Microprocesadores.

Microprocesadores

El microprocesador es la parte de la computadora diseñada para llevar acabo los programas. Este viene siendo el cerebro de la computadora, el motor de esta máquina, ejecuta instrucciones que se le dan a la computadora a muy bajo nivel haciendo operaciones lógicas simples, como sumar, restar, multiplicar y dividir. Se le llama microprocesador a la parte de un CPU que se clasifica como un componente electrónico compuesto por cientos de miles de transistores integrados en una placa de silicio. Se trata del elemento clave en la conformación de un ordenador. Los microprocesadores se diseñan en distintos tipos y capacidades, ofreciendo posibilidades adecuadas a cada equipo.

Los microprocesadores suelen tener dos velocidades: 

• Velocidad interna: velocidad a la que funciona el micro internamente (500, 600, 800 MHz).
• Velocidad externa o de bus (FSB): velocidad con la que se comunican el micro y la placa base (generalmente  60, 66 ó 100 MHz).

Un micro consta de las siguientes partes:

1.      El coprocesador matemático: Es la parte del micro especializada en esa clase de cálculos matemáticos, anteriormente estaba en la parte exterior del micro en otro chip. Esta parte está considerada como la parte “lógica” junto con los registros, unidad de control, memoria y bus de datos.

2.      La memoria cache: Es una memoria ultra rápida utilizada por el microprocesador.

3.      El encapsulado: Es lo que rodea al chip, para darle consistencia, impedir su deterioro (ejemplo, oxidación por el aire) y permitir la relación con los conectores externos que lo acoplaran a su zócalo en su placa base.

4.      Disipador de calor: Es fundamental para un rendimiento óptimo de los mismos. Esto es debido a que en todo semiconductor, el flujo de la corriente produce una pérdida de energía que se trasforma en el calor.

5.      Los registros: Son básicamente un tipo de memoria pequeña con fines especiales que el micro tiene disponible para algunos usos particulares.

6.      La memoria: Es el lugar donde el procesador encuentra  sus instrucciones de programas y sus datos. La memoria es la parte interna de la computadora y su función esencial es facilitar un espacio de trabajo para el procesador.

Tipos de Microprocesadores

Existe una gama muy amplia de microprocesadores, pero hay que destacar que dos marcas actualmente dominan el mercado mundial que son las: Intel y AMD

1ª Generación: El 8080 en 1973, es el primer microprocesador útil para cualquier tipo de operación, funcionaba a 1 MHz con un ancho de 8 bits, lo cual le permitía manejar 64KB  de RAM, otros fabricantes como Motorola con su M6800 y Zilog con su Z80.También se dedicaban a construir microprocesadores pero destinados al sector industrial y científico. En 1978 llegan los procesadores a 16 bits de ancho de bus que ya permiten manejar1MB de RAM, como el 8086 de Intel, el Z800 de Zilog y el 6800 de Motorola, de estos tres fabricantes solo Intel y Motorola prosperaron.

2ª Generación: El 80286, año 1982, procesador que introduce el modelo real, y el protegido de 32 bits que permitía aumentar el rendimiento, esta CPU ya era bastante más eficaz y podía ejecutar más de una instrucción por ciclo.

3ª Generación: El 80386, año 1985, primer procesador de 32 bits de ancho del que solo Windows sacaba provecho ya que DOS no podía. Trabajaban a velocidades entre 16 y 33MHz. Incluyeron el Pipeline de 4 etapas, era posible adquirir el modelo 80386DX que integraba en el núcleo la FPU (Coprocesador Matemático) que permitía trabajar con gráficos, también se podía adquirir el 80386SX que era la versión económica sin FPU pero que permitía adquirirlo posteriormente comprando el 80397 (que es la FPU) y que se montaba en un socket al lado de la CPU, otra limitación del SX es que le redujeron el ancho de banda a 16 bits lo que le permitía utilizar hasta 16MB RAM.

4ª Generación: El 80486 en el año 1989 con 32 bits de ancho que mejoro el juego de instrucciones x86 y utilizo por primera vez una memoria cache L1. Este avance lo hacia el doble de rápido que un 386 trabajando a la misma velocidad. Igual que sucedió con el 386 tuvimos versión DX con FPU y versión SX sin FPU pero con la posibilidad de comprar posteriormente el 80487. Fue la primera CPU que tuvo una larga evolución tecnológica sacando múltiples versiones conocidas como 486SX, 486DX, 486DX2 y 486DX4. Todas estas familias como Intel, AMD como Cyrix supieron comercializar con gran éxito. Los modelos DX2 fueron los primeros que a través de la opción de turbo permitía doblar la velocidad interna de trabajo de la CPU podía trabajar a 66MHz mientras que la memoria RAM trabajaba a 33MHz.

5ª Generación: Pentium 1993, primera tecnología de Intel que incorpora una arquitectura súper escalada. Esto quiere decir que incorporaba dos unidades de procesamiento o pipelines trabajando en paralelo por lo que podía ejecutar dos instrucciones por ciclo de reloj esta CPU también incremento a 64 bits el ancho del bus FSB y subió su frecuencia de 33 a 66MHz, su nueva arquitectura le permitió aprovechar el incremento constante de la velocidades de trabajo de las CPU. Cyrix se retira. AMD saca su K5 en el 1994 procesador de 32 bits de AMD que no tuvo éxito y con un flujo rendimiento respecto a Pentium, utilizaba un pipeline de 6 etapas para los números enteros y así poder incrementar algo su potencia de trabajo.

6ª Generación: El Pentium PRO del año 1995 orientado a entorno profesional, servidores y equipos de gama alta, incorpora un pipeline de 14 etapas y un juego de instrucciones RISC que permite el trabajo en multiproceso en placas capaces de alojar 2 o 4 CPU, introdujo como gran mejora el DIB (Arquitectura Independiente Dual) que permite a la CPU enviar y recibir información diferente por los 2 buses de los que dispone (uno con la RAM y otro con la cache).

Pentium MMX del año 1997 incorpora el juego de instrucciones MMX con 57 nuevas instrucciones para el tratamiento multimedia y aumenta el doble la cache L1 para aumentar la velocidad de trabajo de la CPU y que el rendimiento suba proporcionalmente. Pentium II en el año 1997 (diferencia con el anterior, 9 meses aprox.) Es una versión reducida del Pentium PRO pero añadiendo las instrucciones MMX el CORE inicialmente se llamó Klamath y la versión más avanzada tiene el nombre de Deschutes. Pentium II XEON en el año 1998, versión profesional basadas en equipos y en tasas profesionales, tomó lo mejor del Pentium PRO y el CORE Deschutes, puede trabajar hasta con 8 CPU en la misma placa a una velocidad de 300 a 450MHz e integra una cache L2 de hasta 2MB y con un FSB de 100MHz. Hasta la aparición del modelo Itanium de 64 bits todos los Pentium tienen su versión profesional XEON. Pentium III en el 1999, su primer CORE se llamó Katmai, pero los más avanzados son el Coppermine y el Tualalin, integraba la cache L2 en el núcleo para subir el rendimiento y aumentar la frecuencia de trabajo llegando hasta los 1,4GHz. Utilizaba un socket 370. Además incorporo un Pipeline de 10 etapas.

7ª Generación: Athlon 1999, se le considera como un K7, supera claramente en rendimiento a un Pentium III de su misma velocidad. Desde que AMD desarrollo su Athlon a 500Mhz su arquitectura de diseño casi no evoluciono hasta la aparición del Athlon64. Las primeras versiones de estas CPU se montaban en un zócalo especial de tipo cartucho llamados Slot A, donde la chache L2 se montaba en chips junto al Core, en versiones posteriores ya se integró la cache L2 dentro del Core y apareció un nuevo socket llamado socket A de 462 contactos.

DURON y SEPROM son las versiones de XP ATHLON, ATHLON XP son CORED con menor CACHE L2 y FSB y van destinados a portátiles en gama baja en esta generación compiten cancelación la velocidad de estos CORED de 800 a 1800 MHZ. En los CORS con W muy tecnología móvil ATHLON destinado a los portátiles utilizan llamada POWER NOW CORED muy útil en este tipo de equipos el mejor CORED es el de Paris.

Pentium 4 (año 2000). INTEL diseño un CORED completamente diseñado a los anteriores pensando en el futuro con su arquitectura NET BURST sería capaz de sacar el máximo diseño al alcanzar una frecuencia de 5 GHZ. Tuvieron que anticipar al futuro les dio problemas donde los Pentium 4 eran más lentos que los Pentium 3 de su misma velocidad y además no podían aumentar la velocidad porque la CPU se les volvía inestable para solucionarlo.

Tecnología Hyper-Threading (Pentium 4 HT): Intenta trabajar con el núcleo simulando que trabajamos con dos cores. En realidad lo que hace es repartir entre las dos unidades de cálculo (ALU y FPU) los procesos que utilizan las aplicaciones esto incrementa el rendimiento pero nunca lo dobla, porque a veces hasta que no acaba un proceso no puede iniciarse el siguiente y entonces no ganamos nada. O en el caso que muchos procesos se tienen que ejecutar en una de las dos unidades de cálculo o todos.

Pentium 4 ha tenido diferentes cores con los diferentes nombres y características

Las últimas versiones de Pentium 4 soportan el juego de instrucciones de 64 bits EMM64T idéntico al AMD64 y que le permite simular que es una CPU de 64 bits. Con el EMM64T también podemos manejar una mayor cantidad de memoria RAM llegando hasta los 256TB, con 32 bits solo se podía llegar a 4GB. Pentium4 incorpora un sistema llamado EIST para ahorro de energía para momentos de poca claridad, es equivalente al Cool ‘N’ Quiet de AMD pero menos efectivo y una tecnología llamada executed disable bit que al igual que la NxBit de AMD impide a los virus acceder a determinadas zonas de la memoria. Pentium4 EE (Extreme Edition) en 2003 Intel diseñó este modelo para poder superar a los Athlon 64 FX, consiguieron subir su memoria de trabajo a 3,73GHz utilizando un Core llamado Gallatin que es el que se utiliza en el Pentium4 XEON. Este modelo tenía una cache L3 de 2MB y un FSB QDR de 266 que equivale a 1066.

Procesadores Doble Núcleo (Dual Core). Integran dos cores en un mismo chip compartiendo elementos comunes como la RAM haciendo imposible de esta manera que realmente se doble el rendimiento. Los primeros modelos incluso compartían una misma cache L2. Pentium D en el 2005, procesador de doble núcleo a cuyo CORE llamaron Smith Field que en realidad eran dos cores Prescott pegados. En este CORE tuvieron que bajar el FSB hasta 300 porque no aguantaba velocidades tan altas sacaron modelos de los que iban a los 2,8Ghz a los 3,4GHz pero con el problema añadido de que se comunicaban ambos CORES a través de un bus. Lo que hacía que bajara el rendimiento, aúna así este procesador aumentó el rendimiento en la compresión de video y en la atención de múltiples procesos en sistemas servidor.

Core 2 Duo (2006). Nueva arquitectura o rediseño de un microprocesador Intel que incorpora características que ya estaban en el Pentium3 y sobretodo gran parte de lo que se encontraba en un Pentium M. Encontraremos versiones con nombres como Allendale y Conroe (para "desktop" o escritorio), Merom (portátiles), Wodcrest (servidores) y Solo (un núcleo). Una de las características de esta nueva arquitectura es que la cache L1 pasa a 64KB y la cache L2 es compartida y va de 2 a 4MB.

Características de este nuevo núcleo:

1- Mantiene las nuevas características: De emulación EM64T y XDBit antivirus por hardware (Execute Disable Bit).

2- Introduce una nueva tecnología de virtualización llamada VT (Vanterpool): Que permite simular varios sistemas donde cada uno puede tener instalado un sistema operativo e incluso reiniciarlo independientemente.

 3- Wide Dinamic Execution: Es una característica nueva y le llaman Wide por el ancho, mayor capacidad. Incorpora 4 unidades decodificadoras de instrucciones mejorando un 33% teórico el rendimiento de un Pentium Mobile que incorporaba 3. Dentro de esta tecnología se incorporan las capacidades para micro fusión y macro fusión que ya incorporaba el Mobile (Pentium M) y que permite agrupar varias instrucciones y ejecutarlas como si fuera una sola. De esta forma es capaz de llenar de forma atomizada las 14 etapas de sus 3 pipelines.

 4- Advanced Smart cache: Optimizada la manera de repartir la cache L2 de forma que ya no se va a repetir un dato que necesite cada uno de los dos cores, además es capaz de dar más cache al CORE que más lo necesite.

 5- Smart Memory Acces: Es un sistema que permite disponer de los datos más rápidamente ya que aunque en el Pipeline se hayan procesados lso paquetes en un orden distinto al inicial es capaz de reorganizarlos de nuevo y trabajar con ellos siguiendo el orden original.

 6- Advanced Digital Media Boost: Optimiza el procesamiento de las instrucciones SIMD (Multimedia) con tres unidades SSE de 128 bits cuando hasta ahora las incorporaba de 64 bits además añade los juegos de instrucciones SSSE3 y SSE4 con lo que consigue un rendimiento teórico del orden del doble respecto a la capacidad de cálculo multimedia del Pentium M o el Athlon 64.

 7- Intelligent Power Capability: Tecnología que controla el consumo del procesador según la carga de trabajo permitiendo apagar unidades que no estén siendo utilizadas.

Core2 EXTREME y Core 2 QUAD. Se trata de modelos de 4 núcleos pero de implementación diferente. Los CORE 2 EXTREME son dos microprocesadores duales del CORE Conroe unidos dentro del mismo encapsulado que se comunican en un bus interno, con 8MB de cache L2 repartida en 2 bloques 4MB. El nombre clave de este CORE fue Kensfield y trabajaba a 2.66GHz y con un consumo de 130W.

Los nuevos procesadores de cuatro núcleos no solo ya soportan todas las características del CORE2 sino que pueden utilizar hasta 64GB de memoria FBDIMM (Fully Buffered DIMM) que teóricamente es mucho más rápida que la RAM convencional.

Procesadores para portátiles (7ª Generación). Son procesadores con prestaciones reducidas, menos velocidad, menos cache L2 y menos FSB, pero que a cambio consumen menos energía. Celeron: Es la versión reducida de Pentium4 para portátiles, los últimos modelos se conocen como Celeron D. Pentium4 M: Versión del Pentium 4 para portátiles que no tuvo demasiado éxito porque el elevado consumo energético hacía imposible que las baterías llegaran a las 2 horas. Pentium M (Mobile) (2003): Uno de los mejores procesadores de Intel con una arquitectura diferente al Pentium4, realmente se trata de una evolución del Pentium III que combina la tecnología Centrino de bajo consumo, que permite que los portátiles sean más ligeros y con mayor autonomía, con una potencia de cálculo muy poco inferior a la del Pentium 4 aunque su FSB fuera bastante más bajo Barrias FSB 400 Dothan FSB 533 Yonah FSB 677 Con cache L2 512KB a 1024KB La velocidad máxima de estos CORES llegaron a los 2,8GHz

Intel utilizó la tecnología de este procesador para desarrollar el CORE2. Las versiones del CORE2DUO destinadas para portátiles son el SANTAROSA, MEROM y PENRYN. El primero introdujo la tecnología de Centrino PRO, el segundo ya trabajaba con un FSB 800 y el tercero ya soporta DDR3 y el FSB lo sube a 1066. Procesadores Profesionales Son procesadores de altas prestaciones como el XEON que dispone de una cache L3 de 4MB pero que su característica más importante es que están diseñados para formar sistemas multiprocesador con hasta 18 CPU en la misma placa base.

8ª Generación: Ancho de bus de 64 bits. Con esta generación de procesadores ponemos obtener un mayor rendimiento siempre que los datos que procesemos sean de un gran tamaño porque el bus de datos en este sistema tiene un ancho de 64 bits en lugar de los 32 que tenían los de las generaciones anteriores. Evidentemente no siempre estamos procesando datos de gran tamaño y en ese caso no obtenemos ninguna mejora práctica.

Athlon 64 (año 2003). Como los Athlon XP quedaron sin futuro al apenas superar los 2GB, aun reduciendo la tecnología de fabricación, AMD tuvo que diseñar una nueva arquitectura a la que llamó HAMMER y que internamente se conoce como el K8. Esta arquitectura tiene tres grandes familias: los Athlon64, Athlon 64 FX y los Opteron, siendo estos últimos los destinados a servidores y equipos de gama alta. Aunque esta arquitectura aprovecha gran parte de las características de un Athlon XP por ejemplo tiene también 3 ALU y 3 FPU, como novedades de diseño presenta las siguientes:

§  Integra el controlador de memoria del puente norte en la CPU, de forma que desaparece el puente norte para estas CPU quedando integrados en el CORE. Y trabajando así los dos a la misma velocidad, eliminando los tiempos de espera que se producían entre varios chips. Con esto conseguían un ancho de banda mayor que les permitía superar a los Pentium4.

§  Nuevo juego de instrucciones de 64 bits llamado X86.64 o AMD64 que será el 100% efectivo cuando todos los programas y sistemas operativos estén diseñados para 64 bits.

§  Aun así se mejora la ejecución de programas a 64 bits ya que incluye una unidad que se encarga de hacer la conversión de 32 a 64 bits.

§  Pipeline de 12-13 etapas, para llegar a los 3.2 GHz manteniendo un buen rendimiento en su diseño.

§  Mejora del manejo de las instrucciones SSE soportando las instrucciones SSE2 y SSE3 en los últimos modelos.

§  La gama alta FX y Opteron, soporta la memoria DDR en Dual-Channel y el FSB tiene 128bits de ancho, utiliza los sockets 754 en modelos viejos, 939 que permite el trabajo en Dual- Channel, 940 que necesita memoria registrada y solo lo utilizan los Opteron, el AM2 para memoria DDR2 y el AMD2+ que soporta el bus Hypertransport 3.0

§  La comunicación con el puente sud utiliza un nuevo bus serie llamado Hypertransport que va de HT800MHz a HT200MHz. A través de este bus se comunica a la CPU a través de cualquiera de los dispositivos del bus. Los Opteron tienen la característica de poder trabajar en placas bases con 2 o 8 CPU´s compartiendo 64GB de memoria RAM.

§  Tecnología NxBit que impide el acceso a ciertas zonas de la memoria actuando como barrera antes los virus.

§  Cool ‘n’ Quiet. Tecnología que permite bajar la frecuencia de trabajo hasta 1GHz y en algunos portátiles hasta menos; el voltaje de la CPU lo disminuye a 1.4 voltios a 1.1 voltio para ahorrar energía en los momentos en los que no hay carga de trabajo. Esta tecnología es más eficiente que la EIST desarrollada por INTEL.

 Con el socket AM2 de 940 contactos (no confundir con el socket 940 de los Opteron), Athlon comienza a utilizar memoria DDR2 mientras que antes solo utilizaba memoria DDR a 400 con la que obtenía un excelente rendimiento aprovechándose de sus bajas latencias. Caso que con la DDR2 no obtiene.