Capítulo 2 · Bits, transistores y lógica, de 1947 a hoy
El ordenador y el chip
Bastan dos símbolos
Un bit es la pieza de información más pequeña: 0 o 1, apagado o encendido, voltaje bajo o alto. Ocho bits forman un byte, que puede guardar 256 patrones distintos. El sistema binario cuenta como nosotros, solo que con dos cifras en vez de diez. El patrón 1011 significa 1 × 8 + 0 × 4 + 1 × 2 + 1 × 1 = 11. Las letras, los colores y los sonidos son patrones acordados: la letra A mayúscula es 01000001, que es 65. En la animación, una fila de celdas brilla como bits. Cambia uno y el número que forman cambia al instante.
Un interruptor de silicio
En diciembre de 1947, en los Laboratorios Bell de Nueva Jersey, John Bardeen y Walter Brattain, dentro de un grupo dirigido por William Shockley, fabricaron el primer transistor. Los tres compartieron el Premio Nobel de Física en 1956. Un transistor es un interruptor sin piezas móviles: un voltaje pequeño en un terminal deja pasar la corriente entre los otros dos, o la bloquea. Sustituyó a las válvulas de vacío, grandes como un pulgar, calientes y frágiles. El primer transistor se hizo a mano y medía cerca de un centímetro. Hoy un solo chip lleva decenas de miles de millones.
Las puertas son reglas diminutas
Conecta unos pocos transistores y obtienes una puerta lógica. NOT invierte su entrada, así que el 0 pasa a ser 1. AND responde 1 solo cuando las dos entradas son 1. OR responde 1 cuando al menos una entrada es 1. No hace falta nada más: toda regla lógica de un ordenador se puede construir con estas tres. En la animación las puertas son bloques pequeños con luces en sus cables, y las señales fluyen de izquierda a derecha. En el laboratorio fijas tú mismo los bits de entrada y sigues el resultado.
Cómo se suma 1 + 1
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 AND b. La suma es «uno u otro, pero no ambos»: (a OR b) AND NOT (a AND b). Con unas pocas puertas ya tienes un semisumador. Encadena varios, cada uno pasando su acarreo al siguiente, y podrás sumar números de cualquier longitud. Multiplicar es sumar varias veces. Prueba los cuatro pares de entradas en el laboratorio y lee la suma y el acarreo.
Miles de millones de interruptores
Una CPU, la unidad central de proceso, son puertas dispuestas para tomar una instrucción, descifrarla y ejecutarla, una y otra vez. El primer microprocesador de un solo chip, en 1971, tenía 2.300 transistores y latía a 740 kHz. Un procesador moderno tiene más de 10.000 millones de transistores, los mayores chips de IA unos 100.000 millones, y late a 3 o 5 GHz. A 3 GHz un latido dura 1 / 3.000.000.000 s, unos 0,33 nanosegundos. En ese tiempo la luz recorre solo 10 centímetros, y esa es una de las razones por las que los chips deben ser pequeños.
Memoria y almacenamiento
La CPU quiere sus datos cerca. La RAM es la memoria de trabajo: muy rápida, pero lo olvida todo cuando se corta la corriente. El almacenamiento, como los chips flash de un móvil o un SSD, conserva los datos sin corriente al atrapar cargas eléctricas diminutas. Un byte son 8 bits, así que un móvil de 256 GB guarda unos 256 × 8 = 2.048 mil millones de bits, cerca de 2 billones. La regla práctica: cuanto más cerca de la CPU, más rápida y más pequeña es la memoria. Cada aplicación que abres es este mismo baile de bits, repetido a una escala gigantesca.
En cifras
- 1947
- Bell Labs construye el primer transistor
- > 10.000 millones
- de transistores en un procesador moderno
- 0,33 ns
- lo que dura un latido de un procesador de 3 GHz