistema informático utilizable , aunque existen otros sistemas que solo cuentan con hardware.
Los primeros dispositivos informáticos más complicados que el antiguo ábaco datan del siglo XVII. El matemático francés Blaise Pascal diseñó un dispositivo basado en engranajes que podía sumar y restar, del que se vendieron alrededor de 50 modelos. Gottfried Leibniz inventó el calculador escalonado en 1676, que también podía dividir y multiplicar. Debido a las limitaciones de la fabricación contemporánea y a los defectos de diseño, el calculador de Leibniz no era muy funcional, pero dispositivos similares ( la rueda de Leibniz ) siguieron utilizándose hasta la década de 1970. [3] En el siglo XIX, el inglés Charles Babbage inventó la máquina diferencial , un dispositivo mecánico para calcular polinomios con fines astronómicos. [4] Babbage también diseñó una computadora de uso general que nunca se construyó. Gran parte del diseño se incorporó a las primeras computadoras: tarjetas perforadas para entrada y salida, memoria , una unidad aritmética análoga a las unidades centrales de procesamiento e incluso un lenguaje de programación primitivo similar al lenguaje ensamblador . [5]
En 1936, Alan Turing desarrolló la máquina universal de Turing para modelar cualquier tipo de computadora, demostrando que ninguna computadora sería capaz de resolver el problema de decisión . [6] La máquina de Turing universal era un tipo de computadora con programa almacenado capaz de imitar las operaciones de cualquier máquina de Turing (modelo de computadora) basándose en las instrucciones del software que se le pasaban. El almacenamiento de programas informáticos es clave para el funcionamiento de las computadoras modernas y es la conexión entre el hardware y el software de la computadora. [7] Incluso antes de esto, a mediados del siglo XIX, el matemático George Boole inventó el álgebra booleana , un sistema de lógica en el que cada proposición es verdadera o falsa. El álgebra booleana es ahora la base de los circuitos que modelan los transistores y otros componentes de los circuitos integrados que componen el hardware informático moderno. [8] En 1945, Turing terminó el diseño de una computadora (el motor de computación automática ) que nunca se construyó. [9]
Por esta época, el avance tecnológico en relés y tubos de vacío permitió la construcción de las primeras computadoras. [10] Basándose en el diseño de Babbage, George Stibitz en los Laboratorios Bell y Howard Aiken de la Universidad de Harvard construyeron computadoras de retransmisión , quienes diseñaron el MARK I. [5] También en 1945, el matemático John von Neumann , que trabajaba en el proyecto ENIAC en la Universidad de Pensilvania , ideó la arquitectura subyacente de von Neumann que ha servido como modelo para la mayoría de las computadoras modernas. [11] El diseño de Von Neumann presentaba una memoria centralizada que almacenaba datos y programas, una unidad central de procesamiento (CPU) con prioridad de acceso a la memoria y unidades de entrada y salida (E/S) . Von Neumann usó un solo bus para transferir datos, lo que significa que su solución al problema de almacenamiento al ubicar programas y datos adyacentes entre sí creó el cuello de botella de Von Neumann cuando el sistema intenta recuperar ambos al mismo tiempo, lo que a menudo limita el rendimiento del sistema. [12]
La arquitectura informática requiere priorizar entre diferentes objetivos, como costo, velocidad, disponibilidad y eficiencia energética. El diseñador debe tener un buen conocimiento de los requisitos de hardware y de muchos aspectos diferentes de la informática, desde los compiladores hasta el diseño de circuitos integrados. [14] El costo también se ha convertido en una limitación importante para los fabricantes que buscan vender sus productos por menos dinero que los competidores que ofrecen un producto muy similar . Los márgenes de beneficio también se han reducido. [15] Incluso cuando el rendimiento no aumenta, el costo de los componentes ha ido disminuyendo con el tiempo debido a las técnicas de fabricación mejoradas que tienen menos componentes rechazados en la etapa de control de calidad . [dieciséis]
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 computación y el sistema de E/S en muchos diagramas , normalmente el hardware es compartido, con un bit en la unidad informática que indica si está en modo de cálculo o de E/S. [18] Los tipos comunes de ISA incluyen CISC ( computadora con conjunto de instrucciones complejas ), RISC ( computadora con conjunto de instrucciones reducidas ), 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] Partiendo del reconocimiento de que normalmente sólo se utilizan unas pocas instrucciones, RISC reduce el conjunto de instrucciones para mayor simplicidad, lo que también permite la inclusión de más registros . [21] Después de la invención de RISC en la década de 1980, las arquitecturas basadas en RISC que utilizaban canalización y almacenamiento en caché para aumentar el rendimiento desplazaron a las arquitecturas CISC, particularmente en aplicaciones con restricciones en el uso de energía o espacio (como los teléfonos móviles ). De 1986 a 2003, la tasa anual de mejora en el rendimiento del hardware superó el 50 por ciento, lo que permitió el desarrollo de nuevos dispositivos informáticos como tabletas y teléfonos móviles. [22] Junto con la densidad de los transistores, la memoria DRAM, así como el almacenamiento flash y en disco magnético, también se volvieron exponencialmente más compactos y baratos. El ritmo de mejora disminuyó 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 paralelizables de dos maneras: o la misma función se ejecuta en múltiples áreas de datos ( paralelismo de datos ) o se pueden realizar diferentes tareas simultáneamente con interacción limitada ( paralelismo de tareas ). [25] Estas formas de paralelismo se adaptan a varias estrategias de hardware, incluido el paralelismo a nivel de instrucción (como la canalización de instrucciones ), arquitecturas vectoriales y unidades de procesamiento gráfico (GPU) que pueden implementar paralelismo de datos, paralelismo a nivel de subprocesos y solicitudes. paralelismo de nivel (ambos implementan paralelismo a nivel de tarea). [25]
La microarquitectura , también conocida como organización informática, se refiere a cuestiones de hardware de alto nivel, como el diseño de la CPU, la memoria y la interconexión de la memoria . [26] La jerarquía de memoria garantiza que la memoria de acceso más rápido (y más cara) esté ubicada más cerca de la CPU, mientras que la memoria más lenta y más barata para almacenamiento de gran volumen esté ubicada más lejos. [27] La memoria normalmente 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 usan 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 acelerarán automáticamente su rendimiento para evitar el sobrecalentamiento. Las computadoras también suelen tener mecanismos para disipar el calor excesivo, como refrigeradores de aire o líquidos 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 enfriados por aire son más comunes en centros de datos más pequeños o más antiguos, mientras que la inmersión enfriada por líquido (donde cada computadora está rodeada por líquido refrigerante) y la directa al chip (donde el líquido refrigerante se dirige a cada chip de computadora) pueden ser más comunes. caros pero también son más eficientes. [31] La mayoría de las computadoras están diseñadas para ser más poderosas que su sistema de enfriamiento, pero sus operaciones sostenidas no pueden exceder la capacidad del sistema de enfriamiento. [32] Si bien el rendimiento se puede aumentar 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 y 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 uso de energía y la demanda de refrigeración. [36]
La computadora personal es uno de los tipos de computadora más comunes debido a su versatilidad y precio relativamente bajo.
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El hardware virtual es software que imita la función del hardware; se utiliza comúnmente en infraestructura como servicio (IaaS) y plataforma como servicio (PaaS). [45]
Los sistemas integrados tienen la mayor variación en su potencia de procesamiento y costo: desde un procesador de 8 bits que podría costar menos de 0,10 dólares , hasta procesadores de gama alta capaces de realizar miles de millones de operaciones por segundo y que cuestan más de 100 dólares. El costo es una preocupación particular con estos sistemas, y los diseñadores a menudo eligen la opción más barata que satisfaga los requisitos de rendimiento. [46]
Una caja de computadora encierra la mayoría de los componentes de un sistema informático de escritorio. Proporciona soporte mecánico y protección para 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. El estuche también forma parte del sistema para controlar las interferencias electromagnéticas radiadas por la computadora y protege las partes internas de descargas electrostáticas. Las cajas de torre grandes brindan espacio para múltiples unidades de disco u otros periféricos y generalmente se ubican en el piso, mientras que las cajas de escritorio brindan menos espacio de expansión. Los diseños de estilo todo en uno incluyen una pantalla de video integrada en el mismo estuche. Las computadoras portátiles y portátiles requieren estuches que brinden protección contra impactos a la unidad. Los aficionados pueden decorar las cajas con luces de colores, pintura u otras características, en una actividad llamada modificación de cajas .
La mayoría de las unidades de fuente de alimentación de computadoras personales cumplen con el estándar ATX y convierten de corriente alterna (CA) de entre 120 y 277 voltios proporcionada desde una toma de corriente a corriente continua (CC) a un voltaje mucho más bajo: generalmente 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 otras partes de la computadora, incluida la CPU , la RAM , las unidades de disco ( CD , DVD , disco duro o cualquier otra), así como cualquier periférico conectado a través de los puertos o ranuras de expansión. . Los chips de circuito integrado (CI) de una computadora suelen contener miles de millones de pequeños transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET). [48]
Los componentes conectados directamente a la placa base o a parte de ella incluyen:
Una tarjeta de expansión en informática es una placa de circuito impreso que se puede insertar en una ranura de expansión de la placa base o placa posterior de una computadora para agregar funcionalidad a un sistema informático a través del bus de expansión. Las tarjetas de expansión se pueden utilizar para obtener o ampliar funciones que no ofrece la placa base. [ cita necesaria ] El uso de tarjetas de expansión para un procesador de video solía ser común, pero es más probable que las computadoras modernas tengan una GPU integrada en la placa base. [61]
La mayoría de las computadoras también tienen un bus de datos externo para conectar dispositivos periféricos a la placa base. Lo más habitual es que se utilice el bus serie universal (USB). [62] 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. [62] Los dispositivos de entrada y salida se utilizan para recibir datos del mundo externo o escribir datos respectivamente. Los ejemplos comunes incluyen teclados y ratones (entrada) y pantallas e impresoras (salida). Los controladores de interfaz de red se utilizan para acceder a Internet . [63] 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 con clavijas adicionales pueden permitir la entrega de más energía, hasta 6 amperios a 24v. [64]
Los ingresos globales por hardware informático en 2023 alcanzaron los 705.170 millones de dólares. [sesenta y cinco]
Debido a que las piezas de computadora contienen materiales peligrosos , existe un movimiento creciente para reciclar piezas viejas y obsoletas. [66] El hardware de la computadora contiene sustancias químicas peligrosas como plomo, mercurio, níquel y cadmio. Según la EPA, estos desechos electrónicos tienen un efecto nocivo para el medio ambiente a menos que se eliminen adecuadamente. Fabricar hardware requiere energía y reciclar piezas reducirá la contaminación del aire , la contaminación del agua y las emisiones de gases de efecto invernadero. [67] Desechar equipos informáticos no autorizados es, de hecho, ilegal. La legislación obliga a reciclar computadoras a través de instalaciones aprobadas por el gobierno . El reciclaje de una computadora puede resultar más fácil eliminando ciertas piezas reutilizables. Por ejemplo, se pueden reutilizar la RAM , la unidad de DVD, la tarjeta gráfica , el disco duro o SSD y otras piezas extraíbles similares.
Muchos materiales utilizados en el hardware de las computadoras se pueden recuperar mediante el reciclaje para su uso en producciones futuras. La reutilización de estaño , silicio , hierro , aluminio y una variedad de plásticos que están presentes a granel en computadoras u otros dispositivos electrónicos puede reducir los costos de construcción de nuevos sistemas. Los componentes contienen frecuentemente cobre , oro , tantalio , [68] [69] plata , platino , paladio y plomo , así como otros materiales valiosos aptos para la recuperación. [70] [71]
La unidad central de procesamiento contiene muchos materiales tóxicos. Contiene plomo y cromo en las placas de metal. Las resistencias, semiconductores, detectores de infrarrojos, estabilizadores, cables y alambres contienen cadmio. Las placas de circuito de una computadora contienen mercurio y cromo. [72] Cuando este tipo de materiales y productos químicos se eliminan de forma inadecuada, se volverán peligrosos para el medio ambiente.
Cuando los subproductos de los desechos electrónicos se filtran a las aguas subterráneas, se queman o se manejan mal durante el reciclaje, causan daños. Los problemas de salud asociados con dichas toxinas incluyen deterioro del desarrollo mental, cáncer y daños a los pulmones, el hígado y los riñones. [73] Los componentes de la computadora contienen muchas sustancias tóxicas, como dioxinas , bifenilos policlorados (PCB), cadmio , cromo , isótopos radiactivos y mercurio . Las placas de circuito contienen cantidades considerables de soldaduras de plomo y estaño que tienen más probabilidades de filtrarse al agua subterránea o generar contaminación del aire debido a la incineración. [74]
El reciclaje de hardware informático se considera respetuoso con el medio ambiente porque evita que residuos peligrosos , incluidos metales pesados y carcinógenos, entren a la atmósfera, los vertederos o las vías fluviales. Si bien los productos electrónicos representan una pequeña fracción del total de desechos generados, son mucho más peligrosos. Existe una legislación estricta diseñada para hacer cumplir y fomentar la eliminación sostenible de electrodomésticos, siendo la más notable la Directiva sobre residuos de aparatos eléctricos y electrónicos de la Unión Europea y la Ley Nacional de Reciclaje de Computadoras de los Estados Unidos. [75]
" E-cycling ", el reciclaje de hardware informático, se refiere a la donación, reutilización, trituración y recogida general de productos electrónicos usados. Genéricamente, 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 desechos electrónicos (e-waste). Los artículos "reciclables electrónicamente" incluyen, entre otros: televisores, computadoras, hornos microondas, aspiradoras, teléfonos y teléfonos celulares, estéreos y videograbadoras y DVD, casi cualquier cosa que tenga cable, luz o requiera algún tipo de batería. . [76]
Algunas empresas, como Dell y Apple , reciclarán computadoras de su marca o de cualquier otra. De lo contrario, se puede donar una computadora a Computer Aid International , que es una organización que recicla y restaura computadoras viejas para hospitales, escuelas, universidades, etc. [77]
Medios relacionados con hardware informático en Wikimedia Commons
Hardware informático en Wikilibros
Materiales de aprendizaje relacionados con el hardware informático en Wikiversity