¿Cómo funciona una computadora? Bits, transistores, puertas lógicas y procesador
Una computadora (u ordenador) funciona convirtiendo toda la información en bits, 0 y 1, guardados como tensión baja o alta en miles de millones de diminutos interruptores llamados transistores. Las puertas lógicas hechas con transistores, Y, O y NO, combinan los bits con reglas simples para hacer aritmética, y el procesador repite un ciclo, captar una instrucción, decodificarla y ejecutarla, miles de millones de veces por segundo. Un procesador moderno tiene más de 10 000 millones de transistores y funciona entre 3 y 5 GHz, así que un ciclo a 3 GHz dura unos 0,33 nanosegundos.
Una computadora puede mostrar una película o jugar al ajedrez, pero por dentro solo conoce dos símbolos. Aquí verás cómo los bits representan números y letras, cómo un transistor hace de interruptor, cómo tres puertas pueden sumar, qué hace el procesador con cada instrucción y en qué se distinguen la memoria y el almacenamiento.
Ideas principales
- Todos los datos son bits. Ocho bits forman un byte, con 256 combinaciones. El patrón binario 1011 es el número 11, y la letra A mayúscula se guarda como 65, es decir, 01000001.
- Un transistor es un interruptor sin piezas móviles. Bell Labs construyó el primero en diciembre de 1947, y un procesador moderno lleva más de 10 000 millones.
- Tres puertas, Y, O y NO, bastan para construir cualquier regla lógica, incluido un semisumador que suma dos bits y pasa un acarreo.
- Un procesador repite captar, decodificar y ejecutar. A 3 GHz un ciclo dura unos 0,33 ns, y en ese tiempo la luz recorre solo unos 10 centímetros.
- La RAM es rápida, pero olvida cuando se corta la corriente, mientras que el almacenamiento, como la memoria flash, conserva los datos sin corriente. Cuanto más cerca del procesador, más rápida y pequeña es la memoria.
Dos símbolos bastan
Un bit es la pieza de información más pequeña: 0 o 1, apagado o encendido, tensión baja o alta. Ocho bits forman un byte, que puede guardar 256 combinaciones distintas. El sistema binario cuenta como nosotros, solo que con dos cifras en lugar de diez. El patrón 1011 significa 1 × 8 + 0 × 4 + 1 × 2 + 1 × 1 = 11.
Las letras, los colores y los sonidos son solo patrones acordados. La letra A mayúscula es 01000001, que es 65 en el código ASCII habitual. Cada bit adicional duplica el número de combinaciones: 8 bits dan 256, 10 bits dan 1024 y 32 bits dan unos 4300 millones. El conversor binario de VITON13 SCHOOL te deja cambiar bits y ver cómo cambia el número.
Un interruptor hecho de silicio
En diciembre de 1947, en los Bell Labs de Nueva Jersey, John Bardeen y Walter Brattain, en un grupo dirigido por William Shockley, fabricaron el primer transistor. Los tres compartieron el Premio Nobel de Física de 1956. Un transistor es un interruptor sin piezas móviles: una pequeña tensión en un terminal deja pasar la corriente entre los otros dos, o la bloquea. Sustituyó a las válvulas de vacío, que eran del tamaño de un pulgar, calientes y frágiles.
El primer transistor era artesanal y medía cerca de un centímetro. Hoy un solo procesador contiene más de 10 000 millones, los mayores chips de IA unos 100 000 millones, y todos se fabrican a la vez imprimiendo patrones de luz sobre un disco de silicio.
Las puertas son reglas diminutas
Conecta unos pocos transistores y tendrás una puerta lógica. NO invierte su entrada, de modo que 0 pasa a ser 1. Y responde 1 solo cuando las dos entradas son 1. O responde 1 cuando al menos una entrada es 1. No hace falta nada más: cualquier regla lógica de una computadora puede construirse con estas tres.
Ahora suma dos bits sueltos. 0 + 0 = 0, 0 + 1 = 1 y 1 + 1 = 10 en binario, es decir, un bit de suma 0 y un bit de acarreo 1. El acarreo es simplemente a Y b. La suma es «uno o el otro, pero no los dos»: (a O b) Y NO (a Y b). Unas pocas puertas dan un semisumador. Encadena varios, cada uno pasando su acarreo al siguiente, y se pueden sumar números de cualquier longitud. La resta y la multiplicación se construyen sobre la suma.
El procesador: captar, decodificar, ejecutar
Una CPU, la unidad central de procesamiento, son puertas dispuestas para captar una instrucción de la memoria, decodificarla y ejecutarla, y luego captar la siguiente. Una instrucción es en sí un patrón de bits, por ejemplo «suma el número del registro A al número del registro B». Un juego o un navegador son millones de instrucciones así, y el procesador las recorre en orden, salvo que una instrucción le mande saltar a otro lugar.
El primer microprocesador de un solo chip, en 1971, tenía 2300 transistores y funcionaba a 740 kHz. Un procesador moderno funciona entre 3 y 5 GHz. A 3 GHz un ciclo dura 1 / 3 000 000 000 s, unos 0,33 nanosegundos, y en ese tiempo la luz recorre solo unos 10 centímetros, una de las razones por las que los chips deben ser pequeños. Los procesadores modernos tienen además varios núcleos, copias del procesador que trabajan en paralelo.
La foto muestra el chip de silicio al desnudo de un microprocesador de 8 bits de la familia Z80. Los bloques ordenados y la maraña más densa de lógica son transistores y pistas, y los cuadraditos del borde son las almohadillas donde unos hilos finos conectan el chip con el exterior.
Memoria y almacenamiento
El procesador quiere sus datos a mano. La RAM es la memoria de trabajo: rapidísima, pero lo olvida todo cuando se corta la corriente. Entre ambos hay una caché pequeña y aún más rápida. El almacenamiento, como los chips flash de un teléfono o de un SSD, conserva los datos sin corriente atrapando diminutas cargas eléctricas.
Un byte son 8 bits, así que un teléfono de 256 GB guarda unos 256 × 8 = 2048 mil millones de bits, aproximadamente 2 billones. La regla práctica: cuanto más cerca del procesador, más rápida y más pequeña es la memoria. Cada aplicación que abres es este mismo baile de bits repetido a una escala gigantesca.
Cómo lo muestra el VJOURNAL SMART BOOK
El capítulo «La computadora y el chip» del VJOURNAL SMART BOOK «Cómo funciona», volumen I, tiene cinco momentos animados: una fila de celdas brilla como bits, un transistor conmuta, tres puertas suman dos números, un procesador late en gigahercios y la memoria se distingue del almacenamiento. En la animación las puertas son bloques pequeños con luces en los cables, y las señales fluyen de izquierda a derecha.
Bajo la imagen hay un laboratorio. Fija tú mismo los bits de entrada, sigue la señal por las puertas y prueba los cuatro pares de entradas del semisumador, leyendo la suma y el acarreo. El capítulo incluye además datos clave, un cuestionario de tres preguntas con explicaciones y las fuentes.
En palabras sencillas
Una computadora es una enorme multitud de interruptores de luz conectados de modo que accionar unos acciona otros según reglas fijas. Si se hace lo bastante rápido, miles de millones de veces por segundo, los interruptores suman, dibujan imágenes y tocan música.
Pruébalo
Convierte el número binario 1101 a decimal y luego súmale 1011 en binario. Comprueba el resultado sumando en decimal.
Resultado esperado
1101 = 8 + 4 + 0 + 1 = 13, y 1011 = 11. En binario, 1101 + 1011 = 11000, que es 16 + 8 = 24, igual que 13 + 11.
Comprueba tu respuesta: ¿Cuántos valores distintos caben en 10 bits?
Dos elevado a 10, que son 1024 valores, contando de 0 a 1023.
Preguntas y respuestas
¿Qué hace realmente una computadora?
Sigue instrucciones: capta una de la memoria, la decodifica, la ejecuta y repite. Las instrucciones son simples, como sumar dos números, compararlos o saltar a otro sitio, y todo lo que ves en pantalla se construye con miles de millones de ellas por segundo.
¿Por qué las computadoras usan el sistema binario?
Dos estados son fáciles de distinguir con fiabilidad. Un transistor conduce o no conduce, una tensión es baja o alta, y un poco de ruido eléctrico no convierte un estado en el otro. Mantener limpias señales de muchos valores sería mucho más difícil.
¿Qué diferencia hay entre la CPU y la RAM?
La CPU procesa los datos. La RAM guarda los programas y datos que se usan en este momento, para que la CPU llegue a ellos deprisa, y pierde su contenido al apagarse.
¿Cuántos transistores tiene un chip de computadora?
El primer transistor de 1947 era uno solo. El microprocesador de 1971 tenía 2300. Un procesador moderno tiene más de 10 000 millones, y los mayores chips de IA unos 100 000 millones.
¿Qué significa 3 GHz?
Un gigahercio son mil millones de ciclos por segundo, así que 3 GHz son unos 3000 millones de ciclos cada segundo. Un ciclo dura unos 0,33 nanosegundos, y el procesador puede hacer una parte del trabajo en cada uno.
Quédate con tres líneas: todo son bits, un transistor es un interruptor y las puertas hechas con transistores pueden sumar. Luego abre el capítulo y suma dos bits tú mismo en el laboratorio.
Fuentes y lecturas
- Nobel Prize: Physics 1956, the transistor ↗Fuentes revisadas:
- Computer History Museum: The Silicon Engine ↗Fuentes revisadas:
- Computer History Museum: the microprocessor integrates the CPU onto a single chip ↗Fuentes revisadas:
- Britannica: Transistor ↗Fuentes revisadas: