Microprocesador para niños
El procesador o microprocesador es como el cerebro de un ordenador. Es la parte más importante que se encarga de hacer que todo funcione.
Este componente ejecuta todos los programas, desde el sistema operativo (como Windows o macOS) hasta las aplicaciones que usas a diario. Solo entiende instrucciones muy básicas, como sumar, restar, multiplicar, dividir y otras operaciones lógicas. También se encarga de acceder a la memoria del ordenador.
Un procesador puede tener una o más unidades de procesamiento, llamadas CPU. Estas unidades están formadas por partes como registros (pequeñas memorias), una unidad de control (que dirige las operaciones) y una unidad aritmético-lógica (que hace los cálculos).
El microprocesador se conecta a la placa base del ordenador mediante un zócalo especial. Para que funcione bien y no se caliente demasiado, suele llevar un sistema de refrigeración. Este sistema incluye un disipador de calor (hecho de materiales como cobre o aluminio) y uno o varios ventiladores. Entre el procesador y el disipador se pone una pasta especial para que el calor se transmita mejor. Hay otros métodos de enfriamiento más avanzados, como la refrigeración líquida, pero se usan para cosas muy específicas.
Medir qué tan potente es un procesador es complicado. Una forma es ver su frecuencia de reloj, que indica qué tan rápido trabaja. Sin embargo, esto no es lo único importante, ya que hay muchos diseños diferentes de procesadores. Algunos ordenadores muy potentes pueden tener varios procesadores trabajando juntos, o un solo procesador puede tener varios "núcleos" (partes internas que funcionan como pequeños cerebros) para hacer más tareas al mismo tiempo.
Hoy en día, los fabricantes intentan poner cada vez más elementos dentro del propio procesador. Esto ayuda a que gasten menos energía y sean más pequeños. Por ejemplo, ahora incluyen controladores de memoria o de vídeo.
Contenido
Historia de los microprocesadores
El microprocesador nació de la unión de dos grandes avances: la computación y la tecnología de semiconductores. Los semiconductores empezaron a desarrollarse a mediados de los años 1950. A principios de los años 1970, estas tecnologías se unieron para crear el primer microprocesador.
La historia de las computadoras digitales comenzó a crecer mucho después de la Segunda Guerra Mundial, a mediados de los años 1940. Los científicos hicieron grandes avances en el diseño de componentes electrónicos. En 1948, en los laboratorios Bell, se inventó el transistor.
En los años 1950, aparecieron las primeras computadoras digitales de uso general. Se construían con tubos de vacío, que eran grandes y consumían mucha energía. Estos tubos formaban los circuitos básicos de la computadora. Un gran paso fue lograr que los programas se guardaran en la memoria del ordenador para luego ejecutarlos.
La tecnología de los semiconductores mejoró mucho en los años 1950. El silicio se volvió el material más usado para los transistores, ya que era barato y se podía producir en grandes cantidades. Así, los transistores reemplazaron a los tubos de vacío en las computadoras a finales de esa década.
A principios de los años 1960, surgieron nuevas tecnologías para circuitos digitales. A mediados de los 1960, se empezaron a fabricar circuitos integrados que contenían muchos componentes en un solo chip. A finales de los 1960 y principios de los 70, la tecnología permitió integrar aún más componentes, creando los circuitos de alta integración (LSI).
Las primeras calculadoras electrónicas necesitaban muchos circuitos integrados. Luego, se logró reducir toda la arquitectura de una computadora a un solo chip, al que se llamó microprocesador. La palabra viene de "micro" (pequeño) y "procesador".
- El primer microprocesador fue el Intel 4004 de Intel Corporation, creado en 1971. Se diseñó para una calculadora y fue revolucionario. Tenía 2300 transistores y podía hacer 60.000 operaciones por segundo.
- El Intel 8008 fue el primer microprocesador de 8 bits, desarrollado en 1972.
- El Intel 8080, de 8 bits, fue el primero diseñado para uso general en 1974.
- El Intel 8086 fue el primer microprocesador de 16 bits, lanzado en 1978. Fue el inicio de la popular arquitectura x86, que se usa en la mayoría de los ordenadores actuales.
- El Intel 80286 (conocido como 286) fue muy usado en los ordenadores PC-AT de los años 1980.
- El Intel 80386 fue uno de los primeros procesadores de 32 bits, fabricado a mediados de los 1980.
- El DEC Alpha se lanzó en 1992 y fue considerado el más rápido de su época. El Intel Pentium apareció en 1993.
- Los microprocesadores modernos son mucho más rápidos y potentes. Tienen miles de millones de transistores y pueden operar a velocidades muy altas.
Evolución de los procesadores
Hasta principios de los años 1970, los componentes de un procesador no podían estar en un solo chip. Se necesitaban varios chips para hacer una CPU. En 1971, la compañía Intel logró poner todos los transistores de un procesador en un solo chip, el Intel 4004. Así nació el microprocesador.
A continuación, una lista de algunos de los microprocesadores más importantes a lo largo del tiempo:
- 1971: El Intel 4004
Fue el primer microprocesador del mundo en un solo chip. Era de 4 bits y fue el primero disponible para la venta. Ayudó a crear las calculadoras y abrió el camino para los ordenadores personales.
- 1972: El Intel 8008
Fue diseñado para terminales de ordenador, pero luego se vendió a otros clientes.
- 1974: El SC/MP
Conocido como "Scamp", fue uno de los primeros microprocesadores. Era simple y económico, muy usado para educación y control industrial.
- 1974: El Intel 8080
Se convirtió en el cerebro de la primera computadora personal, la Altair 8800. Esto hizo que los ordenadores personales se volvieran muy populares.
- 1975: Motorola 6800
Lanzado por Motorola, contenía unos 6800 transistores. Fue usado en muchas de las primeras microcomputadoras.
- 1976: El Z80
Creado por Zilog, era un microprocesador de 8 bits basado en el Intel 8080. Fue muy exitoso y se sigue usando en muchos sistemas hoy en día.
- 1978: Los Intel 8086 y 8088
Intel vendió el 8088 a IBM para sus nuevos ordenadores personales, lo que fue un gran éxito y ayudó a Intel a crecer mucho.
- 1982: El Intel 80286
Fue el primer procesador de Intel que podía ejecutar todos los programas hechos para su predecesor. Esta compatibilidad de software es una característica importante de los procesadores Intel.
- 1985: El Intel 80386
Este procesador tenía 275.000 transistores. Añadió una arquitectura de 32 bits y la capacidad de hacer varias tareas a la vez (multitarea).
- 1985: El VAX 78032
Un procesador de 32 bits de Digital Equipment Corporation (DEC), muy potente para su época y popular en la comunidad científica.
- 1989: El Intel 80486
Esta generación de procesadores hizo que los ordenadores personales fueran mucho más avanzados. Incluía una unidad para cálculos matemáticos complejos, lo que aceleró mucho las operaciones.
- 1991: El AMD AMx86
Procesadores fabricados por AMD que eran compatibles con los de Intel y a menudo más baratos.
- 1993: PowerPC 601
Un procesador de 32 bits creado por una alianza entre IBM, Apple y Motorola. Se usó principalmente en ordenadores Macintosh de Apple.
- 1993: El Intel Pentium
Este procesador podía hacer dos operaciones al mismo tiempo y tenía un bus de datos de 64 bits. Las versiones con instrucciones MMX mejoraron el manejo de aplicaciones multimedia.
- 1994: EL PowerPC 620
IBM y Motorola desarrollaron el primer prototipo de procesador PowerPC de 64 bits, diseñado para servidores.
- 1995: EL Intel Pentium Pro
Diseñado para servidores y estaciones de trabajo. Era muy bueno con programas de 32 bits, pero más lento con los de 16 bits.
- 1996: El AMD K5
AMD lanzó su primer procesador propio, el K5, que competía con el Pentium. Era un procesador RISC interno que convertía las instrucciones x86.
- 1996: Los AMD K6 y AMD K6-2
Con el K6, AMD compitió seriamente con Intel, ofreciendo un procesador potente a un precio más bajo. El K6-2 introdujo instrucciones 3DNow! para gráficos.
- 1997: El Intel Pentium II
Este procesador mejoró el rendimiento con código de 16 bits y añadió las instrucciones MMX. Permitió a los usuarios trabajar mejor con fotos y vídeos digitales.
- 1998: El Intel Pentium II Xeon
Diseñados para servidores y estaciones de trabajo potentes, para tareas exigentes como servicios de Internet y almacenamiento de datos.
- 1999: El Intel Celeron
Intel lanzó la línea Celeron como una opción más económica para ordenadores personales, ofreciendo buen rendimiento a bajo costo.
- 1999: El AMD Athlon K7 (Classic y Thunderbird)
Este procesador fue un rediseño de su antecesor, con mejoras en los cálculos de coma flotante y más memoria caché. Se convirtió en el procesador x86 más potente de su momento.
- 1999: El Intel Pentium III
Ofrecía nuevas instrucciones para mejorar el rendimiento con imágenes 3D, audio y vídeo. Fue diseñado para mejorar la experiencia en Internet.
- 1999: El Intel Pentium III Xeon
Mejoró el rendimiento en aplicaciones de comercio electrónico y multimedia, diseñado para sistemas con varios procesadores.
- 2000: EL Intel Pentium 4
Fue el primer procesador de Intel con un diseño completamente nuevo desde el Pentium Pro. Mejoró el rendimiento en juegos 3D, audio y vídeo digitales.
- 2001: El AMD Athlon XP
AMD lanzó el Athlon XP para competir con el Pentium 4. Ofreció un rendimiento muy bueno en procesamiento de voz, vídeo y diseño asistido por ordenador.
- 2004: El Intel Pentium 4 (Prescott)
Una nueva versión del Pentium 4 con más memoria caché y nuevas instrucciones, aunque tuvo problemas de temperatura.
- 2004: El AMD Athlon 64
Este procesador de AMD incluía un controlador de memoria dentro del propio chip, lo que mejoró su rendimiento. También tenía una tecnología para reducir su velocidad y consumo de energía cuando no se necesitaba mucha potencia.
- 2006: El Intel Core Duo
Intel lanzó procesadores de doble núcleo y luego de cuatro núcleos, con una nueva arquitectura que mejoró el uso de energía y la capacidad de procesamiento.
- 2007: El AMD Phenom
La primera generación de procesadores de tres y cuatro núcleos de AMD. Estaban diseñados para usar la energía de forma inteligente y mejorar el rendimiento.
- 2008: El Intel Core i7 Nehalem
Los primeros procesadores de cuatro núcleos de la arquitectura Nehalem de Intel. Reimplementaron la tecnología Hyperthreading para crear núcleos lógicos.
- 2008: Los AMD Phenom II y Athlon II
Estos procesadores de AMD se fabricaron con una tecnología más avanzada, lo que permitió aumentar la cantidad de memoria caché.
- 2011: El Intel Core Sandy Bridge
Estos procesadores de Intel mejoraron la eficiencia y la velocidad, con nuevas instrucciones que duplicaron el rendimiento en 3D y multimedia.
- 2011: El AMD Fusion
AMD Fusion combinó el procesador principal (CPU) con la unidad de procesamiento gráfico (GPU) en un solo chip, mejorando el rendimiento gráfico.
- 2012: El Intel Core Ivy Bridge
Estos procesadores de Intel usaron una tecnología de fabricación más pequeña, lo que permitió poner más transistores y hacer más tareas al mismo tiempo.
- 2013: El Intel Core Haswell
Mejoraron los gráficos para juegos y diseño, con menor consumo de energía y mejor rendimiento.
- 2017: El Intel Core i7-7920HQ
Un procesador de séptima generación de Intel, diseñado para usuarios exigentes que buscan alta productividad y entretenimiento.
- 2017: AMD Ryzen
Una nueva marca de procesadores de AMD que ofrecieron un gran rendimiento, especialmente en tareas que usan muchos hilos (multi-hilo). Compitieron con los procesadores Intel Core i7 a precios más bajos.
- 2019: AMD Ryzen 3ra. Generación
Fabricados con una tecnología de 7 nanómetros, estos procesadores tuvieron una gran aceptación y ayudaron a AMD a ganar cuota de mercado.
- 2020: Intel Core S 10ª. Generación
Procesadores de Intel orientados a ordenadores para juegos, alcanzando altas frecuencias de procesamiento.
- 2020: AMD Ryzen 5000
Con la arquitectura Zen 3, estos procesadores están diseñados para gamers, creadores de contenido y tareas exigentes, dominando el procesamiento de múltiples tareas.
- 2020: Apple M1
El primer procesador propio de Apple para sus equipos, diseñado con tecnología ARM de 5 nanómetros para alto rendimiento y bajo consumo. Integra muchas funciones en un solo chip.
- 2021: Intel Core de 11ª Generación
Estos procesadores de Intel combinan nuevas tecnologías como WiFi 6, Thunderbolt 4 y mejoras en inteligencia artificial y gráficos.
- 2021: Apple M1 Pro y M1 Max
La segunda generación de procesadores de Apple, aún más potentes que el M1 original. El M1 Max es el procesador más grande de Apple hasta la fecha, con muchísimos transistores y un rendimiento gráfico muy alto.
- 2021: Intel Core de 12ª Generación
Estos procesadores de Intel tienen una nueva arquitectura híbrida con núcleos de rendimiento y eficiencia, adaptándose a las tareas para ofrecer el mejor desempeño.
- 2022: AMD Ryzen 6000
Una nueva generación de procesadores AMD Ryzen para equipos delgados, con mejor rendimiento, mayor duración de batería y gráficos más rápidos.
- 2022: Apple M1 Ultra
El siguiente paso en la evolución de los chips de Apple, que une dos chips M1 para crear un procesador con un rendimiento y capacidad sin precedentes, ideal para desarrolladores y profesionales de vídeo.
¿Cómo funciona un procesador?
Desde un punto de vista lógico, un microprocesador tiene varias partes principales: registros (pequeñas memorias), una unidad de control y una unidad aritmético-lógica. Algunos también tienen una unidad de coma flotante para cálculos complejos.
El microprocesador ejecuta instrucciones que están guardadas como números binarios en la memoria principal. La ejecución de estas instrucciones se hace en varias etapas:
- Prefetch: El procesador busca la siguiente instrucción en la memoria.
- Fetch: La instrucción se envía al decodificador.
- Decodificación: El procesador averigua qué instrucción es y qué debe hacer.
- Lectura de datos: Si la instrucción necesita datos, los lee.
- Escritura de resultados: Los resultados se guardan en la memoria o en los registros.
Cada una de estas etapas se realiza en uno o varios ciclos del procesador. La velocidad de estos ciclos la determina la frecuencia de reloj, que se mide en megahercios (MHz) o gigahercios (GHz). Un cristal de cuarzo genera pulsos constantes que marcan el ritmo del procesador.
Rendimiento del procesador
Medir el rendimiento de un procesador es complejo. Antes se pensaba que la frecuencia de reloj era lo más importante, y ahora muchos creen que el número de núcleos lo es. Sin embargo, estos son solo mitos. Los procesadores no siempre necesitan frecuencias más altas o más núcleos para ser más potentes.
En los últimos años, la frecuencia se ha mantenido en un rango similar, y la cantidad de núcleos ha aumentado. Una forma más precisa de medir la potencia es viendo cuántas Instrucciones por ciclo puede ejecutar.
Comparar el rendimiento usando la frecuencia y el número de núcleos solo es válido si los procesadores tienen arquitecturas muy parecidas. Dentro de una misma familia de procesadores, es común encontrar diferentes velocidades porque no todos los chips de silicio funcionan igual de bien. Se prueban a distintas velocidades y se clasifican según su estabilidad.
La capacidad de un procesador también depende de otros componentes del ordenador, como el chipset, la memoria RAM y el software. Pero para tener una idea aproximada, se pueden usar indicadores como la cantidad de operaciones de coma flotante por segundo (FLOPS) o la cantidad de instrucciones por segundo (MIPS).
Partes de un procesador
Un microprocesador tiene una arquitectura similar a la de una computadora digital. Es como una pequeña computadora que realiza cálculos siguiendo un programa.
Las partes principales de un microprocesador son:
- Encapsulado: Es la cubierta que protege el chip de silicio. Le da forma, lo protege del aire y permite conectarlo a la placa base.
- Memoria caché: Es una memoria muy rápida que el procesador usa para guardar datos que probablemente necesitará pronto. Así, no tiene que ir a la memoria RAM, que es más lenta. Hay diferentes niveles de caché: L1 (dentro del procesador), L2 y L3 (más grandes y un poco menos rápidas).
- Coprocesador matemático (o unidad de coma flotante): Es la parte del procesador especializada en cálculos matemáticos complejos. Antes estaba en un chip separado.
- Registros: Son pequeñas memorias especiales que el procesador usa para tareas específicas.
- Memoria: Es donde el procesador encuentra las instrucciones de los programas y los datos que necesita.
- Puertos: Son la forma en que el procesador se comunica con el exterior. Cada parte del ordenador con la que el procesador necesita hablar tiene un "número de puerto".
Fabricación de procesadores
Procesadores de silicio
El proceso de fabricación de un microprocesador es muy complejo. El silicio se obtiene de la arena (que contiene cuarzo). Se funde el silicio a alta temperatura y se forma un gran cristal.
De este cristal se cortan obleas muy finas, de solo unas micras de grosor (la décima parte de un cabello humano). Estas obleas se pulen y se calientan para eliminar cualquier defecto. Luego, se cubren con una capa aislante.
Después, comienza el "dibujado" de los transistores. Se usan máscaras para "imprimir" capas muy delgadas de materiales conductores, aislantes y semiconductores sobre la oblea. Se usa luz ultravioleta y ácidos para crear los circuitos. Es un proceso muy preciso, como hacer un sándwich con muchas capas diminutas.
Un transistor moderno es increíblemente pequeño, del tamaño de unos pocos electrones. Por eso, la fabricación requiere una precisión absoluta.
Una sola mota de polvo puede dañar los circuitos. Por eso, los microprocesadores se fabrican en "salas limpias", donde el aire está muy filtrado y casi no hay polvo. Los trabajadores usan trajes especiales para no contaminar el ambiente.
Una vez que la oblea tiene todos los microprocesadores "grabados", se comprueba cuáles funcionan bien. Los que están en los bordes a veces tienen pequeños defectos y funcionan a velocidades más bajas. Luego, la oblea se corta y cada chip se separa. En esta etapa, el microprocesador es una pequeña placa sin pines ni protección.
Finalmente, cada plaquita se cubre con una cápsula protectora (de plástico o cerámica) y se conecta a cientos de pines metálicos con alambres muy finos, a menudo de oro. Estos pines permiten que el procesador se comunique con la placa base. A veces, se añade un pequeño disipador de metal a la cápsula para ayudar a transferir el calor.
También se investigan otros materiales además del silicio, como el carburo de silicio, para mejorar la conductividad y permitir mayores velocidades.
Otros materiales
Aunque el silicio es el material principal, también se usan otros como el germanio. Además, se investigan materiales como el grafeno o la molibdenita para futuros procesadores.
Empaquetado del procesador
Los microprocesadores son circuitos integrados. Están formados por un chip de silicio y un empaque con conexiones eléctricas. Antiguamente, los empaques eran de plástico o cerámica. El chip se pegaba a una base y se conectaba con pequeños alambres a los pines.
Hoy en día, muchos procesadores se ensamblan con una tecnología llamada "flip chip". El chip de silicio se suelda directamente a unas pistas conductoras con pequeñas esferas. Estas pistas se conectan a los pines o contactos que van al zócalo de la placa base. Con el método "flip chip", el chip queda boca abajo, lo que ayuda a disipar mejor el calor. En los procesadores de escritorio, se suele añadir una placa de metal en la parte superior para proteger el chip y mejorar la refrigeración.
Disipación de calor
A medida que los procesadores tienen más transistores, consumen más energía y generan más calor. Si el calor no se elimina, el procesador puede dañarse. Por eso, es necesario usar sistemas de enfriamiento.
Los sistemas más comunes son los disipadores metálicos, que aumentan la superficie para que el calor se escape más rápido. También existen sistemas de refrigeración líquida.
En los procesadores modernos, se coloca una lámina metálica llamada IHS en la parte superior. Esta lámina es la superficie de contacto para el disipador y ayuda a que el calor se distribuya de manera uniforme.
Para experimentos de "overclocking" (hacer que el procesador funcione más rápido de lo normal), se usan sustancias muy frías como hielo seco o nitrógeno líquido, que pueden bajar la temperatura a grados bajo cero. Esto permite aumentar mucho la velocidad del procesador.
Conexión con el exterior
El microprocesador tiene muchos elementos metálicos que permiten la conexión eléctrica con la placa base. Un procesador puede tener desde unos pocos hasta más de 2000 contactos. Se monta en un zócalo de CPU en la placa base. Hay tres tipos principales de conexión:
- PGA (Pin Grid Array): El procesador tiene pequeños pines que se insertan en agujeros en la placa base. Una palanca los asegura.
- BGA (Ball Grid Array): La conexión se hace con pequeñas bolas soldadas al procesador que tocan el zócalo.
- LGA (Land Grid Array): El procesador tiene superficies de contacto lisas, y los pines están en el zócalo de la placa base.
Estas conexiones permiten que el procesador reciba energía, señales de reloj, datos y control. Diferentes procesadores y placas base pueden ser compatibles entre sí.
Buses del procesador
Todos los procesadores tienen un bus principal o de sistema. Es como una autopista por donde se envían y reciben todos los datos, instrucciones y direcciones desde y hacia el resto de los componentes del ordenador. La velocidad de este bus es muy importante para el rendimiento del sistema.
Este bus puede ser paralelo (con muchas líneas para datos, direcciones y control) o serial (que envía los datos en paquetes). El bus front-side bus de Intel es un ejemplo de bus paralelo.
Algunos procesadores de AMD y los Intel Core i7 usan buses seriales como HyperTransport o Quickpath, que son más rápidos.
Los procesadores modernos de Intel y AMD también tienen un controlador de memoria RAM integrado. Esto significa que hay buses de memoria que van directamente del procesador a los módulos de memoria, siguiendo estándares como DDR.
Arquitecturas de procesadores
Existen muchas arquitecturas de procesadores diferentes, cada una con sus propias características y usos. Algunas de las más conocidas son:
- ARM (usada en muchos teléfonos y tabletas, y ahora en ordenadores Apple)
- DEC Alpha
- Intel (con sus familias 4004, 8080, Itanium, etc.)
- MIPS
- Motorola (con sus familias 6800, 68000, etc.)
- IBM POWER y PowerPC (usados en algunos ordenadores y consolas de videojuegos)
- SPARC
- x86 (la arquitectura más común en ordenadores personales, con versiones de 16, 32 y 64 bits)
Ver también
- Microarquitectura
- Unidad central de procesamiento (CPU)
- Unidad de control
- Unidad aritmético lógica
- Unidad de coma flotante
- Registro (hardware)
- Microcontrolador
- Conjunto de instrucciones
- Arquitectura de computadoras
- Zócalo de CPU
- Refrigeración líquida (informática)
- Hardware
- Placa base
Véase también
En inglés: Microprocessor Facts for Kids
