Microprocesadores. Tipos

El microprocesador es uno de los componentes más importantes de un ordenador ya que se encarga de dirigir y controlar toda su actividad. Además, también es un elemento utilizado en otros sistemas informáticos como los smartphones, las impresoras o los automóviles.

El tema que nos ocupa es fundamental para cualquier profesional que necesite utilizar el ordenador de la forma más eficiente posible. Saber seleccionar el hardware adecuado es esencial para diseñar equipos con un rendimiento acorde al uso que se le vaya a dar. De hecho, una buena elección del microprocesador de un ordenador puede suponer una enorme ventaja competitiva con respecto a otros usuarios o empresas.

En este artículo se describen las características y funciones más significativas de los microprocesadores,  así como sus tipos, su estructura y su comunicación con el exterior.

1. Microprocesador

El microprocesador es un circuito integrado formado por millones de elementos electrónicos (la gran mayoría transistores), integrados en una placa de silicio u oblea que posteriormente se adhiere a una placa de circuito impreso o PCB (Printed Circuit Board).

Una placa de circuito impreso es una superficie constituida por caminos, pistas o buses de material conductor, como el cobre, laminadas sobre una base no conductora. El circuito impreso se utiliza para conectar eléctricamente a través de las pistas conductoras, y sostener mecánicamente, por medio de la base, un conjunto de componentes electrónicos. Ver más

Una placa de silicio, oblea o wafer es una placa fina de un material semiconductor con la que construyen microcircuitos mediante técnicas de dopado (por ejemplo, difusión o implantación de iones), grabado químico y deposición de varios materiales. Las obleas tienen, de esta manera, una importancia clave en la fabricación de dispositivos semiconductores tales como los circuitos integrados o las células solares. Ver más

El microprocesador tiene una serie de características relevantes:

• Velocidad: número de ciclos de reloj que pueden darse en una unidad de tiempo. Se mide en diferentes unidades: MHz (MegaHercio), GHz (GigaHercio), MT/s (MegaTransfers / segundo)…
• Longitud de palabra y bus de direcciones: cantidad máxima de información que se puede leer o escribir en un acceso a la memoria. Puede ser de 16, 32 o 64 bits. 
• Número de núcleos: un procesador puede estar constituido a su vez por varios microprocesadores, como veremos en el punto 3.2.
• Tecnología en nanómetros (nm): densidad de transistores por unidad de superficie. Cuanto mayor sea este valor , mayor será la capacidad de procesamiento del microprocesador.
• Máxima potencia generada o TDP (Thermal Design Power): cantidad máxima de calor que generará el microprocesador. Se mide en vatios o watts y oscila entre los 20 y los 140 W.

2. Estructura

Para comprender la estructura interna de un microprocesador es fundamental estudiar los tipos de arquitectura. Una de las arquitecturas más destacadas es la arquitectura de Von Neumann, que almacena los programas y datos en la misma memoria, y otra es la arquitectura Harvard, que emplea buses separados para datos e instrucciones. 

Actualmente, la arquitectura Von Neumann sirve de base para la creación de las computadoras modernas y está compuesta básicamente por los elementos que se muestran en la figura 1.

John Von Neumann fue un matemático húngaro-estadounidense que hizo contribuciones muy relevantes en física cuántica, análisis funcional, teoría de conjuntos, teoría de juegos, ciencias de la computación, economía, análisis y muchas otras disciplinas. Es considerado uno de los matemáticos más importantes del siglo XX. Ver más

La UCP (Unidad Central de Procesamiento) o CPU (Central Processing Unit) es la encargada de ejecutar las instrucciones almacenadas en la memoria principal. Aunque los componentes de una CPU varían según el modelo, podemos partir de la arquitectura Von Neumann para definir sus elementos principales:

• Unidad de Control (UC) o Control Unit (CU): da «órdenes» al resto de componentes.
• Unidad Aritmético-Lógica (UAL) o Arithmetic Logic Unit (ALU): realiza las operaciones aritmético-lógicas necesarias. 
• Unidad de Punto Flotante (UPF) o Floating-Point Unit (FPU): ejecuta cálculos complejos que la unidad aritmético-lógica no puede realizar. Hoy en día puede haber varias UAL y UPF en un microprocesador.
• Unidad de gestión de memoria o Memory Management Unit (MMU): traduce las direcciones virtuales a direcciones físicas reales.
• Registros: constituyen la memoria interna del procesador y son de alta velocidad y baja capacidad. 
• Memoria caché: memoria auxiliar que guarda la información que más se utiliza de la memoria principal. La memoria caché está dispuesta en varios niveles (L1, L2…) siendo el nivel L1 el más rápido y de menor capacidad.

3. Tipos

Los microprocesadores los podemos clasificar según el fabricante, número de núcleos, juego de instrucciones y encapsulado.

3.1. Modelos por fabricante

Los fabricantes primordiales de microprocesadores para computadoras son AMD e Intel. Para dispositivos móviles, los fabricantes más relevantes son Qualcomm, MediaTek y Samsung, basados en núcleo de ARM (Advanced RISC Machine) y, por ello, son rápidos, pequeños y de bajo consumo.

Así pues, cada fabricante dispone de su propio etiquetado que nos permite identificar muchos datos relacionados con el tipo de procesador. Existen diferentes tipos de etiquetado, a continuación se incluyen dos enlaces a las descripciones oficiales de los etiquetados de Intel y AMD.

Etiquetado Intel | Etiquetado AMD

3.2. Número de núcleos

Los microprocesadores pueden ser mononúcleo o multinúcleo (varios procesadores). Con varios procesadores (paralelismo) se pueden realizar diferentes tareas a la vez y se evitan los cuellos de botella que se pueden producir en los procesadores de un solo núcleo, tal  y como se muestra en la siguiente figura.

En la actualidad, es corriente encontrar microprocesadores de Intel y AMD de unos 32 núcleos. Sin embargo, se han llegado a desarrollar procesadores de más de 1000 núcleos.

Graphcore dice tener el procesador más complejo del mundo: un chip con 59.400 millones de transistores y 1.472 núcleos

Xataca.com

3.3. Juego de instrucciones

Según el tipo de instrucciones que utilizan los microprocesadores pueden ser CISC (Complex Instruction Set Computing) o RISC (Reduced Instruction Set Computer). Los CISC utilizan muchas instrucciones complejas y lentas, y los RISC dividen cada tarea en subtareas más simples y utilizan pocas instrucciones sencillas y rápidas, por lo que son más baratos y eficientes. 

Actualmente la mayoría de microprocesadores implementan tecnologías híbridas que disponen de lo mejor de cada una de las dos opciones.

3.4. Zócalo y encapsulado

El zócalo o socket es el lugar en el que se inserta el microprocesador. Los encapsulados más utilizados son los siguientes:

• PGA (Pin Grid Array): el microprocesador tiene pequeños pines metálicos que encajan en el zócalo. Es utilizado por AMD.
• BGA (Ball Grid Array): el microprocesador tiene unas bolitas que se sueldan directamente a la placa base. Por tanto, no hace falta un socket y se simplifican los costes. Debido a su reducido tamaño se suele utilizar en la fabricación de smartphones y portátiles. 
• LGA (Land Grid Array): los pines se encuentran en el socket. Por este motivo, los sockets que admiten encapsulados LGA son más débiles que los PGA. Es utilizado por Intel y recientemente por AMD.

Los zócalos PGA y LGA normalmente disponen de un sistema de sujeción o palanca, denominado ZIF (Zero Insertion Force), que impide que se mueva el microprocesador. 

4. Comunicación con el exterior

Un microprocesador, por sí mismo, no proporciona ninguna funcionalidad, sino que, como se ha mostrado en la figura 1, necesita conectarse mediante los diferentes buses a la memoria y a los puertos de E/S.

4.1. Memoria

El número de registros de un microprocesador es muy limitado, por lo que es necesario añadir una memoria de tamaño suficiente que permita almacenar tanto el programa que se desee ejecutar como todos los datos que éste genere o necesite. En esta memoria, llamada memoria principal o RAM (Random Access Memory) se puede leer y escribir, pero su información desaparece cuando se apaga el dispositivo (memoria volátil). 

4.2. Unidad de E/S

La unidad de entrada/salida es la encargada de establecer la comunicación entre el usuario y la CPU. Para llevar a cabo este enlace se utilizan los periféricos.

Los periféricos son dispositivos necesarios para comunicar el interior del ordenador con el mundo exterior. Algunos de los periféricos más importantes se pueden ver en la figura 5.

4.3. Buses del sistema

La comunicación de la CPU con el exterior se realiza mediante los buses del sistema. Tradicionalmente, podemos diferenciar los siguientes buses:

• BSB (Back Side Bus): es la velocidad interna de funcionamiento del procesador.
• FSB (Frontal Side Bus): es el bus que conecta el microprocesador con el puente norte, tal y como se puede ver en la siguiente figura: 

En los diseños actuales se ha eliminado el puente norte y en su lugar se utiliza un bus, llamado DMI (Direct Media Interface), que consigue un mejor rendimiento. El resto de conexiones se lleva a cabo con un nuevo chip que reemplaza al puente sur denominado PCH (Platform Controller Hub) en Intel y FCH (Fusion Controller Hub) en AMD.

Con respecto al FSB, también sufrió mejoras en cuanto a la velocidad de conexión y rendimiento. En el caso de Intel se llamó QPI (Quick Path Interconnect) y en AMD HyperTransport.

Análogamente, podemos distinguir tres tipos de buses en la arquitectura de Von Neumann descrita en la figura 1.

• Bus de datos: contiene los datos que se mueven entre memoria o periférico y CPU.
• Bus de direcciones: especifica la dirección de memoria o de E/S sobre la que se realiza una acción.
• Bus de control: dispone de las señales de control como la señal de reloj.

5. Mejoras en la tecnología

Gracias al avance de la tecnología constantemente se incluyen mejoras en la fabricación de los microprocesadores. Los siguientes son algunos ejemplos:

• Overclocking. Permite modificar la velocidad de reloj del microprocesador para conseguir mayor rendimiento.
• HyperThreading . Consigue que un único microprocesador físico de soporte para utilizar varios hilos de ejecución.
• Turbo Boost. Modifica la frecuencia de reloj según la carga de trabajo, el hardware, el software y la configuración general del sistema, consiguiendo aumentar la velocidad. Esta tecnología ha sido creada por Intel, para AMD existe una tecnología similar llamada Turbo Core.