Hubo un tiempo en que solo había engranajes que podían coincidir, alinearse y producir resultados a través de una combinación de rotaciones simples. Una época de relojeros.Luego vino el electromagnetismo y las mismas funciones podían ser reproducidas por una serie ordenada de placas magnéticas. La posibilidad de calibrar el voltaje eléctrico transformó lo analógico en digital. Así llegó la edad de oro para los transistores, que es cuando comienza la historia del microprocesador.
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¿Qué es un microprocesador?
El microprocesador es un circuito electrónico formado por uno o más circuitos integrados, que realiza cualquier tarea en función de un conjunto de instrucciones software. El circuito integrado es un circuito electrónico miniaturizado en el que los diversos transistores (amplificadores de la señal eléctrica) se producen al mismo tiempo mediante un proceso físico-químico. El componente principal de un circuito es el silicio, que posee la particular propiedad (llamada semiconductora) de dejar pasar la corriente solo desde una dirección.
La potencia de un microprocesador se mide en gigahercios (GHz) o en megahercios (MHz), y puede definirse como el cerebro de un ordenador. Pero también de smartphones, tabletas y cualquier otro dispositivo electrónico. Los campos de aplicación del microprocesador son múltiples. Por ejemplo, realizar una gran cantidad de cálculos matemáticos para resolver un problema de física. Llevar a cabo las maniobras que el piloto automático de un avión debe cumplir de acuerdo con las condiciones de vuelo. Controlar la velocidad en un coche eléctrico. Elaborar la gráfica de los videojuegos.
El microprocesador puede estar formado por una o más unidades centrales de procesamiento (CPU), que a su vez están constituidas por registros, una unidad de control, una unidad aritmético lógica y una unidad de cálculo en coma flotante.
En la placa base de un ordenador podremos encontrar el microprocesador conectado a un zócalo específico. Estará acompañado de un sistema de refrigeración, compuesto en la mayoría de los casos por un disipador, un material de alta conectividad y al menos un ventilador. En la actualidad existen otros métodos para regular la temperatura del microprocesador, como la refrigeración líquida y el uso de células peltier.
Cómo funciona un microprocesador
Explicado de forma sencilla, un microprocesador ejecuta instrucciones almacenadas en binario en su memoria principal. Para ello, sigue estos pasos:
- Prefetch: prelectura de la instrucción.
- Fetch: envía la instrucción al decodificador.
- Decodificación: determina qué instrucción es y cómo llevarla a cabo.
- Lectura de operandos.
- Escritura de resultados: en la memoria principal o en los registros.
Cada uno de estas pasos necesitará uno o varios ciclos de CPU (pulsos electromagnético que se generan en el microprocesador). La duración de estos ciclos viene determinada por la frecuencia de reloj, que ya hemos explicado anteriormente.
Cómo se mide el rendimiento de un microprocesador
No existe una unidad concreta para medir el rendimiento del microprocesador. De esta forma, se utilizan distintas pruebas para comparar un modelo con otro.
La métrica principal que se tenía en cuenta hace unos años es la frecuencia de reloj. Sin embargo, se observó que se mantenía dentro del mismo rango (entre 1,5 GHz y 4 GHz) aunque aumentara la potencia de cómputo de los microprocesadores.
De esta forma, se han identificado nuevos indicadores, como las instrucciones por ciclo. Estas representan la cantidad de instrucciones que un procesador ejecuta en un ciclo de reloj. Otras características a tener en cuenta son el resto de componentes que tendrá el sistema (chipset, memoria RAM, software), la cantidad de operaciones de coma flotante por segundo (FLOPS) y la cantidad de instrucciones por segundo (MIPS).
Arquitectura de un microprocesador
Se basa en la misma lógica que una CPU. Cuenta con las siguientes partes:
- Encapsulado: rodea la oblea de silicio para evitar que se deteriore por oxidación y alberga los conectores externos que acoplan el microprocesador al zócalo de la placa base.
- Memoria caché: memoria ultrarrápida que almacena datos que serán utilizados en las próximas operaciones, para evitar recurrir a la memoria RAM. Los microprocesadores para ordenador cuentan con una caché interna de primer nivel o L1, y los más modernos tienen de hasta nivel 3 o L3.
- Coprocesador matemático o unidad de coma flotante: se ocupa de los cálculos matemáticos.
- Registros: memoria pequeña para distintas funciones. Suele haber hasta 32 registros.
- Memoria: en la que se almacenan las instrucciones de programas y sus datos.
- Puertos: a través de los que el microprocesador se comunica con el resto de componentes.
Historia del microprocesador
La gran innovación del circuito integrado es la de hospedar en el mismo espacio los componentes (transistores) que realizan los cálculos y los conductores (circuitos) que transfieren la corriente de un componente a otro. Antes de la invención del circuito integrado (también llamado microchip), las computadoras electrónicas ocupaban habitaciones enteras, necesarias para contener los transistores y los miles de cables eléctricos que los conectaban. Con el microchip, la potencia de un procesador ahora cabe en la palma de nuestra mano, dentro de un smartphone.
No es posible identificar un momento preciso en la historia que condujo a la invención del microprocesador. «No fue una verdadera invención, en el sentido tecnológico del término», dijo Gordon Moore, inventor de la ley que lleva su nombre y que rige la evolución tecnológica. «El descubrimiento fundamental fue la conciencia de que finalmente era posible realizar lo que todos decían que algún día haríamos». A principios de 1969, el microprocesador cruzó la frontera que existía entre la teoría y la factibilidad real.
Aunque probablemente ya existieran algunos prototipos militares, el nacimiento oficial del microprocesador se remonta a principios de la década de 1970. Por mano del físico italiano Federico Faggin y su equipo de trabajo en Intel. En 1968, el científico descubrió que el silicio era un mejor soporte que el germanio para la producción de circuitos basados ??en semiconductores de óxido metálico (los llamados MOS). Faggin se dio cuenta de que, a través de un complicado proceso físico-químico, era posible obtener rejillas de óxido de metal, de unos pocos nanómetros, capaces de autoalinearse en placas de silicio-germanio.
La evolución de los microprocesadores
A partir de este trabajo, en 1971, nació el Intel 4004, que pasó a la historia como el primer microprocesador comercial del mundo. El 4004 integraba en un solo chip una potencia de cálculo superior a la del Eniac, la primera computadora electrónica del mundo. Intel lo anunció triunfalmente como “un ordenador programable de un solo chip que abría una nueva era de la electrónica».
En realidad, el Intel 4004 no podía hacer mucho. Solo sumaba y restaba a cuatro bits. Aprovechando y perfeccionando la tecnología del 4004, se llegó al primer microchip de ocho bits: el 8008. En 1973, la compañía Computer Terminals Corporation (Datapoint), en Texas, contactó a Intel para comprar un circuito integrado en la que estaba trabajando. Finalmente, la compañía texana no lo usó e Intel lo puso en el mercado como el 8008. Así se abría el mercado de los microprocesadores.
En 1974, vio la luz el 8080, el primer microprocesador que se insertó en un PC. Pero el modelo que realmente triunfó en el mercado fue el famoso 8088 que, introducido en 1979 por Intel, fue instalado en millones de ordenadores IBM. En los años siguientes, el desarrollo de los microprocesadores fue increíble y llegaron otros modelos firmados por Intel: 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium II, Pentium III y Pentium IV. Todos estos siguen usando el diseño original del 8088, incluso si realizan operaciones a una velocidad de 5.000 veces superior.
20 years of mergers and acquisitions — 1993 to 2013 pic.twitter.com/gzcf0eIYgw
— Vala Afshar (@ValaAfshar) December 21, 2014
En el último año hemos asistido al lanzamiento de dos procesadores de última generación que marcan el ritmo de los próximos modelos:
- El Apple M1, que fue creado después de que la marca de la manzana abandonase su colaboración con Intel. Se apoya en la tecnología ‘arm’ de 5 nanómetros para ofrecer un alto rendimiento de forma eficiente. Cuenta con cuatro núcleos de alto desempeño y otros cuatro de bajo consumo. Incluye gráficos integrados y un motor que acelera el aprendizaje automático y la inteligencia artificial.
- El Intel Core de 11ª generación, que dispone de los nuevos transistores SuperFin y es compatible con wifi 6. Admite velocidades de hasta 4,8 Ghz y aprovecha la inteligencia artificial para mejorar su rendimiento.
La Ley de Moore
En los últimos 50 años, hemos asistido a una increíble reducción del tamaño de todo tipo de tecnología electrónica. Esto ha sido posible gracias a la colocación de múltiples transistores en un solo circuito integrado. La evolución de los microprocesadores en estos años se ha basado sustancialmente en la Ley de Moore. Desarrollada en 1965 por Gordon Moore, se ha convertido en la metáfora definitiva de la tecnología moderna. Su enunciado es: «La complejidad de un microcircuito, medido, por ejemplo, por el número de transistores por chip, se duplica cada 18 meses (y, por lo tanto, se cuadruplica cada tres años)”.
El aumento en la potencia de procesamiento predicho por Moore en 1965 explica cómo un smartphone se haya vuelto tan poderoso como lo era un entero conjunto de dispositivos electrónicos hace solo una generación. El crecimiento exponencial de la potencia del microprocesador permite teorizar que un ordenador pueda alcanzar la capacidad de procesamiento de un cerebro humano. Un hecho al que probablemente asistiremos en los próximos años. Y esto podría abrir la puerta a la singularidad tecnológica: para 2045, un solo ordenador podría tener una capacidad de procesamiento igual a la de toda la humanidad.
Dada la asombrosa velocidad del cambio tecnológico en los últimos 50 años, se ha intentado explicar el proceso en términos comprensibles incluso para los no expertos. Intel, en 2014, explicó que si la población humana hubiera crecido en el último medio siglo con una tendencia similar a la identificada por Moore para los transistores, en 2029 la Tierra estaría invadida por unos mil billones de personas. Definitivamente es mejor que no sea así.
¿Cómo se fabrica un microprocesador?
Los microprocesadores están hechos de silicio extraído de arena. Con este se fabrica un monocristal a través de fundición a alta temperatura durante bastante tiempo. A continuación, se realizan estos pasos.
- Exposición. De este cristal se obtiene un cilindro perfecto que se corta en obleas de 10 micras de espesor (la décima parte de espesor de un cabello humano). De cada oblea se fabrican cientos de microprocesadores.
- Fotolitografía e implantación de iones. Una vez pulidas las obleas con temperatura y láser, se recubren con una capa de óxido de silicio y se dibujan los transistores. Esto se hace a través de capas finas de materiales conductores, aislantes y semiconductores, con luz ultraivoleta y ácidos. Los detalles de los microprocesadores son tan mínimos que una mota de polvo puede destruir un grupo de circuitos. Por ello, todos estos procesos se llevan a cabo en una ‘sala limpia’, cuyo aire se filtra para quedar libre de polvo. Son más limpias que un quirófano, por ejemplo.
- División. Las obleas serán probadas para comprobar que no son defectuosas. Después, se cortan para sacar los diferentes chips.
- Empaquetado. Los microprocesadores son depositados en una cápsula protectora y conectados a los pines de oro que les permiten interactuar con el exterior. Además, se añadirá el disipador para el control de la temperatura. Es en este punto donde veremos un microprocesador como el que tienen nuestros ordenadores. La mayoría van ensamblados en un circuito impreso con pistas conductoras que sirven de conexión entre el chip y el zócalo de la placa base.
En la actualidad se están investigando nuevos materiales para los microprocesadores, como el carburo de silicio, el germanio, el grafeno y la molibdenita.
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Imágenes | Flickr/Jakub T. Jankiewicz, Wikimedia Commons/Thomas Nguyen, Wikimedia Commons/Dickylon
