Desde el punto de vista funcional, un microprocesador es un circuito integrado que incorpora en su interior una unidad central de proceso (CPU) y todo un conjunto de elementos lógicos que permiten enlazar otros dispositivos como memorias y puertos de entrada y salida (I/O), formando un sistema completo para cumplir con una aplicación específica dentro del mundo real. Para que el sistema pueda realizar su labor debe ejecutar paso a paso un programa que consiste en una secuencia de números binarios o instrucciones, almacenándolas en uno o más elementos de memoria, generalmente externos al mismo. La aplicación más importante de los microprocesadores que cambió totalmente la forma de trabajar, ha sido la computadora personal o microcomputadora.
El microprocesador o simplemente procesador, es el circuito integrado más importante, de tal modo, que se le considera el cerebro de una computadora. Está constituido por millones de transistores integrados. Puede definirse como chip, un tipo de componente electrónico en cuyo interior existen miles o en ocasiones millones, según su complejidad, de elementos llamados transistores cuyas interacciones permiten realizar las labores o funciones que tenga encomendado el chip.
Así mismo, es la parte de la computadora diseñada para llevar a cabo o ejecutar los programas. Éste ejecuta instrucciones que se le dan a la computadora a muy bajo nivel realizando operaciones lógicas simples, como sumar, restar, multiplicar o dividir. Se ubica generalmente en un zócalo específico en la placa o tarjeta madre y dispone para su correcto y estable funcionamiento de un sistema de refrigeración (generalmente de un ventilador montado sobre un disipador de metal termicamente muy conductor).
Lógicamente funciona como la unidad central de procesos (CPU/Central Procesing Unit), que está constituida por registros, la unidad de control y la unidad aritmético-lógica principalmente. En el microprocesador se procesan todas las acciones de la computadora.
Su "velocidad" se determina por la cantidad de operaciones por segundo que puede realizar: también denominada frecuencia de reloj. La frecuencia de reloj se mide Hertzios, pero dado su elevado número se utilizan los múltiplos megahertzio o gigahertzio
Una computadora personal o más avanzada puede estar soportada por uno o varios microprocesadores, y un microprocesador puede soportar una o varias terminales (redes). Un núcleo suele referirse a una porción del procesador que realiza todas las actividades de una CPU real.
La tendencia de los últimos años ha sido la de integrar múltiples núcleos dentro de un mismo encapsulado, además de componentes como memorias caché, controladoras de memoria e incluso unidades de procesamiento gráfico; elementos que anteriormente estaban montados sobre la placa base como dispositivos individuales.
Historia de los microprocesadores
La evolución del microprocesador
El microprocesador es un producto de la computadora y la tecnología semiconductora. Su desarrollo se eslabona desde la mitad de los años 50; estas tecnologías se fusionaron a principios de los años 70, produciendo el llamado microprocesador.
La computadora digital hace cálculos bajo el control de un programa. La manera general en que los cálculos se han hecho es llamada la arquitectura de la computadora digital. Así mismo la historia de circuitos de estado sólido nos ayuda también, porque el microprocesador es un circuito con transistores o microcircuito LSI (Alta escala de integración)
El mapa de la figura, mostrada al final de esta sección, muestra los sucesos importantes de éstas dos tecnologías que se desarrollaron en las últimas cinco décadas. Las dos tecnologías iniciaron su desarrollo desde la segunda guerra mundial; en este tiempo los científicos desarrollaron computadoras especialmente para empleo militar. Después de la guerra, a mediados del año de 1940 la computadora digital fue desarrollada para propósitos científicos y civiles.
La tecnología de circuitos electrónicos avanzó y los científicos hicieron grandes progresos en el diseño de dispositivos físicos de Estado Sólido. En 1948 en los laboratorios Bell crearon el Transistor.
En los años 50, aparecen las primeras computadoras digitales de propósito general. Éstas usaban tubos al vacío o bulbos como componentes electrónicos activos. Tarjetas o módulos de tubos al vacío fueron usados para construir circuitos lógicos básicos tales como compuertas lógicas y flip-flops (Celda donde se almacena un bit). Ensamblando compuertas y flip-flops en módulos, los científicos construyeron la computadora (la lógica de control, circuitos de memoria, etc.). Los tubos de vacío también formaron parte de la construcción de máquinas para la comunicación con las computadoras. Para el estudio de los circuitos digitales, en la construcción de un circuito sumador simple se requiere de algunas compuertas lógicas.
La construcción de una computadora digital requiere de muchos circuitos o dispositivos electrónicos. El principal paso tomado en la computadora fue hacer que el dato fuera almacenado en memoria como una forma de palabra digital. La idea de almacenar programas fue muy importante.
La tecnología de los circuitos de estado sólido evolucionó en la década de los años 50. El empleo del silicio, de bajo costo y con métodos de producción masiva, hicieron al transistor ser el más usado para el diseño de circuitos. Por lo tanto el diseño de la computadora digital fue un gran avance del cambio para reemplazar al tubo al vacío por el transistor a finales de los años 50.
A principios de los años 60, el arte de la construcción de computadoras de estado sólido se incrementó y surgieron las tecnologías en circuitos digitales como: RTL (Lógica Transistor Resistor), DTL (Lógica Transistor Diodo), TTL (Lógica Transistor Transistor), ECL (Lógica Complementada Emisor).
A mediados de los años 60 se producen las familias de lógica digital, dispositivos en escala SSI y MSI que corresponden a baja y mediana escala de integración de componentes en los circuitos de fabricación. A finales de los años 60's y principios de los años 70 surgieron los sistemas a alta escala de integración o LSI. La tecnología LSI fue haciendo posible más y más circuitos digitales en un circuito integrado. Sin embargo, pocos circuitos LSI fueron producidos, los dispositivos de memoria fueron un buen ejemplo.
Las primeras calculadoras electrónicas requerían de 75 a 100 circuitos integrados. Después se dio un paso importante en la reducción de la arquitectura de la computadora a un circuito integrado simple, resultando un circuito que fue llamado el microprocesador, unión de las palabras "Micro" del griego μικρο-, "pequeño" y procesador. Sin embargo, es totalmente válido usar el término genérico procesador, dado que con el paso de los años, la escala de integración se ha visto reducida de micrométrica a nanométrica
- El primer microprocesador fue el Intel 4004, producido en 1971. Se desarrolló originalmente para una calculadora, y resultaba revolucionario para su época. Contenía 2.300 transistores en un microprocesador de 4 bits que sólo podía realizar 60.000 operaciones por segundo.
- El primer microprocesador de 8 bits fue el Intel 8008, desarrollado en 1972 para su empleo en terminales informáticos. El Intel 8008 contenía 3300 transistores.
- El primer microprocesador realmente diseñado para uso general, desarrollado en 1974, fue el Intel 8080 de 8 bits, que contenía 4500 transistores y podía ejecutar 200.000 instrucciones por segundo.
- Los microprocesadores modernos tienen una capacidad y velocidad mucho mayores, acercándose a 800 millones de transistores, como es en el caso de las serie Core i7
Breve Historia de los Microprocesadores
- 1971: MICROPROCESADOR 4004
El 4004 fue el primer microprocesador de Intel. Este descubrimiento impulsó la calculadora de Busicom y pavimentó la manera para integrar inteligencia en objetos inanimados así como la computadora personal.
- 1972: MICROPROCESADOR i8008
Codificado inicialmente como 1201, fue pedido a Intel por Computer Terminal Corporation para usarlo en su terminal programable Datapoint 2200, pero debido a que Intel terminó el proyecto tarde y a que no cumplía con la expectativas de Computer Terminal Corporation, finalmente no fue usado en el Datapoint 2200. Posteriormente Computer Terminal Corporation e Intel acordaron que el i8008 pudiera ser vendido a otros clientes.
- 1974: MICROPROCESADOR 8080
Los 8080 se convirtieron en los cerebros de la primera computadora personal la Altair 8800 de MITS, según se alega, nombrada en base a un destino de la Nave Espacial "Starship" del programa de televisión Viaje a las Estrellas, y el IMSAI 8080, formando la base para las máquinas que corrían el sistema operativo CP/M. Los fanáticos de las computadoras podían comprar un equipo Altair por un precio (en aquel momento) de $395. En un periodo de pocos meses, vendió decenas de miles de estas computadoras personales.
- 1978: MICROPROCESADOR 8086-8088
Una venta realizada por Intel a la nueva división de computadoras personales de IBM, hizo que los cerebros de IBM dieran un gran golpe comercial con el nuevo producto para el 8088, el IBM PC. El éxito del 8088 propulsó a Intel en la lista de las 500 mejores compañías de la prestigiosa revista Fortune, y la revista nombró la compañía como uno de Los triunfos comerciales de los sesenta.
- 1982: MICROPROCESADOR 286
El 286, también conocido como el 80286, era el primer procesador de Intel que podría ejecutar todo el software escrito para su predecesor. Esta compatibilidad del software sigue siendo un sello de la familia de Intel de microprocesadores. Luego de 6 años de su introducción, había un estimado de 15 millones de 286 basados en computadoras personales instalados alrededor del mundo.
- 1985: EL MICROPROCESADOR INTEL 386
El procesador Intel 386 ofreció 275 000 transistores, más de 100 veces tantos como en el original 4004. El 386 añadió una arquitectura de 32 bits, poseía capacidad multitarea, que significa que podría ejecutar múltiples programas al mismo tiempo y una unidad de traslación de páginas, lo que hizo mucho más sencillo implementar sistemas operativos que emplearan memoria virtual.
- 1989: EL DX CPU MICROPROCESADOR INTEL 486
La generación 486 realmente significó que el usuario contaba con una computadora con muchas opciones avanzadas, entre ellas,un conjunto de instrucciones optimizado, una unidad de coma flotante y un caché unificado integrados en el propio circuito integrado del microprocesador y una unidad de interfaz de bus mejorada. Estas mejoras hacen que los i486 sean el doble de rápidos que un i386 e i387 a la misma frecuencia de reloj. El procesador Intel 486 fue el primero en ofrecer un coprocesador matemático integrado, el cual acelera las tareas del micro, porque ofrece la ventaja de que las operaciones matemáticas complejas son realizadas (por el coprocesador) de manera independiente al funcionamiento del procesador central (CPU).
- 1991: AMD AMx86
Procesadores lanzados por AMD 100% compatible con los códigos de Intel de ese momento, ya que eran clones, pero llegaron a superar incluso la frecuencia de reloj de los procesadores de Intel a precios significativamente menores. Aquí se incluyen las series Am286, Am386, Am486 y Am586
- 1993: PROCESADOR DE PENTIUM
El procesador de Pentium poseía una arquitectura capaz de ejecutar dos operaciones a la vez gracias a sus dos pipeline de datos de 32bits cada uno, uno equivalente al 486DX(u) y el otro equivalente a 486SX(u). Además, poseía un bus de datos de 64 bits, permitiendo un acceso a memoria 64 bits (aunque el procesador seguía manteniendo compatibilidad de 32 bits para las operaciones internas y los registros también eran de 32 bits). Las versiones que incluían instrucciones MMX no únicamente brindaban al usuario un mejor manejo de aplicaciones multimedia, como por ejemplo, la lectura de películas en DVD, sino que se ofrecían en velocidades de hasta 233 MHz, incluyendo una versión de 200 MHz y la más básica proporcionaba unos 166 MHz de reloj. El nombre Pentium, se mencionó en las historietas y en charlas de la televisión a diario, en realidad se volvió una palabra muy popular poco después de su introducción.
- 1995: PROCESADOR PENTIUM PROFESIONAL
Lanzado al mercado para el otoño de 1995 el procesador Pentium Pro se diseña con una arquitectura de 32 bits, su uso en servidores, los programas y aplicaciones para estaciones de trabajo (redes) impulsan rápidamente su integración en las computadoras. El rendimiento del código de 32 bits era excelente, pero el Pentium Pro a menudo iba más despacio que un Pentium cuando ejecutaba código o sistemas operativos de 16 bits. Cada procesador Pentium Pro estaba compuesto por unos 5,5 millones de transistores.
- 1996: AMD K5
Habiendo abandonado los clones se fabricada AMD de tecnologías análogas a Intel. AMD sacó al mercado su primer procesador propio, el K5, rival del Pentium. La arquitectura RISC86 del AMD K5 era más semejante a la arquitectura del Intel Pentium Pro que a la del Pentium. El K5 es internamente un procesador RISC con una Unidad x86- decodificadora que transforma todos los comandos x86 de la aplicación en comandos RISC. Este principio se usa hasta hoy en todos los CPUs x86. En todos los aspectos era superior el K5 al Pentium, sin embargo AMD tenía poca experiencia en el desarrollo de microprocesadores y los diferentes hitos de producción marcados se fueron superando sin éxito y fué retrasado 1 año de su salida, a razón de éste retraso, sus frecuencias de trabajo eran inferiores a la competencia y por tanto, los fabricantes de PC dieron por hecho que era peor.
- 1997: PROCESADOR PENTIUM II
El procesador de 7,5 millones de transistores Pentium II, se busca entre los cambios fundamentales con respecto a su predecesor, mejorar el rendimiento en la ejecución de código de 16 bits, añadir el conjunto de instrucciones MMX y eliminar la memoria caché de segundo nivel del núcleo del procesador, colocándola en una tarjeta de circuito impreso junto a éste. Gracias al nuevo diseño de este procesador, los usuarios de PC pueden capturar, pueden revisar y pueden compartir fotografías digitales con amigos y familia vía Internet; revisar y agregar texto, música y otros; con una línea telefónica, el enviar video a través de las líneas normales del teléfono mediante el Internet se convierte en algo cotidiano.
- 1996: AMD K6 Y AMD K6-2
Con el K6, AMD no sólo consiguió hacerle seriamente la competencia a Intel en el terreno de los Pentium MMX, sino que además amargó lo que de otra forma hubiese sido un plácido dominio del mercado, ofreciendo un procesador que casi se pone a la altura del mismísimo Pentium II por un precio muy inferior a sus análogos. En cálculos en coma flotante, el K6 también quedó por debajo del Pentium II, pero por encima del Pentium MMX y del Pro. El K6 contó con una gama que va desde los 166 hasta los mas de 500 Mhz y con el juego de instrucciones MMX, que ya se han convertido en estándar.
Más adelante lanzó una mejora de los K6, los K6-2 a 250 nanómetros, para seguir compitiendo con lso Pentium II, siéndo éste último superior en tareas de coma flotante, pero inferior en tareas de uso general. Se introducen un juego de instrucciones SIMD denominado 3DNow!
- 1998: EL PROCESADOR PENTIUM II XEON
Los procesadores Pentium II Xeon se diseñan para cumplir con los requisitos de desempeño en computadoras de medio-rango, servidores más potentes y estaciones de trabajo (workstations). Consistente con la estrategia de Intel para diseñar productos de procesadores con el objetivo de llenar segmentos de los mercados específicos, el procesador Pentium II Xeon ofrece innovaciones técnicas diseñadas para las estaciones de trabajo (workstations) y servidores que utilizan aplicaciones comerciales exigentes como servicios de Internet, almacenaje de datos corporativo, creaciones digitales y otros. Pueden configurarse sistemas basados en el procesador para integrar de cuatro o ocho procesadores y más allá de este número.
- 1999: EL PROCESADOR CELERON
Continuando la estrategia de Intel, en el desarrollo de procesadores para los segmentos del mercado específicos, el procesador Intel Celeron es el nombre que lleva la línea de procesadores de bajo coste de Intel. El objetivo era poder, mediante ésta segunda marca, penetrar en los mercados impedidos a los Pentium, de mayor rendimiento y precio. Se diseña para el añadir valor al segmento del mercado de los PC. Proporcionó a los consumidores una gran actuación a un bajo coste, y entregó un desempeño destacado para usos como juegos y el software educativo.
- 1999: AMD ATHLON K7 (CLASSIC Y THUNDERBIRD)
Procesador compatible con la arquitectura x86. Internamente el Athlon es un rediseño de su antecesor, al que se le mejoró substancialmente el sistema de coma flotante (ahora son 3 unidades de coma flotante que pueden trabajar simultáneamente) y se le aumentó la memoria caché de primer nivel (L1) a 128 KB (64 KB para datos y 64 KB para instrucciones). Además incluye 512 KB de caché de segundo nivel (L2). El resultado fue el procesador x86 más potente del momento
El procesador Athlon con núcleo Thunderbird apareció como la evolución del Athlon Classic. Al igual que su predecesor, también se basa en la arquitectura x86 y usa el bus EV6. El proceso de fabricación usado para todos estos microprocesadores es de 180 nanómetros El Athlon Thunderbird consolidó a AMD como la segunda mayor compañía de fabricación de microprocesadores, ya que gracias a su excelente rendimiento (superando siempre al Pentium III y a los primeros Pentium IV de Intel a la misma velocidad de reloj) y bajo precio, la hicieron muy popular tanto entre los entendidos como en los iniciados en la informática.
- 1999: PROCESADOR PENTIUM III
El procesador Pentium III ofrece 70 nuevas instrucciones (Internet Streaming, las extensiones de SIMD las cuales refuerzan dramáticamente el desempeño con imágenes avanzadas, 3D, añadiendo una mejor calidad de audio, video y desempeño en aplicaciones de reconocimiento de voz. Fue diseñado para reforzar el área del desempeño en el Internet, le permite a los usuarios hacer cosas, tales como, navegar a través de páginas pesadas (llenas de gráficas) como las de los museos online, tiendas virtuales y transmitir archivos video de alta calidad. El procesador incorpora 9,5 millones de transistores, y se introdujo usando en él la tecnología 250 nanómetros.
- 1999: EL PROCESADOR PENTIUM III XEON
El procesador Pentium III Xeon amplia las fortalezas de Intel en cuanto a las estaciones de trabajo (workstation) y segmentos de mercado de servidor y añade una actuación mejorada en las aplicaciones del comercio electrónico y la informática comercial avanzada. Los procesadores incorporan tecnología que refuerzan los multimedios y las aplicaciones de video. La tecnología del procesador III Xeon acelera la transmisión de información a través del bus del sistema al procesador, mejorando la actuación significativamente. Se diseña pensando principalmente en los sistemas con configuraciones de multiprocesador.
- 2000: PENTIUM 4
El Pentium 4 es un microprocesador de séptima generación basado en la arquitectura x86 y fabricado por Intel. Es el primer microprocesador con un diseño completamente nuevo desde el Pentium Pro. Se estreno la arquitectura NetBurst, la cual no daba mejoras considerables respecto a la anterior P6. Intel sacrificó el rendimiento de cada ciclo para obtener a cambio mayor cantidad de ciclos por segundo y una mejora en las instrucciones SSE.
- 2001: ATHLON XP
Cuando Intel sacó el Pentium 4 a 1,7 GHz en abril de 2001 se vio que el Athlon Thunderbird no estaba a su nivel. Además no era práctico para el overclocking, entonces para seguir estando a la cabeza en cuanto a rendimiento de los procesadores x86, AMD tuvo que diseñar un nuevo núcleo, por eso sacó el Athlon XP. Compatibilizaba las instrucciones SSE y las 3DNow! Entre las mejoras respecto al Thunderbird podemos mencionar la prerrecuperación de datos por hardware, conocida en inglés como prefetch, y el aumento de las entradas TLB, de 24 a 32.
- 2004: PENTIUM 4 (PRESCOTT)
A principios de febrero de 2004, Intel introdujo una nueva versión de Pentium 4 denominada 'Prescott'. Primero se utilizó en su manufactura un proceso de fabricación de 90 nm y luego se cambió a 65nm. Su diferencia con los anteriores es que éstos poseen 1 MB o 2 MB de caché L2 y 16 KB de caché L1 (el doble que los Northwood), Prevención de Ejecución, SpeedStep, C1E State, un HyperThreading mejorado, instrucciones SSE3, manejo de instrucciones AMD64, de 64 bits creadas por AMD, pero denominadas EM64T por Intel, sin embargo por graves problemas de temperatura y consumo, resultaron un fracaso frente a los Athlon 64.
- 2004: ATHLON 64
El AMD Athlon 64 es un microprocesador x86 de octava generación que implementa el conjunto de instrucciones AMD64, que fueron introducidas con el procesador Opteron. El Athlon 64 presenta un controlador de memoria en el propio circuito integrado del microprocesador y otras mejoras de arquitectura que le dan un mejor rendimiento que los anteriores Athlon y Athlon XP funcionando a la misma velocidad, incluso ejecutando código heredado de 32 bits.El Athlon 64 también presenta una tecnología de reducción de la velocidad del procesador llamada Cool'n'Quiet,. Cuando el usuario está ejecutando aplicaciones que requieren poco uso del procesador, la velocidad del mismo y su tensión se reducen.
- 2006: INTEL CORE Y CORE 2 DUO
Intel lanzó ésta gama de procesadores de doble núcleo y CPUs 2x2 MCM (Módulo Multi-Chip) de cuatro núcleos con el conjunto de instrucciones x86-64, basado en el la nueva arquitectura Core de Intel. La microarquitectura Core regresó a velocidades de CPU bajas y mejoró el uso del procesador de ambos ciclos de velocidad y energía comparados con anteriores NetBurst de los CPUs Pentium 4/D2 La microarquitectura Core provee etapas de decodificación, unidades de ejecución, caché y buses más eficientes, reduciendo el consumo de energía de CPUs Core 2, mientras se incrementa la capacidad de procesamiento. Los CPUs de Intel han variado muy bruscamente en consumo de energía de acuerdo a velocidad de procesador, arquitectura y procesos de semiconductor, mostrado en las tablas de disipación de energía del CPU. Esta gama de procesadores fueron fabricados de 65 a 45 nanómetros.
- 2007: AMD PHENOM
Phenom fue el nombre dado por Advanced Micro Devices (AMD) a la primera generación de procesadores de tres y cuatro núcleos basados en la microarquitectura K10. Como característica común todos los Phenom tienen tecnología de 65 nanómetros lograda a través de tecnología de fabricación Silicon on insulator (SOI). No obstante, Intel, ya se encontraba fabricando mediante la más avanzada tecnología de proceso de 45 nm en 2008. Los procesadores Phenom están diseñados para facilitar el uso inteligente de energía y recursos del sistema, listos para la virtualización, generando un óptimo rendimiento por vatio. Todas las CPUs Phenom poseen características como controlador de memoria DDR2 integrado, tecnología HyperTransport y unidades de coma flotante de 128 bits, para incrementar la velocidad y el rendimiento de los cálculos de coma flotante. La arquitectura Direct Connect asegura que los cuatro núcleos tengan un óptimo acceso al controlador integrado de memoria, logrando un ancho de banda de 16 Gb/s para intercomunicación de los núcleos del microprocesador y la tecnología HyperTransport, de manera que las escalas de rendimiento mejoren con el número de núcleos. Tiene caché L3 compartida para un acceso más rápido a los datos (y así no depender tanto de la propia latencia de la RAM), además de compatibilidad de infraestructura de los socket AM2, AM2+ y AM3 para permitir un camino de actualización sin sobresaltos. A pesar de todo, no llegaron a igualar el rendimiento de la serie Core 2 Duo.
- 2008: INTEL CORE NEHALEM
Intel Core i7 es una familia de procesadores de cuatro núcleos de la arquitectura Intel x86-64. Los Core i7 son los primeros procesadores que usan la microarquitectura Nehalem de Intel y es el sucesor de la familia Intel Core 2. FSB es reemplazado por la interfaz QuickPath en i7 e i5 (socket 1366), y sustituido a su vez en i7, i5 e i3 (socket 1156) por el DMI eliminado el northBrige e implementando puertos PCI Express directamente. Memoria de tres canales (ancho de datos de 192 bits): cada canal puede soportar una o dos memorias DIMM DDR3. Las placa base compatibles con Core i7 tienen cuatro (3+1) o seis ranuras DIMM en lugar de dos o cuatro, y las DIMMs deben ser instaladas en grupos de tres, no dos. El Hyperthreading fue reimplementado creando nucleos lógicos. Está fabricado a arquitecturas de 45 nm y 32 nm y posee 731 millones de transistores su versión más potente. Se volvió a usar frecuencias altas, aunque a contrapartida los consumos se dispararon.
- 2008: AMD PHENOM II Y ATHLON II
Phenom II es el nombre dado por AMD a una familia de microprocesadores o CPUs multinúcleo (multicore) fabricados en 45 nm, la cual sucede al Phenom original y dieron soporte a DDR3. Una de las ventajas del paso de los 65 nm a los 45 nm, es que permitió aumentar la cantidad de cache L3. De hecho, ésta se incrementó de una manera generosa, pasando de los 2 MB del Phenom original a 6 MB.
- 2010: INTEL CORE SANDY BRIDGE
Los próximos procesadores de Intel de la familia core
- 2011: AMD BULLDOZER
Los próximos procesadores de AMD de la familia Fusion
Funcionamiento
Desde el punto de vista lógico, singular y funcional, el microprocesador está compuesto básicamente por: varios registros, una unidad de control, una unidad aritmético-lógica, y dependiendo del procesador, puede contener una unidad en coma flotante.
El microprocesador ejecuta instrucciones almacenadas como números binarios organizados secuencialmente en la memoria principal. La ejecución de las instrucciones se puede realizar en varias fases:
- PreFetch, pre lectura de la instrucción desde la memoria principal.
- Fetch, envío de la instrucción al decodificador
- Decodificación de la instrucción, es decir, determinar qué instrucción es y por tanto qué se debe hacer.
- Lectura de operandos (si los hay).
- Ejecución, lanzamiento de las máquinas de estado que llevan a cabo el procesamiento.
- Escritura de los resultados en la memoria principal o en los registros.
Cada una de estas fases se realiza en uno o varios ciclos de CPU, dependiendo de la estructura del procesador, y concretamente de su grado de segmentación. La duración de estos ciclos viene determinada por la frecuencia de reloj, y nunca podrá ser inferior al tiempo requerido para realizar la tarea individual (realizada en un solo ciclo) de mayor coste temporal. El microprocesador se conecta a un circuito PLL, normalmente basado en un cristal de cuarzo capaz de generar pulsos a un ritmo constante, de modo que genera varios ciclos (o pulsos) en un segundo. Este reloj, en la actualidad, genera miles de MHz. Un microprocesador es un sistema abierto con el que puede construirse un computador con las características que se desee acoplándole los módulos necesarios.
Rendimiento
El rendimiento del procesador puede ser medido de distintas maneras, hasta hace pocos años se creía que la frecuencia de reloj era una medida precisa, pero ese mito, conocido como "mito de los megahertzios" se ha visto desvirtuado por el hecho de que los procesadores no han requerido frecuencias más altas para aumentar su potencia de cómputo.
Durante los últimos años esa frecuencia se ha mantenido en el rango de los 1,5 GHz a 4 GHz, dando como resultado procesadores con capacidades de proceso mayores comparados con los primeros que alcanzaron esos valores. Además la tendencia es a incorporar más núcleos dentro de un mismo encapsulado para aumentar el rendimiento por medio de una computación paralela, de manera que la velocidad de reloj es un indicador menos fiable aún.
Medir el rendimiento con la frecuencia es válido únicamente entre procesadores con arquitecturas muy similares o iguales, de manera que su funcionamiento interno sea el mismo: en ese caso la frecuencia es un índice de comparación válido. Dentro de una familia de procesadores es común encontrar distintas opciones en cuanto a frecuencias de reloj, debido a que no todos los chip de silicio tienen los mismos límites de funcionamiento: son probados a distintas frecuencias, hasta que muestran signos de inestabilidad, entonces se clasifican de acuerdo al resultado de las pruebas.
Esto se podría reducir en que los procesadores son fabricados por lotes con diferentes estructuras internas atendidendo a gamas y extras como podría ser una memoria caché de diferente tamaño, aunque no siempre es así y las gamas altas difieren muchísimo más de las bajas que simplemente de su memoria caché. Después de obtener los lotes según su gama, se someten a procesos en un banco de pruebas, y según su soporte a las temperaturas o que vaya mostrando signos de inestabilidad, se le adjudica una frecuencia, con la que vendrá programado de serie, pero con prácticas de overclock se le puede incrementar
La capacidad de un procesador depende fuertemente de los componentes restantes del sistema, sobre todo del chipset, de la memoria RAM y del software. Pero obviando esas características puede tenerse una medida aproximada del rendimiento de un procesador por medio de indicadores como la cantidad de operaciones de coma flotante por unidad de tiempo FLOPS, o la cantidad de instrucciones por unidad de tiempo MIPS. Una medida exacta del rendimiento de un procesador o de un sistema, es muy complicada debido a los múltiples factores involucrados en la computación de un problema, por lo general las pruebas no son concluyentes entre sistemas de la misma generación.
Arquitectura
El microprocesador tiene una arquitectura parecida a la computadora digital. En otras palabras, el microprocesador es como la computadora digital porque ambos realizan cálculos bajo un programa de control. Consiguientemente, la historia de la computadora digital nos ayudará a entender el microprocesador. El microprocesador hizo posible la fabricación de potentes calculadoras y de muchos otros productos. El microprocesador utiliza el mismo tipo de lógica que es usado en la unidad procesadora central (CPU) de una computadora digital. El microprocesador es algunas veces llamado unidad microprocesadora (MPU). En otras palabras, el microprocesador es una unidad procesadora de datos. En un microprocesador podemos diferenciar diversas partes:
- El encapsulado: es lo que rodea a la oblea de silicio en si, para darle consistencia, impedir su deterioro (por ejemplo, por oxidación por el aire) y permitir el enlace con los conectores externos que lo acoplaran a su zócalo a su placa base.
- La memoria cache: es una memoria ultrarrápida que emplea el micro para tener a mano ciertos datos que predeciblemente serán utilizados en las siguientes operaciones sin tener que acudir a la memoria RAM reduciendo el tiempo de espera. Por ejemplo: en una biblioteca, en lugar de estar buscando cierto libro a través de un banco de ficheros de papel se utiliza la computadora, y gracias a la memoria cache, obtiene de manera rápida la información. Todos los micros compatibles con PC poseen la llamada cache interna de primer nivel o L1; es decir, la que está más cerca del micro, tanto que está encapsulada junto a él. Los micros más modernos (Pentium III Coppermine, athlon Thunderbird, etc.) incluyen también en su interior otro nivel de caché, más grande aunque algo menos rápida, la caché de segundo nivel o L2 e incluso memoria caché de nivel 3, o L3.
- Coprocesador Matemático: o correctamente la FPU (Unidad de coma flotante). Que es la parte del micro especializada en esa clase de cálculos matemáticos, antiguamente estaba en el exterior del procesador en otro chip. Esta parte esta considerada como una parte "lógica" junto con los registros, la unidad de control, memoria y bus de datos.
- Los registros: son básicamente un tipo de memoria pequeña con fines especiales que el micro tiene disponible para algunos usos particulares. Hay varios grupos de registros en cada procesador. Un grupo de registros esta diseñado para control del programador y hay otros que no son diseñados para ser controlados por el procesador pero que CPU los utiliza en algunas operaciones, en total son treinta y dos registros.
- La memoria: es el lugar donde el procesador encuentra las instrucciones de los programas y sus datos. Tanto los datos como las instrucciones están almacenados en memoria, y el procesador las toma de ahí. La memoria es una parte interna de la computadora y su función esencial es proporcionar un espacio de trabajo para el procesador.
- Puertos: es la manera en que el procesador se comunica con el mundo externo. Un puerto es parecido a una línea de teléfono. Cualquier parte de la circuitería de la computadora con la cual el procesador necesita comunicarse, tiene asignado un número de puerto que el procesador utiliza como un número de teléfono para llamar al circuito o a partes especiales.
Fabricación
El proceso de fabricación de un microprocesador es muy complejo. Todo comienza con un buen puñado de arena (compuesta básicamente de silicio), con la que se fabrica un monocristal de unos 20 x 150 centímetros. Para ello, se funde el material en cuestión a alta temperatura (1.370 °C) y muy lentamente (10 a 40 Mm por hora) se va formando el cristal.
De este cristal, de cientos de kilos de peso, se cortan los extremos y la superficie exterior, de forma de obtener un cilindro perfecto. Luego, el cilindro se corta en obleas de 10 micras de espesor, la décima parte del espesor de un cabello humano, utilizando una sierra de diamante. De cada cilindro se obtienen miles de obleas, y de cada oblea se fabricarán varios cientos de microprocesadores.
Estas obleas son pulidas hasta obtener una superficie perfectamente plana, pasan por un proceso llamado “annealing”, que consiste en someterlas a un calentamiento extremo para remover cualquier defecto o impureza que pueda haber llegado a esta instancia. Después de una supervisión mediante láseres capaz de detectar imperfecciones menores a una milésima de micra, se recubren con una capa aislante formada por óxido de silicio transferido mediante deposición de vapor.
De aquí en adelante, comienza el proceso del “dibujado” de los transistores que conformarán a cada microprocesador. A pesar de ser muy complejo y preciso, básicamente consiste en la “impresión” de sucesivas máscaras sobre la oblea, sucediéndose la deposición y eliminación de capas finísimas de materiales conductores, aislantes y semiconductores, endurecidas mediante luz ultravioleta y atacada por ácidos encargados de remover las zonas no cubiertas por la impresión. Salvando las escalas, se trata de un proceso comparable al visto para la fabricación de circuitos impresos. Después de cientos de pasos, entre los que se hallan la creación de sustrato, la oxidación, la litografía, el grabado, la implantación iónica y la deposición de capas; se llega a un complejo "bocadillo" que contiene todos los circuitos interconectados del microprocesador.
Un transistor construido en tecnología de 45 nanómetros tiene un ancho equivalente a unos 200 electrones. Eso da una idea de la precisión absoluta que se necesita al momento de aplicar cada una de las mascaras utilizadas durante la fabricación.
Los detalles de un microprocesador son tan pequeños y precisos que una única mota de polvo puede destruir todo un grupo de circuitos. Las salas empleadas para la fabricación de microprocesadores se denominan salas limpias, porque el aire de las mismas se somete a un filtrado exhaustivo y está prácticamente libre de polvo. Las salas limpias más puras de la actualidad se denominan de clase 1. La cifra indica el número máximo de partículas mayores de 0,12 micras que puede haber en un pie cúbico (0,028 m3) de aire. Como comparación, un hogar normal sería de clase 1 millón. Los trabajadores de estas plantas emplean trajes estériles para evitar que restos de piel, polvo o pelo se desprendan de sus cuerpos.
Una vez que la oblea ha pasado por todo el proceso litográfico, tiene “grabados” en su superficie varios cientos de microprocesadores, cuya integridad es comprobada antes de cortarlos. Se trata de un proceso obviamente automatizado, y que termina con una oblea que tiene grabados algunas marcas en el lugar que se encuentra algún microprocesador defectuoso.
La mayoría de los errores se dan en los bordes de la oblea, dando como resultados chips capaces de funcionar a velocidades menores que los del centro de la oblea o simplemente con características desactivadas, tales como núcleos. Luego la oblea es cortada y cada chip individualizado. En esta etapa del proceso el microprocesador es una pequeña placa de unos pocos milímetros cuadrados, sin pines ni cápsula protectora.
Cada una de estas plaquitas será dotada de una cápsula protectora plástica (en algunos casos pueden ser cerámicas) y conectada a los cientos de pines metálicos que le permitirán interactuar con el mundo exterior. Cada una de estas conexiones se realiza utilizando delgadísimos alambres, generalmente de oro. De ser necesario, la cápsula es dotada de un pequeño disipador térmico de metal, que servirá para mejorar la transferencia de calor desde el interior del chip hacia el disipador principal. El resultado final es un microprocesador como el que equipa nuestro ordenador.
Empaquetado
Los microprocesadores son circuitos integrados y como tal están formados por un chip de silicio y un empaque con conexiones eléctricas. En los primeros procesadores el empaque se fabricaba con plásticos epoxicos o con cerámicas en formatos como el DIP entre otros. El chip se pegaba con un material térmicamente conductor a una base y se conectaba por medio de pequeños alambres a unas pistas terminadas en pines. Posteriormente se sellaba todo con una placa metálica u otra pieza del mismo material de la base de manera que los alambres y el silicio quedaran encapsulados.
En procesadores como los Intel y AMD de las series Pentium I (mediados de los 90) y compatibles aún se usaba el empaque cerámico que tenía un arreglo de pines PGA y una cavidad en el espacio de ese arreglo, donde se introducía el chip del procesador y se soldaba con pequeños alambres a los pines. La cavidad se sellaba con una lamina de cobre.
En la actualidad los microprocesadores de diversos tipos (incluyendo procesadores gráficos) se ensamblan por medio de la tecnología Flip chip. El chip semiconductor es soldado directamente a un arreglo de pistas conductoras (en el sustrato laminado) con la ayuda de unas microesferas que se depositan sobre las obleas de semiconductor en las etapas finales de su fabricación. El sustrato laminado es una especie de circuito impreso que posee pistas conductoras hacia pines o contactos, que a su vez servirán de conexión entre el chip semiconductor y un socket de CPU o una placa base.<4>
Antiguamente las conexión del chip con los pines se realizaba por medio de microalambres de manera que quedaba boca arriba, con el método Flip Chip queda boca abajo, de ahí se deriva su nombre. Entre las ventajas de este método esta la simplicidad del ensamble y en una mejor disipación de calor. Cuando la pastilla queda bocabajo presenta el sustrato base de silicio de manera que puede ser enfriado directamente por medio de elementos conductores de calor. Esta superficie se aprovecha también para etiquetar el integrado. En los procesadores para computadores de escritorio, dada la vulnerabilidad de la pastilla de silicio, se opta por colocar una placa de metal, por ejemplo en los procesadores Athlon como el de la primera imagen. En los procesadores de Intel también se incluye desde el Pentium III de más de 1 Ghz.
Disipación de calor
Con el aumento en el número de transistores incluidos en un procesador, el consumo de energía se ha elevado a niveles en los cuales la disipación natural del procesador no es suficiente para mantener temperaturas aceptables en el material semiconductor, de manera que se hace necesario el uso de mecanismos de enfriamiento forzado, como son los disipadores de calor.
Entre ellos se encuentran los sistemas sencillos como disipadores metálicos que aumentan el área de radiación, permitiendo que la energía salga rápidamente del sistema. También los hay con refrigeración líquida, por medio de circuitos cerrados.
En los procesadores más modernos se aplica en la parte superior del procesador, una lámina metálica denominada IHS que va a ser la superficie de contacto del disipador para mejorar la refrigeración uniforme del die y proteger las resistencias internas de posibles tomas de contacto al aplicar pasta térmica. Varios modelos de procesadores, en especial, los Athlon XP, han sufrido cortocircuitos debido a una incorrecta aplicación de la pasta térmica.
Conexión con el exterior
El microprocesador posee un arreglo de elementos metálicos (pines, patillas, esferas, contactos) que permiten la conexión eléctrica entre el circuito integrado que conforma el microprocesador y los circuitos de la placa base. Dependiendo de la complejidad y de la potencia, un procesador puede tener desde 8 hasta más de 2000 elementos metálicos en la superficie de su empaque. El montaje del procesador se realiza con la ayuda de un Zócalo de CPU soldado sobre la placa base. Entre las conexiones eléctricas están las de alimentación eléctrica de los circuitos dentro del empaque, las señales de reloj, señales relacionadas con datos, direcciones y control; estas funciones están distribuidas en un esquema asociado al zócalo, de manera que varias referencias de procesador y placas base son compatibles entre ellos, permitiendo distintas configuraciones.
Buses del procesador
Todos los procesadores poseen un bus principal o de sistema por el cual se envían y reciben todos los datos, instrucciones y direcciones desde los integrados del chipset o desde el resto de dispositivos. Como puente de conexión entre el procesador y el resto del sistema, define mucho del rendimiento del sistema, su velocidad se mide en bits por segundo.
Ese bus puede ser implementado de distintas maneras, con el uso de buses seriales o paralelos y con distintos tipos de señales eléctricas. La forma más antigua es el bus paralelo en el cual se definen líneas especializadas en datos, direcciones y para control.
En la arquitectura tradicional de Intel (usada hasta modelos recientes), ese bus se llama el Front Side Bus y es de tipo paralelo con 64 líneas de datos, 32 de direcciones además de múltiples líneas de control que permiten la transmisión de datos entre el procesador y el resto del sistema. Este esquema se ha utilizado desde el primer procesador de la historia, con mejoras en la señalización que le permite funcionar con relojes de 333 Mhz haciendo 4 transferencias por ciclo.
En algunos procesadores de AMD y en el Intel Core i7 se han usado otros tipos para el bus principal de tipo serial. Entre estos se encuentra el bus HyperTransport que maneja los datos en forma de paquetes usando una cantidad menor de líneas de comunicación, permitiendo frecuencias de funcionamiento más altas.
Los microprocesadores de última generación de Intel y muchos de AMD poseen además un controlador de memoria DDR en el interior del encapsulado lo que hace necesario la implementación de buses de memoria del procesador hacia los módulos. Ese bus esta de acuerdo a los estándares DDR de JEDEC y consisten en líneas de bus paralelo, para datos, direcciones y control. Dependiendo de la cantidad de canales pueden existir de 1 a 4 buses de memoria.
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