Hardware (pronunciación
AFI:
[ˈhɑːdˌwɛə] ó
[ˈhɑɹdˌwɛɚ]) corresponde a todas las partes tangibles de un
sistema informático; sus componentes son: eléctricos, electrónicos, electromecánicos y mecánicos.
1 Son cables, gabinetes o cajas,
periféricos de todo tipo y cualquier otro elemento físico involucrado; contrariamente, el soporte lógico es intangible y es llamado
software. El término es propio del
idioma inglés (literalmente traducido:
partes duras), su traducción al español no tiene un significado acorde, por tal motivo se la ha adoptado tal cual es y suena; la
Real Academia Española lo define como «Conjunto de los componentes que integran la parte material de una computadora».
2 El término, aunque es lo más común, no solamente se aplica a una computadora tal como se la conoce, también, por ejemplo, un
robot, un
teléfono móvil, una
cámara fotográfica o un
reproductor multimedia poseen
hardware (y
software).
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La historia del
hardware del computador se puede clasificar en cuatro generaciones, cada una caracterizada por un cambio
tecnológico de importancia. Este
hardware se puede clasificar en:
básico, el estrictamente necesario para el funcionamiento normal del equipo; y
complementario, el que realiza funciones específicas.
Un sistema informático se compone de una
unidad central de procesamiento (UCP/CPU), encargada de procesar los datos, uno o varios
periféricos de entrada, los que permiten el ingreso de la información y uno o varios periféricos de salida, los que posibilitan dar salida (normalmente en forma visual o
auditiva) a los
datos procesados.
Historia
La clasificación evolutiva del hardware del computador electrónico está dividida en generaciones, donde cada una supone un cambio tecnológico muy notable. El origen de las primeras es sencillo de establecer, ya que en ellas el
hardware fue sufriendo cambios radicales. 5 Los componentes esenciales que constituyen la electrónica del computador fueron totalmente reemplazados en las primeras tres generaciones, originando cambios que resultaron trascendentales. En las últimas décadas es más difícil distinguir las nuevas generaciones, ya que los cambios han sido graduales y existe cierta continuidad en las tecnologías usadas. En principio, se pueden distinguir:
- 1ª Generación (1945-1956): electrónica implementada con tubos de vacío. Fueron las primeras máquinas que desplazaron los componentes electromecánicos (relés).
- 2ª Generación (1957-1963): electrónica desarrollada con transistores. La lógica discreta era muy parecida a la anterior, pero la implementación resultó mucho más pequeña, reduciendo, entre otros factores, el tamaño de un computador en notable escala.
- 3ª Generación (1964-hoy): electrónica basada en circuitos integrados. Esta tecnología permitió integrar cientos de transistores y otros componentes electrónicos en un único circuito integrado impreso en una pastilla de silicio. Las computadoras redujeron así considerablemente su costo, consumo y tamaño, incrementándose su capacidad, velocidad y fiabilidad, hasta producir máquinas como las que existen en la actualidad.
- 4ª Generación (futuro): probablemente se originará cuando los circuitos de silicio, integrados a alta escala, sean reemplazados por un nuevo tipo de material o tecnología. 6
La aparición del
microprocesador marca un hito de relevancia, y para muchos autores constituye el inicio de la cuarta generación.
7 A diferencia de los cambios tecnológicos anteriores, su invención no supuso la desaparición radical de los computadores que no lo utilizaban. Así, aunque el microprocesador
4004 fue lanzado al mercado en 1971, todavía a comienzo de los 80's había computadores, como el
PDP-11/44,
8 con lógica carente de microprocesador que continuaban exitosamente en el mercado; es decir, en este caso el desplazamiento ha sido muy gradual.
Otro hito tecnológico usado con frecuencia para definir el inicio de la cuarta generación es la aparición de los circuitos integrados
VLSI (Very Large Scale Integration), a principios de los ochenta. Al igual que el microprocesador, no supuso el cambio inmediato y la rápida desaparición de los computadores basados en circuitos integrados en más bajas escalas de integración. Muchos equipos implementados con tecnologías
VLSI y
MSI (Medium Scale Integration) aún coexistían exitosamente hasta bien entrados los 90.
Tipos de hardware
Microcontrolador Motorola 68HC11 y chips de soporte que podrían constituir el
hardware de un equipo electrónico industrial.
Una de las formas de clasificar el
hardware es en dos categorías: por un lado, el "
básico", que abarca el conjunto de componentes indispensables necesarios para otorgar la funcionalidad mínima a una
computadora; y por otro lado, el
hardware "
complementario", que, como su nombre indica, es el utilizado para realizar funciones específicas (más allá de las básicas), no estrictamente necesarias para el funcionamiento de la computadora.
Así es que: un medio de entrada de datos, la unidad central de procesamiento (C.P.U.), la memoria RAM, un medio de salida de datos y un medio de almacenamiento constituyen el "
hardware básico".
Los medios de entrada y salida de datos estrictamente indispensables dependen de la aplicación: desde el punto de vista de un usuario común, se debería disponer, al menos, de un
teclado y un
monitor para entrada y salida de información, respectivamente; pero ello no implica que no pueda haber una computadora (por ejemplo controlando un proceso) en la que no sea necesario teclado ni monitor; bien puede ingresar información y sacar sus datos procesados, por ejemplo, a través de una placa de adquisición/salida de datos.
Las computadoras son aparatos
electrónicos capaces de interpretar y ejecutar instrucciones programadas y almacenadas en su memoria; consisten básicamente en operaciones
aritmético-lógicas y de
entrada/salida.
9 Se reciben las entradas (datos), se las procesa y almacena (procesamiento), y finalmente se producen las salidas (resultados del procesamiento). Por ende todo sistema informático tiene, al menos, componentes y
dispositivos hardware dedicados a alguna de las funciones antedichas;
10 a saber:
- Procesamiento: Unidad Central de Proceso o CPU
- Almacenamiento: Memorias
- Entrada: Periféricos de entrada (E)
- Salida: Periféricos de salida (S)
- Entrada/Salida: Periféricos mixtos (E/S)
Desde un punto de vista básico y general, un
dispositivo de entrada es el que provee el medio para permitir el ingreso de
información, datos y
programas (lectura); un dispositivo de salida brinda el medio para registrar la información y
datos de salida (escritura); la
memoria otorga la capacidad de almacenamiento, temporal o permanente (almacenamiento); y la
CPU provee la capacidad de cálculo y procesamiento de la información ingresada (transformación).
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Un periférico mixto es aquél que puede cumplir funciones tanto de entrada como de salida; el ejemplo más típico es el
disco rígido (ya que en él se lee y se graba información y datos).
Unidad central de procesamiento
La CPU, siglas en inglés de
Unidad
Central de
Procesamiento, es el componente fundamental del computador, encargado de interpretar y ejecutar instrucciones y de procesar datos.
12 En los computadores modernos, la función de la CPU la realiza uno o más microprocesadores. Se conoce como
microprocesador a una CPU que es manufacturada como un único circuito integrado.
Un
servidor de
red o una máquina de cálculo de alto rendimiento (
supercomputación), puede tener varios, incluso miles de microprocesadores trabajando simultáneamente o en paralelo (
multiprocesamiento); en este caso, todo ese conjunto conforma la
CPU de la máquina.
Las unidades centrales de proceso (
CPU) en la forma de un único microprocesador no sólo están presentes en las computadoras personales (
PC), sino también en otros tipos de dispositivos que incorporan una cierta capacidad de proceso o "inteligencia electrónica", como pueden ser: controladores de procesos industriales, televisores, automóviles, calculadores, aviones, teléfonos móviles, electrodomésticos, juguetes y muchos más. Actualmente los diseñadores y fabricantes más populares de microprocesadores de PC son
Intel y
AMD; y para el mercado de dispositivos móviles y de bajo consumo, los principales son
Samsung,
Qualcomm y
Texas Instruments.
Placa base del teléfono móvil Samsung Galaxy Spica, se pueden distinguir varios "System-on-a-Chip" soldados en ella
El
microprocesador se monta en la llamada
placa base, sobre un zócalo conocido como
zócalo de CPU, que permite las conexiones eléctricas entre los circuitos de la placa y el procesador. Sobre el procesador ajustado a la placa base se fija un
disipador térmico de un material con elevada
conductividad térmica, que por lo general es de
aluminio, y en algunos casos de
cobre. Éste es indispensable en los microprocesadores que consumen bastante
energía, la cual, en gran parte, es emitida en forma de
calor: en algunos casos pueden consumir tanta energía como una lámpara incandescente (de 40 a 130
vatios).
Adicionalmente, sobre el disipador se acopla uno o dos ventiladores (raramente más), destinados a forzar la circulación de aire para extraer más rápidamente el calor acumulado por el disipador y originado en el microprocesador. Complementariamente, para evitar daños por efectos térmicos, también se suelen instalar sensores de temperatura del microprocesador y sensores de revoluciones del ventilador, así como sistemas automáticos que controlan la cantidad de revoluciones por unidad de tiempo de estos últimos.
La gran mayoría de los
circuitos electrónicos e
integrados que componen el
hardware del computador van montados en la placa madre.
La
placa base, también conocida como
placa madre o con el anglicismo
board,
13 es un gran
circuito impreso sobre el que se suelda el
chipset, las ranuras de expansión (slots), los zócalos, conectores, diversos integrados, etc. Es el soporte fundamental que aloja y comunica a todos los demás componentes:
Procesador,
módulos de memoria RAM,
tarjetas gráficas,
tarjetas de expansión, periféricos de entrada y salida. Para comunicar esos componentes, la placa base posee una serie de
buses mediante los cuales se trasmiten los datos dentro y hacia afuera del sistema.
La tendencia de integración ha hecho que la placa base se convierta en un elemento que incluye a la mayoría de las funciones básicas (vídeo, audio, red,
puertos de varios tipos), funciones que antes se realizaban con tarjetas de expansión. Aunque ello no excluye la capacidad de instalar otras tarjetas adicionales específicas, tales como capturadoras de vídeo, tarjetas de
adquisición de datos, etc.
También, la tendencia en los últimos años es eliminar elementos separados en la
placa base e
integrarlos al microprocesador. En ese sentido actualmente se encuentran sistemas denominados
System on a Chip que consiste en un único circuito integrado que integra varios módulos electrónicos en su interior, tales como un procesador, un controlador de memoria, una
GPU,
Wi-Fi,
bluetooth, etc. La mejora más notable en esto está en la reducción de tamaño frente a igual funcionalidad con módulos electrónicos separados. La figura muestra una aplicación típica, en la placa principal de un teléfono móvil.
Memoria RAM
Del inglés
Random
Access
Memory, literalmente significa "memoria de
acceso aleatorio". El término tiene relación con la característica de presentar iguales tiempos de acceso a cualquiera de sus posiciones (ya sea para lectura o para escritura). Esta particularidad también se conoce como "acceso directo", en contraposición al
Acceso secuencial.
La RAM es la memoria utilizada en una computadora para el almacenamiento transitorio y de trabajo (no masivo). En la RAM se almacena temporalmente la información, datos y programas que la Unidad de Procesamiento (
CPU) lee, procesa y ejecuta. La memoria RAM es conocida como
Memoria principal de la computadora, también como "Central o de Trabajo";
14 a diferencia de las llamadas memorias auxiliares, secundarias o de
almacenamiento masivo (como discos duros,
unidades de estado sólido, cintas magnéticas u otras memorias).
Las memorias RAM son, comúnmente, volátiles; lo cual significa que pierden rápidamente su contenido al interrumpir su alimentación eléctrica.
Las más comunes y utilizadas como
memoria central son "dinámicas" (
DRAM), lo cual significa que tienden a perder sus datos almacenados en breve tiempo (por descarga, aún estando con alimentación eléctrica), por ello necesitan un circuito electrónico específico que se encarga de proveerle el llamado "refresco" (de energía) para mantener su información.
La memoria RAM de un computador se provee de fábrica e instala en lo que se conoce como “módulos”. Ellos albergan varios
circuitos integrados de memoria
DRAM que, conjuntamente, conforman toda la memoria principal.
Memoria RAM dinámica
Es la presentación más común en computadores modernos (
computador personal,
servidor); son tarjetas de
circuito impreso que tienen soldados
circuitos integrados de memoria por una o ambas caras, además de otros elementos, tales como
resistores y
condensadores. Esta tarjeta posee una serie de contactos metálicos (con un recubrimiento de oro) que permite hacer la conexión eléctrica con el
bus de memoria del controlador de memoria en la placa base.
Los integrados son de tipo
DRAM, memoria denominada "dinámica", en la cual las celdas de memoria son muy sencillas (un
transistor y un
condensador), permitiendo la fabricación de memorias con gran capacidad (algunos cientos de
Megabytes) a un costo relativamente bajo.
Las posiciones de memoria o celdas, están organizadas en matrices y almacenan cada una un bit. Para acceder a ellas se han ideado varios métodos y protocolos cada uno mejorado con el objetivo de acceder a las celdas requeridas de la manera más eficiente posible.
Memorias
RAM con tecnologías usadas en la actualidad.
Entre las tecnologías recientes para integrados de memoria DRAM usados en los módulos RAM se encuentran:
- SDR SDRAM: Memoria con un ciclo sencillo de acceso por ciclo de reloj. Actualmente en desuso, fue popular en los equipos basados en el Pentium III y los primeros Pentium 4.
- DDR SDRAM: Memoria con un ciclo doble y acceso anticipado a dos posiciones de memoria consecutivas. Fue popular en equipos basados en los procesadores Pentium 4 y Athlon 64.
- DDR2 SDRAM: Memoria con un ciclo doble y acceso anticipado a cuatro posiciones de memoria consecutivas.
- DDR3 SDRAM: Memoria con un ciclo doble y acceso anticipado a ocho posiciones de memoria consecutivas. Es el tipo de memoria más actual, está reemplazando rápidamente a su predecesora, la DDR2.
Los estándares
JEDEC, establecen las características eléctricas y las físicas de los módulos, incluyendo las dimensiones del circuito impreso.
Los estándares usados actualmente son:
- DIMM Con presentaciones de 168 pines (usadas con SDR y otras tecnologías antiguas), 184 pines (usadas con DDR y el obsoleto SIMM) y 240 (para las tecnologías de memoria DDR2 y DDR3).
- SO-DIMM Para computadores portátiles, es una miniaturización de la versión DIMM en cada tecnología. Existen de 144 pines (usadas con SDR), 200 pines (usadas con DDR y DDR2) y 240 pines (para DDR3).
Memorias RAM especiales
Hay memorias
RAM con características que las hacen particulares, y que normalmente
no se utilizan como
memoria central de la computadora; entre ellas se puede mencionar:
- SRAM: Siglas de Static Random Access Memory. Es un tipo de memoria más rápida que la DRAM (Dynamic RAM). El término "estática" deriva del hecho que no necesita el refresco de sus datos. Si bien esta RAM no requiere circuito de refresco, ocupa más espacio y utiliza más energía que la DRAM. Este tipo de memoria, debido a su alta velocidad, es usada como memoria caché.
- NVRAM: Siglas de Non-Volatile Random Access Memory. Memoria RAM no volátil (mantiene la información en ausencia de alimentación eléctrica). Hoy en día, la mayoría de memorias NVRAM son memorias flash, muy usadas para teléfonos móviles y reproductores portátiles de MP3.
- VRAM: Siglas de Video Random Access Memory. Es un tipo de memoria RAM que se utiliza en las tarjetas gráficas del computador. La característica particular de esta clase de memoria es que es accesible de forma simultánea por dos dispositivos. Así, es posible que la CPU grabe información en ella, al tiempo que se leen los datos que serán visualizados en el Monitor de computadora.
De las anteriores a su vez, hay otros subtipos más.
Periféricos
Se entiende por periférico a las unidades o dispositivos que permiten a la
computadora comunicarse con el exterior, esto es, tanto ingresar como exteriorizar información y datos.
10 Los periféricos son los que permiten realizar las operaciones conocidas como de
entrada/salida (E/S).
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Aunque son estrictamente considerados “accesorios” o no esenciales, muchos de ellos son fundamentales para el funcionamiento adecuado de la computadora moderna; por ejemplo, el
teclado, el
disco duro y el
monitor son elementos actualmente imprescindibles; pero no lo son un
escáner o un
plóter. Para ilustrar este punto: en los años 80, muchas de las primeras computadoras personales no utilizaban disco duro ni
mouse (o ratón), tenían sólo una o dos
disqueteras, el
teclado y el
monitor como únicos periféricos.
Dispositivos de entrada de información (E)
Ratón (
Mouse) común alámbrico.
De esta categoría son aquellos que permiten el ingreso de
información, en general desde alguna fuente externa o por parte del usuario. Los dispositivos de entrada proveen el medio fundamental para transferir hacia la computadora (más propiamente al procesador) información desde alguna fuente, sea local o remota. También permiten cumplir la esencial tarea de leer y cargar en memoria el
sistema operativo y las aplicaciones o
programas informáticos, los que a su vez ponen operativa la computadora y hacen posible realizar las más diversas tareas.
11
Entre los
periféricos de entrada se puede mencionar:
10 teclado,
mouse o ratón,
escáner,
micrófono,
cámara web , lectores ópticos de código de barras,
Joystick, lectora de
CD,
DVD o
BluRay (sólo lectoras), placas de adquisición/conversión de datos, etc.
Pueden considerarse como
imprescindibles para el funcionamiento, (de manera como hoy se concibe la informática) al teclado, al
ratón y algún dispositivo lector de discos; ya que tan sólo con ellos el
hardware puede ponerse operativo para un usuario. Los otros son más bien accesorios, aunque en la actualidad pueden resultar de tanta necesidad que son considerados parte esencial de todo el
sistema.
Dispositivos de salida de información (S)
Son aquellos que permiten emitir o dar salida a la información resultante de las operaciones realizadas por la
CPU (procesamiento).
Los dispositivos de salida aportan el medio fundamental para exteriorizar y comunicar la información y datos procesados; ya sea al usuario o bien a otra fuente externa, local o remota.
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Los dispositivos más comunes de este grupo son los
monitores clásicos (no de pantalla táctil), las
impresoras, y los
altavoces.
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Entre los periféricos de salida puede considerarse como imprescindible para el funcionamiento del sistema, al monitor. Otros, aunque accesorios, son sumamente necesarios para un usuario que opere un computador moderno.
Dispositivos mixtos (E/S de información)
Son aquellos dispositivos que pueden operar de ambas formas: tanto de entrada como de salida.
11 Típicamente, se puede mencionar como periféricos mixtos o de
Entrada/Salida a:
discos rígidos,
disquetes, unidades de
cinta magnética, lecto-grabadoras de
CD/
DVD,
discos ZIP, etc. También entran en este rango, con sutil diferencia, otras unidades, tales como: Tarjetas de
Memoria flash o
unidad de estado sólido, tarjetas de
red,
módems, tarjetas de captura/salida de
vídeo, etc.
10
Si bien se puede clasificar al
pendrive (lápiz de memoria),
memoria flash o
memoria USB o
unidades de estado sólido en la categoría de
memorias, normalmente se los utiliza como dispositivos de almacenamiento masivo; siendo todos de categoría Entrada/Salida.
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Los dispositivos de
almacenamiento masivo10 también son conocidos como "Memorias Secundarias o Auxiliares". Entre ellos, sin duda, el
disco duro ocupa un lugar especial, ya que es el de mayor importancia en la actualidad, en el que se aloja el
sistema operativo, todas las
aplicaciones, utilitarios, etc. que utiliza el usuario; además de tener la suficiente capacidad para albergar información y datos en grandes volúmenes por tiempo prácticamente indefinido. Los servidores
Web, de
correo electrónico y de
redes con bases de datos, utilizan
discos rígidos de grandes capacidades y con una tecnología que les permite trabajar a altas velocidades como
SCSI incluyendo también, normalmente, capacidad de redundancia de datos
RAID; incluso utilizan tecnologías híbridas: disco rígido y unidad de estado sólido, lo que incrementa notablemente su eficiencia. Las interfaces actuales más usadas en discos duros son:
IDE,
SATA,
SCSI y
SAS; y en las unidades de estado sólido son
SATA y
PCI-Express ya que necesitan grandes anchos de banda.
La
pantalla táctil (no el monitor clásico) es un dispositivo que se considera mixto, ya que además de mostrar información y datos (salida) puede actuar como un dispositivo de entrada, reemplazando, por ejemplo, a algunas funciones del ratón o del teclado.
Hardware gráfico
El
hardware gráfico lo constituyen básicamente las
tarjetas gráficas. Dichos componentes disponen de su propia memoria y unidad de procesamiento, esta última llamada
unidad de procesamiento gráfico (o
GPU, siglas en inglés de
Graphics Processing Unit). El objetivo básico de la
GPU es realizar los cálculos asociados a operaciones gráficas, fundamentalmente en
coma flotante,
16 liberando así al procesador principal (CPU) de esa costosa tarea (en tiempo) para que éste pueda efectuar otras funciones en forma más eficiente. Antes de esas tarjetas de vídeo con aceleradores por hardware, era el procesador principal el encargado de construir la imagen mientras la sección de vídeo (sea tarjeta o de la placa base) era simplemente un traductor de las señales binarias a las señales requeridas por el monitor; y buena parte de la
memoria principal (RAM) de la computadora también era utilizada para estos fines.
Dentro de ésta categoría no se deben omitir los sistemas gráficos integrados (
IGP), presentes mayoritariamente en equipos portátiles o en equipos prefabricados (
OEM), los cuales generalmente, a diferencia de las tarjetas gráficas, no disponen de una memoria dedicada, utilizando para su función la memoria principal del sistema. La tendencia en los últimos años es integrar los sistemas gráficos dentro del propio procesador central. Los procesadores gráficos integrados (
IGP) generalmente son de un rendimiento y consumo notablemente más bajo que las GPU de las tarjetas gráficas dedicadas, no obstante, son más que suficiente para cubrir las necesidades de la mayoría de los usuarios de un PC.
Actualmente se están empezando a utilizar las tarjetas gráficas con propósitos no exclusivamente gráficos, ya que en potencia de cálculo la
GPU es superior, más rápida y eficiente que el procesador para operaciones en
coma flotante, por ello se está tratando de aprovecharla para propósitos generales, al concepto, relativamente reciente, se le denomina
GPGPU (
General-Purpose Computing on Graphics Processing Units).
La
Ley de Moore establece que cada 18 a 24 meses la cantidad de transistores que puede contener un circuito integrado se logra duplicar; en el caso de los
GPU esta tendencia es bastante más notable, duplicando, o aún más, lo indicado en la ley de Moore.
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Desde la década de 1990, la evolución en el procesamiento gráfico ha tenido un crecimiento vertiginoso; las actuales animaciones por computadoras y videojuegos eran impensables veinte años atrás.
