Microprocesador.

Un microprocesador, también conocido como procesador, micro, chip o microchip, es un circuito lógico que responde y procesa las operaciones lógicas y aritméticas que hacen funcionar a nuestras computadoras. En definitiva, es su cerebro.

Pero un procesador no actúa por propia iniciativa, recibe constantemente órdenes de múltiples procedencias. Cuando encendemos nuestra computadora, lo primero que hace el micro es cumplir con las instrucciones de la BIOS (basic input/output system), que forma parte de la memoria de la computadora. Una vez funcionando, además de la BIOS, será el sistema operativo y los programas instalados los que seguirán haciéndose obedecer por el microprocesador.

Según sus características físicas.

La memoria caché evita que se use la memoria RAM innecesariamente.

Los microprocesadores asemejan una pequeña computadora digital en miniatura, por lo que presenta su propia arquitectura y realiza operaciones bajo un programa de control. Dicha arquitectura se compone de:

Encapsulado. Una cubierta cerámica que recubre el silicio y lo protege de los elementos (como el oxígeno del aire).

Caché. Un tipo de memoria ultrarrápida disponible para el procesador, de modo que no emplee memoria RAM sino cuando sea necesario, ya que en los varios niveles de la memoria caché se guardan datos en uso para su recuperación inmediata.

Coprocesador matemático. Llamada unidad de coma flotante, es la porción del procesador que se encarga de las operaciones lógicas y formales.

Registros. Una memoria breve de trabajo en el procesador, diseñada para llevar el control de su propio funcionamiento y condiciones.

Puertos. Los conductos que permiten al procesador comunicar la información con el resto de los componentes del sistema.

Zócalo. Es el tipo de conector con pines o socket al que debéis conectar a vuestra placa base. Es muy importante que os fijéis en este término, ya que de lo contrario, podéis comprar sin querer una CPU que sea incompatible con vuestra motherboard. Por ejemplo, las últimas de Intel suelen ser tener el socket 1151, mientras que las de AMD con Ryzen son AM4.

Según su propósito.

De propósito general:

Un microprocesador de propósito general es capaz de realizar varias funciones diferentes a partir de las instrucciones del programa.

De propósito específico:

Un microprocesador de propósito específico son aquellos que realizan una sola tarea según la instrucción dada por el programa.

 

Según su longitud de palabras.

Longitud de palabra es el número de bits en el bus de datos interno de un procesador o es el número de bits que un procesador puede procesar a la vez.

Por ejemplo, un procesador de 8 bits tendrá un bus de datos de 8 bits, registros de 8 bits y procesará 8 bits a la vez. Para realizar operaciones de bits más altos (32 o 16 bits), dividirá eso en una serie de operaciones de 8 bits.

 

Según su fabricante.

1. Intel

Probablemente la más popular aunque curiosamente no sea la que domina el mercado. Intel fue el primer fabricante de microprocesadores; tiene el honor de haber sacado al mercado el primero, allá por el año 1971, bautizado como el Intel 4004. La empresa fue fundada solamente tres años antes y hoy en día sigue manteniendo su protagonismo en el mercado, si bien ha ampliado fronteras porque entre otras cosas compite contra más rivales.

2. Qualcomm

La compañía tecnológica con sede en la ciudad californiana de San Diego es una de las punteras en el negocio de la fabricación de microprocesadores, probablemente más que otras más famosas como Intel. De hecho, Samsung trabaja habitualmente con Qualcomm hasta el punto de que pese a que los coreanos también fabrican sus propios chips, usará un modelo de Qualcomm para el futuro Galaxy S9 en el mercado americano.

3. TSMC

Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, significado de sus siglas, es una compañía de Taiwan y es una de las más activas del momento en este mercado gracias sobre todo a haber podido fabricar microprocesadores para Apple entre otros. TSMC es el ejemplo junto a Mediatek y otras compatriotas de que el dominio norteamericano (concretamente californiano) se está poniendo también en duda desde China en negocios tecnológicos.

4. IBM

Otro gigante conocido por todos pero seguramente no porque sea fabricante de microprocesadores. Lleva años haciéndolo con éxito, incluso estuvo aliada con Apple y Motorola en tiempos de la arquitectura POWERPC.

5. MediaTek

Es una compañía china que fundamentalmente trabaja para los dispositivos Android. En eso tiene centrados sus esfuerzos de cara al 2018, especialmente en detalles como el reconocimiento facial por un lado en los smartphones, y en lanzar su nueva generación de chips para Android TV.

6. AMD

Advanced Micro Devices se atribuye a sí mismo el microprocesador más rápido para portátiles ultralight, que actualmente son los más demandados por el consumidor, ya que requieren productos de poco peso que puedan ser transportados constantemente con comodidad y sin dañar la salud. Los californianos se hacen hueco en la élite gracias a productos tan potentes como este procesador móvil AMD Ryzen.

7. Spreadtrum

Otra compañía china que compite en el mundo de los microprocesadores. Trabaja en colaboración con gigantes como Intel actualmente. Uno de sus clientes más potentes es la firma china Leagoo, que hace unos días ha presentado su nuevo smartphone Leagoo T5c.

Además de estos gigantes de la fabricación de microprocesadores, existen empresas que fabrican los suyos propios como es el caso de Samsung o de Huawei. Es curioso que Apple haya contratado los servicios de Samsung en numerosas ocasiones precisamente por sus microprocesadores. Esto se debe a que es un mercado complicado en el que se producen acuerdos de colaboración entre los propios fabricantes e incluso algunas compañías tienen que contratar servicios de sus competidores para que les fabriquen por ejemplo microprocesadores.

Según el número de instrucciones.

Cualquier aplicación o programa que tengas en tu PC estará formada por instrucciones y datos. Con datos se entiende todo aquello sobre lo que vamos a trabajar o reproducir. Por ejemplo, una foto, un video musical, una canción. Las instrucciones serán las encargadas de decirle al procesador que hacer con esos datos, a veces los transformaran, otras se encargara de enviarlo a la tarjeta gráfica o a la de sonido.

El conjunto de instrucciones que un procesador soporta definirá que aplicaciones entiende y por tanto cuales puede llegar a ejecutar. Esta diferencia es la que hace, entre otras cosas que las aplicaciones que tienes en tu PC de sobremesa y el que encuentras en un Smartphone.

Cuando un nuevo conjunto de instrucciones aparece tenemos que esperar a que sea implementado en los nuevos programas y a veces que el sistema operativo los soporte. Es decir, la mejora prometida, puede tardar años en verse. Los continuos cambios en las tecnologías de fabricación de los micros hacen que cada vez sea más sencillo para los fabricantes cambiar la arquitectura de estos para que sean capaces de soportar un mayor número de ellas. Es una de las razones por la cual es interesante tener siempre tu sistema operativo y tus programas actualizados.

¿Qué tipos de instrucciones para procesador existen?

Aritméticas. Una de las más sencillas, estoy hablando de sumas, restas, multiplicaciones. Desde hace mucho tiempo el coprocesador matemático se incluye dentro del procesador y por lo tanto son capaces de trabajar con número reales y con operaciones mucho más complejas.

Lógicas. Estas incluyen las comparaciones. Muy importantes para cualquier tipo de programa.

Control de flujo. Permiten saltar a otra parte a veces se combinan con las anteriores para permitir el salto en caso de ser necesario.

¿Cuáles conjuntos de instrucciones podemos encontrar en un PC?

x86. Es la mínima necesaria para ser capaz de ejecutar el sistema operativo Windows. En concreto estas instrucciones trabajan con datos de 32 bits. También es conocido como IA-32.

x64. Es una extensión de la anterior para permitir trabajar con datos de 64 bits. También conocida por sus variantes AMD64, Intel 64, IA-64.

MMX. Las aplicaciones multimedia necesitan instrucciones que sean capaces de procesar muchos datos al mismo tiempo. Por ejemplo puedes sumar 8 números enteros de 8 bits con una sola instrucción.

3d Now. Es la respuesta de AMD a las MMX de Intel. Esta más avanzada que la anterior. Su objetivo es acelerar las aplicaciones que trabajan con sonido, video, etc.

SSE. Este conjunto y todos los que vienen después, SSE2, SSE3, SSE4, SSE4a vienen a añadir más posibilidades de aceleración a las aplicaciones multimedia. Están basadas en la experiencia dada por los creadores de esas aplicaciones que conocen aquellas instrucciones que más se usan.

AVX. Los registros son tan grandes que se trabaja con vectores en vez de con datos individuales. Estamos hablando de 256 bits. La nueva versión AVX2 la implementan los procesadores Bulldozer y Haswell.

AES. Este conjunto de instrucciones permite trabajar a tu procesador con aplicaciones criptográficas. Estas son utilizadas para que los datos y tu equipo estén más seguros que nunca.

TSX. Creadas por Intel permiten gestionar de forma más eficiente los recursos compartidos entre los distintos procesos que tienes a la vez funcionando en un PC. Están pensadas para sacar el mayor provecho posible al incremento en el número de núcleos que encuentras en el procesador.

Otros tipos de conjuntos de instrucciones

Quizás la más popular en la actualidad es el conjunto de instrucciones ARM en sus distintas versiones debido a que están implementadas en gran cantidad de teléfonos móviles y tablets.

Según la tecnología de fabricación.

De qué hablamos cuando hablamos de tecnología de fabricación

La tecnología de fabricación de los transistores de los que se componen los procesadores, las memorias y otros chips y componentes electrónicos con los que convivimos habitualmente, como los chipsets o los FPGAs, es una de las variables que se asocian directamente con el buen funcionamiento de los dispositivos que los integran.

El consumo, la velocidad, el número de cores que se pueden integra y hasta el precio son variables que dependen en gran medida del tamaño de los transistores. Hablamos de miles de millones de ellos en un chip que es apenas del tamaño de una uña. Y esos chips provienen de obleas, generalmente de 300 mm. de diámetro, donde se “litografían” cientos de ellos. Estas obleas son extremadamente caras, con precios que se mueven en miles de dólares por oblea. A más chips, menos cuesta cada uno.

Además, la tecnología de fabricación tiene que ser de extrema precisión: hablamos de miles de millones de transistores que tienen que ser perfectos. Si alguno falla o está mal “litografiado”, el procesador no podrá usarse o fallará. Y las máquinas que se encargan de litografiar las obleas tienen que ser de una precisión excepcional y con precios de millones de dólares. Por no hablar del coste de los procesos de I+D que se llevan a cabo para “inventarlas”. Pasar de una generación de transistores a otra, en ocasiones precisa de máquinas litográficas completamente nuevas.

La otra variable de la que depende el buen hacer de los procesadores y los chips es la arquitectura. Esto es, la forma en la que cada fabricante organiza los transistores para que sean capaces de realizar de la forma más eficiente y óptima las operaciones binarias lógicas en las que se basa el funcionamiento de los ordenadores, los móviles, las tarjetas gráficas o los módem de comunicaciones, por poner algunos ejemplos.

Hay chips que funcionan de un modo “rígido” para realizar tareas específicas. Son los ASICS (Application Specific Integrated Circuit) o procesadores diseñados para realizar una única tarea o tareas múltiples pero sin posibilidad de instalar aplicaciones o de ejecutar un sistema operativo “completo”. Se trata de chips destinados a realizar tareas muy específicas, que se actualizan muy pocas veces y a través de firmware. Otros, son de propósito general para ejecutar programas que se programan de acuerdo con diferentes juegos de instrucciones (ISA) que caen bajo el paraguas de las llamadas arquitecturas del hardware.

Básicamente, a día de hoy, convivimos con varios tipos de arquitecturas principales: la arquitectura x86, la arquitectura ARM, RISC, VLIW (empleada básicamente en súper ordenadores o en iniciativas como la de Transmeta en 1995), y las arquitecturas gráficas DirectX u OpenGL. A su vez, cada fabricante de chips puede realizar variaciones en la arquitectura, siempre y cuando sea compatible con los juegos de instrucciones x86, ARM o las diferentes arquitecturas gráficas. Es decir, siempre y cuando un sistema operativo x86 y sus aplicaciones puedan ejecutarse correctamente sobre un procesador x86, la forma de hacerlo no importa y está sujeta a lo que, por ejemplo, Intel o AMD sean capaces de innovar y perfeccionar.

La métrica para evaluar las diferencias entre variantes para una misma arquitectura es la del IPC o instrucciones por ciclo de reloj que pueden procesarse en una determinada arquitectura. A mayor IPC, mejor rendimiento. Para un mismo IPC, el procesador que tenga mayor frecuencia, tendrá mejor rendimiento. Ahí es donde la tecnología de fabricación entra en juego, sin más que tener en cuenta que, a tecnologías de fabricación más eficientes, mayores velocidades de reloj pueden usarse.

Por otro lado, a menor tamaño de los transistores, menos superficie ocuparán en las obleas los chips. Además de ser posible integrar más cores o más unidades de ejecución para la GPU, o llevar elementos adicionales hacia el procesador, también se consigue que de una oblea se obtengan más chips, lo cual contribuye a abaratar el coste de los mismos.

ARM Y X86, CAMINO DE LA CONVERGENCIA

Con la llegada de los dispositivos móviles, llegó también ARM. Hace más de una década, cuando empezaron a llegar los móviles capaces de ejecutar aplicaciones, se hizo necesario usar procesadores de bajo consumo. Obviamente, los procesadores Intel o AMD no eran capaces de adaptarse a los requisitos de los teléfonos, así que se usaron chips menos potentes, pero con un consumo menor.

ARM fue mejorando en rendimiento para un consumo compatible con las demandas de los smartphones, mientras que los procesadores x86 fueron reduciendo el consumo manteniendo un nivel de rendimiento digno. Con todo, a pesar de que Intel trató de llevar sus procesadores a los smartphones durante algunos años, fue incapaz de hacer que la idea cuajara. Básicamente, porque ARM consiguió que el rendimiento de su arquitectura fuera mejor que la x86 dentro de los márgenes de consumo energético exigidos por los terminales móviles.

Ahora es ARM la que amenaza a Intel y a AMD con dar el salto a los portátiles como sustituta de la arquitectura x86. Al menos para los portátiles delgados y ligeros. No es algo que vaya a suceder de un día para otro. Queda la parte más complicada, que es migrar todo el ecosistema Windows a una arquitectura diferente a la x86, lo cual no es tan sencillo como recompilar el código fuente para obtener binarios compatibles con ARM. Ya se intentó con los portátiles Always Connected o el Microsoft Surface Pro X con su procesador Microsoft SQ1 ARM y la GPU SQ1 Adreno 685. Es, en realidad, un Qualcomm 8cx tuneado con un TDP de entre 7W y 15W. Y el resultado no es ni mucho menos el ideal.

Intel cuenta con procesadores de 5,5W - 9W para portátiles como propuesta con un consumo más reducido. De momento, parece que ni ARM es capaz de rendir bien al “subir” de peldaño desde los móviles a los portátiles, ni x86 es capaz de rendir bien al “bajar” el peldaño hacia dispositivos con consumos reducidos.

14 NM, 12NM, 7 NM Y CAMINO DE LOS 5 NM Y 3 NM

En la actualidad, convivimos con diferentes tecnologías de fabricación. Intel está aún en el nodo de 14 nm para la práctica totalidad de los procesadores que está comercializando. Eso sí, optimizado al máximo. Incluso el novísimo Core i9-10980HK de décima generación emplea el nodo de 14 nm++, que es la tercera iteración de una tecnología que debutó en 2014.

Intel emplea la tecnología de 10 nm para los procesadores SkyLake, pero es un nodo que está siendo problemático para esta compañía y ya se baraja la posibilidad de que siga empleándose marginalmente hasta que se dé el salto a los 7nm, que “adelantará por la derecha” a los 10 nm, que han resultado ser un fiasco para Intel. Con todo, se defiende bien (de momento) gracias sobre todo a la inercia del segmento de los centros de datos, y al retraso que AMD introduce en la llegada de nuevas arquitecturas al segmento de los portátiles, donde Zen 2 empieza a llegar ahora, meses después de su llegada a los procesadores de sobremesa.

Tecnología	Año
10 µm	1971
6 µm	1974
3 µm	1977
1.5 µm	1981
1 µm	1984
800 nm	1987
600 nm	1990
350 nm	1993
250 nm	1996
180 nm	1999
130 nm	2001
90 nm	2003
65 nm	2005
45 nm	2007
32 nm	2009
22 nm	2012
14 nm	2014
10 nm	2016
7 nm	2018
5 nm	~2020
3 nm	~2022

Pasar de una tecnología de fabricación a otra es un proceso complejo. Estamos hablando de nanómetros y miles de millones de transistores por procesador, con cientos de procesadores en cada oblea. Incluso para un mismo proceso de fabricación se pasa por etapas de optimización donde se consiguen densidades de transistores paulatinamente mayores, que permiten optimizar la estructura y organización de los procesadores. Es la razón por la que Intel, aún sin salir de los 14 nm, ha conseguido procesadores con más núcleos, más eficientes y capaces de manejar frecuencias de reloj más elevadas.

La densidad de transistores indica cuán optimizado está un proceso de fabricación. Así, Intel consigue densidades con 14 nm+++ comparables a los 12 nm de TSMC, por ejemplo, aunque inferiores a las que se obtienen con 7 nm.