El hardware de una 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 , un mouse , un teclado y parlantes . [1] [2]
Por el contrario, el software es el conjunto de instrucciones que puede almacenar y ejecutar el hardware. El hardware recibe ese nombre porque es duro o rígido con respecto a los cambios, mientras que el software es blando porque es fácil de cambiar.
El hardware suele recibir instrucciones del 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, vendiéndose alrededor de 50 modelos. El calculador escalonado fue inventado por Gottfried Leibniz en 1676, que también podía dividir y multiplicar. Debido a las limitaciones de la fabricación contemporánea y los fallos 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 propósito 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 universal de Turing era un tipo de computadora con programa almacenado capaz de imitar las operaciones de cualquier máquina de Turing (modelo de computadora) en función de las instrucciones de software que se le pasaban. El almacenamiento de programas de computadora 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 de Boole , un sistema de lógica donde cada proposición es verdadera o falsa. El álgebra de Boole es ahora la base de los circuitos que modelan los transistores y otros componentes de los circuitos integrados que forman el hardware de las computadoras modernas. [8] En 1945, Turing terminó el diseño de una computadora (la máquina de cómputo automático ) que nunca se construyó. [9]
En esa época, los avances tecnológicos en relés y tubos de vacío permitieron la construcción de los primeros ordenadores. [10] Basándose en el diseño de Babbage, los ordenadores de relé fueron construidos por George Stibitz en los Laboratorios Bell y Howard Aiken de la Universidad de Harvard , quien diseñó 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 von Neumann subyacente que ha servido como plantilla para la mayoría de los ordenadores modernos. [11] El diseño de von Neumann incluía una memoria centralizada que almacenaba tanto datos como programas, una unidad central de procesamiento (CPU) con prioridad de acceso a la memoria y unidades de entrada y salida (E/S) . Von Neumann utilizó 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 obtener ambos al mismo tiempo, a menudo limitando el rendimiento del sistema. [12]
La arquitectura informática requiere priorizar entre diferentes objetivos, como el coste, la velocidad, la disponibilidad y la 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 coste 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 coste de los componentes ha ido bajando con el tiempo debido a las técnicas de fabricación mejoradas que hacen que se rechacen menos componentes en la etapa de control de calidad . [16]
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 cómputo y el sistema de E/S en muchos diagramas, normalmente se comparte el hardware, con un bit en la unidad de cómputo que indica si está en modo de cómputo 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] 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 transistores, la memoria DRAM, así como el almacenamiento flash y en disco magnético, también se volvieron exponencialmente más compactos y más baratos. La tasa de mejora se desaceleró en el siglo XXI. [23]
En el siglo XXI, los aumentos en el rendimiento han sido impulsados por la creciente explotación del paralelismo . [24] Las aplicaciones a menudo son paralelizables de dos maneras: o bien la misma función se ejecuta en múltiples áreas de datos ( paralelismo de datos ) o se pueden realizar diferentes tareas simultáneamente con una 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 subproceso y paralelismo a nivel de solicitud (ambos implementando paralelismo a nivel de tarea). [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 la memoria . [26] La jerarquía de la 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 barata para el almacenamiento de gran volumen esté ubicada más lejos. [27] La memoria generalmente se segrega para separar los programas de los datos y limitar la capacidad de un atacante de alterar los programas. [28] La mayoría de las computadoras usan memoria virtual para simplificar el direccionamiento de los programas, utilizando el sistema operativo para mapear la memoria virtual a diferentes áreas de la memoria física finita. [29]
Los procesadores de las computadoras generan calor, y el calor excesivo afecta su rendimiento y puede dañar los componentes. Muchos chips de computadora limitarán 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 refrigerados por aire son más comunes en centros de datos más pequeños o antiguos, mientras que la inmersión refrigerada por líquido (donde cada computadora está rodeada de líquido refrigerante) y la refrigeración directa al chip (donde el líquido refrigerante se dirige a cada chip de la computadora) pueden ser más caras, 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 superar la capacidad del sistema de refrigeración. [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, 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 uso de energía y la demanda de enfriamiento. [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 un software que imita la función del hardware; se utiliza comúnmente en infraestructura como servicio (IaaS) y plataforma como servicio (PaaS). [45]
Los sistemas integrados son los que presentan mayor variación en cuanto a potencia de procesamiento y costo: desde un procesador de 8 bits que podría 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 el caso de estos sistemas, ya que los diseñadores suelen elegir la opción más barata que satisface los requisitos de rendimiento. [46]
Una caja de computadora encierra la mayoría de los componentes de un sistema de computadora 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. La caja también es parte del sistema para controlar la interferencia electromagnética irradiada por la computadora y protege las partes internas de la descarga electrostática. Las cajas de torre grandes brindan espacio para múltiples unidades de disco u otros periféricos y generalmente se colocan 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 incorporada en la misma caja. Las computadoras portátiles y portátiles requieren cajas que brinden protección contra impactos para la unidad. Los aficionados pueden decorar las cajas con luces de colores, pintura u otros elementos, en una actividad llamada modificación de cajas .
La mayoría de las fuentes de alimentación de computadoras personales cumplen con el estándar ATX y convierten la corriente alterna (CA) de entre 120 y 277 voltios suministrada desde una toma de corriente a corriente continua (CC) a un voltaje mucho más bajo: típicamente 12, 5 o 3,3 voltios. [47]
La placa base es el componente principal de un ordenador. Es una placa con circuitos integrados que conecta las demás partes del ordenador, incluyendo 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 las ranuras de expansión . Los chips de circuitos integrados (CI) de un ordenador suelen contener miles de millones de pequeños transistores de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (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 la placa base 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 requerida ] 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. El más común es 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 funcione a una velocidad diferente 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 suministrar energía a 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 la entrega de más energía: hasta 6 amperios a 24 V. [64]
Los ingresos globales por hardware informático en 2023 alcanzaron los 705,17 mil millones de dólares. [65]
Debido a que las partes de las computadoras contienen materiales peligrosos , existe un movimiento creciente para reciclar partes viejas y obsoletas. [66] El hardware de las computadoras contiene químicos peligrosos como plomo, mercurio, níquel y cadmio. Según la EPA, estos desechos electrónicos tienen un efecto nocivo en el medio ambiente a menos que se eliminen adecuadamente. Fabricar hardware requiere energía, y reciclar partes reducirá la contaminación del aire , la contaminación del agua y las emisiones de gases de efecto invernadero. [67] De hecho, desechar equipos informáticos no autorizados es ilegal. La legislación obliga a reciclar las computadoras a través de las instalaciones aprobadas por el gobierno . El reciclaje de una computadora puede hacerse más fácil sacando ciertas partes reutilizables. Por ejemplo, la RAM , la unidad de DVD, la tarjeta gráfica , el disco duro o SSD y otras partes extraíbles similares se pueden reutilizar.
Muchos materiales utilizados en el hardware de las computadoras se pueden recuperar mediante reciclaje para su uso en la producción futura. La reutilización de estaño , silicio , hierro , aluminio y una variedad de plásticos que están presentes en gran cantidad en las 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 adecuados 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 infrarrojos, estabilizadores, cables y alambres contienen cadmio. Las placas de circuitos de una computadora contienen mercurio y cromo. [72] Cuando estos tipos de materiales y productos químicos se desechan de manera incorrecta, se vuelven peligrosos para el medio ambiente.
Cuando los subproductos de los desechos electrónicos se filtran en las aguas subterráneas, se queman o se manipulan incorrectamente durante el reciclaje, provocan daños. Los problemas de salud asociados con estas toxinas incluyen problemas de desarrollo mental, cáncer y daños a los pulmones, el hígado y los riñones. [73] 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 y estaño que tienen más probabilidades de filtrarse en las aguas subterráneas o crear contaminación del aire debido a la incineración. [74]
El reciclaje de equipos informáticos se considera respetuoso con el medio ambiente porque evita que los residuos peligrosos , incluidos los metales pesados y los carcinógenos, entren en la atmósfera, los vertederos o las vías fluviales. Si bien los productos electrónicos representan una pequeña fracción del total de residuos generados, son mucho más peligrosos. Existe una legislación estricta diseñada para hacer cumplir y fomentar la eliminación sostenible de los aparatos, siendo las más notables la Directiva sobre residuos de equipos eléctricos y electrónicos de la Unión Europea y la Ley nacional de reciclaje de ordenadores de los Estados Unidos. [75]
El término " e-cycling ", que es el reciclaje de equipos informáticos, se refiere a la donación, reutilización, trituración y recogida general de aparatos electrónicos usados. En términos generales, el término se refiere al proceso de recogida, intermediación, desmontaje, reparación y reciclaje de los componentes o metales contenidos en equipos electrónicos usados o desechados, también conocidos como residuos electrónicos (e-waste). Los artículos "e-cyclables" incluyen, entre otros: televisores, ordenadores, hornos microondas, aspiradoras, teléfonos y teléfonos móviles, equipos de música, vídeo y DVD, y prácticamente cualquier cosa que tenga un cable, luz o utilice algún tipo de batería. [76]
Algunas empresas, como Dell y Apple , reciclan ordenadores de su marca o de cualquier otra. De lo contrario, se puede donar un ordenador a Computer Aid International , una organización que recicla y reacondiciona ordenadores viejos para hospitales, escuelas, universidades, etc. [77]
Medios relacionados con el hardware de computadoras en Wikimedia Commons
Hardware de computadoras en Wikilibros
Materiales de aprendizaje relacionados con el hardware de computadoras en Wikiversidad