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2012

Procesadores

Dorian Cadenas Álvarez, Juan Manuel Tamborini, Mario Estévez Hernández

El procesador, una de las invenciones más útiles de las últimas décadas en la historia de la humanidad, tiene todo tipo de aplicaciones hoy en día; desde equipos informáticos domésticos, hasta tecnología de vanguardia para investigación y desarrollo, pasando por electrodomésticos y aparatos de uso cotidiano como teléfonos móviles, televisiones, sistemas GPS, etc. Con este trabajo trataremos de explicar qué son, cómo se fabrican, y cuáles son sus modelos más actuales.

Universidad de León Grado en Ingeniería Informática Estructura de Computadores Juan Manuel Tamborini 71557297-L Dorian Cadenas Álvarez 71463395-A Mario Estévez Hernández 70880520-V

Introducción

CONTENIDO 1.

Introducción ......................................................................................................................................... 2

2.

Definición y funcionamiento del microprocesador .............................................................................. 2

3.

Historia del microprocesador ............................................................................................................... 5

4.

Fabricación de un microprocesador ................................................................................................... 26 4.1 Procesadores de silicio ..................................................................................................................... 26 4.2 Otros materiales ............................................................................................................................... 30 4.3 Empaquetado ................................................................................................................................... 30 4.4 Refrigeración (disipación del calor) .................................................................................................. 32

5.

Clasificación de microprocesadores según criterios........................................................................... 33 5.1. Longitud de palabra ......................................................................................................................... 33 5.2. Arquitectura de computadores ....................................................................................................... 33 5.3. Especialización ................................................................................................................................. 34 5.4. Conjunto de Instrucciones ............................................................................................................... 35 5.4.1. Basadas en almacenamiento dentro del procesador ............................................................... 35 5.4.2. Basadas en la localización de los operandos para las operaciones aritméticas ....................... 37 5.4.3. Filosofía de diseño .................................................................................................................... 38 5.5.

Familias ..................................................................................................................................... 38

5.6.

Plataformas ............................................................................................................................... 44

6.

Otros fabricantes de procesadores .................................................................................................... 44

7.

Procesadores actuales ........................................................................................................................ 50

8. Futuro del procesador ............................................................................................................................ 57 8.1 Grafeno ............................................................................................................................................. 57 8.2 Molibdenita ...................................................................................................................................... 61 8.3 Computación cuántica ...................................................................................................................... 62 9.

Curiosidades y mitos sobre los procesadores .................................................................................... 63

10.

Conclusiones.................................................................................................................................. 68

11.

Bibliografía .................................................................................................................................... 68

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Introducción

1. INTRODUCCIÓN En el presente documento vamos a hablar sobre los procesadores: desde su origen como máquinas primitivas y rudimentarias (como por ejemplo el ábaco) diseñadas para simplificar tareas comunes y repetitivas, hasta los actuales microprocesadores, con su increíble capacidad de cálculo, utilizados para tareas tan diversas como predecir el tiempo, realizar cálculos complejos sobre las leyes de la física y el Universo en general, y ayudar a secuenciar el ADN, así como también para el uso de tareas cotidianas en los hogares, como la ayuda en la gestión de tareas, navegar por Internet, diseño gráfico, edición de vídeo, videojuegos, desarrollo de aplicaciones, entre otras cosas. Hablaremos de su historia a lo largo del tiempo, de cuales son y fueron sus principales fabricantes y sus más destacados modelos, así como del futuro que le espera a esta útil herramienta de trabajo, que representa el sumun de la tecnología actual. También explicaremos cómo funciona y cuáles son los pasos que siguen para su elaboración y contaremos algunas características de los modelos actuales más destacados de los dos mayores fabricantes de microprocesadores: AMD e Intel. Así mismo intentaremos dar algunos consejos breves y rápidos a la hora del correcto funcionamiento y mantenimiento del mismo, como de algunos trucos y técnicas para mejorar su rendimiento (como el overclocking).

2. DEFINICIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL MICROPROCESADOR El microprocesador o llamado comúnmente procesador es el circuito integrado central y más complejo de un sistema informático; podemos decir que es como el «cerebro» de un computador. Es un circuito integrado constituido por millones de componentes electrónicos. Constituye la unidad central de procesamiento (CPU) de un PC catalogado como microcomputador. Se encarga de ejecutar los programas; desde el sistema operativo hasta las aplicaciones de usuario; sólo ejecuta instrucciones programadas en lenguaje de bajo nivel, realizando operaciones aritméticas y lógicas simples, tales como sumar, restar, multiplicar, dividir, las lógicas binarias y accesos a memoria. Esta unidad central de procesamiento está constituida, esencialmente, por registros, una unidad de control, una unidad aritmético-lógica (ALU) y una unidad de cálculo en coma flotante antes llamada «co-procesador matemático». El microprocesador está conectado, generalmente, mediante un zócalo (socket) específico a la placa base de la computadora (antiguamente algunos procesadores tenían formato slot, en lugar del actual modelo de socket). Normalmente, para su correcto y estable funcionamiento, se le adosa un sistema de refrigeración, que consta de un disipador de calor fabricado en algún material de alta conductividad térmica, como cobre o aluminio, y de uno o más ventiladores que fuerzan la expulsión del calor absorbido por el disipador; entre éste último y la cápsula del microprocesador suele colocarse pasta térmica para mejorar la conductividad térmica. Existen otros métodos más eficaces, como la refrigeración líquida o el uso de células Peltier para refrigeración extrema, aunque estas técnicas se utilizan casi exclusivamente para aplicaciones especiales, tales como el overclocking. La medición del rendimiento de un microprocesador es una tarea compleja, dado que existen diferentes tipos de "cargas" que pueden ser procesadas con diferente efectividad por procesadores de la misma gama. Una métrica del rendimiento es la frecuencia de reloj que permite comparar procesadores con núcleos de la misma familia, siendo éste un indicador muy limitado dada la gran variedad de diseños

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Definición y funcionamiento del microprocesador

con los cuales se comercializan los procesadores de una misma marca y referencia. Un sistema informático de alto rendimiento puede estar equipado con varios microprocesadores trabajando en paralelo, y un microprocesador puede, a su vez, estar constituido por varios núcleos físicos o lógicos. Un núcleo físico se refiere a una porción interna del microprocesador cuasi-independiente que realiza todas las actividades de una CPU solitaria, un núcleo lógico es la simulación de un núcleo físico a fin de repartir de manera más eficiente el procesamiento. Existe una tendencia de integrar el mayor número de elementos dentro del propio procesador, aumentando así su eficiencia energética y la miniaturización. Entre los elementos integrados están las unidades de punto flotante, controladores de la memoria RAM, controladores de buses y procesadores dedicados de video. (1) Ejemplo de funcionamiento del procesador MIPS El microprocesador está formado por diferentes unidades como por ejemplo el Registro de Instrucciones, la Memoria de Datos o el Banco de Registros. Para conocer más a fondo su funcionamiento nos centraremos en la estructura y funcionamiento del MIPS. La función principal de un microprocesador es ejecutar programas por medio de instrucciones compuesta de microoperaciones esto es gracias a las rutas de datos entre sus diferentes unidades. Entre sus diferentes unidades se encuentran:        

Memoria de instrucciones: Contiene las instrucciones y es solo de lectura. Memoria de Datos: contiene los datos y se puede leer y escribir pero necesita de señales de control para ello. Banco de Registros: Estructura que agrupa 32 registros, también se puede leer y escribir y para seleccionar el registro se le pasa el identificador de registro. Sumador: Se utiliza para el cálculo de la siguiente instrucción o de la dirección destino de un salto. ALU: una de las unidades mas importantes del procesador y donde se llevan a cabo los cálculos de operaciones. PC (Contador de Programa): contiene la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar y como se escribe al final de cada ciclo no necesita señal de control. Extensor de Signo: al pasarle un valor de 16 bits lo transforma en 32 bits. Desplazamiento a la izquierda: al pasarle un valor de 32 bits los multiplica por 4 desplazándolo 2 posiciones a la izquierda.

Existen diferentes tipos de instrucciones en las rutas de datos tanto monociclo como multiciclo. A continuación hay un ejemplo de cada ruta de datos.

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Definición y funcionamiento del microprocesador

1.

Monociclo:

2.

Multiciclo:

Tanto en rutas monociclo como en multiciclo existen diferentes tipos de instrucción como son las tipo BEQ (salto condicional), las tipo R o las tipo SW. Todas ellas corresponden al repertorio de instrucciones del MIPS. (2)

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Historia del microprocesador

3. HISTORIA DEL MICROPROCESADOR En las primeras computadoras mecánicas, el procesador no estaba muy claro, formado por un complejo sistema de engranajes. Posteriormente con las máquinas basadas en las válvulas de vacío que marcaron el comienzo de la primera generación de computadores, el procesador estaba más definido, compuesto por miles de válvulas de vacío y un complejo entramado de cables. Con la invención del transistor, que marcó la segunda generación, y la de los circuitos integrados (que marcó la tercera generación) se permitió la miniaturización de los componentes. El problema era que los diferentes componentes electrónicos que formaban un procesador no podían ser un único circuito integrado, era necesario utilizar dos o tres "chips" para hacer una CPU (uno era la ALU, otro la Unidad de Control, otro el Banco de Registros…). En 1971 Intel consiguió por primera vez poner todos los transistores que constituían un procesador sobre un único circuito integrado, el "4004". Así nacía el microprocesador. (3) A partir de entonces, los ordenadores han sufrido una progresiva miniaturización y un abaratamiento en su producción que permitió aumentar las ventas de ordenadores personales, protagonistas de la cuarta generación. Actualmente, las definiciones de procesador, microprocesador y CPU se usan indistintamente para referirse a los microprocesadores. La implementación del microprocesador comenzó en 1970 con Federico Faggin, un ingeniero eléctrico y físico que trabajaba en Fairchild Semiconductor, donde desarrolló la tecnología pionera llamada Silicon Gate Technology (SGT) y posteriormente diseñado el primer circuito integrado MOS usando la tecnología SGT en 1968 (4). En 1970 fue empleado por Intel y creó una nueva metodología de "random logic design" con SGT que usó para encajar el microprocesador en un único chip. Su metodología fue usada en todos los primeros diseños de microprocesadores de Intel. (5) El Intel 4004 es de 4 bits y arquitectura Harvard, con 16 registros de 4 bits. Las instrucciones son de 8 bits y algunos de 16. Usa un bus multiplexado para mantener un número de pines bajo. Incluye un stack interno de llamadas a subrutinas de tres niveles de profundidad.

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Historia del microprocesador

Arquitectura del Intel 4004. Se puede ver la pila de tres niveles para las subrutinas. Como curiosidad, decir que este chip es un objeto coleccionable de los más codiciados del mundo. De valor más alto están los 4004 de color oro y blanco, con los llamados "trazos grises" visibles en su porción blanca (el tipo original del paquete).

Intel 4004 de trazos grises. El más codiciado por coleccionistas. Un año más tarde, 1972, Intel saca el Intel 8008 (i8008) (6) que inicialmente se llamó 1201, a raíz de un pedido de Computer Terminal Corporation, pero no terminaron a tiempo y no cumplieron las expectativas por lo que ambos acordaron que pudiera venderse a otros clientes.

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Historia del microprocesador

El i8008 es un chip de 18 pines, usa direcciones de 14 bits pudiendo manejar hasta 16KB de memoria, bus compartido para datos e instrucciones de 8 bits, lo que le obligaba a una gran cantidad de circuitería externa para poder ser utilizado. Es más lento que el 4004 pero el poder procesar 8 bits y tener más memoria, le hacían en la práctica mucho más rápido.

Arquitectura del Intel 8008. Se puede ver la complicación de la ruta de datos en comparación con el Intel 4004. Su diseño era aceptable para utilizarlo como el controlador de un terminal, pero no para el resto de tareas, por lo que pocos ordenadores se basaron en él. En cambio, otro microprocesador de la misma familia, el i8080 (1974), versión mejorada del i8008, si fue más usado en ordenadores tales como la Altair 8800. Las características era que tenía el mismo conjunto de instrucciones pre x86, bus de dirección de 16 bits y bus de datos de 8 bits permitiendo acceso a 64KB de memoria, 7 registros de 8 bits, un contador de programa y un puntero de pila en memoria sustituyendo la pila interna del 8008 (7) Al mismo tiempo que el i8008, en 1974, National Semiconductor desarrollo SC/MP, popularmente conocido como «Scamp» (acrónimo de Simple Cost-effective Micro Processor - Microprocesador simple y rentable). Presenta un bus de direcciones de 16 bits y un bus de datos de 8 bits. Una característica, avanzada para su tiempo, es la capacidad de liberar los buses a fin de que puedan ser compartidos por varios procesadores. Este microprocesador fue muy utilizado, por su bajo costo, y provisto en kits, para propósitos educativos, de investigación y para el desarrollo de controladores industriales diversos. (8)

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Historia del microprocesador

En 1975 Motorola sacó el Motorola 6800 (MC6800) (9) cuya novedad era el registro índice (registro de procesador usado para direccionar los datos de proceso hacia o desde la memoria RAM (10)). Entre otras características podemos encontrar que dispone de una única alimentación de 5v (frente a tres tensiones de la i8080) y un reloj de dos fases.

Motorola 6800

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Historia del microprocesador

Motorola 6800 fabricado por la compañía AMI En 1974, después del i8080, Federico Faggin dejó Intel y fundó Zilog Inc (11). En 1976, basándose en su experiencia y en el i8080, crea el Zilog Z80 de 8 bits, cuya arquitectura está a medio camino entre la organización de acumulador y de registros de propósito general, concretamente, si lo consideramos de registro, del tipo de registro-memoria.

Versión muy rara del Z80 de Zilog

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Historia del microprocesador

El Z80 estaba diseñado para ser compatible a nivel de código con el i8080, de forma que la mayoría de sus programas funcionaran en el Z80 y especialmente el SO CP/M. Algunas características/mejoras que introduce y que por ello logra desbancar del mercado a Intel son: - Un conjunto de instrucciones mejorado, incluyendo nuevos registros - Dos bancos de registros que podían ser cambiados de forma rápida para acelerar la respuesta a interrupciones. - Instrucciones de manipulación de bits. - Alimentación única de 5v. - Necesita menos circuitos auxiliares.

- Más barato que el i8080. Arquitectura del Z80. Se puede ver una ruta de datos más sencilla que el i8008 (con menos circuitos auxiliares). En 1978 aparecen Intel 8086 y un año más tarde Intel 8088, desarrollados a partir del 8080 y los primeros miembros de la familia x86 de Intel, basada en arquitectura x86. Estos microprocesadores son los primeros en ser de 16 bits y ejecutan el mismo conjunto de instrucciones. Internamente son idénticos a excepción de una cola de 6 bytes para 8086 y 4 bytes para 8088 haciendo 8086 más rápido pero 8088 con menos circuitos y más barato. Dato; significado de cola (12): también llamada fila, es una estructura de datos, caracterizada por ser una secuencia de elementos en la que la operación de inserción push se realiza por un extremo y la operación de extracción pop por el otro. También se le llama estructura FIFO (First In, First Out).

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Historia del microprocesador

Estructura interna de un microprocesador de arquitectura x86 La compañía de IBM puso en venta un ordenador, el IBM PC, que usaba el 8088 y cuyo éxito comercial contribuyó al asentamiento de la arquitectura x86 como un estándar. (13) IBM, por su parte, comenzó en 1980 el proyecto IBM 801, del que derivaría el primer procesador RISC, cuya filosofía de diseño fue introducida por el científico informático John Cocke en la década de los años 70s. Hasta ahora, los procesadores seguían una filosofía de diseño CISC. Sin embargo, el procesador ofrecía un rendimiento bastante malo, consumiendo bastantes recursos, por lo que IBM comenzó otro proyecto, el Proyecto América, con el que consigue el primer procesador de la arquitectura Power, un potente procesador de bajo consumo de energía. (14) En 1981, Intel diseñó su primer microprocesador de 32 bits como un conjunto de tres circuitos integrados, el Intel iAPX 432. Fue pensado para ser el principal diseño de Intel para los años 1980 y de arquitectura RISC. Era un proyecto que comenzó en 1975 pero querían meter varias características avanzadas que hicieron el diseño extremadamente complejo comparado a los microprocesadores de consumo masivo de ese tiempo, tanto, que los ingenieros de Intel no pudieron traducir el diseño en una

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Historia del microprocesador

implementación eficiente. Además otras características lo ralentizaron más todavía, resultando en un procesador muy lento y costoso, y así, los planes de Intel para sustituir la arquitectura x86 por el iAPX 432 terminaron miserablemente. (15) 1982 e Intel 80286 (16), popularmente conocido como 286 o i286, siendo el primer procesador de Intel que podía ejecutar todo el software escrito para su predecesor. Esa compatibilidad se convirtió en el sello de Intel. Microprocesador de 16 bits, tenía un bus de direcciones de 24 bits que permitía direccionar 16MB de memoria y fue diseñado para correr aplicaciones multitarea, incluyendo comunicaciones, control de procesos en tiempo real y sistemas multiusuario.

Intel 80286 Otra de las características interesantes del procesador es que fue el primero de la arquitectura x86 con modo protegido (tiene un número de nuevas características diseñadas para mejorar las multitareas y la estabilidad del sistema, como protección de memoria, y soporte de hardware para memoria virtual así como de conmutación de tareas. (17) En este mismo año, a raíz de IBM que quería usar el procesador 8088 pero cuyas políticas exigían mínimo dos proveedores, Intel tuvo que firmar contrato con AMD (Advanced Micro Devices), permitiendo a AMD poder fabricar procesadores 8086 y 8088. Por ello, en 1983, AMD sacó su primer procesador, Am286, un clon del procesador 80286 pero con mayor frecuencia (aunque no más rápido) (18) Como curiosidad, los Am286 está marcados con la frase (M) (C) INTEL 1982 (19) El Intel 80386 (i386 ó 386) salió a la luz en 1985, de arquitectura x86, era el prototipo de la tercera generación de dicha arquitectura, por lo que se le llamó P3 durante su diseño. El i386 implementó una arquitectura de 32 bits y una unidad de traslación de páginas (siendo así más sencillo implementar sistemas operativos que emplearan memoria virtual). Desde entonces, el conjunto de instrucciones apenas sufre variaciones y actualmente se conoce como IA-32 (20)

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Historia del microprocesador

En esas fechas coincide con la aparición del MicroVAX 78032, también conocido como DC333. Diseñado y fabricado por la compañía DEC (Digital Equipment Corporation), implementa el conjunto de instrucciones VAX. El microprocesador se usó exclusivamente para sistemas basados en los VAX de DEC. Los sistemas VAX y los basados en este procesador fueron los preferidos por la comunidad científica y de ingeniería durante la década del 1980. (21) Como curiosidad, es el primer dispositivo semiconductor en ser registrado bajo la protección del acta de 1984, el SCPA (Semiconductor Chip Protection Act) (22) (23) En 1986, Intel rompe el contrato con AMD, negándose a dar detalles técnicos del i386, la creciente popularidad del mercado de los clones de PC significaba que Intel podía producir CPUs según sus propios criterios y no según los de IBM. AMD apeló y comenzó una disputa judicial que terminaría en 1991. (24) Siguiendo con la arquitectura x86, en 1989 Intel saca una familia de microprocesadores de 32 bits, los Intel 80486 (i486 ó 486), muy similares a los i386. Las diferencias son mejoras en el conjunto de instrucciones (más optimizado), una unidad de coma flotante y un caché (la caché es una memoria más pequeña y rápida, la cual almacena copias de datos ubicados en la memoria principal que se utilizan con más frecuencia (25)) unificados e integrados en el microprocesador y una unidad de interfaz del bus mejorada. Estas mejoras las hacen más rápidas que los i386, aunque algunos de gama baja eran más lentos que los i386. También fue el primero en ofrecer un coprocesador (microprocesador utilizado como suplemento de las funciones del procesador principal (26)) matemático integrado, mejorando la velocidad de cálculo. (27) El mismo año, se lanzó el Intel i860 (también conocido como el 80860) de arquitectura RISC que junto con el i960, fue uno de los primeros intentos de una Arquitectura de Conjunto de Instrucciones completamente nueva y de alto nivel desde el fallido Intel i432. Pero nunca alcanzó éxito comercial y el proyecto se cerró a mediados de los 90. (28)

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Historia del microprocesador

Intel 80960 El pleito que había entre Intel y AMD finaliza en 1991 cuando la Suprema Corte de California falló a favor de AMD y forzó a Intel a pagar más de 1000 millones de dólares en compensación por violación de contrato. Las siguientes disputas legales se centraron en si AMD tenía derecho a usar derivados del microcódigo de Intel, cuyos fallos fueron favoreciendo a las dos partes. Debido a todo esto, AMD se vio forzado a desarrollar versiones "en limpio" del código de Intel. Ese mismo año, 1991, AMD saca un clon del procesador Intel 80386, el Am386 a un precio más bajo que Intel, el cual tuvo un buen éxito comercial y fue la primera aparición de AMD en solitario. Mientras tanto, IBM se da cuenta del potencial de su procesador PowerPC y busca una alianza con Motorola y Apple, formando la alianza AIM, cuyo objetivo era desbancar el dominio formado por Microsoft e Intel que ofrecían sistemas basados en 80386 y 80486. En 1993, AMD sigue clonando microprocesadores de Intel, esta vez del 486 con su modelo Am486 y al igual que su antecesor, a un precio más bajo. Al mismo tiempo, la alianza AIM (Motorola, Apple e IBM), sacan la primera generación PowerPC con el nombre clave PowerPC 601, siendo PowerPC (abreviada PPC o MPC) el nombre original de la familia de procesadores. Estos procesadores son utilizados principalmente en computadores Macintosh, de Apple, y su alto rendimiento se debe principalmente a su arquitectura RISC. (29)

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El PowerPC 601 de arquitectura de 32 bits, tiene un bus de datos de 64 bits y un bus de instrucciones de 32 bits. Se encuentra formado por tres unidades de ejecución independientes entre sí (proceso de entero, coma flotante y una tercera de direccionamiento), de forma que es posible procesar tres instrucciones al mismo tiempo (operación superescalar: capacidad de tratar múltiples instrucciones en cada ciclo de reloj). (30)

PowerPC 601

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Historia del microprocesador

Se pueden ver las tres unidades de ejecución independientes con otras tres unidades comunes (caché, inicio y bifurcación --> fetch, cache, dispatch) Mientras tanto, Intel sacaba su siguiente procesador, que según la línea que llevaban, tendría que haberse llamado 80586, pero muchas empresas competidoras de Intel sacaban procesadores con los mismos nombres y como no se puede tener un número como marca registrada, a partir de entonces los procesadores llevaban nombre propio e Intel llamó el suyo Pentium. Pentium poseía una arquitectura capaz de ejecutar dos operaciones a la vez gracias a sus dos pipeline de datos de 32 bits cada uno (la arquitectura en pipeline consiste en ir transformando un flujo de datos en un proceso comprendido por varias fases secuenciales, siendo la entrada de cada una la salida de la anterior (31)). También tenía un bus de datos de 64 bits y la principal novedad del Pentium es la mejora

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Historia del microprocesador

de la unidad de punto flotante, para hacer frente a los procesadores RISC, por lo que consiguió un incremento de 5 veces en el rendimiento de punto flotante cuando se le compara con el diseño del 486. En contraste, Intel sólo consiguió un aumento del doble para operaciones de punto fijo o enteros. (32) También sacó versiones del Pentium que incluían instrucciones MMX, brindando un manejo de aplicaciones multimedia más eficiente y mejores velocidades. El MMX es un conjunto de instrucciones SIMD (Single Instruction, Multiple Data - una instrucción, múltiples datos) (33) desarrollado a partir de un set introducido en el Intel i860. (34)

Un Pentium MMX los cuales se vendían con el disipador soldado. En la esquina inferior izquierda aparecen los MHz a los que corre el procesador. En 1994, IBM y Motorola desarrollan un prototipo de procesador, el PowerPC 620, que saldría al año siguiente, de 64 bits, el primero con esa arquitectura. Diseñado para su utilización en servidores, y especialmente optimizado para usarlo en configuraciones de cuatro y hasta ocho procesadores en servidores de aplicaciones de base de datos y vídeo. (35)

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Arquitectura del PowerPC 620 Tiene 6 unidades de ejecución en paralelo (dos simples unidades de enteros y uno complejo (monociclo y multiciclo), una unidad de punto flotante, una unidad de carga/guardado (load/store) y una unidad de salto (branch)). Además usa estaciones de reserva (donde guarda de dos a cuatro instrucciones listas para ejecutar) entre otros para mantener esas unidades ocupadas todo lo posible. (36) Pentium Pro surge en 1995 convirtiéndose en la sexta generación de la arquitectura x86. Su diseño incluía la ejecución especulativa y una tubería adicional para instrucciones sencillas. (Tubería, llamado también pipeline o segmentación: descomposición de la ejecución de cada instrucción en varias etapas para poder empezar a procesar una instrucción diferente en cada una de ellas y trabajar con varias a la vez (37)). Su rendimiento con el código de 32 bits era excelente, pero iba más despacio que un Pentium cuando ejecutaba código o sistemas operativos de 16 bits. (38) En 1996, AMD lanzó su primer microprocesador en arquitectura x86 y RISC, de fabricación propia, sin ser clon de ningún microprocesador de Intel. Su nombre, K5, hace referencia a un cómic con la K de kriptonita, la única sustancia que perjudicaba a Superman, siendo una clara referencia a Intel, el cual dominaba el mercado. El número cinco hace referencia a la quinta generación de microprocesadores. (39) El procesador es de arquitectura RISC, pero los x86 son de arquitectura CISC, este problema AMD lo resuelve introduciendo una unidad x86- decodificadora que transforma todos los comandos x86 de la

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aplicación en comandos RISC. En casi todos los aspectos, el K5 era superior al Pentium y más barato, sin embargo la poca experiencia de AMD hizo que sacaran tarde el microprocesador y no tuviera mucho éxito. (40)

Primer microprocesador propio de AMD, el K5 Mientras, AMD adquirió NexGen principalmente por los derechos de la serie NX de procesadores compatibles con x86, dio a su equipo de diseño un edificio propio, los dejó solos y les dio tiempo y dinero para reelaborar el Nx686, dando como resultado el K6. (41) En 1997, AMD sacó el K6, que tuvo un considerable impacto en el mercado y ofreció una seria competencia a Intel, situándose casi al nivel del Pentium II (posterior) y más barato. Su arquitectura no tiene nada que ver con el K5, basado en el diseño del microprocesador de NexGen, incluye las instrucciones MMX, una unidad de punto flotante entre otras cosas. También era compatible pin a pin con Pentium. Al igual que el K5, tenía una unidad decodificadora de las instrucciones del x86. (42) El Pentium II salió poco más tarde, basado en una versión modificada de la arquitectura del Pentium Pro y los principales cambios son mejorar el rendimiento de ejecución de código de 16 bits, añadir el conjunto de instrucciones MMX y eliminar la memoria caché de segundo nivel del núcleo para colocarlo en una tarjeta de circuito impreso. La novedad de este microprocesador es el encapsulado SECC, con forma de cartucho, hecho para

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mejorar la disipación de calor. Y como curiosidad, Intel llegó a un acuerdo con los estudios Fox para realizar un comercial en el que aparece Homer Simpson, a quien le implantan el microprocesador en su cerebro y se vuelve más inteligente. (43) Pentium II, con su encapsulado SECC, con forma de cartucho (slot), en lugar del común socket.

Como respuesta, AMD lanzó al año siguiente K6-2, siendo el primero de AMD en incluir instrucciones que pudieron mejorar el rendimiento de las aplicaciones 3D (44). Dichas instrucciones de coma flotante tipo SIMD se diseñaron por AMD y se le llama 3DNow!, técnicamente, es un añadido a las instrucciones del x86 para obtener más rendimiento en el procesamiento de vectores. Desarrollado originalmente como una mejora del MMX (45) Intel sacó dos procesadores más en ese mismo año (1998) y en el siguiente, Intel Pentium II Xeon e Intel Celeron respectivamente, con la intención de conquistar mercados específicos y donde tenía menos presencia. Ambos versiones del Pentium II pero Celeron de bajo presupuesto y Xeon para dar potencia. Ambos basados en Pentium II. 1999 y AMD saca el procesador x86 más potente del momento, el AMD Athlon K7, totalmente compatible con la arquitectura x86, rediseño de su antecesor pero con mejoras substanciales del sistema de coma flotante (3 unidades que pueden trabajar simultáneamente), incremento de la caché nivel 1 e inclusión de caché de nivel 2. E Intel modifica el Pentium Pro para sacar el Pentium III, muy similar al Pentium II, y sacó igualmente dos versiones más del procesador, uno de gama baja (familia Celeron) y otro de gama alta (familia Xeon). La principal novedad es la introducción de las instrucciones SSE (una extensión de las instrucciones MMX, especialmente adecuadas para la decodificación de MPEG2, procesamiento de gráficos tridimensionales y software de reconocimiento de voz) (46) (47) En 2000 Intel saca el Pentium 4 con un diseño completamente nuevo, estrenando la arquitectura

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Historia del microprocesador

NetBurst, que no daba mejoras considerables, sino que sacrificó el rendimiento de cada ciclo para obtener a cambio mayor cantidad de ciclos por segundos y una mejora en las instrucciones SSE.

Arquitectura del Pentium 4, NetBurst AMD, para seguir a la cabeza en cuanto a rendimiento de los procesadores x86, sacó en 2001 el Athlon XP, compatibilizando las instrucciones SSE y las 3DNow!, que eran incompatibles hasta el momento. Entre sus mejoras está la prerrecuperación de datos por hardware, conocida en inglés como prefetch. En 2004 Intel sacó Prescott (nueva versión del Pentium 4) y AMD el Athlon 64, que implementa el conjunto de instrucciones AMD64 introducidas en 2003 con el Opteron. Intel usa también el AMD64 bajo el nombre EM64T. En ese conjunto de instrucciones se basa la arquitectura x86-64, arquitectura de 64 bits. Dicho conjunto es una extensión de la arquitectura x86 por lo que permite ejecutar código de 32 bits. (48) La compañía Apple, anunció en 2005 que dejaba los procesadores PowerPC y se cambiaba a Intel principalmente por problemas de temperatura, además de admitir que desde el principio, el Mac OS X tenía doble vida y había sido compilado tanto para x86 como para PowerPC. Sin embargo, la arquitectura no desaparece, ya que las videoconsolas de nueva generación más importantes: Microsoft Xbox 360, Sony PS3 Y Nintendo Wii van equipadas con un procesador de arquitectura PowerPC, aunque difieren en cuanto a potencia y composición. Igualmente, muchos supercomputadores están basados en esa arquitectura, como Magerit y MareNostrum, dos supercomputadores españoles. (49) En 2006 Aparece Intel Core Duo, Intel lanzó esta 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 la

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Historia del microprocesador

nueva arquitectura Core con la que regresó a velocidades de CPU bajas y mejoró el uso del procesador. La microarquitectura Core provee etapas de decodificación, unidades de ejecución, caché y buses más eficientes, reduciendo el consumo de energía mientras se incrementa la capacidad de procesamiento. En 2007 AMD llama Phenom a la primera generación de procesadores de tres y cuatro núcleos basados en la microarquitectura K10. Están diseñados para facilitar el uso inteligente de energía y los recursos del sistema, generando un óptimo rendimiento. Todas las CPU Phenom poseen características tales como controlador de memoria DDR2 integrado, tecnología HyperTransport y unidades de coma flotante de 128 bits. La arquitectura Direct Connect asegura que los cuatro núcleos tengan un óptimo acceso al controlador integrado de memoria. A pesar de todo, no llegaron a igualar el rendimiento de la serie Core 2 Duo. En 2008 Intel saca una nueva familia de procesadores de cuatro núcleos, los Intel Core i7, de la arquitectura Intel x86-64. Son los primeros procesadores que usan la microarquitectura Nehalem de Intel y es el sucesor de la familia Intel Core 2. Se volvió a usar frecuencias altas, aunque a contrapartida los consumos se dispararon.

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Historia del microprocesador

Arquitectura Nehalem En el mismo año AMD saca sucesores de los Phenom y los Athlon, las familias de microprocesadores multinúcleo Phenom II y Athlon II. En 2011 la familia Intel Core Sandy Bridge llega para remplazar los chips Nehalem. No tienen sustanciales cambios en arquitectura respecto al Nehalem, pero si los necesarios para hacerlos más eficientes y rápidos que los modelos anteriores. Es la segunda generación de los Intel Core con nuevas instrucciones de 256 bits, duplicando el rendimiento, mejorando el desempeño en 3D y todo lo que se relacione con operación en multimedia. Incluye nuevo conjunto de instrucciones denominado AVX. Mientras tanto AMD diseña unos futuros microprocesadores Turion, producto de la fusión entre AMD y ATI, combinando con la ejecución general del procesador, el proceso de la geometría 3D y otras

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Historia del microprocesador

funciones de GPUs actuales. La GPU (procesador gráfico) esta integrada en el propio microprocesador. Hay dos tipos diferentes, uno basado en arquitectura Bobcat y otro basado en arquitectura Bulldozer, sucesor del K10 (familia Phenom). (50)

Arquitectura Bulldozer, vistazo general

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Historia del microprocesador

Arquitectura Bulldozer, detalle de uno de los bloques.

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Fabricación de un microprocesador

4. FABRICACIÓN DE UN MICROPROCESADOR 4.1 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 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.

Cilindro de silicio De este cristal, de cientos de kilos de peso, se cortan los extremos y la superficie exterior, para 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.

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Fabricación de un microprocesador

Silicio fundido, listo para cortar y hacer un cilindro del cual sacar las obleas. 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. 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. (51)

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Fabricación de un microprocesador

1.

Etapa 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 1000º C. El oxígeno se combina con el silicio para formar una delgada capa de óxido de unos 75 angstroms de espesor (un angstrom es una diezmilmillonésima de metro).

2.

Litografía: 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.

3.

Grabado: 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.

4.

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.

5.

Deposición de capas: 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. (52)

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Fabricación de un microprocesador

Oblea de silicio grabada 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 durante la fabricación.

Uno de los trabajadores de las salas blancas sujetando una oblea de silicio

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Fabricación de un microprocesador

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 resultado 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. Estas conexiones se realizan utilizando delgadísimos alambres, generalmente de oro. De ser necesario, la cápsula es provista 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 los que equipan a los computadores. (53)

4.2 OTROS MATERIALES También se están desarrollando alternativas al silicio puro, tales como el carburo de silicio que mejora la conductividad del material, permitiendo mayores frecuencias de reloj; aunque aún se encuentra en investigación. Aunque la gran mayoría de la producción de circuitos integrados se basa en el silicio, no se puede omitir la utilización de otros materiales tales como el germanio; tampoco las investigaciones actuales para conseguir hacer operativo un procesador desarrollado con materiales de características especiales como el grafeno o la molibdenita, de los cuales también hablaremos más adelante. (54)

4.3 EMPAQUETADO Cada una de estas plaquitas de silicio 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. En los primeros procesadores el empaque se fabricaba con plásticos epóxicos 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, generalmente de oro, 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.

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Fabricación de un microprocesador

Chip en formato DIP En la actualidad los microprocesadores de diversos tipos (incluyendo procesadores gráficos) se ensamblan por medio de la tecnología Flip-Chip. El chip se coloca sobre un circuito impreso sobre el sustrato laminado y, normalmente mediante aire caliente, se suelda al sustrato con la ayuda de unas microesferas de pasta de soldadura que se depositan sobre las obleas de semiconductor en las etapas finales de su fabricación. El hueco que queda se rellena con adhesivo aislante. El circuito impreso posee pistas conductoras hacia los pines o contactos, que a su vez sirven de conexión entre el chip semiconductor y un zócalo de CPU o una placa base.

Antiguamente la 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.

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Fabricación de un microprocesador

Empaquetado de un procesador PowerPC con Flip-Chip, se ve el chip de silicio. En los procesadores para computadores de escritorio, dada la vulnerabilidad de la pastilla de silicio, se opta por colocar una placa de metal llamada IHS que también ayuda en la refrigeración. (55)

4.4 REFRIGERACIÓN (DISIPACIÓN DEL CALOR) Con el aumento de la cantidad de transistores integrados en un procesador, el consumo de energía se ha elevado a niveles en los cuales la disipación calórica natural del mismo no es suficiente para mantener temperaturas aceptables y que no se dañe el material semiconductor, de manera que se hizo necesario el uso de mecanismos de enfriamiento forzado, esto es, la utilización de disipadores de calor. Entre ellos se encuentran los sistemas sencillos, tales 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 (Integrated Head Spreader o en castellano Difusor Térmico Integrado) que es 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. Para las prácticas de overclock extremo, se llegan a utilizar elementos químicos tales como hielo seco, y en casos más extremos, nitrógeno líquido, capaces de rondar temperaturas por debajo de los -190 grados Celsius y el helio líquido capaz de rondar temperaturas muy próximas al cero absoluto. De esta manera se puede prácticamente hasta triplicar la frecuencia de reloj de referencia de un procesador de silicio. El límite físico del silicio es de 10 GHz, mientras que el de otros materiales como el grafeno puede llegar a 1 THz. (56)

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Clasificación de microprocesadores según criterios

5. CLASIFICACIÓN DE MICROPROCESADORES SEGÚN CRITERIOS Existen varias formas de clasificar los procesadores según el criterio usado. Los más comunes son por el fabricante del procesador y la clasificación por familias que use este, y por la arquitectura del procesador. Tenemos la siguiente clasificación hecha con varios criterios:

5.1. LONGITUD DE PALABRA Define el número de bits de la palabra. Esto determina entre otras cosas, el tamaño de los registros del procesador, el ancho de bus de datos o direcciones y el número de direcciones de memoria al que puede acceder (es decir, cuanta capacidad de memoria puede manejar). Puede haber alguna excepción como Intel 8088 cuyos registros son de 16 bits y su bus de datos 8. (57) El primer procesador como tal fue el Intel 4004, que comenzó con 4 bits y a partir de ahí tenemos un incremento de la longitud, 8 bits (Intel 8008), 16 bits (8086), 32 bits (Motorola 68000), 64 bits (R4000) e incluso de 128 y 256 bits, aunque esos son procesadores gráficos y de momento no los tenemos en los microprocesadores usados en computadoras, como ejemplos están el RIVA 128 y la generación GeForce 256 de NVIDIA ambos. (58)

5.2. ARQUITECTURA DE COMPUTADORES Esta clasificación es muy general y se refiere al computador en su conjunto que sin embargo afectan al modo de trabajo del procesador. Tenemos la arquitectura de Von Neumann y la de Harvard como los principales, hay otros como la de flujo de datos o la arquitectura abierta. La Arquitectura de Von Neumann es la más usada en los ordenadores personales y se basa en que los programas y los datos están almacenados en la memoria y los componentes principales del computador son la unidad aritmético-lógica o ALU, la unidad de control, la memoria, un dispositivo de entrada/salida y el bus de datos conectados de la siguiente forma. (59)

Esquema de modelo Von Neumman

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Clasificación de microprocesadores según criterios

Von Neumann mejorado La arquitectura de Harvard se basa también en los mismos componentes pero con dos memorias, una para datos y otro para instrucciones. Es una arquitectura usada en procesadores de señales digitales.

Arquitectura Harvard

5.3. ESPECIALIZACIÓN Según para que están preparados, se pueden distinguir entre: (60) 



1.

2.

Procesadores de propósito general (GPP): los procesadores que tenemos en los ordenadores personales son de propósito general y están preparados para realizar casi cualquier cosa con el programa adecuado. Procesadores de aplicaciones específicas (ASP): los procesadores están diseñados para realizar una tarea específica, por lo que son más eficientes de lo que serían los de propósito general, pero difícilmente podrán realizar otras tareas con un rendimiento adecuado. Ejemplo de ellos pueden ser los procesadores Java, que están especializados en la ejecución de la máquina virtual de Java por lo que en aplicaciones Java tienen mejor rendimiento que un procesador de propósito general. Entre los específicos encontramos:

DSP (Digital Signal Processor): son microprocesadores diseñados para procesamiento digital de señales, están optimizados para aplicaciones que requieran operaciones numéricas a muy alta velocidad como es el procesamiento de audio y vídeo. Suelen usar la arquitectura Harvard. ASI C (Application Specific Integrated Circuit): procesadores muy específicos cuyos algoritmos están implementados directamente en el hardware en vez de en la programación. Por ello son muy buenos en su tarea, pero realmente dificil usarlos para otras cosas distintas.

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Clasificación de microprocesadores según criterios

3.

ASI P (Application Specific Instruction Set Processors): está a caballo entre el ASI C y el procesador de propósito general, siendo específico en su tarea gracias a su set de instrucciones, que al mismo tiempo, le permite mayor flexibilidad al no ser específico al nivel del hardware.

5.4. CONJUNTO DE INSTRUCCIONES Y en relación a las instrucciones del microprocesador también se le pueden clasificar según sus características (61), ejemplos de clasificación son:

5.4.1. BASADAS EN ALMACENAMIENTO DENTRO DEL PROCESADOR 

De acumulador: Usa un solo registro para guardar resultados y usarlos como operador.

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Clasificación de microprocesadores según criterios 

De pila: usa una pila donde guarda y saca los datos que necesita para operar.



De registros generales

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Clasificación de microprocesadores según criterios

5.4.2. BASADAS EN LA LOCALIZACIÓN DE LOS OPERANDOS PARA LAS OPERACIONES ARITMÉTICAS

 

Memoria a memoria: obtiene los datos y guarda los resultados en la memoria. Memoria a registro (CISC): usa como operandos la memoria y el registro.



Registro a registro (RISC): los datos se guardan en los registros y se opera con ellos.

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Clasificación de microprocesadores según criterios

5.4.3. FILOSOFÍA DE DISEÑO Se refiere a la idea general de como debe ser el conjunto de instrucciones del procesador, los principales son: (62) -RISC (reduced instruction set computer): caracterizadas por instrucciones de tamaño fijo y en un reducido número de formatos, y solo las instrucciones de carga y almacenamiento acceden a la memoria de datos. -CISC (complex instruction set computer): se caracterizan por tener un conjunto de instrucciones muy amplias y permitir operaciones complejas con operandos tanto en memoria como registros. -VLIW (Very Large Instruction Word): (63) implementa una forma de paralelismo a nivel de instrucción. Utiliza varias unidades funcionales (varias ALU, varios multiplicadores, etc.) para lograr paralelismo. Se caracterizan por tener instrucciones muy largas debido a que en cada instrucción se especifica el estado de todas las unidades funcionales del sistema. Esto se hace para simplificar el diseño del hardware. Apenas hay procesadores con esta arquitectura.

5.5.

FAMILIAS

Y la clasificación más importante y usada, la clasificación por familias, dada por los fabricantes. Una familia es un conjunto de modelos de microprocesadores ligados por algunas características comunes. Generalmente son procesadores con un mismo o muy similar conjunto de instrucciones y arquitectura, cambiando la organización o estructura. La arquitectura son todos aquellos detalles de un sistema que son visibles al programador (instrucciones, longitud de palabra, registros...) mientras que la organización es como implementa esa arquitectura sin que el programador tenga que preocuparse por ello (ejemplo: el programador usa la multiplicación sin que le afecte que lo haga como sumas sucesivas o con un algoritmo especial). La estructura del computador es un detalle de organización que se refiere a la forma en la que están interconectados los componentes de un computador a cualquier nivel de abstracción. (64) A continuación indicamos algunos de los ejemplos de familias más famosas/conocidas/destacadas: Sempron Centrándonos en las características de dicho procesador, cabe nombrar que las versiones iniciales estaban basadas en el núcleo Thoroughbred/Thorton del Athlon XP, con una caché de 256KB y un bus de 333 MHz (FSB 166 MHz). La evolución del procesador Sempron fue el cambio de núcleo hacia el de tipo Barton, del Athlon XP. Se veía así aumentada la caché a 512KB. Estos Sempron basados en Athlon XP son compatibles con placas base con zócalo de procesador Socket A (462 pines), actualmente remplazado por Socket 754. En resumen, este tipo de microprocesador sería el adecuado para destinar a equipos personales de un precio reducido y que no pida demasiada potencia. Un ordenador económico para tareas de ofimática y uso de Internet.

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Clasificación de microprocesadores según criterios

Opteron El microprocesador de AMD, Opteron, cuenta entre sus virtudes con que es capaz de ejecutar aplicaciones tanto de 64 bits como de 32 bits sin ninguna penalización de velocidad. Fue el primer microprocesador con arquitectura x86 que usó conjunto de instrucciones AMD64. Su objetivo era el de competir con procesadores para servidores, en el mismo segmento que el Intel Xeon. Entre sus características se encuentra un controlador de memoria DDR SDRAM (memoria RAM dinámica de acceso síncrono de tasa de datos simple), lo que viene ser usual en la construcción de procesadores AMD, evitando así la necesidad de un circuito auxiliar puente norte. La segunda generación de estos procesadores cuenta con la capacidad para actualizar a Cuádruples Núcleos. Sería una buena opción para un servidor por su capacidad de funcionar tanto en 64 como en 32 bits y en el que se ejecutase un Linux, pues dicen que Opteron con Linux funciona mucho mejor que Xeon. No lo usaría para un ordenador personal de poca actividad. Los de tercera generación poseen 3 niveles de memoria caché. Turion La principal característica de los procesadores Turion de la empresa AMD es su bajo consumo. Es una versión del AMD Athlon 64 destinado a portátiles y es la respuesta de dicha empresa al Centrino de Intel. Este procesador es compatible con el Socket 754 y dispone de 512 o 1024 KB de caché. Las velocidades del procesador oscilan entre los 1,6 y los 2,4 GHz Por su bajo consumo es bueno para ordenadores portátiles. Centrino Con 2MB de memoria caché L2, un bus de datos a 533 MHz, soporta memoria RAM DDR2 a 533 MHz comenzó la primera versión con nombre Sonoma para luego evolucionar a Centrino Duo, basadas en CPU Core Duo y Core 2 Duo. Este tipo de procesador suele usarse mucho también en portátiles por su bajo consumo y se enfrenta en el mercado con el Turion de AMD. Este procesador al ser diseñado para portátiles lo hace una muy buena opción, ya que AMD solo adapta sus procesadores para hacerlos compatibles en portátiles. Core2Duo/Quad/i3/i5/i7 Estos procesadores son los más recientes que están en el mercado. Cuentan con varios procesadores en su interior lo que los hace aumentar su potencia. En el caso del más reciente, el i7, tiene una velocidad de proceso de entre 2.66 y 3,2GHz y sobre 8MB de memoria caché. Como novedad de éste, Intel abandona su idea del FSB y se apunta al diseño AMD implementando un controlador de memoria dentro del mismo procesador (i7 necesita un socket nuevo). Los Core2Duo (Continuación de los Core Duo) (2 a 6MB de caché) tienen una velocidad de entre 1,6 y 3,33GHz y un FSB de entre 667 a 1333Mhz. Lo forman dos procesadores. Los Quad están entre los 2,4 y 3,20Ghz y un FSB de entre 1066 y 1600MHz.

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En general, estos procesadores son para unidades con una cantidad grande de procesos que llevar a cabo, así que tienen mucha utilidad en servidores o en ordenadores para el tratamiento de contenido multimedia. Athlon 64 X2 / Phenom Estos fueron los primeros procesadores de AMD de 3 y 4 núcleos. Rondan entre los 2,2 y los 2,8GHz y es una buena opción para centros multimedia. Xeon Procesador de Intel que se enfrenta con el Opteron de AMD. Su fin principal son los procesadores PC y Mac. Frente a los Opteron, éste sale ganando en compresión, aunque en los foros se discute mucho sobre cual es mejor en prestaciones. Celeron Son la alternativa de procesadores de bajo coste que AMD tiene bajo Sempron. La diferencia con otros procesadores es su menos memoria caché y algunas opciones avanzadas vienen desactivadas, por lo que no es una buena opción para un centro multimedia o para un usuario que ejecute juegos 3D con mucha petición de procesamiento. Las velocidades en las que se puede encontrar este procesador están entre los 266MHZ y los 3,6GHz y cuentan con un FSB no muy potente de entre 66 y 800MHz. (65) Existen muchos tipos de sockets (zócalos), usados por diferentes CPU. En la siguiente tabla podemos ver algunos de los modelos de microprocesadores actuales con sus características más destacadas:

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INTEL

Característica

Intel 8086

Utiliza un bus externo de 8 bits, tiene velocidad de 4,77 MHz

Pentium MMX

Tiene un juego de 57 instrucciones

AMD

Opteron

Característica TM

Turion

Tiene seis núcleos que brindan una mayor versatilidad, optimización de cargas de trabajo Caché L1 64 + 64 KB y caché L2 512 o 1024 KB Frecuencias de reloj: 1600, 1800, 2000, 2200, 2400 MHz Socket 754, HyperTransport (800 MHz, HT800)

Pentium Pro

Ejecutaba sistemas operativos de 16 bits, tenia memoria caché de 256 KB, iba desde los 133 MHz hasta los 200 MHz

Phenom

Tiene frecuencia de 2600 MHz caché L2 4 * 512 KB L3 de 2 MB

Pentium II

Tenia frecuencia entre los 162 y los 450 MHz, la velocidad del bus era de 66 MHz, la memoria caché era de 32 KB y la de segundo nivel era de 512 KB

Athlon

Núcleo Classic: Alcanzó velocidades hasta de 1 GHz, aumentó memoria caché L1 a 128 KB. Además incluye 512 KB de caché de segundo nivel (L2), la velocidad de frecuencia del procesador es de [En los 750, 800 y 850 MHz] ó 1/3 [En los 900, 950 y 1.000 MHz] Núcleo Thunderbird: Tenia velocidad de reloj de 650 MHz hasta los 1,4 GHz, todos estos Thunderbird integran 128 KB de caché de primer nivel (L1) y 256 KB de caché de segundo nivel (L2)

Intel Xeon

Pentium

III

Eran de 32 bits, era capaz de ejecutar aplicaciones de 32 y 64 bits Tiene distintas versiones:

Sempron

Katmai: Se había mejorado el controlador del caché L1, tenían velocidades de 450 y 500 MHz, con velocidad de bus de 133 MHz. Coppermine: Tenia memoria caché L2

Las versiones iníciales tenían una caché de segundo nivel de 256 KB y un bus de 333 MHz (FSB 166 MHz). Luego sacaron los procesadores Sempron con una caché de segundo nivel de 256 KB se puede emplear en placas base con zócalo de

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de 256 KB, hubo modelos de microprocesadores de 500, 533, 550, 600, 650, 667, 700 y 733 MHz Luego salieron los de 750, 800, 850, 866, 933 y 1000 MHz.

procesador Socket 754

Tualatin: Tenia 512 KB de memoria caché L2, tenia velocidades de 1'13, 1'2, 1'26 y 1'4 GHz

Pentium

Trabaja a 1,4 y 1,5 GHz Versiones:

4

Willamette: Los primeros modelos son de 1,3 ; 1,4 y 1,5 GHz utilizan el Socket 423 para conectarse a la placa base. Northwood: Tenían velocidades de 2,0 y 2,2 GHz, incrementa de 256 a 512 KB de memoria caché. Gallatin: Tenia 2 MB adicionales de memoria caché L3 Poseía un FSB de 800 MHz, poseen una velocidad de reloj 3.73 GHz Prescott: éstos poseen 1Mb ó 2Mb de caché L2 y 16Kb de caché L1 (el doble que los Northwood), se cambió el tipo de zócalo, funcionaba con una velocidad de 2,6 GHz Cedar Mill: procesaba 64 bits

Pentium

M

Tenia arquitectura x86 tenia velocidad de reloj de 1,73 GHz Versiones: Banias: memoria caché L2 de 1 MB van de 1,5 GHz a 1,7 GHz, el chipset se llama “Odem”. Es de 400MHz y el caché L2 es de 1MB. Dothan: Tenia como propósito doblar el tamaño del caché del L2 a 2 MB, viene con dos interacciones una primera de 400MHz de FSB y L2 de 2MB, La segunda tiene un FSB de 533MHz y un mayor consumo de

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energía.

Pentium

D

Su fabricación fue inicialmente de 90 nanómetros. Existen 5 variantes de Pentium D: 

  

Pentium D 805, a 2,66 GHz (el único Pentium D con FSB de 533 MHz) Pentium D 820, a 2,8 GHz con FSB de 800 MHz Pentium D 830, a 3,0 GHz con FSB de 800 MHz Pentium D 840, a 3,2 GHz con FSB de 800 MHz

Pentium D Extreme Edition, a 3,2 GHz, con HyperThreading(*) y FSB de 800 MHz

Pentium

Dual

Core

Fue diseñado para trabajar en equipos portátiles y de escritorio, las versiones de portátiles poseen una memoria caché L2 de 1 MB y trabaja con un bus de 533 MHz, 667 MHz y 800 MHz Mientras que las versiones de escritorio poseen una memoria caché L2 de 1 ó 2 MB y trabajan con un bus de 800 MHz ó 1066 MHz

(66) (67) (68) (69)

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Otros fabricantes de procesadores

5.6.

PLATAFORMAS

Podemos clasificar también los procesadores según su plataforma destinada (tipo de uso/utilización); esto es, por ejemplo: -

Escritorio/sobremesa (desktop) Servidores (servers) Portátiles (laptops, netbooks, notebooks, ultrabooks) Dispositivos móviles (smartphones, tablets)

Por citar algunos ejemplos de cada plataforma, tenemos:

Plataforma

Modelo de procesador

Escritorio/sobremesa (desktop)

Intel Core i7-3770K (socket 1155) 4x3500 MHz, núcleo “Ivy Bridge” 22nm (70)

Servidores

AMD Opteron 6282SE (socket G34), 16x2600 MHz, núcleo “Interlagos” 32nm (71)

Portátiles

Intel Core i7-3920XM (socket 988), 4x2900 MHz, núcleo “Ivy Bridge” 22nm (72)

Dispositivos móviles

Qualcomm MSM7227-1 Turbo 800MHz (73)

6. OTROS FABRICANTES DE PROCESADORES Otros fabricantes de microprocesadores (incluidos aquellos que se dedican a otras cosas y les dio por sacar un microprocesador concreto) pasan desapercibidos ya sea por poca presencia en el mercado, por fabricar pocos procesadores o por haberse fusionado con otro o quebrado, son los siguientes:              

ARM Holdings Cyrix Digital Equipment Corporation Ferranti IDT Intersil MIPS Technologies MOS Technology Motorola National Semiconductor NEC NexGen Philips RCA

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Otros fabricantes de procesadores          

Rise Technology Signetics Sun Microsystems Texas Instruments Transmeta USSR VIA Western Design Center Western Electric Zilog

Algunos de ellos, a pesar de ser poco conocidos como fabricantes de microprocesadores, tienen una gran presencia hoy en día, como es ARM Holdings. (74) ARM Holdings Multinacional dedicada a los semiconductores y al desarrollo de software. Su principal negocio son los microprocesadores. La compañía fue fundada como Advanced RISC Machines (ARM), una empresa conjunta entre Acorn Computers (compañía informática británica), Apple Computer (ahora Apple Inc.) y VLSI Technology. La nueva compañía pretende promover el desarrollo de la arquitectura ARM. El diseño era flexible y fue mejorando con el tiempo. Actualmente es el núcleo de procesamiento de muchos circuitos integrados ASIC (Circuito Integrado para Aplicaciones Específicas). (75) (76) (77) ARM es una arquitectura RISC de 32 bits, fue llamado Advanced RISC Machine, y anteriormente Acorn RISC Machine. Desarrollada por ARM Holdings y originalmente concebida por Acorn Computers, los primeros productos basados en ARM eran los Acorn Archimedes, lanzados en 1987. La relativa simplicidad de los procesadores ARM los hace ideales para aplicaciones de baja potencia. Como resultado, se han convertido en dominante en el mercado de la electrónica móvil e integrada. En 2005, alrededor del 98% de los más de mil millones de teléfonos móviles vendidos cada año utilizan al menos un procesador ARM.3 Desde 2009, los procesadores ARM son aproximadamente el 90% de todos los procesadores RISC de 32 bits embebidos y se utilizan ampliamente en la electrónica de consumo (PDAs, tabletas, móviles, videoconsolas de mano, calculadoras, reproductores digitales), y periféricos de ordenador como discos duros y routers. La arquitectura ARM es licenciable, pudiendo ser fabricado por otros fabricantes que tengan licencia. Prominentes familias de procesadores ARM desarrollados por ARM Holdings incluyen el ARM7, ARM9, ARM11 y Cortex. El diseño del ARM comenzó en 1983 en la empresa Acorn Computers. Roger Wilson y Steve Furber lideraban el equipo, cuya meta era el desarrollo de un procesador avanzado, pero con una arquitectura similar a la del MOS 6502. Ya que usaban ese microprocesador y querían uno con el que los desarrolladores se sintieran cómodos. El equipo terminó los primeros prototipos en el año 1985, al que llamaron ARM1. La primera versión utilizada comercialmente se bautizó como ARM2 y se lanzó en el año 1986. ARM2 posee un bus de datos de 32 bits y ofrece un espacio de direcciones de 26 bits, junto con 16 registros de 32 bits. Uno de estos registros se utiliza como contador de programa, aprovechándose sus 4 bits superiores y los 2 inferiores para contener los flags de estado del procesador. Este es probablemente el procesador de 32 bits útil más simple del mundo, ya que posee sólo 30.000 transistores. Su simplicidad se debe a que no

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está basado en microcódigo y a que no incluye caché. Gracias a esto, su consumo en energía es bastante bajo, a la vez que ofrece un mejor rendimiento que un 286. Su sucesor, el ARM3, incluye una pequeña memoria caché de 4 KB, lo que mejora los accesos a memoria repetitivos. A finales de los años 80, Apple Computer comenzó a trabajar con Acorn en nuevas versiones del núcleo ARM y decidieron crear una nueva compañía llamada Advanced RISC Machines, que sería la encargada del diseño y gestión de las nuevas generaciones de procesadores ARM. Este trabajo derivó en el ARM6, presentado en 1991. Apple utilizó el ARM 610 (basado en el ARM6), como procesador básico para su innovador PDA, el Apple Newton. Por su parte, Acorn lo utilizó en 1994 como procesador principal en su RiscPC. El núcleo mantuvo su simplicidad a pesar de los cambios. La idea era que el usuario final combinara el núcleo del ARM con un número opcional de periféricos integrados y otros elementos, pudiendo crear un procesador completo a la medida de sus necesidades. La mayor utilización de la tecnología ARM se alcanzó con el procesador ARM7TDMI, con millones de unidades en teléfonos móviles y sistemas de videojuegos portátiles. DEC licenció el diseño y creó el StrongARM (más rápida pero no totalmente compatible y diseñado para la gama alta de sistemas embebidos de bajo consumo (78)). Esta tecnología pasó posteriormente a manos de Intel, como fruto de un acuerdo jurídico, que la integró en su línea de procesadores RISC Intel i960 e hizo más ardua la competencia. Freescale (una empresa que derivó de Motorola en el año 2004), IBM, Infineon Technologies, OKI, Texas Instruments, Nintendo, Philips, VLSI, Atmel, Sharp, Samsung y STMicroelectronics también licenciaron el diseño básico del ARM. El diseño del ARM se ha convertido en uno de los más usados del mundo, desde discos duros hasta juguetes. Hoy en día, cerca del 75% de los procesadores de 32 bits poseen este chip en su núcleo. Microsoft anunció el 5 de enero de 2011 que Windows 8 incluye soporte para procesadores ARM. (79) Cyrix Cyrix fue una empresa dedicada a la fabricación de microprocesadores que comenzó a operar en 1988 como un proveedor de coprocesadores matemáticos de alto rendimiento para sistemas 286 y 386. La compañía fue fundada por ex-empleados de Texas Instruments, con la que mantuvo una larga pero difícil relación a lo largo de su historia. El fundador de Cyrix Jerry Rogers reclutó agresivamente a varios ingenieros y los puso a trabajar juntos, logrando finalmente un pequeño pero eficiente equipo de diseño de 30 personas. Cyrix se fusionó con National Semiconductor el 11 de noviembre de 1997, para después ser vendida a VIA Technologies. Fue capaz de lanzar un 486 que era compatible a nivel de pines con sus equivalentes de Intel. Aun así, este procesador llegó al mercado más tarde que los 486 de AMD y tenían un rendimiento ligeramente inferior que sus competidores AMD e Intel, lo que los relegó al mercado de actualizaciones y equipos de gama baja. Más tarde lanzó su procesador más famoso, el 6x86, que fue la primera CPU de Cyrix en superar el rendimiento del procesador de Intel contra el que estaba destinado a competir. Inicialmente intentó cobrar un extra por este mayor rendimiento, pero el coprocesador matemático del 6x86 no era tan rápido como el del Pentium de Intel. Debido a la creciente popularidad de los juegos de acción en primera persona 3D de la época, que hacían un uso intensivo de las operaciones de coma flotante, Cyrix se vio obligada a reducir sus precios.

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En 1996 Cyrix lanzó el procesador MediaGX, que integraba todos los componentes individuales importantes de un PC, incluyendo sonido y vídeo, en un único chip. Inicialmente basado en la antigua tecnología del 5x86 y corriendo a 120 o 133 Mhz, su rendimiento fue ampliamente criticado pero su bajo precio le hizo triunfar. Cyrix siempre había sido una empresa fabless (sin fábricas): Cyrix diseñaba y vendía sus propios procesadores, pero subcontrataba la fabricación de los chips a una empresa externa. En sus inicios Cyrix usó principalmente las instalaciones de producción de Texas Instruments (TI) y SGS Thomson (actualmente STMicroelectronics). En 1994, tras una series de desacuerdos con TI y de problemas de producción con SGS Thomson, Cyrix se dirigió a IBM Microelectronics, cuya tecnología de producción rivalizaba con la de Intel. Como parte del acuerdo de producción entre las dos compañías, IBM recibió el derecho a fabricar y vender procesadores diseñados por Cyrix bajo la marca IBM que continuó usando procesadores principalmente de Intel, y en menor grado también de AMD, en la mayoría de sus productos, relegando los diseños de Cyrix a unos pocos modelos de gama baja. Además, IBM vendió sus procesadores 6x86 en el mercado abierto, compitiendo directamente contra Cyrix, algunas veces incluso a menores precios. Aparte de su corta historia y poco impacto en el mercado, tuvo sus problemas legales. A diferencia de AMD, Cyrix nunca fabricó ni vendió diseños de Intel bajo licencia. Los diseños de Cyrix fueron el resultado de una meticulosa ingeniería inversa. Así que mientras AMD tenía algún microcódigo escrito por Intel, los diseños de Cyrix eran totalmente independientes. Intel dedicó muchos años a batallas legales contra Cyrix, afirmando que el 486 de Cyrix violaba patentes de Intel. En conjunto, Intel perdió el caso contra Cyrix. Pero el acuerdo definitivo se cerró fuera de la corte: Intel aceptó que Cyrix tenía derecho a fabricar sus propios diseños x86 en cualquier fábrica que ya tuviese una licencia de Intel. Ambas empresas ganaron: Cyrix pudo continuar ya que todos los fabricantes tenían licencias cruzadas con Intel e Intel evitó una derrota legal potencialmente embarazosa. En 1997 Cyrix afirmaba que los Pentium Pro y Pentium II de Intel violaban sus patentes, en concreto sobre técnicas de gestión de energía y renombrado de registros. Finalmente fue resuelto mediante un acuerdo extrajudicial, mediante otro acuerdo de cruce mutuo de licencias. Intel y Cyrix pasaron a tener acceso libre y completo a las licencias del contrario. En agosto de 1997, mientras el litigio contra Intel seguía en curso, Cyrix se fusionó con National Semiconductor. Poco después tuvo problemas financieros y dichos problemas afectaron también a Cyrix. El último procesador con marca Cyrix fue el MII-433, que corría a 300 Mhz (100x3) y tenían un rendimiento mayor que un AMD K6/2-300 en cálculos FPU. Sin embargo, fue comparado constantemente contra otros procesadores a 433 Mhz reales, haciendo bastante injusta la comparación. National Semiconductor se alejó así del mercado de los procesadores y los ingenieros de Cyrix empezaron a abandonar la empresa. Para el momento en que National Semiconductor vendió Cyrix a VIA Technologies, el equipo de diseño de procesadores ya no existía y MII ya no estaba en el mercado. VIA usó el nombre de Cyrix en un procesador diseñado por Centaur Technology, ya que pensaba que Cyrix tendría mejor reconocimiendo que Centaur o incluso que VIA. National Semiconductor retuvo el diseño del MediaGX durante algunos años más, rebautizándolo Geode. Finalmente lo vendieron a AMD en 2003. En junio de 2006, AMD presentó el procesador de más bajo consumo de energía y basado en Geode. (80)

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MIPS Technologies Inicialmente llamada MIPS Computer Systems, Inc., es una compañía de diseño de semiconductores más conocida por el desarrollo de la arquitectura MIPS y una serie de CPUs de tipo RISC. MIPS provee de arquitectura de procesadores y núcleos para el hogar, redes y aplicaciones móviles. Fue fundado en 1984 por un grupo de desarrolladores de la universidad de Stanford. En 1988, Silicon Graphics se fijó en los diseños y la compañia adoptó la arquitecctura MIPS para sus computadores. Más tarde MIPS lanzó su primera oferta inicial pública, el cual sería adquirido por Silicon Graphics. A su vez, Silicon Graphics lo relanzaría como su propia oferta inicial pública. Después del desarrollo de los microprocesadores R2000 y R3000, la compañía se vió incapaz de competir en el mercado de computadores y luchó por el mantenimiento de los costes de desarrollo de los chips y sistemas (MIPS Magnum). Para asegurar el futuro de los microprocesadores MIPS, Silicon Graphics adquirió la compañía y lo renombró a MIPS Technologies. Bajo Silicon Graphics, la compañía sacó al mercado los microprocesadores R8000 y R10000, seguido del R12000. Estuvieron desarrollando dos microprocesadores más, bajo los nobres en código la Bestia y el Capitán, pero fueron cancelados cuando Silicon Graphics migró a la arquitectura Itanium. Como resultado, MIPS se quedó como una compañía de propiedad intelectual de licencias, ofreciendo licencias de la arquitectura MIPS y de otros diseños de procesadores. (81) MOS Technology MOS Technology, Inc., también conocida como Commodore Semiconductor Group, (al ser adquirida por CBM), fue un fabricante de calculadoras y microprocesadores, siendo famosa por su microprocesador MOS Technology 6502. MOS comenzó siendo una segunda fuente de las calculadoras y chips internos diseñados por Texas Instruments. También fabricó por corto tiempo el custom chip utilizado por Atari para sus consolas PONG. Mientras que el mercado de la calculadora creció MOS se convirtió eventualmente en el mayor proveedor de Commodore Business Machines, por lo que prácticamente su negocio se basaba en suministrarle componentes para su línea de calculadoras. En 1975 varios de los diseñadores del Motorola 6800 dejaron la compañía poco después de su lanzamiento. Como entonces no existían compañías de sólo diseño (las hoy conocidas como Fabless, como lo fue Cyrix), tuvieron que unirse a una compañía fabricante de chips y se unieron a MOS. Donde se fijaron como objetivo el diseño de una nueva CPU que superara al 6800 mientras que seguía siendo similar en propósito. El diseño resultante fue el MOS Technology 6501, bastante similar al 6800, pero que usando varias simplificaciones en el diseño, hasta cuatro veces más rápido. Además, MOS tenía una arma secreta, la capacidad de corregir sus máscaras. Las máscaras son los dibujos grandes del chip que se reducen fotográficamente para hacer el modelo desde el que se hacen los chips. Todas las máscaras terminan con defectos, unos como resultado de problemas de diseño del chip y otros como efectos secundarios del proceso de foto-reducción. Cuando un chip se hace con una máscara, es cuestión de suerte cuantos de esos defectos terminarán fijados en el chip. Si hay demasiados de ellos, ese chip en concreto no funcionará. Por ello las compañías simplemente construyen chips con esas máscaras, y descartan los chips defectuosos. A finales de los 70 esto podía suponer tirar el 70% o más de los chips fabricados. Los ingenieros de MOS habían aprendido el truco de fijar sus máscaras después de crearlas. Esto permitió que corrigieran los defectos principales en una serie de arreglos pequeños, produciendo eventualmente

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una máscara con una tasa muy baja de defectos, incluso en las primeras tiradas de una CPU nueva alcanzaban un índice de éxito del 70% o más. Esto significaba que no sólo sus diseños eran más rápidos, sino que también costaban mucho menos. Motorola interpuso una demanda inmediatamente. Aunque el 6501 no era compatible con el 6800, podía conectarse sin problemas en cualquier placa madre para el 6800 debido a que utilizaba el mismo patillaje. Las ventas del 6501 básicamente se detuvieron. Por ello sacó el 6502 que era esencialmente idéntico excepto en el patillaje. Debido a su velocidad superaba ampliamente al más complejo y caro 6800, y respecto al Intel 8080 costaba menos y era más fácil de programar. Aunque no tenía la ventaja de poder usar el hardware existente para el Motorola como el 6501, era tan barato que rápidamente superó al 6800 en popularidad, haciendo eso un punto discutible. Los 6502 eran tan baratos, que mucha gente creyó que era un engaño pero cualquier duda en su compra se evaporó cuando Motorola y Intel bajaron los precios de sus propios diseños. Pese al éxito de los 6502, la compañía tenía problemas. Aproximadamente a la vez que lanzaban la CPU el mercado de calculadoras se derrumbó, y todos los demás productos de MOS dejaron de enviarse. Pronto estaban en serios problemas financieros. El rescate vino de la mano de Commodore, que compró la compañía entera con la condición de que Chuck Peddle se uniera a Commodore como Jefe de Ingenieros. Continuaron usando el nombre MOS para que los manuales no tuvieran que reimprimirse. Poco después MOS pasaba a ser Commodore Semiconductor Group (CSG). Pese a las nueva siglas (CSG), todos los chips siguieron utilizando el viejo logo de MOS hasta 1989. Los 6502 siguen siendo hoy una CPU popular en sistemas embebidos como equipo médico y controladores de tablero en automóviles. Tras la bancarrota de Commodore en 1994, el equipo gerente de Commodore Semiconductor Group crea GMT Microelectronics (Great Mixed-signal Technologies). En 1995 reabre la Fábrica de circuitos integrados original de MOS Technologies que producía 10000 wafers (obleas de silicio de tamaño 5) por mes, y fabricaba chips CMOS, BiCMOS, NMOS, BIPOLAR y SOI.Sin embargo, en 2001 la EPA (Environmental Protection Agency) cerró la planta. GMT cesó en sus operaciones y fue liquidada. (82)

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Procesadores actuales

7. PROCESADORES ACTUALES A continuación vamos a ver unos ejemplos del último procesador actual (a fecha abril-mayo de 2012) desarrollado por cada una de las empresas punteras en la fabricación de microprocesadores, AMD e Intel, y sus principales características destacadas.

Intel Core i7 (arquitectura Nehalem-Ivy Bridge) 22nm Con Ivy Bridge llegan los 22 nanómetros Lo más importante y representativo es la llegada de los 22 nanómetros a los microprocesadores domésticos, y no lo hace de cualquier forma: vienen con los denominados TriGate o transistores ‘3D’. Como siempre que evoluciona el proceso de fabricación, los aspectos que más mejoran son los relacionados al consumo energético. Por ejemplo, un dato que representa esta mejoría es el TDP del modelo puntero i7-3770K que se sitúa en sólo 77 vatios, por los 95 vatios del modelo i7-2700K equivalente en Sandy Bridge.

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Procesadores actuales

La introducción de los transistores en 22 nanómetros permite al fabricante hacer lo mismo en menos espacio. Esto lo han aprovechado para integrar una GPU más grande y más potente a la que han denominado Intel HD Graphics 4000. Mejoras en el apartado gráfico AMD está avanzando a un muy buen ritmo en los últimos tiempos en lo referente a las capacidades gráficas de sus procesadores. Desde hace unos años los fabricantes se están centrando en crear CPU con GPU integradas, cuya potencia no está al nivel de las tarjetas gráficas dedicadas pero que, sin embargo, pueden servir al usuario medio. Las nuevas Intel HD Graphics 4000 tienen en DirectX 11 su principal novedad, algo que ya sabíamos desde hace varios meses. Su rendimiento, según Intel, puede ser hasta el doble que el de las HD Graphics 3000 de Sandy Bridge. Dejando de lado el rendimiento bruto, otra de las nuevas características más destacadas es la posibilidad de utilizar tres monitores simultáneamente, refiriéndonos por supuesto a la GPU integrada. La placa base vendrá con tres salidas de vídeo (HDMI, DisplayPort, DVI o VGA, todo dependerá del fabricante de la placa) y podrán conectarse tres monitores independientes. En el caso de Ivy Bridge para portátil podrán ser dos pantallas externas más la propia pantalla del equipo. Nuevo chipset Intel 7 Series ‘Panther Point’ La nueva generación de chipsets Intel 7 Series (nombre en código Panther Point) fue presentada a principios de abril. En total serán seis nuevos chipsets para sobremesa y otros cinco más para portátil, donde lo más interesante es la inclusión de USB 3.0 nativos aunque sólo hasta un número máximo de cuatro de estos puertos. El modelo tick-tock de Intel hace que anualmente veamos algún tipo de mejora. Mientras el tock supone un cambio drástico en la arquitectura (y con ello una mejora notable en el rendimiento), el tick evoluciona el proceso de fabricación. En este caso los nuevos procesadores Core i5 e i7 de Intel traen consigo los esperadísimos 22 nanómetros cuyas repercusiones se ven claramente: baja el TDP de los 95 a los 77 vatios, una cifra muy buena. El rendimiento de Ivy Bridge será superior al de los anteriores Sandy Bridge, quizá en torno a un 5 o 10% de media. No es una mejora gigante, pero sí un pequeño paso típico de cada nueva generación. Esos 22 nanómetros no repercutirán sólo en un menor consumo, si no también en unos procesadores más fríos que, a su vez, tendrán un mayor rango de overclocking. Algunos análisis de los procesadores en desarrollo han conseguido subir el i7-3770K a los 4.5 GHz sin mucho esfuerzo. Un aspecto muy interesante y que es de agradecer es la retrocompatibilidad: Ivy Bridge mantendrá el socket LGA1155, y de hecho podrá utilizarse en placas base anteriores con el único requisito de una actualización de BIOS, aunque se perderán algunas características y funcionalidades dependiendo del modelo de chipset. Asimismo, el usuario podrá utilizar un viejo procesador Sandy Bridge en una nueva placa con chipset Intel 7. Por último las mejoras a nivel de nuevas tecnologías compatibles son siempre de agradecer: USB 3.0, PCI Express 3.0, DirectX 11, OpenGL, OpenCL, etc. También tenemos que comentar que los chipsets Intel 7 Series soportan Thunderbolt, con lo que la apertura de esta conectividad al mercado PC es ya una realidad a falta de que empiece a salir el hardware. (83)

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Procesadores actuales

Todos los procesadores Core™ i7, en vez de utilizar el Frontside Bus (FSB) convencional, disponen de una conexión punto-a-punto denominada QuickPath Interconnect (QPI). La conexión QPI es bidireccional y está compuesta por 2 canales de 20 bits, de los cuales 16 son usados por datos. Con una tasa de transferencia de 4,8 GT/s (Gigatransfers por segundo) en el Core i7-950, la conexión QPI alcanza una tasa de datos de 9,6 GBit/s, un notable incremento en comparación con el FSB de los procesadores Core 2. (84) Los modelos “K” de los procesadores Intel Core están concebidos especialmente para el overclocking y entusiastas de hardware. Al igual que los AMD Bulldozer FX “unlocked” tienen un multiplicador de libre configuración. (85)

Intel Core i7-3770K 3.5 GHz 8MB (socket 1155) 22nm -314,94 € Especificaciones técnicas: - Modelo: i7-3770K - Microarquitectura: Ivy Bridge - # of Cores (número de núcleos): 4 - # of Threads (número de hilos): 8 - Velocidad del reloj: 3.5 GHz - Frecuencia con Max Turbo activado: 3.9 GHz - Intel® Smart Cache: 8 MB - Bus/Core Ratio: 35 - DMI: 5 GT/s - Set de Instrucciones: 64-bit - Extensiones del Conjunto de Instrucciones: SSE4.1/4.2, AVX - Litografía: 22 nm - TDP (Thermal Design Power - Máxima Potencia Disipada): 77 W Especificaciones de memoria: - Tamaño máximo de memoria (dependiendo del tipo de memoria): 32 GB - Tipos de memoria: DDR3-1333/1600 - # of Memory Channels: 2 - Max Memory Bandwidth: 25.6 GB/s - ECC Memory Supported: No Especificaciones gráficas: - Procesador de gráficos: Intel® HD Graphics 4000 - Frequencia base del procesador gráfico: 650 MHz - Frequencia dinámica máxima del procesador gráfico: 1.15 GHz - Intel® Quick Sync Video: Sí - Intel® InTru™ 3D Technology: Sí - Intel® Insider™: Sí - Intel® Wireless Display: Sí - Intel® Flexible Display Interface (Intel® FDI): Sí - Intel® Clear Video HD Technology: Sí

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Opciones de expansión: - PCI Express Revision: 3.0 - # of PCI Express Ports: 1 Especificaciones del paquete: - Configuración máxima de CPUs: 1 - Tamaño del paquete: 37.5mm x 37.5mm - Opciones de Halógeno de bajo cosumo disponible: Ver MDDS Tecnologías que implementa: -

Intel® Turbo Boost Technology: 2.0 Intel® vPro Technology: No Intel® Hyper-Threading Technology: Sí Intel® Virtualization Technology (VT-x): Sí Intel® Virtualization Technology for Directed I/O (VT-d): No Intel® Trusted Execution Technology: No AES New Instructions: Sí Intel® 64: Sí Intel® Anti-Theft Technology: Sí Idle States: Sí Enhanced Intel SpeedStep® Technology: Sí Thermal Monitoring Technologies: Sí Intel® Fast Memory Access: Sí Intel® Flex Memory Access: Sí Execute Disable Bit: Sí

(86)

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AMD Bulldozer FX (arquitectura Bulldozer) 32nm Es el primer procesador del mundo de 8 núcleos* destinado a equipos de escritorio/sobremesa/uso doméstico. *En realidad el AMD FX-8150 es una CPU 8-core de 4 módulos, 8 ALUs y recursos compartidos (87) La nueva arquitectura mejora la capacidad de las frecuencias así como el overclocking gracias al multiplicador desbloqueado (unlocked). La familia AMD FX se compone de los siguientes modelos: FX-4100, FX-B4150, el FX-4170, FX-6100, FX8100, FX-8120 y FX-8150. Los nombres indican sus características siendo la serie 4xxx con 4 procesadores y 4 hilos, mientras que las series 6xxx/8xxx disponen de 6/8 núcleos y 6/8 hilos. (88) Los nuevos modelos de AMD, los AMD Bulldozer FX, utilizan un nuevo conjunto de instrucciones muy interesantes que los procesadores Intel no implementan, denominada AVX Plus, incluyendo FMA4 y

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Procesadores actuales

XOP para cálculos matemáticos complejos en aplicaciones de última generación como OCL Perf Mandelbrot, aumentando el rendimiento hasta en un 70%. (89) Además, por supuesto, también utilizan el resto de ISAs (repertorio de instrucciones) que utilizan los procesadores Intel Core i7, tales como SSE3, SSE4.1/4.2 y AES, entre otras. Los procesadores de la familia FX disponen de las siguientes memorias cachés: - Caché L1 (instrucciones + datos) por núcleo: 128KB (64KB + 64KB) - Caché L2 (1 MB por núcleo): 8 MB, 6 MB o 4 MB - Caché L3: 8 MB (L3 compartido) Tienen un TDP (Thermal Design Power, potencia de diseño térmico) de 125W y utilizan el socket AM3+. - Tecnología HyperTransport™: Tecnología HyperTransport™ hasta 4000 MT/s full duplex, o hasta 16,0 GB/s de ancho de banda de E/S. (90) Añadido a todo esto, los procesadores AMD de la serie FX están mejor preparados que los Intel Core i7 para aprovechar la tecnología Eyefinity desarrollada por AMD. Eyefinity es una tecnología que aprovecha la conexión de múltiples pantallas-monitores en el mismo sistema informático, permitiendo configuraciones multi-monitor y ofreciendo así una visión panorámica mucho más amplia e inmersiva (suele utilizarse mucho dentro del mundo gamer (91) o tratamiento de imágenes-gráficos de gran tamaño). (92) La arquitectura Bulldozer cuenta con las instrucciones AVX establecidas desde hace mucho tiempo usando el algoritmo AES y AVX. AES mejora las velocidades de encriptación, AVX mejora significativamente el rendimiento de la computación flotante en los procesadores de AMD. El AMD FX-8150 utilizando el algoritmo AES es 3.7 veces más rápido que el Phenom II X6 1100T, que carece de dicha instrucción. (93) Curiosidad: El AMD Bulldozer FX-8150 Black Edition consiguió el Guinness World Record de máxima frecuencia (en equipos de escritorio/sobremesa/uso "doméstico") con unos más que asombrosos 8429MHz ~ 8.4GHz gracias a técnicas de overclocking extremo con refrigeración mediante nitrógeno líquido-helio líquido (unas de las sustancias más frías del universo, de la que se tenga constancia). (94) Poco después volvieron a auto-batir su propio record con unos 8.5 MHz.

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Procesadores actuales

AMD FX-8150 3.6GHz Black Edition (socket AM3+) -187,95 € Características: Procesador AMD FX de 8 núcleos Black Edition - El primer procesador nativo de ocho núcleos del mundo para ordenadores de sobremesa. - Sumérgete en los juegos 3D más avanzados. - Consigue una multitarea extrema con facilidad. Especificaciones: - Modelo: FX-8150 - Microarquitectura: Bulldozer - Plataforma: Scorpius - Proceso de fabricación/Tecnología de proceso: 0.032 micron (32nm), tecnología de 32 nanómetros, SOI (silicio sobre aislante) - TDP (Thermal Design Power): 125 W - Sitios de fabricación: GLOBALFOUNDRIES, Dresden (Alemania) - Soporta 64 bit: Sí - Núcleos: 8 - Unidad de punto de coma flotante: Incluída - Características de bajo consumo: Core C0, C1, C1E, C6 and CC6 states - Package S0, S3, S4 and S5 states - Frecuencia: 3600 MHz - Frecuencia con Turbo: 3900 MHz (8 cores) 4200 MHz (4 cores) - Velocidad del bus (MHz): One 2200 MHz 16-bit HyperTransport Link - Socket: AM3+ (938Pin) - Tecnología AMD64: Sí - 32 y 64 bits simultáneos: Sí - Caché L1 (instrucciones + datos) por núcleo: 128KB (64KB + 64KB)  

4 x 64 KB caché de instrucciones de tipo asociativa compartida de 2-vías 8 x 16 KB caché de datos de tipo asociativa de 4-vías

- Caché L2 (1 MB por núcleo): 8 MB, 6 MB o 4 MB (4 x 2 MB caché exclusiva asociativa compartida de 16-vías - Caché L3: 8 MB (L3 compartido)  hasta 8 MB, caché asociativa compartida de 64-vías - Tecnología HyperTransport™: Tecnología HyperTransport™ hasta 4000 MT/s full duplex, o hasta 16,0 GB/s de ancho de banda de E/S - Controlador de memoria DDR3 integrado: Sí - Ancho del controlador de la memoria: 128 bits - Tipo de memoria compatible: hasta DDR3 1866 - Ancho de banda de la memoria: hasta 21 GB/s de ancho de banda de memoria de doble canal - Ancho de banda total de procesador a sistema (HyperTransport y ancho de banda de la memoria): Hasta 37 GB/s Tecnologías que implementa: - MMX - SSE - SSE2 - SSE3 - SSE4.1 - SSE4.2 - SSE4a - AES instructions

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8. Futuro del procesador

- AVX - XOP - FMA4 - Advanced Bit Manipulation - Advanced Vector Extensions - AMD64 technology - Virtualization technology - Enhanced Virus Protection - Turbo Core 2.0 technology (95)

8. FUTURO DEL PROCESADOR Actualmente se están desarrollando diferentes avances en el estudio de un sustituto del silicio como material base de los transistores y, por consiguiente, de los procesadores, debido a las limitaciones de éste. Entre ellos destacan el grafeno y la molibdenita como materiales alternativos y mejores que el silicio, así como también los procesadores cuánticos, los cuales aunque estén comenzando, tarde o temprano serán los sustitutos de los computadores tal y como los conocemos.

8.1 GRAFENO El grafeno, que es básicamente una “capa bidimensional de grafito” (el grafito viene a ser una pila de capas de grafeno), es uno de los materiales con los que más se está investigando en el desarrollo electrónico.

Con una estructura atómica similar a la de una tela metálica, el grafeno se presenta en láminas de un solo átomo de espesor, característica que lo convierte en el material más delgado del mundo. Si apilases dos millones de láminas de grafeno una encima de la otra, obtendrías una placa mucho más delgada que una tarjeta de crédito. Pero además de ser una curiosidad científica, el grafeno está

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comenzando a ser utilizado en el desarrollo de muchas tecnologías que, como ocurre con los nanotubos de carbono, tienen el potencial de cambiar el futuro. Una de las aplicaciones más interesantes del grafeno es su uso como base para la construcción de circuitos integrados. Un equipo de científicos de los Estados Unidos, integrado por Matthew Yankowitz, Daniel Cormode y Brian LeRoy, han utilizado nitruro de boro, un material estructuralmente similar al grafeno pero que no es conductor de la electricidad, para crear “circuitos” de un solo átomo de grosor. El nitruro de boro, además, proporciona un buen soporte mecánico al grafeno, a la vez que mejora las propiedades electrónicas del grafeno al suavizar las fluctuaciones en su carga eléctrica. Los físicos implicados en este trabajo reconocen que aún deben encontrar la forma de controlar el flujo de electrones a través del material, un requisito indispensable para construir cualquier tipo de circuito electrónico 100% funcional. El grafeno se comporta de una forma muy diferente al silicio, el material utilizado actualmente para construir chips. Un informe publicado por este equipo en la prestigiosa revista Nature Physics cuenta que han descubierto que el nitruro de boro también influye en la manera en que los electrones se desplazan por el interior del grafeno, resultado que podría servir para desarrollar una nueva forma de control del flujo eléctrico en los chips de grafeno. “Para construir un transistor,” explica Brian LeRoy, del Departamento de Física de la Universidad de Arizona, “necesitamos controlar el flujo de electrones. Pero en el grafeno los electrones sólo siguen adelante. Es difícil detenerlos". Pero su equipo ha descubierto que el nitruro de boro evita que un porcentaje de los electrones atraviesen la estructura, lo que sin dudas constituye un prometedor primer paso hacia un control efectivo del flujo de los electrones. El grupo ha conseguido este control disponiendo láminas de grafeno sobre nitruro de boro con un ángulo determinado, que permite superponer las estructuras hexagonales de ambos materiales para crear grandes patrones hexagonales. Cuando el ángulo es el correcto, prácticamente la totalidad de los electrones no pueden pasar. Este descubrimiento, aseguran, será la base sobre la que se edificará la microelectrónica de la edad del grafeno. (96) En febrero de 2010 IBM consiguió crear transistores basados en grafeno capaces de funcionar a una frecuencia de 100GHz. “100GHz” equivalen a 100 mil millones de cambios entre “0” y “1” por segundo. Un microprocesador moderno puede efectuar solamente unos 3 o 4 mil millones de cambios por segundo, por lo que el transistor de IBM podría ser el componente clave que permita la creación de nuevos dispositivos ultra-veloces que revolucionarían el campo de la electrónica y las comunicaciones. (97)

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En junio de 2011 IBM anunció que había creado el primer circuito integrado (IC) de grafeno del mundo.

Montaje del circuito integrado (IC) modelo. El circuito integrado está construido sobre una oblea de carburo de silicio y se compone de transistores de efecto de campo FET (Field Effect Transistor) hechos de grafeno, un conductor muy delgado y con una composición alta de carbono que se resume en una sola capa atómica de espesor. El circuito integrado también incluye estructuras metálicas, tales como inductores y los electrodos drenaje y fuente (Drain y Source) que conectan a los transistores de grafeno dentro del IC. Uno de los científicos que participa en la investigación, Keith Jenkins señala “un transistor por sí mismo, no es bueno ni útil a menos que se lo conecte a algo” y en este caso, el circuito logrado y construido es un mezclador de frecuencias radioeléctricas de banda ancha. Este es un componente fundamental de las radios que procesa las señales para encontrar la diferencia entre dos longitudes de onda de alta frecuencia, es decir, una frecuencia intermedia.

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Esquema del circuito elemental del IC. El dispositivo logrado, que es una prueba de concepto, no pretende ser considerado aún un componente comercial óptimo y “sólo” alcanza frecuencias de hasta 10 GHz. "En última instancia, debemos ser capaces de ir mucho más rápido, este no es nuestro límite en absoluto", afirma Jenkins. El investigador agregó que la tarea más compleja fue la integración del transistor FET de grafeno con los demás componentes dentro del circuito. Esto fue un desafío de ingeniería muy complejo, que tomó cerca de un año, debido a dos dificultades principales. Una es que los metales utilizados para la construcción de otras partes del circuito (aluminio, oro, paladio, etc.) no se adhieren muy bien a la grafeno. El otro escollo es el hecho de que el grafeno, siendo sólo de un átomo de espesor, se daña fácilmente con los procesos estándares de grabado de semiconductores. De todos modos, una de las características notables del modelo alcanzado es que el rendimiento del dispositivo no cambia demasiado cuando la temperatura varía entre 27°C y 127°C. Eso significa que un circuito integrado de grafeno no tendrá que ser sobre-dimensionado para compensar los cambios de temperatura y que de este modo se lograrán circuitos sencillos de construir y en consecuencia, económicos. Por su parte, el equipo de IBM tiene en su mirada un par de medidas que podrían mejorar el rendimiento del IC. Ejemplo de esto es el uso de capas más delgadas de dieléctrico en los transistores. Jenkins dice que el equipo también está en busca de mejores materiales para los contactos ya que cualquier elemento que toca el grafeno tiene el potencial para degradar la movilidad de los electrones. (98) En abril de este mismo año, IBM también había conseguido mejorar sus transistores basados en grafeno desarrollados un año atrás hasta alcanzar la friolera de los 155GHz, siendo alrededor de un 50% más rápido que su antecesor. Dicho transistor puede realizar 155 mil millones de ciclos por segundo, prácticamente sin producir calor. Yu-Ming Lin, uno de los diseñadores de este transistor, ha dicho que “la presente investigación ha demostrado que es posible producir transistores de bajo coste y alto rendimiento basados en el grafeno y

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utilizando los procesos estándar de fabricación de semiconductores”, frase que permite especular con que la producción de chips de grafeno a escala comercial podría estar más cerca de lo que parece. Se estima que una de las primeras aplicaciones que tendrán estos componentes será el proceso de señales analógicas de alta frecuencia, tarea para lo que son especialmente aptos. (99) Otros enlaces de interés (para ampliar información): [http://www.neoteo.com/energia-del-futuro-grafito-agua] (100) [http://www.neoteo.com/grafeno-el-material-de-dios] (101) [http://www.neoteo.com/memorias-flash-de-mayor-capacidad-gracias-al-grafe] (102)

8.2 MOLIBDENITA Otro de los materiales con los que se está investigando últimamente es la llamada molibdenita (cuya fórmula es MoS2). La molibednita se puede obtener de forma natural o haciendo reaccionar molibdeno con azufre.

Es uno de los posibles sucesores del silicio o el grafeno, ya que las propiedades que posee la hace ser perfecta para la fabricación de transistores más pequeños y con mayor eficiencia energética. Se le está comenzando a dar uso en el campo de la electrónica, ya que hasta ahora el mineral, que es bastante abundante en la naturaleza, ha sido utilizado a menudo principalmente en la industria del acero o como aditivo en lubricantes. Al ser un material bidimensional muy delgado y de fácil manejo dentro de la nanotecnología, hace que éste tenga mucho potencial en la fabricación de transistores muy pequeños, con un consumo unas 100000 veces menor en estado de standby que los fabricados hoy en día.

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Además de esas mejoras con respecto al silicio, material de los transistores actuales, su principal ventaja incluso frente al grafeno, es que posee una propiedad natural que se conoce comúnmente como “banda prohibida”, un espacio de banda óptimo para su uso en la electrónica y de la cual carece el grafeno de manera natural, por lo que habría que proporcionársela, siendo éste un proceso bastante complejo. (103) (104) (105)

8.3 COMPUTACIÓN CUÁNTICA La computación cuántica es un paradigma de computación distinto al de la computación clásica. Se basa en el uso de qubits en lugar de bits, y da lugar a nuevas puertas lógicas que hacen posibles nuevos algoritmos. Una misma tarea puede tener diferente complejidad en computación clásica y en computación cuántica, lo que ha dado lugar a una gran expectación, ya que algunos problemas intratables pasan a ser tratables. Mientras un computador clásico equivale a una máquina de Turing, un computador cuántico equivale a una máquina de Turing cuántica. (106) En 1985, Deutsch presentó el diseño de la primera Máquina cuántica basada en una máquina de Turing. Con este fin enunció una nueva variante la tesis de Church-Turing dando lugar al denominado "principio de Church-Turing-Deutsch". La estructura de una máquina de Turing cuántica es muy similar a la de una máquina de Turing clásica. Está compuesta por los tres elementos clásicos: 

una cinta de memoria infinita en donde cada elemento es un qubit,



un procesador finito y



un cabezal.

El procesador contiene el juego de instrucciones que se aplica sobre el elemento de la cinta señalado por el cabezal. El resultado dependerá del qubit de la cinta y del estado del procesador. El procesador ejecuta una instrucción por unidad de tiempo. La cinta de memoria es similar a la de una máquina de Turing tradicional. La única diferencia es que cada elemento de la cinta de la máquina cuántica es un qubit. El alfabeto de esta nueva máquina está formado por el espacio de valores del qubit. La posición del cabezal se representa con una variable entera. (107) A finales de febrero IBM Research (la división de investigación de IBM) anunció que está muy cerca de conseguir desarrollar el primer procesador cuántico de uso general. (108) Se estima la salida del primer computador cuántico comercial para entre dentro de 10-15 años, aunque algunos son más escépticos y creen que todavía estamos muy lejos de poder desarrollar dicha tecnología (lo ponen en unos 50 años o más). En abril del presente año, hace apenas un mes atrás, un equipo internacional integrado por científicos estadounidenses de la Universidad de California en Santa Bárbara y de la Universidad Estatal de Iowa, y de la Universidad Tecnológica de Deft en los Países Bajos, publicaban en un artículo de la revista Nature cómo han construido un ordenador cuántico de 2 qubits dentro de una estructura de diamante. (109) El principal problema de la computación cuántica es la “decoherencia” -producida por la interacción del sistema con su entorno-, que hacen que este tipo de máquinas sean altamente inestables provocando fallos de funcionamiento, por lo que este grupo de científicos ha construido este sistema para evitar que

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los ruidos del entorno impidan al equipo funcionar correctamente protegiéndolo y solucionando así parcialmente problemas de decoherencia. Según la mecánica cuántica, la “decoherencia cuántica” es un término utilizado para explicar la mecanicidad de toda la fenomenología del orden de lo “micro” de la física cuántica. Mediante ésta las partículas cuánticas se comportan con coherencia matemática, pero con incoherencia lógica. (110) Artículos sobre los últimos avances en computación cuántica (para ampliar información): [http://www.pdm.com.co/Noticias/2011/Septiembre/06/Computador_cuantico_con_arquitectura_Von _Neumann.htm] (111) [http://www.neoteo.com/ordenador-cuantico-con-arquitectura-von-neumann] (112) [http://www.neoteo.com/ordenadores-cuanticos-y-ecuaciones-lineales] (113)

9. CURIOSIDADES Y MITOS SOBRE LOS PROCESADORES El transistor original fabricado por Bell Labs en 1947 era lo suficientemente grande como para ser montado a mano. En contraste, más de 60 millones de transistores de 32 nm cabrían en la cabeza de un alfiler y más de 4 millones de transistores de 32 nm cabrían en el punto final de esta frase. Teniendo en cuenta que la cabeza de un alfiler tiene cerca de 1.5 mm de diámetro y el punto final cerca de 1/10 milímetro cuadrado de área. Siguiendo con las comparaciones, el virus de la gripe mide cerca de 100 nm. Sería posible colocar 3 transistores de 32 nanómetros dentro de un único virus. Un único transistor puede encenderse y apagarse más de 300 mil millones de veces por segundo. Cualquiera tardaría cerca de 4,000 años en encender y apagar un interruptor el mismo número de veces. (Presuponiendo que una persona pueda encender y apagar un interruptor 150 veces por minuto). El proceso tecnológico de Intel usa una altura de puerta (capa del interior del transistor) de 0.9 nm. Una media pieza de papel tiene el espesor de 0.1 mm. Habría que apilar 111,111 puertas para igualar el espesor de una única hoja de papel. Usualmente, la puerta del transistor de 32 nm tiene cerca de 30 nm de tamaño, se podrían encajar 3,000 de ellas en la anchura de un pelo humano (que tiene cerca de 90 micrómetros de diámetro). Aunque los transistores de 32 nm sean increíblemente pequeños y eficientes, la evolución continúa. Intel ya presentó transistores funcionales con un tamaño de 22 nm. Gracias a los esfuerzos de los científicos de Intel para disminuir el tamaño de los transistores, un smartphone no necesitaría ser del tamaño de una nevera para realizar todas sus funciones. Si los procesadores de la 2a generación Intel Core de hoy en día, (con una superficie real de 216 mm2), se fabricasen empleando la tecnología de procesado en 10 micrómetros, tendrían una superficie de 21 m2, lo que equivaldría aproximadamente a 7 x 3 metros. ¿Puede imaginarse semejante gigante en su portátil? Comparado con el primer microprocesador de Intel, el 4004, lanzado en 1971, cada transistor en una CPU de 32 nm usa 4 mil veces menos energía. El precio por transistor disminuyó cerca de 100 mil veces, algunas personas estiman que el precio de un transistor es ahora aproximadamente el mismo que el de un carácter en un periódico impreso. Hoy en día, el coste energético anual medio que conlleva alimentar un portátil moderno se estima en torno a los 25 euros. Si el consumo energético de los procesadores no hubiera variado desde 1971, los portátiles de hoy en día consumirían 4.000 veces más energía, elevando

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el coste hasta los 100.000 euros anuales. Con semejante coste, pocos podrían permitirse contar con un ordenador en sus hogares. La generación actual de procesadores Intel Core cuenta con 995 millones de transistores. Si cada uno de ellos fuera un grano de arroz, juntos bastarían para preparar un plato de arroz para todos y cada uno de los habitantes de Poznan (Polonia), Sttutgart o Dusseldorf (Alemania), Glasgow (Reino Unido), o cualquiera otra ciudad con aproximadamente 567.000 habitantes. Los transistores actuales ofrecen una velocidad impresionante, con un aumento de velocidad de reloj 4000 veces superior. En el Campeonato Europeo de Atletismo de 1971 celebrado en Helsinki, la carrera de 100m se realizó en 10,26 segundos a una velocidad de 35,1 km/hora. Si el rendimiento se incrementara 4000 veces, esta misma distancia la podría realizar un atleta corriendo a 140.350,9 Km/hora. Si el ritmo de la innovación en los viajes espaciales se hubiese incrementado al ritmo de la Ley de Moore desde 1971, ahora seríamos capaces de viajar a la velocidad de la luz, a 300 mil kilómetros por segundo, y probablemente estaríamos leyendo esto desde algún campamento de vacaciones en una de las lunas de Saturno. El ambiente en el que se fabrican los procesadores es 10 mil veces más limpio que un quirófano y más de 3 millones de veces más limpio que el salón de una casa. Para mantener el altísimo grado de limpieza dentro de uno de los laboratorios de Intel, todo el aire dentro de las salas se filtra cerca de diez veces por minuto y todo lo que hay dentro de la sala (maquinaria, herramientas, e incluso la ropa de los trabajadores) se fabrica mediante procesos especiales, de forma que desprenda la menor cantidad posible de partículas contaminantes al aire. Son los materiales más "anti-suciedad" existentes. Para entrar en una de esas salas limpias se necesitaría usar un traje especial, conocido como bunny suit. El procedimiento para vestir el bunny suit y entrar en la sala blanca se compone de más de 40 pasos distintos, que deben seguirse a rajatabla. Si tuviéramos que vestirnos uno tardaríamos probablemente entre treinta y cuarenta minutos. Las personas que trabajan diariamente en las fábricas de Intel consiguen completar la preparación en menos de 10 minutos.

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Pasos a seguir para prepararse y ponerse el traje antes de acceder a las instalaciones (salas blancas) donde se fabrican los procesadores. El precio es proporcional al rendimiento. Los microprocesadores se venden ahora como si fueran perfumes, el precio no tiene relación con el coste de los ingredientes. El coste es lo que cuesta realizar el chip, el precio es lo que el departamento de marketing quiere que cueste, y está determinado principalmente por la oferta/demanda. Los procesadores AMD se pueden overclockear más que los Intel. Falso, no se puede hablar en términos tan globales, como una marca es más overclockeable que otra. Dependiendo del modelo algunos Intel se pueden overclockear más que algunos AMD, y viceversa. AMD es para desarrolladores y programas o viceversa. Es difícil mantener esta afirmación. Los procesadores Intel y AMD son compatibles con el juego de instrucciones x86 genérico.

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Si bien existe extensiones que sólo Intel o AMD poseen por haberlas incluido de forma unilateral, son muy pocos los programadores que las usan. Por ejemplo, algunos conversores de video usan las extensiones SSE4 de Intel para acelerar la comprensión de las películas. Pero si se ejecutasen sobre AMD, no darían mayores problemas más allá de ejecutarse más lentamente. AMD es mejor para juegos que Intel o viceversa. En este caso si puede haber diferencias. Intel tiene una ventaja importante sobre AMD en las gamas altas de procesadores, con la gama Extreme siendo superior a los Phenom más veloces. Pero en el apartado de los juegos el componente más importante sigue siendo la tarjeta gráfica. Aunque se tenga un Core 2 Quad Extreme Edition instalado, si la tarjeta de video tiene un rendimiento pobre, la experiencia lúdica será también pobre. Si se busca un equipo con el máximo rendimiento, Intel tiene productos adecuados. Para gamas medias tanto Intel como AMD son correctos si se elige una gráfica potente. Si un procesador tiene el doble de memoria cache que otro funcionara mucho mejor. La memoria cache juega un papel importante en el rendimiento de un procesador, pero no necesariamente el doble de cache se traduce en el doble de rendimiento. En aplicaciones que hagan un uso intensivo de la CPU, donde se realicen millones de cálculos y operaciones si será significativo, pero no siempre. Desde luego elegir una CPU con más cache supone una garantía de máximo rendimiento, pero hay que tener en cuenta el aumento de precio. Pocas opciones de procesadores. Si estás diseñando un sistema embebido, ¿cuantos procesadores de 32 bits puedes escoger? ¿10,20? En realidad, hay más de 100 procesadores de 32 bits embebidos distintos en venta, sin contar con las diferentes velocidades o empaquetados distintos de cada uno de ellos. Decenas de compañías hacen procesadores de 32 bits, representando más de 15 arquitecturas de CPU y conjunto de instrucciones distintas, además de unos cientos de procesadores de 16 bits y otros tantos de 8 bits, teniendo un exceso de opciones. El conjunto de instrucciones no importa Tanto si programas en C, BASIC, Ada o Java, el código al final se traduce en ese conjunto de instrucciones, por lo que afecta. Unas pocas líneas elegantes en C pueden convertirse en una horrible maraña de instrucciones en ensamblador y viceversa. De la misma forma, el rendimiento y consumo de potencia dependen mucho de esas instrucciones y no hay nada que un lenguaje de alto nivel pueda hacer para cambiarlo. Como ejemplo, se puede multiplicar unos números, algo muy trivial en cualquier lenguaje, pero dependiendo del conjunto de instrucciones tenemos muchas formas de hacerlo y en la siguiente imagen se ve los ciclos que pueden tardar cada procesador en hacerlo.

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Podemos observar el tiempo que tardan diferentes procesadores en realizar una simple multiplicación. RISC es mejor que CISC Depende, CISC ofrece un código más denso ocupando menos espacio en memoria y tiene herramientas de software más maduros. Sin embargo RISC tiene velocidades de reloj más altas y un código más claro y entendible. Así, por ejemplo, hay una clase de computadores de arquitectura CISC, que se caracterizan por tener un conjunto de instrucciones más complejas que las de arquitectura RISC. Las instrucciones RISC se realizan en promedio más rápido, pero las CISC son más elaboradas. Funcionando a menor frecuencia, un CISC podría ser más eficiente. El mito del megahercio Un error común, llamado habitualmente el "mito del megahercio" es que afirma que un microprocesador será más rápido que otro si su frecuencia es mayor; sin embargo, esto no es necesariamente cierto. Habría que tener en cuenta más parámetros para conocer el rendimiento que se aprovecha de cada ciclo. Dentro de un mismo tipo de arquitectura (por ejemplo, comparando dos procesadores x86 a una misma frecuencia, la forma de disponer los transistores, su litografía, sus elementos, sus unidades, es decir su estructura interna, así como sus instrucciones, tendrá mucha más repercusión en el rendimiento todavía que la frecuencia de reloj. A modo comparativo, un procesador del 2001 mononúcleo a 2GHz no se le podría comparar a la eficiencia de un procesador multinúcleo del 2011 a 2GHz. Algo parecido ocurre con

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Conclusiones

los procesadores gráficos. Lo más adecuado para medir con seguridad el rendimiento es realizar un banco de pruebas o benchmark. (114) (115) (116) (117) (118) (119) (120) (121)

10. CONCLUSIONES Los inicios del trabajo fueron duros, debido a la ingente cantidad de información que existen sobre procesadores a pesar de su corto tiempo de evolución, añadiendo la dispersión de dicha información, lo que hacía fácil buscar unos determinados datos y terminar divagando sobre otro tipo de datos que aun guardando relación con la temática, no era adecuado para incluir en el trabajo. También hubo problemas añadidos, y es la definición de los conceptos, muchas veces usados como sinónimos a veces correctamente, a veces incorrectamente, además de muy diversos puntos de vista, lo que hacía difícil contrastar la información y sobre todo aclararse uno mismo para poder hablar sobre el tema y comprenderlo con un mínimo de fiabilidad. Al término del trabajo, podemos decir que la realización del trabajo fue bastante enriquecedor, no solo por aclararnos muchos conceptos, sino por tener una visión más clara del tema y unos conocimientos añadidos que son superiores a los que se muestran en el trabajo debido a todas esas búsquedas de información que no se han añadido por no ser posible ponerlo todo acerca de los procesadores. Como último detalle, decir que estamos ansiosos por ver como sigue evolucionando, desde los inicios como una enorme máquina rudimentaria, hasta los microchips de hoy en día con gran potencia, y un futuro que augura muchas mejoras, la mayoría impresionantes.

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