El microprocesador

Micro Intel Pentium III Unidad central de proceso (CPU), circuito microscópico que interpreta y ejecuta instrucciones. La CPU se ocupa del control y el proceso de datos en las computadoras. Generalmente, la CPU es un microprocesador fabricado en un chip, un único trozo de silicio que contiene millones de componentes electrónicos. El microprocesador de la CPU está formado por una unidad aritmético-lógica que realiza cálculos y comparaciones, y toma decisiones lógicas (determina si una afirmación es cierta o falsa mediante las reglas del álgebra de Boole); por una serie de registros donde se almacena información temporalmente, y por una unidad de control que interpreta y ejecuta las instrucciones. Para aceptar órdenes del usuario, acceder a los datos y presentar los resultados, la CPU se comunica a través de un conjunto de circuitos o conexiones llamado bus. El bus conecta la CPU a los dispositivos de almacenamiento (por ejemplo, un disco duro), los dispositivos de entrada (por ejemplo, un teclado o un mouse) y los dispositivos de salida (como un monitor o una impresora).

Funcionamiento de la CPU

Cuando se ejecuta un programa, el registro de la CPU, llamado contador de programa, lleva la cuenta de la siguiente instrucción, para garantizar que las instrucciones se ejecuten en la secuencia adecuada. La unidad de control de la CPU coordina y temporiza las funciones de la CPU, tras lo cual recupera la siguiente instrucción desde la memoria. En una secuencia típica, la CPU localiza la instrucción en el dispositivo de almacenamiento correspondiente. La instrucción viaja por el bus desde la memoria hasta la CPU, donde se almacena en el registro de instrucción. Entretanto, el contador de programa se incrementa en uno para prepararse para la siguiente instrucción. A continuación, la instrucción actual es analizada por un descodificador, que determina lo que hará la instrucción. Cualquier dato requerido por la instrucción es recuperado desde el dispositivo de almacenamiento correspondiente y se almacena en el registro de datos de la CPU. A continuación, la CPU ejecuta la instrucción, y los resultados se almacenan en otro registro o se copian en una dirección de memoria determinada.

El microprocesador

El microprocesador es un circuito electrónico que actúa como unidad central de proceso de un ordenador, proporcionando el control de las operaciones de cálculo. Podríamos decir de él que es el cerebro del ordenador. Los microprocesadores también se utilizan en otros sistemas informáticos avanzados, como impresoras, automóviles o aviones. 

El microprocesador es un tipo de circuito sumamente integrado. Los circuitos integrados, también conocidos como microchips o chips, son circuitos electrónicos complejos formados por componentes extremadamente pequeños formados en una única pieza plana de poco espesor de un material conocido como semiconductor. Los microprocesadores modernos incorporan hasta 10 millones de transistores (que actúan como amplificadores electrónicos, osciladores o, más a menudo, como conmutadores), además de otros componentes como resistencias, diodos, condensadores y conexiones, todo ello en una superficie comparable a la de un sello postal.

Un microprocesador consta de varias secciones diferentes. La unidad aritmético-lógica (ALU) efectúa cálculos con números y toma decisiones lógicas; los registros son zonas de memoria especiales para almacenar información temporalmente; la unidad de control descodifica los programas; los buses transportan información digital a través del chip y de la computadora; la memoria local se emplea para los cómputos realizados en el mismo chip. Los microprocesadores más complejos contienen a menudo otras secciones; por ejemplo, secciones de memoria especializada denominadas memoria caché, que sirven para acelerar el acceso a los dispositivos externos de almacenamiento de datos. Los microprocesadores modernos funcionan con una anchura de bus de 64 bits (un bit es un dígito binario, una unidad de información que puede ser un uno o un cero): esto significa que pueden transmitirse simultáneamente 64 bits de datos.

Un cristal oscilante situado en el ordenador proporciona una señal de sincronización, o señal de reloj, para coordinar todas las actividades del microprocesador. La velocidad de reloj de los microprocesadores más avanzados es de unos 800 megahercios (MHz) —unos 800 millones de ciclos por segundo—, lo que permite ejecutar más de 2.000 millones de instrucciones cada segundo.

Los microprocesadores suelen tener dos velocidades: Velocidad interna: velocidad a la que funciona el micro internamente (500, 600, 800 MHz). Velocidad externa o de bus (FSB): velocidad con la que se comunican el micro y la placa base (generalmente  60, 66 ó 100 MHz).

Un micro consta de las siguientes partes:

  • el coprocesador matemático, que realiza los cálculos matemáticos.

  • la memoria caché, memoria ultrarrápida que ayuda al micro en operaciones con datos que maneja constantemente.

  • el encapsulado, que lo rodea para darle consistencia, impedir su deterioro y permitir el enlace con los conectores externos.

En cuanto a las empresas fabricantes de procesadores los más conocidos son:

  • Intel: Es la marca estándar y los demás son compatibles con Intel.

  • AMD: Siempre ha ido por detrás de Intel, aunque a veces le ha superado, sobre todo con su conocido K7 (Athlon).

  • Cyrix: Fabrica procesadores para Texas, IBM y Thompson

Coprocesador

Coprocesador matemático: procesador diferente del microprocesador principal, que ejecuta funciones adicionales o que ayuda al microprocesador principal. El tipo de coprocesador más común es el de coma flotante, también llamado numérico o matemático, diseñado para ejecutar los cálculos numéricos más rápidamente y mejor que los microprocesadores de aplicaciones generales utilizados en los PC. Los procesadores de última generación para PC incorporan lógica de coma flotante, por lo que este tipo de componente resulta innecesario.

Memoria de computadora

Como el microprocesador no es capaz por sí solo de albergar la gran cantidad de memoria necesaria para almacenar instrucciones y datos de programa (por ejemplo, el texto de un programa de tratamiento de texto), pueden emplearse transistores como elementos de memoria en combinación con el microprocesador. Para proporcionar la memoria necesaria se emplean otros circuitos integrados llamados chips de memoria de acceso aleatorio (RAM), que contienen grandes cantidades de transistores. Existen diversos tipos de memoria de acceso aleatorio. La RAM estática (SRAM) conserva la información mientras esté conectada la tensión de alimentación, y suele emplearse como memoria caché porque funciona a gran velocidad. Otro tipo de memoria, la RAM dinámica (DRAM), es más lenta que la SRAM y debe recibir electricidad periódicamente para no borrarse. La DRAM resulta más económica que la SRAM y se emplea como elemento principal de memoria en la mayoría de las computadoras.

Microcontrolador

Un microprocesador no es un ordenador completo. No contiene grandes cantidades de memoria ni es capaz de comunicarse con dispositivos de entrada —como un teclado, un joystick o un ratón— o dispositivos de salida como un monitor o una impresora. Un tipo diferente de circuito integrado llamado microcontrolador es de hecho una computadora completa situada en un único chip, que contiene todos los elementos del microprocesador básico además de otras funciones especializadas. Los microcontroladores se emplean en videojuegos, reproductores de vídeo, automóviles y otras máquinas.

Semiconductores

Todos los circuitos integrados se fabrican con semiconductores, sustancias cuya capacidad de conducir la electricidad es intermedia entre la de un conductor y la de un no conductor o aislante. El silicio es el material semiconductor más habitual. Como la conductividad eléctrica de un semiconductor puede variar según la tensión aplicada al mismo, los transistores fabricados con semiconductores actúan como minúsculos conmutadores que abren y cierran el paso de corriente en sólo unos pocos nanosegundos (milmillonésimas de segundo). Esto permite que un ordenador pueda realizar millones de instrucciones sencillas cada segundo y ejecutar rápidamente tareas complejas.

El bloque básico de la mayoría de los dispositivos semiconductores es el diodo, una unión de materiales de tipo negativo (tipo n) y positivo (tipo p). Los términos "tipo n" y "tipo p" se refieren a materiales semiconductores que han sido dopados, es decir, cuyas propiedades eléctricas han sido alteradas mediante la adición controlada de pequeñísimas concentraciones de impurezas como boro o fósforo. En un diodo, la corriente eléctrica sólo fluye en un sentido a través de la unión: desde el material de tipo p hasta el material de tipo n, y sólo cuando el material de tipo p está a una tensión superior que el de tipo n. La tensión que debe aplicarse al diodo para crear esa condición se denomina tensión de polarización directa. La tensión opuesta que hace que no pase corriente se denomina tensión de polarización inversa. Un circuito integrado contiene millones de uniones p-n, cada una de las cuales cumple una finalidad específica dentro de los millones de elementos electrónicos de circuito. La colocación y polarización correctas de las regiones de tipo p y tipo n hacen que la corriente eléctrica fluya por los trayectos adecuados y garantizan el buen funcionamiento de todo el chip.

Transistores

El transistor empleado más comúnmente en la industria microelectrónica se denomina transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET). Contiene dos regiones de tipo n, llamadas fuente y drenaje, con una región de tipo p entre ambas, llamada canal. Encima del canal se encuentra una capa delgada de dióxido de silicio, no conductor, sobre la cual va otra capa llamada puerta. Para que los electrones fluyan desde la fuente hasta el drenaje, es necesario aplicar una tensión a la puerta (tensión de polarización directa). Esto hace que la puerta actúe como un conmutador de control, conectando y desconectando el MOSFET y creando una puerta lógica que transmite unos y ceros a través del microprocesador.

Fabricación de microprocesadores

Los microprocesadores se fabrican empleando técnicas similares a las usadas para otros circuitos integrados, como chips de memoria. Generalmente, los microprocesadores tienen una estructura más compleja que otros chips, y su fabricación exige técnicas extremadamente precisas.

La fabricación económica de microprocesadores exige su producción masiva. Sobre la superficie de una oblea de silicio se crean simultáneamente varios cientos de grupos de circuitos. El proceso de fabricación de microprocesadores consiste en una sucesión de deposición y eliminación de capas finísimas de materiales conductores, aislantes y semiconductores, hasta que después de cientos de pasos se llega a un complejo "bocadillo" que contiene todos los circuitos interconectados del microprocesador. Para el circuito electrónico sólo se emplea la superficie externa de la oblea de silicio, una capa de unas 10 micras de espesor (unos 0,01 mm, la décima parte del espesor de un cabello humano). Entre las etapas del proceso figuran la creación de sustrato, la oxidación, la litografía, el grabado, la implantación iónica y la deposición de capas.

La primera etapa en la producción de un microprocesador es la creación de un sustrato de silicio de enorme pureza, una rodaja de silicio en forma de una oblea redonda pulida hasta quedar lisa como un espejo. En la etapa de oxidación se coloca una capa eléctricamente no conductora, llamada dieléctrico. El tipo de dieléctrico más importante es el dióxido de silicio, que se "cultiva" exponiendo la oblea de silicio a una atmósfera de oxígeno en un horno a unos 1.000º C. El oxígeno se combina con el silicio para formar una delgada capa de óxido de unos 75 angstroms de espesor (un ángstrom es una diezmilmillonésima de metro).

Casi todas las capas que se depositan sobre la oblea deben corresponder con la forma y disposición de los transistores y otros elementos electrónicos. Generalmente esto se logra mediante un proceso llamado fotolitografía, que equivale a convertir la oblea en un trozo de película fotográfica y proyectar sobre la misma una imagen del circuito deseado. Para ello se deposita sobre la superficie de la oblea una capa fotosensible cuyas propiedades cambian al ser expuesta a la luz. Los detalles del circuito pueden llegar a tener un tamaño de sólo 0,25 micras. Como la longitud de onda más corta de la luz visible es de unas 0,5 micras, es necesario emplear luz ultravioleta de baja longitud de onda para resolver los detalles más pequeños. Después de proyectar el circuito sobre la capa fotorresistente y revelar la misma, la oblea se graba: esto es, se elimina la parte de la oblea no protegida por la imagen grabada del circuito mediante productos químicos (un proceso conocido como grabado húmedo) o exponiéndola a un gas corrosivo llamado plasma en una cámara de vacío especial.

En el siguiente paso del proceso, la implantación iónica, se introducen en el silicio impurezas como boro o fósforo para alterar su conductividad. Esto se logra ionizando los átomos de boro o de fósforo (quitándoles uno o dos electrones) y lanzándolos contra la oblea a grandes energías mediante un implantador iónico. Los iones quedan incrustados en la superficie de la oblea.

En el último paso del proceso, las capas o películas de material empleadas para fabricar un microprocesador se depositan mediante el bombardeo atómico en un plasma, la evaporación (en la que el material se funde y posteriormente se evapora para cubrir la oblea) o la deposición de vapor químico, en la que el material se condensa a partir de un gas a baja presión o a presión atmosférica. En todos los casos, la película debe ser de gran pureza, y su espesor debe controlarse con una precisión de una fracción de micra.

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. 

Historia del microprocesador

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 1979 para su empleo en terminales informáticos. El Intel 8008 contenía 3.300 transistores. El primer microprocesador realmente diseñado para uso general, desarrollado en 1974, fue el Intel 8080 de 8 bits, que contenía 4.500 transistores y podía ejecutar 200.000 instrucciones por segundo. Los microprocesadores modernos tienen una capacidad y velocidad mucho mayores. 

Tecnologías futuras

La tecnología de los microprocesadores y de la fabricación de circuitos integrados está cambiando rápidamente. En la actualidad, los microprocesadores más complejos contienen más de 50 millones de transistores y se prevé que en el 2010 contengan más de 800 millones de transistores.

Las técnicas de litografía también tendrán que ser mejoradas. Actualmente el tamaño mínimo de los elementos de circuito es inferior a 0,2 micras. Con esas dimensiones, es probable que incluso la luz ultravioleta de baja longitud de onda no alcance la resolución necesaria. Otras posibilidades alternativas son el uso de haces muy estrechos de electrones e iones o la sustitución de la litografía óptica por litografía que emplee rayos X de longitud de onda extremadamente corta. Mediante estas tecnologías, las velocidades de reloj superan los 1.000 MHz.

Se cree que el factor limitante en la potencia de los microprocesadores acabará siendo el comportamiento de los propios electrones al circular por los transistores. Cuando las dimensiones se hacen muy bajas, los efectos cuánticos debidos a la naturaleza ondulatoria de los electrones podrían dominar el comportamiento de los transistores y circuitos. Puede que sean necesarios nuevos dispositivos y diseños de circuitos a medida que los microprocesadores se aproximan a dimensiones atómicas. Para producir las generaciones futuras de microchips se necesitarán técnicas como la epitaxia por haz molecular, en la que los semiconductores se depositan átomo a átomo en una cámara de vacío ultraelevado, o la microscopía de barrido de efecto túnel, que permite ver e incluso desplazar átomos individuales con precisión.

Intel Pentium

Microprocesador PentiumEl microprocesador Pentium fue lanzado al mercado por Intel en 1993, sucesor del 486. Según la sucesión lógica, debería haberse llamado 586 o 80586, pero Intel lo denominó Pentium debido a razones de copyright. El Pentium es un microprocesador superescalar de 32 bits con un bus de datos externo de 64 bits, que contiene 3.100.000 transistores y coprocesador matemático incorporado. Las primeras versiones de este procesador tenían una frecuencia de reloj de 60 MHz, con una alimentación eléctrica de 5 voltios, un bus de direcciones de 32 bits y un bus de datos externo de 64 bits. En la actualidad alcanzan una frecuencia de reloj de 800 MHz. Los modelos MMX incorporan instrucciones específicas para el manejo de aplicaciones y elementos multimedia. Este procesador ha marcado un antes y un después en la historia de la informática, ya que supuso un auténtico "boom" de ventas de ordenadores gracias a la tecnología multimedia.

PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LOS PROCESADORES

PROCESADORES INTEL

Modelo Velocidad
 (MHz)
Conexión Micras Caché L1/L2 (Kbytes) MHz/
Multiplicador
Voltaje (voltios) Millones de transistores
Pentium 75 Socket 7 0,6 16/0 50/1,5 3,3 3,1
100 Socket 7 0,35 16/0 66/1,5 3,3 3,1
120 Socket 7 0,35 16/0 60/2 3,3 3,1
133 Socket 7 0,35 16/0 66/2 3,3 3,1
150 Socket 7 0,35 16/0 60/2,5 3,3 3,1
166 Socket 7 0,35 16/0 66/2,5 3,3 3,1
200 Socket 7 0,35 16/0 66/3 3,45 3,1
Pentium MMX 166 Socket 7 0,35 32/0 66/2,5 2,8 4,5
200 Socket 7 0,35 32/0 66/3 2,8 4,5
233 Socket 7 0,35 32/0 66/3,5 2,8 4,5
Pentium Pro 150 Socket 8 0,6 16/256-512 60/2,5 3,1 5,5
180 Socket 8 0,35 16/256-512 60/3 3,3 5,5
200 Socket 8 0,35 16/256-512 66/3,5 3,3 5,5
Pentium II 233 Slot 1 0,35 32/512 66/3,5 2,8 7,5
266 Slot 1 0,35 32/512 66/4 2,8 7,5
300 Slot 1 0,3 32/512 66/4,5 2,8 7,5
333 Slot 1 0,25 32/512 66/5 2,8 7,5
350 Slot 1 0,25 32/512 100/3,5 2,2 7,5
400 Slot 1 0,25 32/512 100/4 2 7,5
450 Slot 1 0,25 32/512 10/4,5 2 7,5
500 Slot 1 0,25 32/512 10/5 2 7,5
Pentium II Xeon 400 Slot 2 0,25 32/512 100/4 2 7,5
450 Slot 2 0,25 32/512 100/4,5 2 7,5
Pentium III 450 Slot 1 0,25 32/512 100/4,5 2 9,5
500 Slot 1 0,25 32/512 100/5 2 9,5
533 Slot 1 0,18 32/512 133/4 1,6 9,5
550 Slot 1 0,18 32/512 100/5,5 1,6 9,5
550E Socket 370 0,18 32/256 100/5,5 1,6 28
600 Slot 1 0,25 32/512 10/6 2 9,5
600B Slot 1 0,18 32/512 133/4,5 1,6 9,5
600E Slot 1 0,18 32/256 100/6 1,6 28
600EB Slot 1 0,18 32/256 133/4,5 1,6 28
650 Slot 1 0,18 32/256 100/6,5 1,6 28
667 Slot 1 0,18 32/256 133/5 1,6 28
700 Slot 1 0,18 32/256 100/7 1,6 28
733 Slot 1 0,18 32/256 133/5,5 1,6 28
750 Slot 1 0,18 32/256 100/7,5 1,6 28
800 Slot 1 0,18 32/256 133/6 1,6 28
850 Slot 1 0,18 32/256 100/8,5 1,6 28
866 Slot 1 0,18 32/256 133/,5 1,6 28
1000 Slot 1 0,18 32/256 133/7,5 1,6 28
Pentium III Xeon 500 Slot 2 0,25 32/512 100/5 1,6 28
500 Slot 2 0,25 32/1024 100/5 1,6 28
500 Slot 2 0,25 32/2048 100/5 1,6 28
550 Slot 2 0,25 32/512 100/5,5 1,6 28
550 Slot 2 0,25 32/1024 100/5,5 1,6 28
550 Slot 2 0,25 32/2048 100/5,5 1,6 28
600 Slot 2 0,18 32/256 100/6 1,6 28
667 Slot 2 0,18 32/256 133/5 1,6 28
733 Slot 2 0,18 32/256 133/5,5 1,6 28
800 Slot 2 0,18 32/256 133/6 1,6 28
Celeron 266 Slot 1 0,25 32/0 66/4 2 19
300 Slot 1 0,25 32/0 66/4,5 2 19
300 Slot 1 0,25 32/128 66/4,5 2 19
333 Slot 1 0,25 32/128 66/5 2 19
300 Socket 370 0,25 32/128 66/4,5 2 19
333 Socket 370 0,25 32/128 66/5 2 19
366 Socket 370 0,25 32/128 66/5,5 2 19
400 Socket 370 0,25 32/128 66/6 2 19
433 Socket 370 0,25 32/128 66/6,5 2 19
466 Socket 370 0,25 32/128 66/7 2 19
500 Socket 370 0,25 32/128 66/7,5 2 19
533 Socket 370 0,25 32/128 66/8 2 19
566 Socket 370 0,18 32/128 66/8,5 2 19
600 Socket 370 0,18 32/128 66/9 2 19

PROCESADORES CYRIX

Modelo Velocidad
 (MHz)
Conexión Micras Caché L1/L2 (Kbytes) MHz/
Multiplicador
Voltaje (voltios) Millones de transistores
6x86 PR120 100 Socket 7 0,5 16 66/1,5 3,3 3
6x86 PR133 110 Socket 7 0,5 16 73/1,5 3,3 3
6x86 PR150 120 Socket 7 0,5 16 60/2 3,3 3
6x86 PR166 133 Socket 7 0,5 16 66/2 3,3 3
6X86 PR200 150 Socket 7 0,44 16 60/2,5 2,8 3
6x86MX PR166 150 Socket 7 0,35 64 60/2,5 2,9 6
6x86MX PR166 166 Socket 7 0,35 64 66/2 2,9 6
6x86MX PR166 188 Socket 7 0,35 64 73/2,5 2,9 6
6x86MX PR166 208 Socket 7 0,35 64 83/2,5 2,9 6
6x86MX PR166 233 Socket 7 0,3 64 66/3,5 2,9 6
6x86MX PR166 250 Socket 7 0,3 64 83/3 2,9 6

PROCESADORES AMD

Modelo Velocidad
 (MHz)
Conexión Micras Caché L1/L2 (Kbytes) MHz/
Multiplicador
Voltaje (voltios) Millones de transistores
K5 PR120 90 Socket 7 0,35 24/0 60/1,5 3,5 4,3
K5 PR133 105 Socket 7 0,35 24/0 66/1,5 3,5 4,3
K5 PR166 120 Socket 7 0,35 24/0 60/2 3,5 4,3
K6 166 Socket 7 0,35 64/0 66/2,5 2,9 8,8
200 Socket 7 0,35 64/0 66/3 2,9 8,8
233 Socket 7 0,35 64/0 66/3,5 3,2 8,8
266 Socket 7 0,35 64/0 66/4 3,2 8,8
266 Socket 7 0,25 64/0 66/4 2,9 8,8
300 Socket 7 0,25 64/0 66/4,5 2,9 8,8
K6-2 266 Socket 7 0,25 64/0 66/4 2,2 9,3
300 Socket 7 0,25 64/0 66/4,5 2,2 9,3
333 Socket 7 0,25 64/0 66/5 2,2 9,3
350 Socket 7 0,25 64/0 100/3,5 2,2 9,3
400 Socket 7 0,25 64/0 100/4 2,2 9,3
450 Socket 7 0,25 64/0 100/4,5 2,2 9,3
475 Socket 7 0,25 64/0 133/3,5 2,2 9,3
500 Socket 7 0,25 64/0 100/5 2,2 9,3
533 Socket 7 0,25 64/0 133/4 2,2 9,3
550 Socket 7 0,25 64/0 100/5,5 2,2 9,3
K6-III 400 Socket 7 0,25 64/256 100/4 2,2 21,3
500 Socket 7 0,25 64/256 100/4,5 2,2 21,3
Athlon 500 Slot A 0,25 128/512 100/5 1,6 22
550 Slot A 0,25 128/512 100/5,5 1,6 22
600 Slot A 0,25 128/512 100/6 1,6 22
650 Slot A 0,25 128/512 100/6,5 1,6 22
700 Slot A 0,25 128/512 100/7 1,6 22
750 Slot A 0,18 128/512 100/7,5 1,7 22
800 Slot A 0,18 128/512 100/8 1,7 22
850 Slot A 0,18 128/512 100/8,5 1,7 22
900 Slot A 0,18 128/512 100/9 1,8 22
950 Slot A 0,18 128/512 100/9,5 1,8 22
1000 Slot A 0,18 128/512 100/10 1,8 22