Microprocesador
1 Historia de los
microprocesadores:
El microprocesador es un producto
de la computadora y con tecnología semiconductora. Se eslabona desde
la mitad de los años 50's; estas tecnologías se fusionaron a principios de los
años 70”s produjeron llamado micro procesador.
La computadora digital hace
cálculos bajo el control de un programa. La manera general en que los
cálculos se han hecho es llamada la arquitectura de la computadora
digital. Así mismo la historia de circuitos de estado sólido nos
ayuda también, porque el microprocesador es un circuito con transistores o
microcircuito LSI (grande escala de integración), para ser más
preciso.
El mapa de la figura, mostrada al final de esta sección, muestra los
sucesos importantes de éstas dos tecnologías que se desarrollaron en las
últimas cinco décadas. Las dos tecnologías iniciaron su desarrollo desde
la segunda guerra mundial; en este tiempo los científicos
desarrollaron computadoras especialmente para uso militar. Después de la
guerra, a mediados del año de 1940 la computadora digital fue desarrollada para
propósitos científicos y civiles.
1.1La evolución de
los microprocesadores
En los años 50's, aparecen las
primeras computadoras digitales de propósito general. Éstas usaban tubos al
vacío (bulbos) como componentes electrónicos activos.
La construcción de una
computadora digital requiere de muchos circuitos o dispositivos electrónicos.
El principal paso tomado en la computadora fue hacer que el dato fuera
almacenado en memoria como una forma de palabra digital.
El primer microprocesador de 8
bits fue el Intel 8008, desarrollado en 1979 para su empleo en
terminales informáticos.
Los microprocesadores modernos
tienen una capacidad y velocidad mucho mayores.
A principios de los años 60's,
el arte de la construcción de computadoras de estado sólido se
incrementó y surgieron las tecnologías en circuitos digitales como: RTL (Lógica
Transistor Resistor), DTL (Lógica Transistor Diodo), TTL (Lógica Transistor
Transistor), ECL (Lógica Complementada Emisor).
A mediados de los años 60's se
producen las familias de lógica digital, dispositivos en escala SSI y MSI que
corresponden a pequeña y mediana escala de integración de componentes en los
circuitos de fabricación.
A finales de los años 60's y
principios de los años 70's surgieron los LSI (gran escala de integración). La
tecnología LSI fue haciendo posible más y más circuitos digitales en un
circuito integrado.
Después se dio un paso importante
en la reducción de la arquitectura de la computadora a un circuito integrado
simple, resultando un circuito que fue llamado el microprocesador.
El primer microprocesador fue el
Intel 4004, producido en 1971. Se desarrolló originalmente para una
calculadora, y resultaba revolucionario para su época.
El primer microprocesador de 8
bits fue el Intel 8008, desarrollado en 1979 para su empleo en
terminales informáticos, el primer microprocesador realmente diseñado para uso
general, desarrollado en 1974, fue el Intel 8080 de 8 bits, que contenía 4.500
transistores y podía ejecutar 200.000 instrucciones por segundo.
1.2 Breve Historia
1971: MICROPROCESADOR 4004
El 4004 fue el primer
microprocesador de Intel. Este descubrimiento impulsó la calculadora de Busicom
y pavimentó la manera para integrar inteligencia en objetos animados así como
la computadora personal.
1972: MICROPROCESADOR i8008
Codificado inicialmente como
1201, fue pedido a Intel por Computer Terminal
Corporation para usarlo en su
terminal programable Datapoint 2200, pero debido a que Intel terminó el
proyecto tarde y a que no cumplía con las expectativas de Computer Terminal
Corporation, finalmente no fue usado en el Datapoint 2200. Posteriormente
Computer Terminal Corporation e Intel acordaron que el i8008 pudiera ser
vendido a otros clientes.
1974: MICROPROCESADOR 8080
Los 8080 se convirtieron en los
cerebros de la primera computadora personal la Altair 8800 de MITS, según
se alega, nombrada en base a un destino de la Nave Espacial
"Starship" del programa de televisión Viaje a las Estrellas, y el
IMSAI 8080, formando la base para las máquinas que corrían el sistema operativo
CP/M.
1978: MICROPROCESADOR
8086-8088
Una venta realizada por Intel a
la nueva división de computadoras personales de IBM, hizo que los cerebros de
IBM dieran un gran golpe comercial con el nuevo producto para el 8088, el IBM
PC. El éxito del 8088 propulsó a Intel en la lista de las 500 mejores
compañías.
1982: MICROPROCESADOR 286
El 286, también conocido como el
80286, era el primer procesador de Intel que podría ejecutar todo el software
escrito para su predecesor. Esta compatibilidad del software sigue siendo un
sello de la familia de Intel de microprocesadores. Luego de 6 años de su
introducción, había un estimado de 15 millones de 286 basados en computadoras
personales instalados alrededor del mundo.
1985: EL MICROPROCESADOR INTEL
386
El procesador Intel 386 ofreció
275 000 transistores, más de 100 veces tantos como en el original 4004. El 386
añadió una arquitectura de 32 bits, poseía capacidad multitarea, que significa
que podría ejecutar múltiples programas al mismo tiempo y una unidad de
traslación de páginas, lo que hizo mucho más sencillo implementar sistemas
operativos que emplearan memoria virtual.
1989: EL DX CPU
MICROPROCESADOR INTEL 486
La generación 486 realmente
significó que el usuario contaba con una computadora con muchas opciones
avanzadas, entre ellas,un conjunto de instrucciones optimizado, una unidad de
coma flotante y un caché unificado integrados en el propio circuito integrado
del microprocesador y una unidad de interfaz de bus mejorada. Estas mejoras
hacen que los i486 sean el doble de rápidos que un i386 e i387 a la misma
frecuencia de reloj.
1991: AMD AMx86
Procesadores lanzados por
AMD 100% compatible con los códigos de Intel de ese momento, ya que eran
clones, pero llegaron a superar incluso la frecuencia de reloj de los
procesadores de Intel a precios significativamente menores. Aquí se incluyen
las series Am286, Am386, Am486 y Am586.
1993: PROCESADOR DE PENTIUM
El procesador de Pentium poseía
una arquitectura capaz de ejecutar dos operaciones a la vez gracias a sus dos
pipeline de datos de 32bits cada uno, uno equivalente al 486DX(u) y el otro
equivalente a 486SX(u). Además, poseía un bus de datos de 64 bits, permitiendo
un acceso a memoria 64 bits (aunque el procesador seguía manteniendo
compatibilidad de 32 bits para las operaciones internas y los registros también
eran de 32 bits).
1995: PROCESADOR PENTIUM
PROFESIONAL
Lanzado al mercado para el otoño
de 1995 el procesador Pentium Pro se diseña con una arquitectura de 32 bits, su
uso en servidores, los programas y aplicaciones para estaciones de trabajo
(redes) impulsan rápidamente su integración en las computadoras. El rendimiento
del código de 32 bits era excelente, pero el Pentium Pro a menudo iba más
despacio que un Pentium cuando ejecutaba código o sistemas operativos de 16
bits. Cada procesador Pentium Pro estaba compuesto por unos 5,5 millones de
transistores.
1996: AMD K5
Habiendo abandonado los clones se
fabricada AMD de tecnologías análogas a Intel. MD sacó al mercado su
primer procesador propio, el K5, rival del Pentium. La arquitectura RISC86 del
AMD K5 era más semejante a la arquitectura del Intel Pentium Pro que a la del
Pentium. El K5 es internamente un procesador RISC con una Unidad x86-
decodificadora que transforma todos los comandos x86 de la aplicación en
comandos RISC. Este principio se usa hasta hoy en todos los CPUs x86.
1997: PROCESADOR PENTIUM II
El procesador de 7,5 millones de
transistores Pentium II, se busca entre los cambios fundamentales con respecto
a su predecesor, mejorar el rendimiento en la ejecución de código de 16 bits,
añadir el conjunto de instrucciones MMX y eliminar la memoria caché de
segundo nivel del núcleo del procesador, colocándola en una tarjeta de circuito
impreso junto a éste.
1996: AMD K6 Y AMD K6-2
Con el K6, AMD no sólo consiguió
hacerle seriamente la competencia a Intel en el terreno de los Pentium MMX,
sino que además amargó lo que de otra forma hubiese sido un plácido dominio del
mercado, ofreciendo un procesador que casi se pone a la altura del mismísimo
Pentium II por un precio muy inferior a sus análogos. En cálculos en coma
flotante, el K6 también quedó por debajo del Pentium II, pero por encima del
Pentium MMX y del Pro. El K6 contó con una gama que va desde los 166 hasta los
mas de 500 Mhz y con el juego de instrucciones MMX, que ya se han convertido en
estándar.
1998: EL PROCESADOR PENTIUM II
XEON
Los procesadores Pentium II Xeon
se diseñan para cumplir con los requisitos de desempeño en computadoras de
medio-rango, servidores más potentes y estaciones de trabajo (workstations).
Consistente con la estrategia de Intel para diseñar productos de procesadores
con el objetivo de llenar segmentos de los mercados específicos, el procesador
Pentium II Xeon ofrece innovaciones técnicas diseñadas para las estaciones de
trabajo (workstations) y servidores que utilizan aplicaciones comerciales
exigentes como servicios de Internet, almacenaje de datos corporativo,
creaciones digitales y otros. Pueden configurarse sistemas basados en el
procesador para integrar de cuatro o ocho procesadores y más allá de este
número.
1999: EL PROCESADOR CELERON
Continuando la estrategia de
Intel, en el desarrollo de procesadores para los segmentos del mercado
específicos, el procesador Intel Celeron es el nombre que lleva la línea de
procesadores de bajo coste de Intel. El objetivo era poder, mediante ésta
segunda marca, penetrar en los mercados impedidos a los Pentium, de mayor
rendimiento y precio. Se diseña para el añadir valor al segmento del mercado de
los PC. Proporcionó a los consumidores una gran actuación a un bajo coste, y
entregó un desempeño destacado para usos como juegos y el software educativo.
1999: AMD ATHLON K7 (CLASSIC Y THUNDERBIRD)
Procesador compatible con la
arquitectura x86. Internamente el Athlon es un rediseño de su antecesor, al que
se le mejoró substancialmente el sistema de coma flotante (ahora son 3
unidades de coma flotante que pueden trabajar simultáneamente) y se le aumentó
la memoria caché de primer nivel (L1) a 128 KB (64 KB para datos y 64 KB
para instrucciones). Además incluye 512 KB de caché de segundo nivel (L2). El
resultado fue el procesador x86 más potente del momento.
1999: PROCESADOR PENTIUM III
El procesador Pentium III ofrece
70 nuevas instrucciones (Internet Streaming, las extensiones de SIMD las
cuales refuerzan dramáticamente el desempeño con imágenes avanzadas, 3D, añadiendo
una mejor calidad de audio, video y desempeño en aplicaciones de reconocimiento
de voz. Fue diseñado para reforzar el área del desempeño en el Internet, le
permite a los usuarios hacer cosas, tales como, navegar a través de páginas
pesadas (llenas de gráficas) como las de los museos online, tiendas virtuales y
transmitir archivos video de alta calidad. El procesador incorpora 9,5 millones
de transistores, y se introdujo usando en él la tecnología 250 nanómetros.
1999: EL PROCESADOR PENTIUM
III XEON
El procesador Pentium III Xeon
amplía las fortalezas de Intel en cuanto a las estaciones de trabajo
(workstation) y segmentos de mercado de servidor y añade una actuación mejorada
en las aplicaciones del comercio electrónico y la informática comercial
avanzada. Los procesadores incorporan tecnología que refuerzan los multimedios
y las aplicaciones de video. La tecnología del procesador III Xeon acelera la
transmisión de información a través del bus del sistema al procesador,
mejorando la actuación significativamente. Se diseña pensando principalmente en
los sistemas con configuraciones de multiprocesador.
2000: PENTIUM 4
El Pentium 4 es un
microprocesador de séptima generación basado en la arquitectura x86 y
fabricado por Intel. Es el primer microprocesador con un diseño completamente
nuevo desde el Petium Pro. Se estreno la arquitectura NetBurst, la cual no daba
mejoras considerables respecto a la anterior P6. Intel sacrificó el rendimiento
de cada ciclo para obtener a cambio mayor cantidad de ciclos por segundo y una
mejora en las instrucciones SSE.
2001: ATHLON XP
Cuando Intel sacó el Penyium
4 a 1,7 GHz en abril de 2001 se vio que el Athlon Thunderbird no estaba a
su nivel. Además no era práctico para el overclocking, entonces para seguir
estando a la cabeza en cuanto a rendimiento de los procesadores x86, AMD tuvo
que diseñar un nuevo núcleo, por eso sacó el Athlon XP. Compatibilizaba las
instrucciones SSE y las 3DNow! Entre las mejoras respecto al Thunderbird
podemos mencionar la prerrecuperación de datos por hardware, conocida en inglés
como prefetch, y el aumento de las entradas TLB, de 24 a 32.
2004: PENTIUM 4 (PRESCOTT)
A principios de febrero de 2004,
Intel introdujo una nueva versión de Pentium 4 denominada 'Prescott'. Primero
se utilizó en su manufactura un proceso de fabricación de 90 nm y luego se
cambió a 65nm. Su diferencia con los anteriores es que éstos poseen 1 MB o 2 MB
de caché L2 y 16 KB de caché L1 (el doble que los Northwood), Prevención
de Ejecución, SpeedStep, C1E State, un HyperThreading mejorado, instrucciones
SSE3, manejo de instrucciones AMD64, de 64 bits creadas por AMD, pero
denominadas EM64T por Intel, sin embargo por graves problemas de
temperatura y consumo, resultaron un fracaso frente a los Athlon 64.
2004: ATHLON 64
El AMD Athlon 64 es un
microprocesador x86 de octava generación que implementa el conjunto de
instrucciones AMD64 , que fueron introducidas con el procesador Opteron.
El Athlon 64 presenta un controlador de memoria en el propio circuito integrado
del microprocesador y otras mejoras de arquitectura que le dan un mejor
rendimiento que los anteriores Athlon y Athlon XP funcionando a la misma
velocidad, incluso ejecutando código heredado de 32 bits.El Athlon 64 también
presenta una tecnología de reducción de la velocidad del procesador
llamada Cool'n'Quiet,
2006: INTEL CORE Y CORE 2 DUO
Intel lanzó ésta 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 el la nueva
arquitectura Core de Intel. La microarquitectura Core regresó a velocidades de
CPU bajas y mejoró el uso del procesador de ambos ciclos de velocidad y energía
comparados con anteriores NetBurst de los CPUs Pentium 4/D2 La
microarquitectura Core provee etapas de decodificación, unidades de ejecución,
caché y buses más eficientes, reduciendo el consumo de energía de CPUs Core 2,
mientras se incrementa la capacidad de procesamiento.
2007: AMD PHENOM
Phenom fue el nombre dado por
Advanced Micro Devices (AMD) a la primera generación de procesadores de tres y
cuatro núcleos basados en la microarquitectura K10. Como característica común
todos los Phenom tienen tecnología de 65 nanómetros lograda a través de
tecnología de fabricación Silicon on insulator (SOI). No obstante, Intel, ya se
encontraba fabricando mediante la más avanzada tecnología de proceso de 45 nm
en 2008. Los procesadores Phenom están diseñados para facilitar el uso
inteligente de energía y recursos del sistema, listos para la virtualización,
generando un óptimo rendimiento por vatio.
2008: INTEL CORE NEHALEM
Intel Core i7 es una familia de
procesadores de cuatro núcleos de la arquitectura Intel x86-64. Los Core i7 son
los primeros procesadores que usan la microarquitectura Nehalem de Intel y es
el sucesor de la familia Intel Core 2. FSB es reemplazado por la interfaz
QuickPath en i7 e i5 (socket 1366), y sustituido a su vez en i7, i5 e i3
(socket 1156) por el DMI eliminado el northBrige e implementando puertos PCI
Express directamente. Memoria de tres canales (ancho de datos de 192 bits):
cada canal puede soportar una o dos memorias DIMM DDR3. Las placa base
compatibles con Core i7 tienen cuatro (3+1) o seis ranuras DIMM en lugar de dos
o cuatro, y las DIMMs deben ser instaladas en grupos de tres, no dos.
2008: AMD PHENOM II Y ATHLON II
Phenom II es el nombre dado por
AMD a una familia de microprocesadores o CPUs multinúcleo (multicore)
fabricados en 45 nm, la cual sucede al Phenom original y dieron soporte a DDR3.
Una de las ventajas del paso de los 65 nm a los 45 nm, es que permitió aumentar
la cantidad de cache L3. De hecho, ésta se incrementó de una manera generosa,
pasando de los 2 MB del Phenom original a 6 MB.
2010: INTEL CORE SANDY BRIDGE
Los próximos procesadores de
Intel de la familia core
2011: AMD BULLDOZER
Los próximos procesadores de AMD
de la familia Fusión
2. Funcionamiento del
Microprocesador
Básicamente un procesador realiza
comparaciones lógicas y operaciones básicas sobre datos que se
pueden encontrar en la Memoria RAM, Caché, registros de CPU, etc. Utilizando
compuertas lógicas, registros y las instrucciones o Flips Flops.
El microprocesador ejecuta instrucciones almacenadas como números binarios en
la memoria principal. La ejecución se puede realizar en varias fases:
PreFetch, Pre lectura de la
instrucción desde la memoria principal.
Fetch, envio de la instrucción al
decodificador (una parte de la CPU).
De codificación de
instrucción, es decir determinar que instrucción es y por tanto que se debe
hacer.
Lectura de operandos (si los
hay).
Ejecución de la microinstrucción.
Escritura de los resultados,
primero en el registro acumulador y después en la memoria RAM
si fuera necesario.
Cada una de estas fases se
realiza en uno o varios ciclos de CPU, dependiendo de la estructura del
procesador, y concretamente de su grado de segmentación. La duración de estos
ciclos viene determinada por la frecuencia de reloj, y nunca podrá ser inferior
al tiempo requerido para realizar la tarea individual (en un solo ciclo) de
mayor tiempo.
3. Rendimiento
El rendimiento del procesador
puede ser medido de distintas maneras, hasta hace pocos años se creía que
la frecuencia de reloj era una medida
precisa, pero ese mito, conocido como «mito de los megahertzios» se
ha visto desvirtuado por el hecho de que los procesadores no han requerido
frecuencias más altas para aumentar su potencia de cómputo.
Durante los últimos años esa
frecuencia se ha mantenido en el rango de los 1,5 GHz a 4 GHz, dando como resultado
procesadores con capacidades de proceso mayores comparados con los primeros que
alcanzaron esos valores. Además la tendencia es a incorporar más núcleos dentro
de un mismo encapsulado para aumentar el rendimiento por medio de una
computación paralela, de manera que la velocidad de reloj es un indicador menos
fiable aún. De todas maneras, una forma fiable de medir la potencia de un
procesador es mediante la obtención de las Instrucciones por ciclo.
Medir el rendimiento con la
frecuencia es válido únicamente entre procesadores con arquitecturas muy similares
o iguales, de manera que su funcionamiento interno sea el mismo: en ese caso la
frecuencia es un índice de comparación válido.
Esto se podría reducir en que los
procesadores son fabricados por lotes con diferentes estructuras internas
atendiendo a gamas y extras como podría ser una memoria caché de diferente
tamaño, aunque no siempre es así y las gamas altas difieren muchísimo más de
las bajas que simplemente de su memoria caché.
La capacidad de un procesador
depende fuertemente de los componentes restantes del sistema, sobre todo del
chipset, de la memoria RAM y del software.
4. Arquitectura
El microprocesador tiene una
arquitectura parecida a la computadora digital. En otras palabras, el
microprocesador es como la computadora digital porque ambos realizan cálculos
bajo un programa de control. Consiguientemente, la historia de la computadora
digital ayuda a entender el microprocesador. El hizo posible la fabricación de
potentes calculadoras y de muchos otros productos. El microprocesador utiliza
el mismo tipo de lógica que es usado en la unidad procesadora central (CPU) de
una computadora digital. El microprocesador es algunas veces llamado unidad
microprocesadora (MPU). En otras palabras, el microprocesador es una unidad
procesadora de datos. En un microprocesador se puede diferenciar diversas
partes:
Encapsulado: es lo que
rodea a la oblea de silicio en si, para darle consistencia, impedir su
deterioro (por ejemplo, por oxidación por el aire) y permitir el enlace con los
conectores externos que lo acoplaran a su zócalo a su placa base.
Memoria cache: es una
memoria ultrarrápida que emplea el micro para tener a alcance directo ciertos
datos que «predeciblemente» serán utilizados en las siguientes operaciones, sin
tener que acudir a la memoria RAM, reduciendo así el tiempo de espera para
adquisición de datos. Todos los micros compatibles con PC poseen la llamada
cache interna de primer nivel o L1; es decir, la que está dentro del micro,
encapsulada junto a él. Los micros más modernos (Pentium III Coppermine, Athlon
Thunderbird, etc.) incluyen también en su interior otro nivel de caché, más
grande, aunque algo menos rápida, es la caché de segundo nivel o L2 e incluso
los hay con memoria caché de nivel 3, o L3.
Coprocesador matemático:
unidad de coma flotante. Es la parte del micro especializada en esa clase de
cálculos matemáticos, antiguamente estaba en el exterior del procesador en otro
chip. Esta parte esta considerada como una parte «lógica» junto con los
registros, la unidad de control, memoria y bus de datos.
Registros: son básicamente
un tipo de memoria pequeña con fines especiales que el micro tiene disponible
para algunos usos particulares. Hay varios grupos de registros en cada
procesador. Un grupo de registros esta diseñado para control del programador y
hay otros que no son diseñados para ser controlados por el procesador pero que
la CPU los utiliza en algunas operaciones, en total son treinta y dos
registros.
Memoria: es el lugar donde
el procesador encuentra las instrucciones de los programas y sus datos. Tanto
los datos como las instrucciones están almacenados en memoria, y el procesador
las accede desde allí. La memoria es una parte interna de la computadora y su
función esencial es proporcionar un espacio de almacenamiento para el trabajo
en curso.
Puertos: es la manera en
que el procesador se comunica con el mundo externo. Un puerto es análogo a una
línea de teléfono. Cualquier parte de la circuitería de la computadora con la
cual el procesador necesita comunicarse, tiene asignado un «número de puerto»
que el procesador utiliza como si fuera un número de teléfono para llamar
circuitos o a partes especiales.
5. Fabricación
El proceso de fabricación es
llevado a cabo en los llamados laboratorios blancos, se los llama así porque el
laboratorio debe estar completamente libre de cualquier posible espora de
polvo, lo cual podría provocar millones de dólares de pérdidas, pero esto ya lo
desarrollare mas adelante. Se estima que una de estas fábricas, pueden llegar a
valer algo de 0.2 billones de euros, algo de 200.000.000.000 millones de euros.
Por eso mismo son contadas, solo hay una en los EEUU, otra en Alemania, y otra
en Japón.
5.1 Procesadores de silicio
El silicio es el material
primordial en todo este proceso, actualmente se lo extrae de la arena pero es
muy complicado obtener silicio completamente puro, en Barcelona se descubrió
una nueva fuente de este valioso elemento y esta fuente son las cascaras de
arroz, al parecer esta, tras ser convertida en ceniza, un importante porcentaje
de silicio. Al quemar la cáscara de arroz se obtiene un 18% de ceniza, que
contiene un 92% de silicio.
Óxido de silicio, la utilidad de
este elemento se describirá en el siguiente punto.
Sierra de diamante.
Maquinaria especializada
generadora de radiación ultravioleta.
Alambre
conductor, generalmente de oro.
Etileno para elaborar las
capsulas protectoras.
Trajes estériles para manipular
los elementos.
Por último se debe estar en un
clean room o ambiente limpio.
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. Salvando las escalas, se trata de un proceso comparable al
visto para la fabricación de circuitos impresos. 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.
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 al momento de aplicar
cada una de las máscaras utilizadas durante la fabricación.
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.
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
La mayoría de los errores se dan
en los bordes de la oblea, dando como resultados chips capaces de funcionar a
velocidades menores que los del centro de la oblea o simplemente con
características desactivadas, tales como núcleos. 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.
5.2 Otros materiales
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
6. Empaquetados
.
Empaquetado de un
procesador Intel 80486 en un empaque de cerámica.
Los microprocesadores son
circuitos integrados y como tal están formados por un chip de silicio y un
empaque con conexiones eléctricas. En los primeros procesadores el empaque se
fabricaba con plásticos epóxidos 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 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.
En la actualidad los
microprocesadores de diversos tipos (incluyendo procesadores gráficos) se
ensamblan por medio de la tecnología Flip chip.
El chip semiconductor es soldado directamente a un arreglo de pistas
conductoras (en el sustrato laminado) con la ayuda de unas microesferas que se
depositan sobre las obleas de semiconductor en las etapas finales de su
fabricación. El sustrato laminado es una especie de circuito impreso que posee
pistas conductoras hacia pines o contactos, que a su vez servirán de conexión
entre el chip semiconductor y un zócalo de CPU o una placa
base.<4>
Antiguamente las 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.
6.1 Disipación de calor
Un disipador es un
instrumento que se utiliza para bajar la temperatura de algunos componentes
electrónicos.
Su funcionamiento se basa en
la segunda ley de la termodinámica,
transfiriendo el calor de la parte caliente que se desea disipar al aire. Este proceso se
propicia aumentando la superficie de contacto con el aire permitiendo una
eliminación más rápida del calor excedente.
7. Conexión con el exterior
Un disipador extrae el calor del
componente que refrigera y lo evacua al exterior, normalmente al aire. Para
ello es necesaria una conducción de calor a través del mismo, por lo que se
suelen fabricar de aluminio por su ligereza, pero también de cobre, mejor
conductor de calor.
7.1 Bus del procesador
Un bus no es cosa que una
trayectoria común a través de la cual pueden viajar los datos dentro de una
computadora: esta trayectoria se emplea para comunicaciones y puede
establecerse entre dos ó más elementos de la computadora. Una PC tiene muchas
clases de buses, incluyendo los siguientes:
Bus del procesador
- Bus de direcciones
- Bus de memoria
- Bus de E/S
El bus del procesador es la
trayectoria de comunicaciones entre la CPU y los chips de soporte inmediatos,
que se conoce como conjunto de chips. Este bus se usa, por ejemplo, para
transferir datos entre la CPU y el bus principal del sistema, o entre la CPU y
el caché de memoria externa.
Ya que la finalidad del bus del
procesador es la de obtener información hacia y desde la CPU a la mayor
velocidad posible, este bus opera a una frecuencia mucho más rápida que
cualquier otro bus en su sistema; aquí no existe ningún cuello de botella. El
bus consiste de circuitos eléctricos para datos, direcciones y para fines de
control.
El bus del procesador opera a la
misma velocidad de reloj a la que lo hace la CPU en forma externa. Esto puede
resultar engañoso, ya que la mayoría de las CPUs actuales operan internamente a
una velocidad superior a como la hacen en forma externa.
1. Laser y óptica
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