Una de las preguntas básicas que de tanto en cuanto nos hacemos es la siguiente: ¿sí la CPU es capaz de ejecutar cualquier programa? Cómo es que no existen PCs compuestos solo por una CPU, su memoria, periféricos y nada más. Pues esta pregunta tiene una respuesta, la cual es la aceleración por hardware, un concepto base cuya utilidad entenderéis en este artículo.
El hardware de apoyo a una CPU ha estado siempre ahí, incluso desde antes de la aparición de los primeros ordenadores domésticos y desde la época en la que un ordenador era una pieza la mar de compleja donde una simple CPU no era un solo chip, sino un conjunto de chips TTL en una placa. Ya desde entonces los arquitectos de los nuevos sistemas vieron que una CPU no era eficiente para todas las tareas que se le encomendaban.
El ejemplo del altavoz
Los primeros ordenadores personales que salieron al mercado no fueron los PCs, sino sistemas como el Commodore PET y el Apple II, los cuales eran sumamente rudimentarios, ya que no eran más que el hardware para la terminal de un miniordenador pero conectado a una CPU de 8 bits, en ambos casos un MOS 6502. ¿Fue mejor el primer IBM PC? En muchos aspectos si, pero no de cara a la reproducción de sonido, ya que también hacía uso de un rudimentario altavoz.
En estos primeros ordenadores no existía un hardware de audio complejo, solo un altavoz conectado a una interfaz de 1 bit controlada por la CPU a partir del cual se daban los mensajes de error. Esto significaba que si alguien quería hacer una melodía en uno de estos procesadores necesitaba ocupar todo el tiempo de la CPU para mostrar el audio, ya que mientras esta estuviese controlando el altavoz no estaba ejecutando el programa principal. Esto provocó la salida de chips de apoyo para el sonido, los cuales liberaban a la CPU de tener que controlar el altavoz y eran capaces de reproducir melodías mucho más complejas y menos estridentes.
El ejemplo del altavoz nos sirve para explicar por qué una CPU necesita hardware de apoyo por muy potente que esta sea y por muy banal que sea la tarea a realizar, en este caso el ir enviando pitidos a un simple altavoz rudimentario.
¿Qué entendemos por hardware de apoyo?
Un hardware de apoyo es todo aquel hardware que reemplaza a la CPU a la hora de realizar una función de la misma. Se ha de tener en cuenta que en esto descartamos por completo las interfaces de comunicación de datos con la memoria y los periféricos, las cuales son esenciales en los modelos básicos de una CPU sea cual sea su modelo base, sea este Harvard o Von Neumann.
Un hardware de apoyo por lo tanto tiene que cumplir estos dos requisitos:
- Ha de liberar a la CPU de una tarea que de otra manera tendría que ejecutar.
- A la hora de ejecutar la tarea ha de ser más eficiente que la propia a la que reemplaza en tiempo, consumo y coste.
- Si es más eficiente en cuanto a tiempo, se dice que estamos ante un caso de aceleración por hardware.
Por lo que el coste del hardware de apoyo a la hora de implementarlo en el hardware no ha de ser nunca mayor que el coste de ejecutarlo en la CPU. No tiene sentido implementar un hardware para hacer algo que puede hacer uno o varios núcleos de la CPU si su coste en transistores es mayor, tampoco lo es si hablamos de un mayor consumo y aún menos si no realiza su trabajo a menor velocidad.
Aunque no siempre los tres puntos se pueden cumplir al mismo tiempo, un ejemplo son las GPUs, las cuales son hardware de apoyo, pero han superado en costes a las CPUs, ya que tenemos procesadores gráficos de NVIDIA y AMD con tamaños y cantidades de transistores mucho mayores que las CPUs más potentes. Las GPU son el ejemplo perfecto de hardware de apoyo pensado para la aceleración por hardware.
¿Qué es la aceleración por hardware?
Entendemos como aceleración por hardware cuando una pieza del mismo ajena por lo general la CPU consigue realizar un trabajo concreto en una porción del tiempo que lo haría la CPU. Esto se traduce en que lo ha hecho en menos tiempo y por tanto se ha acelerado la ejecución de esa parte del código, de ahí el nombre de aceleración por hardware.
En el mundo del PC Gaming, un ejemplo de ello fueron las primeras aceleradores 3D que aparecieron en el mercado. Estas tarjetas gráficas solo servían para mostrar gráficos en 3D y requerían de una VGA, pero conseguían tasas de fotogramas mucho más altas que utilizando la CPU en solitario para renderizar los gráficos de los juegos, por lo que realizaban la tarea de dibujar los fotogramas del juego a mayor velocidad.
La aceleración no se da solo en el caso de las CPUs, también se da en el caso de las GPUs donde recientemente hemos visto dos cambios muy importantes en las mismas. El primer cambio es el añadido de hardware de apoyo para acelerar el cálculo de la intersección de los rayos en el Ray Tracing. El segundo cambio es el añadido de unidades Tensor especializadas en el cálculo entre matrices para acelerar los algoritmos basados en la IA, los cuales abusan de este tipo de cálculos.
No se ha de confundir el hardware de apoyo con la aceleración por hardware, ya que pese a que existe hardware de apoyo que puede acelerar la ejecución de ciertas funciones, otro en cambio solamente libera a la CPU de una tarea en concreto a menor coste. En el caso de la aceleración el ahorro de costes no es el factor principal sino la velocidad a la que se ejecuta dicha tarea.
Ley de Amdahl y aceleración por hardware
Todo código de un programa se puede dividir en dos partes:
- Una parte serial, la cual no se puede paralelizar y depende de la potencia del núcleo que la esté ejecutando.
- Una parte que funciona con varios datos en paralelo, la cual puede ser asignada a varios procesadores o incluso a hardware de apoyo
Originalmente muchos algoritmos funcionaban solo en CPUs, pero se llegó al punto en que se dieron cuenta qué era mucho mejor utilizar las capacidades de las GPUs para crujir números en paralelo. En ese momento los programas dejaron de crearse para ejecutarse en la CPU para ejecutarse en la GPU con el objetivo de acelerar la parte del código en paralelo.
Aunque los programas que utilizamos en nuestros PCs parece que no hacen uso de la aceleración por hardware y que es algo que se limita a los videojuegos no es así. Por ejemplo a la hora de aplicar un efecto visual en un programa de edición de imagen este acaba recurriendo al hardware de la GPU para realizar dicha tarea de manera más rápida. Por lo que podemos decir que el programa está sufriendo una aceleración por hardware.
La complejidad del hardware de apoyo
Al igual que las CPUs han ido mejorando también lo ha hecho el hardware de apoyo, el cual no se ha quedado estático en su diseño y funcionalidad con el tiempo. En algunos casos cuando una pieza no puede ser mejorada más allá de lo que se ha ido mejorando hasta ese momento. Ese hardware se acaba integrando en otras piezas del hardware.
A medida que las aplicaciones más pesadas aumentan los requisitos de procesamiento, no solo se requiere una CPU más potente sino también de hardware de apoyo de mayor capacidad. El hecho de no desarrollar hardware de apoyo cada vez mejor es contraproducente para los fabricantes del mismo, ya que se llegaría a un punto en que la CPU sería más rápida que el hardware de apoyo a la hora de ejecutar ciertas tareas y este acabaría por ser completamente inútil.
Un ejemplo de hardware que se quedó desfasado fueron los Blitters de ciertos ordenadores de 16 bits, dicho hardware era utilizado en gráficos y su tarea era poder mover bloques de datos y manipularlos al vuelo muy rápido. Cuando las CPUs superaron en velocidad dicha tarea entonces estos desaparecieron de los ordenadores y dejaron de integrarse en el hardware.
El problema de la emulación
Cuando un PC emula un sistema no tiene a mano buena parte del hardware original, por lo que necesita emular no solo su CPU, sino también todo su hardware de apoyo. Es por ello que si comparamos un PC respecto al sistema que está emulando nos encontraremos que hay un enorme desfase en potencia y esto no solo es por qué tiene que interpretar el código del hardware original, sino que la CPU a hacer las tareas del hardware de apoyo.
La emulación de sistemas antiguos es el ejemplo perfecto de lo que ocurre cuando queremos ejecutar un programa y no tenemos el hardware de apoyo necesario para hacerlo. Acabamos necesitamos una enorme cantidad de potencia en la CPU en comparación con el hardware original y terminamos con un sistema más ineficiente.
La cosa se complica si estamos emulando no solamente el hardware de apoyo, sino también los elementos que aceleraban la ejecución del código más allá de la CPU principal. Son las piezas más difíciles de emular y en ciertos casos se suele utilizar aceleración por hardware. Por ejemplo buena parte de los emuladores de consolas más recientes renderizan sus gráficos utilizando la GPU del sistema para ello. Lo cual es un caso de aceleración por hardware.
Hardware de apoyo y compatibilidad con el software
El software hace uso del hardware de apoyo de diversas formas, ya sea a través de APIs moderna al estilo DirectX o en su día haciendo uso la E/S mapeada en memoria, la cual consistía en asignar ciertas direcciones de memoria para la comunicación con los periféricos. Pero como hemos dicho anteriormente, el hardware no es estático y evoluciona y puede aparecer un nuevo tipo de hardware haciendo la misma tarea, pero que rompa la compatibilidad hacía atrás.
Se suele decir que el PC hereda un total de 40 años de compatibilidad hacía atrás gracias a la ISA x86, pero esta afirmación es falsa. Hay aplicaciones que dependen del uso de hardware que ya no existe y es necesario emularlo o reimplementarlo. Buena parte de este hardware hace uso de interfaces de E/S que ya no se usan en ningún PC a día de hoy.
La aceleración por hardware requiere el uso de APIs que invoquen continuamente al hardware, esto hace a esos programas muy dependientes de ese hardware en concreto o del hardware compatible con dicha API.
Aceleración por hardware para los SSD NVMe
Un ejemplo a día de hoy de aceleración por hardware o hardware de apoyo lo vamos a ver con los discos SSD una vez se empiecen a utilizar formatos comprimidos de datos con tal de ampliar su capacidad de almacenamiento. Una CPU no es lo suficientemente rápida como para poder descomprimir la enorme cantidad de datos que le van a llegar a la suficiente velocidad.
En el caso de las consolas de videojuegos AMD ha añadido sistemas de compresión y descompresión de datos capaces de soportar los enormes anchos de banda de sus SSD. Si hablamos del PC ya tenemos ese hardware integrado a nivel de GPU en el caso de RDNA 2 y NVIDIA RTX 2000 y RTX 3000, pero en CPUs vamos a ver también el añadido de unidades de apoyo. Ya que no tiene ningún sentido instalar un SSD NVMe en el PC, hacer uso de la compresión de datos para ganar espacio de almacenamiento y que esto se te lleve 2 núcleos del procesador central del sistema.
Actualmente los SSD tienen un desfase respecto a los discos duros convencionales en lo que a la capacidad de almacenamiento se refiere, algo que se puede solucionar haciendo uso de formatos comprimidos, pero cuya descompresión requerirá una alta potencia que deberá cubrirse con un mayor número de núcleos de CPU o con hardware de apoyo.
