¿Que tan rápida es nuestra computadora? Algo fundamental en las variables de Velocidad y Poder la encontramos en el procesador. Las grandes empresas que desarrollan procesadores dedican su vida por querer mejorar y expandir a su mayor capacidad cada modelo y proyecto del mismo; ha sido y sigue siendo una ardua pelea contra la tecnologia para que cada vez sean mas pequeños y mas poderosos. Amigos de SceneBeta tal y como se ha prometido, les presentamos a través de este Tutorial las entrañas de: El Procesador.

Este tutorial estará dividido en 2 partes. Este será la primera parte compuesto por: Funcionamiento, Historia y Fabricación. La segunda parte estará compuesto por: Historia-Fabricación, Tecnologías, Arquitecturas, Empresas de Desarrollo.

Hay que recordar que desde los inicios de la computadora, todo era muy grande en tamaño con respecto a las computadoras de hoy en día; antes lo que era el puro procesador abarcaba el tamaño de aproximadamente dos personas y este necesitaba un lugar muy grande para poder ser colocado; además, en ese tiempo se usaban tubos de vacío; como ejemplo tomamos al equipo ENIAC y ASCC.

ENIAC.

El ENIAC nació en 1943, aunque no se terminó de construir hasta 1946, fue un contrato entre el ejército de los EE.UU y sus desarrolladores John Mauchly y John Presper Eckert, al cual llamaron Proyecto PX con un fondo de $ 500, 000.00; el ENIAC fue un equipo electrónico digital a grán escala, este fue compuesto de unos 17, 468 tubos de vacío, esto generalmente era un problema ya que la vida media de un tubo de vacío era de unas 3000 horas, cuando se dañaba un tubo no era nada fácil buscar un tubo entre los 17, 468; este equipo podia realizar 5000 sumas y 300 multiplicaciones por segundo. La prensa lo describió como "Cerebro Electronico", "Einstein Mecánico" o "Frankenstein Matemático". El ENIAC estuvo en funcionamiento hasta 1955 con mejoras y ampliaciones.

Esto Si Es Una Mole.

ASCC.

El proyecto entre IBM y Howard Aiken para construir una computadora se inició en 1939 y este se terminó en 1943; anteriormente se llamaba ASCC (Calculadora Automática de Secuencias Controladas), tenía 2.5 metros de alto y 17 metros de largo, pesaba aproximadamente 31, 500 Kg, contenía unos 800 Km de cable y mas de 3, 000, 000 de conexiones. Se programaba a través de una cinta de papel en la que a través de perforaciones se le daban las instrucciones codificadas; este podia realizar multiplicaciones en 6 segundos y divisiones en 12 segundos. En 1943 cuando terminó su construcción, IBM cedió el ASCC a la Universidad de Harvard y fue como se rebautizó como MARK I.

Los Microprocesadores se han ido haciendo cada vez más pequeños; pero, más grandes en cuanto a capacidad y velocidad; es uno de los Chips más importantes que van en la Tarjeta Madre, a menudo a este componente se le denomina CPU, el cual se encarga del proceso de tratamiento de datos. Este gestiona cada paso en el proceso de los datos, actúa como el conductor y el que supervisa cada componente de hardware del sistema, ademas de que se encarga de dar las órdenes y activar cada componente para la ejecución de todos los comandos realizados por el usuario.

• La historia de los microprocesadores se inicia en 1948 con la invención del transistor por John Bardeen y Walter H. Brattain en los Laboratorios Bell de AT&T, y la posterior introducción del circuito integrado IC, en 1959 por Robert Noyce en Fairchild Semiconductors y Jack Kilby en Texas Instruments.
• El 15 de Noviembre de 1971 Intel introduce el 4004 que corría a 108 KHz con 2.300 transistores y una tecnología de 10 micras. Este procesador fue desarrollado por encargo de una compañía japonesa para una calculadora (Busicom).
• En Abril de 1972 se lanza el 8008 a 200 KHz con 3.500 transistores y tecnología de 10 micras.
• En Abril de 1974 se lanza el 8080, a 2 MHz con 6.000 transistores y tecnología de 6 micras.
• Este procesador es el que inicia la era de la micro computadora, pues originó el primer ordenador personal, el Altair 8800.  El Sistema Operativo CP/M fue escrito para él, y  Microsoft fue fundada para producir un intérprete de Basic para dicho procesador. Su éxito fue tal que incluso fue clonado, dando lugar al Z-80 construido por Zilog, una empresa constituida por ingenieros que provenían de Intel. Este procesador incluía un superconjunto de las instrucciones del 8080 con lo que podía correr el software de aquel.
• En Junio de 1978 Intel lanza el 8086 a 5 MHz con 29.000 transistores.  Una versión reducida, el 8088 fue el elegido para motorizar el primer IBM-PC. 
• La situación en 2005 era que, a pesar de las mejoras (reducción) en la longitud de onda de la luz utilizada, las técnicas fotolitográficas estaban llegando al límite teórico de la resolución óptica. La consecuencia es que, con la tecnología del momento no puede seguir cumpliéndose la Ley de Moore por mucho más tiempo, y se están ensayando nuevos métodos.  Sin embargo, en Febrero del 2006 IBM anuncia la puesta apunto de una nueva mejora en las técnicas tradicionales de fabricación, denominada Litografía óptica profunda ultravioleta, que utiliza luz de 248 nm (10-9 m) de longitudes de onda, con la que se consiguen tamaños de 30 nanómetros (menos de una 3000 milésima parte del grosor de un cabello humano).
• Las últimas mejoras permiten un nuevo respiro a la mencionada ley, que aparentemente "tiene cuerda" hasta el año 2020.  Así, de acuerdo con la Asociación de la Industria de Semiconductores, con el estado actual de la técnica (2006) es de esperar que en los dos próximos años se doble el número de transistores incluidos en una CPU, pasando de 1 a 2 billones (miles de millones. 109) y hasta 4 billones en un plazo de 4 años.

Cuanta Maravilla.

Fabricación.

El procesador es un circuito integrado constituido por millones de componentes integrados, tan pequeños que necesitan ser armados  a través de sistemas autónomos. Los microprocesadores se fabrican empleando técnicas similares a las usadas para otros circuitos integrados, como chips de memoria. Generalmente, los microprocesadores tienen una estructura más compleja que otros chips, y su fabricación exige técnicas extremadamente precisas.

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

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

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

En el siguiente paso del proceso, la implantación iónica, se introducen en el silicio impurezas como boro o fósforo para alterar su conductividad, esto se logra ionizando los átomos de boro o de fósforo (quitándoles uno o dos electrones) y lanzándolos contra la oblea a grandes energías mediante un implantador iónico, los iones quedan incrustados en la superficie de la oblea. En el último paso del proceso, las capas o películas de material empleadas para fabricar un microprocesador se depositan mediante el bombardeo atómico en un plasma, la evaporación (en la que el material se funde y posteriormente se evapora para cubrir la oblea) o la deposición de vapor químico, en la que el material se condensa a partir de un gas a baja presión o a presión atmosférica. En todos los casos, la película debe ser de gran pureza, y su espesor debe controlarse con una precisión de una fracción de micra.

Los detalles de un microprocesador son tan pequeños y precisos que una única mota de polvo puede destruir todo un grupo de circuitos; las salas empleadas para la fabricación de microprocesadores se denominan salas limpias, porque el aire de las mismas se somete a un filtrado exhaustivo y está prácticamente libre de polvo.

Vídeo Procesador Discovery Channel.

Funcionamiento

El procesador es un circuito electrónico que funciona a la velocidad de un reloj interno, gracias a un cristal de cuarzo que, sometido a una corriente eléctrica, envía pulsos, denominados "picos". La velocidad de reloj (también denominada ciclo), corresponde al número de pulsos por segundo, expresados en Hertz (Hz). De este modo, un ordenador de 200 MHz posee un reloj que envía 200.000.000 pulsos por segundo. Por lo general, la frecuencia de reloj es un múltiplo de la frecuencia del sistema (FSB, Front-Side Bus o Bus de la Parte Frontal), es decir, un múltiplo de la frecuencia de la placa madre. 

Con cada pico de reloj, el procesador ejecuta una acción que corresponde a su vez a una instrucción o bien a una parte de ella. La medida CPI (Cycles Per Instruction o Ciclos por Instrucción) representa el número promedio de ciclos de reloj necesarios para que el microprocesador ejecute una instrucción. En consecuencia, la potencia del microprocesador puede caracterizarse por el número de instrucciones por segundo que es capaz de procesar. Los MIPS (millions of instructions per second o millones de instrucciones por segundo) son las unidades que se utilizan, y corresponden a la frecuencia del procesador dividida por el número de CPI.

El Gran Lobo De Mar.

Instrucción

Una instrucción es una operación elemental que el procesador puede cumplir; las instrucciones se almacenan en la memoria principal, esperando ser tratadas por el procesador. Las instrucciones poseen dos campos:

• El código de operación, que representa la acción que el procesador debe ejecutar y el código operando, que define los parámetros de la acción. El código operando depende a su vez de la operación. Puede tratarse tanto de información como de una dirección de memoria.

Las instrucciones pueden agruparse en distintas categorías tal y como:

• Acceso a Memoria: acceso a la memoria o transferencia de información entre registros.
• Operaciones Aritméticas: operaciones tales como suma, resta, división o multiplicación.
• Operaciones Lógicas: operaciones tales como Y, O, NO, NO EXCLUSIVO, etc.
• Control: controles de secuencia, conexiones condicionales, etc.

Registros

Cuando el procesador ejecuta instrucciones, la información almacena en forma temporal en pequeñas ubicaciones de memoria local de 8, 16, 32 o 64 bits, denominadas registros. Dependiendo del tipo de procesador, el número total de registros puede variar de 10 a varios cientos. Los registros más importantes son:

• El registro acumulador (ACC), que almacena los resultados de las operaciones aritméticas y lógicas.
• El registro de estado (PSW, Processor Estado: Word o Palabra de Estado del Procesador), que contiene los indicadores de estado del sistema.
• El registro de instrucción (RI), que contiene la instrucción que está siendo procesada actualmente.
• El contador ordinal (OC o PC por Program Counter, Contador de Programa), que contiene la dirección de la siguiente instrucción a procesar.
• El registro del búfer, que almacena información en forma temporal desde la memoria.

Memoria Caché

La memoria caché (también memoria buffer) es una memoria rápida que permite reducir los tiempos de espera de las distintas informaciones almacenada en la RAM (Random Access Memory o Memoria de Acceso Aleatorio). La memoria principal del ordenador es más lenta que la del procesador. Existen diferentes tipos de memoria que son mucho más rápidos, pero que tienen un costo más elevado. La solución consiste entonces, en incluir este tipo de memoria local próxima al procesador y en almacenar en forma temporal la información principal que se procesará en él. Los últimos modelos de ordenadores poseen muchos niveles distintos de memoria caché:

La Memoria caché nivel 1 (denominada L1 Cache, por Level 1 Cache) se encuentra integrada directamente al procesador. Se subdivide en dos partes:

• La primera parte es la caché de instrucción, que contiene instrucciones de la RAM que fueron decodificadas durante su paso por las canalizaciones.
• La segunda parte es la caché de información, que contiene información de la RAM, así como información utilizada recientemente durante el funcionamiento del procesador.

El tiempo de espera para acceder a las memorias caché nivel 1 es muy breve; es similar al de los registros internos del procesador.

La memoria caché nivel 2 (denominada L2 Cache, por Level 2 Cache) se encuentra ubicada en la carcasa junto con el procesador (en el chip). La caché nivel 2 es un intermediario entre el procesador con su caché interna y la RAM. Se puede acceder más rápidamente que a la RAM, pero no tanto como a la caché nivel 1.

La memoria caché nivel 3 (denominada L3 Cache, por Level 3 Cache) se encuentra ubicada en la placa madre.

Todos estos niveles de caché reducen el tiempo de latencia de diversos tipos de memoria al procesar o transferir información. Mientras el procesador está en funcionamiento, el controlador de la caché nivel 1 puede interconectarse con el controlador de la caché nivel 2, con el fin de transferir información sin entorpecer el funcionamiento del procesador. También, la caché nivel 2 puede interconectarse con la RAM (caché nivel 3) para permitir la transferencia sin entorpecer el funcionamiento normal del procesador.

Bonito, No.

Señales de Control

Las señales de control son señales electrónicas que orquestan las diversas unidades del procesador que participan en la ejecución de una instrucción. Dichas señales se envían utilizando un elemento denominado secuenciador. Por ejemplo, la señal Leer/Escribir permite que la memoria se entere de que el procesador desea leer o escribir información.

Unidades Funcionales

El procesador se compone de un grupo de unidades interrelacionadas (o unidades de control). Aunque la arquitectura del microprocesador varía considerablemente de un diseño a otro, los elementos principales del microprocesador son los siguientes:

Una unidad de control que vincula la información entrante para luego decodificarla y enviarla a la unidad de ejecución:La unidad de control se compone de los siguientes elementos:

• secuenciador (o unidad lógica y de supervisión ), que sincroniza la ejecución de la instrucción con la velocidad de reloj. También envía señales de control:
• contador ordinal, que contiene la dirección de la instrucción que se está ejecutando actualmente;
• registro de instrucción, que contiene la instrucción siguiente.

Una unidad de ejecución (o unidad de procesamiento), que cumple las tareas que le asigna la unidad de instrucción. La unidad de ejecución se compone de los siguientes elementos:

• La unidad aritmética lógica (se escribe ALU); sirve para la ejecución de cálculos aritméticos básicos y funciones lógicas.
• la unidad de punto flotante (se escribe FPU), que ejecuta cálculos complejos parciales que la unidad aritmética lógica no puede realizar.
• el registro de estado.
• el registro acumulador.

Una unidad de administración del bus (o unidad de entrada-salida) que administra el flujo de información entrante y saliente, y que se encuentra interconectado con el sistema RAM.

Transistor

Un transistor es un componente electrónico semi-conductor que posee tres electrodos capaces de modificar la corriente que pasa a través de el, utilizando uno de estos electrodos (denominado electrodo de control). Éstos reciben el nombre de "componentes activos", en contraste a los "componentes pasivos", tales como la resistencia o los capacitores, que sólo cuentan con dos electrodos (a los que se denomina "bipolares"). 

El transistor MOS (metal, óxido, silicona) es el tipo de transistor más común utilizado en el diseño de circuitos integrados. Los transistores MOS poseen dos áreas con carga negativa, denominadas respectivamente fuente (con una carga casi nula), y drenaje (con una carga de 5V), separadas por una región con carga positiva, denominada sustrato. El sustrato posee un electrodo de control superpuesto, denominado puerta, que permite aplicar la carga al sustrato. 

Cuando una tensión no se aplica en el electrodo de control, el sustrato con carga positiva actúa como barrera y evita el movimiento de electrones de la fuente al drenaje. Sin embargo, cuando se aplica la carga a la puerta, las cargas positivas del sustrato son repelidas y se realiza la apertura de un canal de comunicación con carga negativa entre la fuente y el drenaje. 

El transistor actúa entonces como conmutador programable, gracias al electrodo de control. Cuando se aplica una carga al electrodo de control, éste actúa como interruptor cerrado, y cuando no hay carga, actúa como interruptor abierto.

En Su Máximo Poder.

Circuitos Integrados

Una vez combinados, los transistores pueden constituir circuitos lógicos que, al combinarse, forman procesadores. El primer circuito integrado data de 1958 y fue construido por Texas Instruments. 

Los transistores MOS se componen, entonces, de láminas de silicona (denominadas obleas), obtenidas luego de múltiples procesos. Dichas láminas de silicona se cortan en elementos rectangulares para formar un "circuito". Los circuitos se colocan luego en carcasas con conectores de entrada-salida, y la suma de esas partes compone un "circuito integrado". La minuciosidad del grabado, expresado en micrones (micrómetros, se escribe µm) define el número de transistores por unidad de superficie. Puede haber millones de transistores en un sólo procesador. 

La Ley de Moore, escrita en 1965 por Gordon E. Moore, cofundador de Intel, predijo que el rendimiento del procesador (por extensión del número de transistores integrados a la silicona) se duplicaría cada 12 meses. Esta ley se revisó en 1975, y se cambió el número de meses a 18. La Ley de Moore sigue vigente hasta nuestros días. 

Conjunto de Instrucciones

Un conjunto de instrucciones es la suma de las operaciones básicas que puede cumplir un procesador. El conjunto de instrucciones de un procesador es un factor determinante en la arquitectura del éste, aunque una misma arquitectura puede llevar a diferentes implementaciones por diferentes fabricantes. 

El procesador funciona de forma eficiente gracias a un número limitado de instrucciones, conectadas de forma permanente a los circuitos electrónicos. La mayoría de las operaciones se pueden realizar utilizando funciones básicas. Algunas arquitecturas, no obstante, sí incluyen funciones avanzadas de procesamiento.

Arquitectura CISC

La arquitectura CISC (Complex Instruction Set Computer, Ordenador de Conjunto de Instrucciones Complejas) se refiere a la conexión permanente del procesador con las instrucciones complejas, difíciles de crear a partir de las instrucciones de base. 

La arquitectura CISC es especialmente popular en procesadores de tipo 80x86. Este tipo de arquitectura tiene un costo elevado a causa de las funciones avanzadas impresas en la silicona. 

Las instrucciones son de longitud diversa, y a veces requieren más de un ciclo de reloj. Dado que los procesadores basados en la arquitectura CISC sólo pueden procesar una instrucción a la vez, el tiempo de procesamiento es una función del tamaño de la instrucción.

Arquitectura RISC

Los procesadores con tecnología RISC (Reduced Instruction Set Computer, Ordenador de Conjunto de Instrucciones Reducidas) no poseen funciones avanzadas conectadas en forma permanente. 

Es por eso que los programas deben traducirse en instrucciones sencillas, lo cual complica el desarrollo o hace necesaria la utilización de un procesador más potente. Este tipo de arquitectura tiene un costo de producción reducido si se lo compara con los procesadores CISC. Además, las instrucciones de naturaleza sencilla se ejecutan en un sólo ciclo de reloj, lo cual acelera la ejecución del programa si se lo compara con los procesadores CISC. Para terminar, dichos procesadores pueden manejar múltiples instrucciones en forma simultánea, procesándolas en paralelo.

Procesamiento Paralelo

El procesamiento paralelo consiste en la ejecución simultánea de instrucciones desde el mismo programa pero en diferentes procesadores. Implica la división del programa en múltiples procesos manejados en paralelo a fin de reducir el tiempo de ejecución. 

No obstante, este tipo de tecnología necesita sincronización y comunicación entre los diversos procesos, de manera similar a lo que puede llegar a ocurrir cuando se dividen las tareas en una empresa: se distribuye el trabajo en procesos discontinuos más pequeños que son manejados por diversos departamentos. El funcionamiento de una empresa puede verse afectado en gran medida si la comunicación entre los distintos servicios internos no funciona de manera correcta.

Asi ó Mas Pequeño.

Canalización

Se denomina canalización a la tecnología destinada a mejorar la velocidad de ejecución de instrucciones mediante la colocación de las diversas etapas en paralelo. A fin de comprender el mecanismo de canalización, es necesario primero comprender las etapas de ejecución de una instrucción. Las etapas de ejecución de una instrucción correspondientes a un procesador con canalización "clásica" de 5 pasos son las siguientes:

• RECUPERACIÓN: (recupera la instrucción de la caché;
• DECODIFICACIÓN: decodifica la instrucción y busca operandos (valores de registro o inmediatos);
• EJECUCIÓN: ejecuta la instrucción (por ejemplo, si se trata de una instrucción ADD, se realiza una suma, si es una instrucción SUB, se realiza una resta, etc.);
• MEMORIA: accede a la memoria, y escribe o recupera información desde allí;
• POST ESCRITURA (retirar): registra el valor calculado en un registro.

Las instrucciones se organizan en líneas en la memoria y se cargan una tras otra. 

Gracias a la canalización, el procesamiento de instrucciones no requiere más que los cinco pasos anteriores. Dado que el orden de los pasos es invariable (RECUPERACIÓN, DECODIFICACIÓN, EJECUCIÓN, MEMORIA, POST ESCRITURA), es posible crear circuitos especializados para cada uno de éstos en el procesador. 

El objetivo de la canalización es ejecutar cada paso en paralelo con los pasos anteriores y los siguientes, lo que implica leer la instrucción (RECUPERACIÓN) mientras se lee el paso anterior (DECODIFICACIÓN), al momento en que el paso anterior está siendo ejecutado (EJECUCIÓN) al mismo tiempo que el paso anterior se está escribiendo en la memoria (MEMORIA), y que el primer paso de la serie se registra en un registro (POST ESCRITURA). 

En general, deben planificarse 1 o 2 ciclos de reloj (rara vez más) para cada paso de canalización, o un máximo de 10 ciclos de reloj por instrucción. Para dos instrucciones, se necesita un máximo de 12 ciclos de reloj (10+2=12 en lugar de 10*2=20), dado que la instrucción anterior ya se encontraba en la canalización. Ambas instrucciones se procesan simultáneamente, aunque con una demora de 1 o 2 ciclos de reloj. Para 3 instrucciones, se necesitan 14 ciclos de reloj, etc. 

El principio de la canalización puede compararse a una línea de ensamblaje automotriz. El auto se mueve de una estación de trabajo a la otra a lo largo de la línea de ensamblaje y para cuando sale de la fábrica, está completamente terminado. A fin de comprender bien el principio, debe visualizarse la línea de ensamblaje como un todo, y no vehículo por vehículo. Se necesitan tres horas para producir cada vehículo, pero en realidad se produce uno por minuto. Debe notarse que existen muchos tipos diferentes de canalizaciones, con cantidades que varían entre 2 y 40 pasos, pero el principio siempre es el mismo.

Una Limpieza De Vez En Cuando No Hace Daño.