Unidad central de procesamiento
La unidad central de procesamiento (del inglés Central
Processing Unit, CPU), es el componente principal de una computadora y
otros dispositivos programables, que interpreta las instrucciones contenidas
en los programas y procesa los datos. Las CPU proporcionan la característica
fundamental del ordenador digital (la programabilidad) y son uno de los
componentes necesarios encontrados en los computadoras de cualquier tiempo,
junto con la memoria principal y los dispositivos de entrada/salida.
Se conoce como microprocesador el CPU que es manufacturado con circuitos
integrados.
Desde mediados de los años 1970, los microprocesadores de un solo
chip han reemplazado casi totalmente todos los tipos de CPU y hoy en día, el
término CPU es aplicado usualmente a todos los microprocesadores.
Historia
Antes de la aceptación comercial del transistor, los relés
eléctricos y los tubos de vacío (válvulas termoiónicas) eran
usados comúnmente como elementos de conmutación. Aunque éstos tenían distintas
ventajas de velocidad sobre los anteriores diseños puramente mecánicos, no eran
fiables por varias razones. Por ejemplo, hacer circuitos de lógica
secuencial de corriente directa requería hardware adicional para
hacer frente al problema del rebote de contacto.
Por otro lado, mientras que los tubos de vacío no sufren del
rebote de contacto, éstos deben calentarse antes de llegar a estar
completamente operacionales y eventualmente fallan y dejan de funcionar por
completo.
Generalmente, cuando un tubo ha fallado, la CPU tendría que
ser diagnosticada para localizar el componente que falla para que pueda ser
reemplazado. Por lo tanto, los primeros computadores electrónicos, (basados en
tubos de vacío), generalmente eran más rápidos pero menos confiables que los
ordenadores electromecánicos, (basados en relés).
Los ordenadores de tubo, como el EDVAC, tendieron en
tener un promedio de ocho horas entre fallos, mientras que los ordenadores de
relés, (anteriores y más lentas), como el Harvard Mark I, fallaban muy
raramente. Al final, los CPU basados en tubo llegaron a ser dominantes porque
las significativas ventajas de velocidad producidas generalmente pesaban más
que los problemas de confiabilidad.
Frecuencia de reloj
La mayoría de los CPU, y de hecho, la mayoría de los
dispositivos de lógica secuencial, son de naturaleza síncrona. Es
decir, están diseñados y operan en función de una señal de sincronización. Esta
señal, conocida como señal de reloj, usualmente toma la forma de una onda
cuadrada periódica. Calculando el tiempo máximo en que las señales
eléctricas pueden moverse en las varias bifurcaciones de los muchos circuitos
de un CPU, los diseñadores pueden seleccionar un período apropiado
para la señal del reloj.
Este período debe ser más largo que la cantidad de tiempo
que toma a una señal moverse, o propagarse en el peor de los casos.
Al fijar el período
del reloj a un valor bastante mayor sobre el retardo de la propagación del peor
caso, es posible diseñar todo el CPU y la manera que mueve los datos alrededor
de los "bordes" de la subida y bajada de la señal del reloj.
Esto tiene la ventaja
de simplificar el CPU significativamente, tanto en una perspectiva de diseño,
como en una perspectiva de cantidad de componentes. Sin embargo, esto también
tiene la desventaja que todo el CPU debe esperar por sus elementos más lentos, aun
cuando algunas unidades de la misma son mucho más rápidas. Esta limitación ha
sido compensada en gran parte por varios métodos de aumentar el paralelismo del
CPU.
La evolución del microprocesador
Las primeras calculadoras electrónicas requerían entre 75 y
100 circuitos integrados. Después se dio un paso importante en la
reducción de la arquitectura de la computadora a un circuito integrado simple,
resultando uno que fue llamado 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 micro métrica a manométrica; y
además, es, sin duda, un procesador.
El primer microprocesador fue el Intel 4004, producido
en 1971. Se desarrolló originalmente para una calculadora y resultó
revolucionario para su época. Contenía 2.300 transistores, era un
microprocesador de arquitectura de 4 bits que podía realizar hasta 60.000
operaciones por segundo trabajando a una frecuencia de reloj de alrededor de
700 KHz.
El primer microprocesador de 8 bits fue el Intel 8008,
desarrollado a mediados de 1972 para su uso en terminales informáticos. El
Intel 8008 integraba 3300 transistores y podía procesar a frecuencias máximas
de 800Khz.
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
trabajando a alrededor de 2MHz.
El primer microprocesador de 16 bits fue el 8086. Fue
el inicio y el primer miembro de la popular arquitectura x86, actualmente usada
en la mayoría de los computadores. El chip 8086 fue introducido al mercado en
el verano de 1978, pero debido a que no había aplicaciones en el mercado que
funcionaran con 16 bits, Intel sacó al mercado el 8088, que fue lanzado en
1979. Llegaron a operar a frecuencias mayores de 4Mhz.
El microprocesador elegido para equipar al IBM Personal
Computer/AT, que causó que fuera el más empleado en los PC-AT compatibles
entre mediados y finales de los años 1980 fue el Intel 80286 (también
conocido simplemente como 286); es un microprocesador de 16 bits, de la familia x86,
que fue lanzado al mercado en 1982. Contaba con 134.000 transistores. Las
versiones finales alcanzaron velocidades de hasta 25 MHz.
Uno de los primeros procesadores de arquitectura de 32 bits
fue el 80386 de Intel, fabricado a mediados y fines de la década de
1980; en sus diferentes versiones llegó a trabajar a frecuencias del orden de
los 40Mhz.
El microprocesador DEC Alpha se lanzó
al mercado en 1992, corriendo a 200 MHz en su primera versión, en tanto que el Intel
Pentium surgió en 1993 con una frecuencia de trabajo de 66Mhz. El
procesador Alpha, de tecnología RISC y arquitectura de 64 bits, marcó
un hito, declarándose como el más rápido del mundo, en su época. Llegó a 1Ghz
de frecuencia hacia el año 2001.
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 de 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, prelectura 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 megahercios.
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. De todas maneras, una forma fiable de medir la potencia de un
procesador es mediante la obtención de las Instrucciones por ciclo.
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 atendiendo 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 programada 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 ayuda a entender el
microprocesador. El 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 microprocesador (MPU). En otras
palabras, el microprocesador es una unidad procesadora de datos. En un
microprocesador se puede diferenciar diversas partes:
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.
Memoria caché: es una memoria ultrarrápida que emplea el procesador
para tener alcance directo a ciertos datos que «predeciblemente» serán
utilizados en las siguientes operaciones, sin tener que acudir a la memoria
RAM, reduciendo así el tiempo de espera para adquisición de datos. Todos los
micros compatibles con PC poseen la llamada caché interna de primer nivel o L1;
es decir, la que está dentro del micro, encapsulada junto a él. Los micros más
modernos (Core i3,Core i5 ,core i7,etc) incluyen también en su interior otro
nivel de caché, más grande, aunque algo menos rápida, es la caché de segundo
nivel o L2 e incluso los hay con memoria caché de nivel 3, o L3.
Coprocesador matemático: unidad de coma flotante. Es la
parte del micro especializada en esa clase de cálculos matemáticos,
antiguamente estaba en el exterior del procesador en otro chip. Esta parte está
considerada como una parte «lógica» junto con los registros, la unidad de
control, memoria y bus de datos.
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 está
diseñado para control del programador y hay otros que no son diseñados para ser
controlados por el procesador pero que la CPU los utiliza en algunas
operaciones, en total son treinta y dos registros.
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 accede desde
allí. La memoria es una parte interna de la computadora y su función esencial
es proporcionar un espacio de almacenamiento para el trabajo en curso.
Puertos: es la manera en que el procesador se comunica con
el mundo externo. Un puerto es análogo 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 si fuera un número de teléfono para llamar circuitos o a partes
especiales.
Fabricación
Procesadores de silicio
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 mono cristal 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 eliminar 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 eliminar 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.
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