La palabra hardware en
informática se refiere a las partes físicas, tangibles, de un sistema informático;
sus componentes eléctricos, electrónicos, electromecánicos y mecánicos.1 Los cables, así como los gabinetes o
cajas, los periféricos de
todo tipo, y cualquier otro elemento físico involucrado, componen el hardware o
soporte físico; contrariamente, el soporte lógico e intangible es el
llamado software.
El término es propio del idioma inglés, y su traducción al español no
tiene un significado acorde, por tal motivo se lo 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 sea lo más común,
no solamente se aplica a las computadoras, también es a menudo utilizado en
otras áreas de la vida diaria y la tecnología. Por ejemplo, hardware también
se refiere a herramientas y máquinas, y en electrónica hardware se
refiere a todos los componentes electrónicos, eléctricos, electromecánicos, mecánicos,
cableados y tarjetas de circuitos impresos.
Otros ejemplos donde se aplica el
término hardware son, en relación a los robots,34 así como en relación a los teléfonos móviles,
las cámaras fotográficas,
los reproductores
digitales, o cualquier otro dispositivo electrónico. Cuando dichos
dispositivos también procesan datos, poseen firmware y/o software además
de hardware.
La historia del hardware de
computador se puede clasificar en cuatro generaciones, cada una caracterizada
por un cambio tecnológico de
importancia. Una primera delimitación podría hacerse entre hardware principal
(véase figura), como el estrictamente necesario para el funcionamiento normal
del equipo, y el «complementario», como el que realiza funciones específicas.
El hardware principal de un
computador se compone de una unidad
central de procesamiento(CPU); encargada de procesar los datos; una
memoria rápida de trabajo para almacenamiento temporal; una unidad de
almacenamiento fija para mantener software y datos así como extraerlos de ella;
uno o varios periféricos de
entrada, los que permiten el ingreso de la información y uno o varios
periféricos de salida, que posibilitan dar salida (normalmente en forma visual, impresa o auditiva) a los datos procesados.
Historia
La clasificación evolucionista
del hardware del computador electrónico está dividida en
generaciones, donde cada una supone un cambio tecnológico 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:
·
1.ª generación (1945-1956): electrónica implementada con tubos de vacío.
Fueron las primeras máquinas que desplazaron los componentes electromecánicos (relés).
·
2.ª 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.
·
3.ª 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.
·
4.ª generación (futuro): probablemente se originará cuando los circuitos
de silicio, integrados a alta escala, sean reemplazados por un nuevo tipo de
material o tecnología.67
La aparición del microprocesador marca un hito de
relevancia, y para muchos autores constituye el inicio de la cuarta generación.8 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 la década de 1980 había computadores, como el PDP-11/44,9 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 la
década de 1990.
Clasificación del 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 hardware principal,
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.
Un medio de entrada de datos,
la unidad central de procesamiento, la
memoria RAM, un medio de salida de datos y un medio de
almacenamiento de datos 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 y/o 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.10 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;11 a saber:
1. Procesamiento: unidad
central de procesamiento
2. Almacenamiento: Memorias
3. Entrada: Periféricos de
entrada (E)
4. Salida: Periféricos
de salida (S)
5. 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).12
Un periférico mixto es aquel 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
Microprocesador de 64 bits doble núcleo,
el AMD Athlon 64 X2 3600.
La Unidad Central de Procesamiento,
conocida por las siglas en inglés CPU, es el componente fundamental de la
computadora, encargado de interpretar y ejecutar instrucciones y de procesar
datos.13 En 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, calculadoras, 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 muy bajo consumo, los principales
son Samsung, Qualcomm, Texas Instruments, MediaTek, NVIDIA e Intel.
Placa base de una computadora, formato
µATX.
Placa base del teléfono
móvil Samsung Galaxy Spica, se pueden distinguir varios
"System-on-a-Chip" soldados en ella.
En las computadoras, 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).
En equipos de alto rendimiento,
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.
Placa principal,
placa madre o placa base
La placa base, también conocida como placa madre
o principal o con los anglicismos motherboard o mainboard,14 es un gran circuito impreso sobre el que se suelda
el chipset, las ranuras de expansión (slots), los
zócalos, conectores, diversos circuitos integrados, etc. Es el soporte
fundamental que aloja y comunica a todos los demás componentes: microprocesador, 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 transmiten los datos hacia dentro y fuera 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. Las figuras muestran aplicaciones típicas, placa
principal de una computadora y la de un teléfono móvil.
Las principales funciones que
presenta una placa base son:
·
Conexión física
·
Administración, control y distribución de energía eléctrica
·
Comunicación de datos
·
Temporización
·
Sincronismo
·
Control y monitoreo
Memoria RAM
Módulos de memoria RAM instalados
La sigla 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 memoria central o de trabajo";15 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 RAM son, comúnmente, memorias
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 capacitiva, 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 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 (típicamente entre 1,
2 o 4 Gigabytes por módulo) 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, cayendo en
desuso.
·
DDR3 SDRAM: Memoria con un ciclo doble y
acceso anticipado a ocho posiciones de memoria consecutivas. Es el tipo de memoria
más actual, ya reemplazó a su predecesora, la DDR2.
·
DDR4 SDRAM: Los módulos de memoria DDR4 SDRAM
tienen un total de 288 pines DIMM. La velocidad de datos por pin, va de un mínimo
de 1,6 GT/s hasta un objetivo máximo inicial de
3,2 GT/s. Las memorias DDR4 SDRAM tienen un mayor rendimiento y menor consumo
que las memorias DDR3 predecesoras. Tienen un gran ancho de banda en
comparación con sus versiones anteriores.
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 para
mantener 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, reproductores portátiles de MP3, pendrives, etc.
·
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.11 Los periféricos son los que permiten
realizar las operaciones conocidas como de entrada/salida (E/S).12
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 las 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)
Teclado para
PC inalámbrico.
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.12
Entre los periféricos de
entrada se puede mencionar:11 teclado, mouse o ratón, escáner, micrófono, cámara web, lectores ópticos de código de
barras, Joystick,
lectora de CD, DVD o BluRay (solo 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.
Impresora de inyección de tinta.
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.12
Los dispositivos más comunes de este
grupo son los monitores clásicos
(no de pantalla táctil), las impresoras, las consolas. y los altavoces.11
Entre los periféricos de salida puede
considerarse como imprescindible para el funcionamiento del sistema, al
monitor, las consolas para sonido. Otros, aunque accesorios, son sumamente
necesarios para un usuario que opere un computador moderno.
Piezas de un disco
duro
Son aquellos dispositivos que pueden operar
de ambas formas: tanto de entrada como de salida.12 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.11
Si bien se puede clasificar al pendrive (lápiz de memoria), memoria flash o memoria USB o a las unidades de estado
sólido (SSD) en la categoría de memorias,
normalmente se los utiliza como dispositivos de almacenamiento masivo; siendo
todos de categoría Entrada/Salida.16
Los dispositivos de almacenamiento
masivo11 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 se 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
GPU de Nvidia
GeForce
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,17 liberando así al procesador
principal (CPU) de esa costosa tarea (en tiempo) para que este 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.18
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.
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