El microprocesador: tipos y evolución

Introducción

 

Es el componente más importante del ordenador. Se trata de un chip compuesto por millones de transistores por los cuales circula toda la información que procesa el ordenador.

Suele tener forma cuadrada o a veces, rectangular. Va insertado en un socket o en los ordenadores más antiguos soldado a la placa base.

Estructura del microprocesador

 

Existen una serie de características que deben ser tenidas en cuenta a la hora de elegir un microprocesador:

• Velocidad en GHz.
• Bits de trabajo, 32 ó 64.
• Ancho de banda del bus de datos.
• Latencia, tiempo de respuesta de la memoria caché.
• Otros, como tipos de memoria soportados, número de núcleos o controlador de memoria.

Microprocesadores de un solo núcleo

Totalmente en desuso. Actualmente se usan microprocesadores multinúcleo. De todas formas muchos de los componentes son iguales en ambos sistemas.

• Unidad de control. Encargado de buscar las instrucciones en la memoria y enviarlas al decodificador.
• Decodificador. Interpreta y ejecuta las instrucciones.
• UAL (Unidad Aritmético-Lógica). Realiza operaciones aritmético-lógicas sencillas, como suma, multiplicación....
• Coprocesador matemático. Realiza operaciones en coma flotante. Fue integrado en la CPU a partir del 486. Anteriormente estaba aparte.
• Caché nivel 1 o L1. Integrada en el núcleo del micro, volátil, trabaja en consonancia de velocidad con éste.Almacena los datos más usados para un rápido acceso a los mismos.
• Caché nivel 2 o L2. No está integrada en el núcleo, cumpliendo las mismas funciones que la anterior, pero es más lenta.
• FSB o bus frontal. Usado para la comunicación externa del microprocesador con el exterior.
• BSB o bus trasero. Comunica el microprocesador con las memorias caché de nivel 1 y 2.
  

  

  Funcionamiento interno de la CPU

 

Microprocesadores multinúcleo

Cada vez se iban construyendo procesadores más rápidos y pequeños, lo que daba a lugar a un sobrecalentamiento,, teniendo que ser enfriados por aire o agua, y una sobrecarga en los mismos, provocando una bajada en el rendimiento.

Gracias al auge del procesamiento de datos en paralelo se logró construir microprocesadores multinúcleo. Suelen ser de dos, cuatro u ocho núcleos, repitiendo la misma estructura.

Debido a este cambio fue necesario incorporar varias partes lógicas para el buen funcionamiento de los mismos:

• Controlador de memoria integrado. Permite un acceso más rápido a la RAM al reducir la latencia.
• Bus de alta velocidad. Bus de E/S para comunicación con el sistema.

Características del microprocesadores

• Velocidad. Característica principal del microprocesador. Es un término muy engañoso, debido a que un procesador con menor velocidad puede resultar más eficiente que otro de mayor.
• Interna. Velocidad interna de funcionamiento del micro.
• Externa o FSB. Velocidad del micro con la placa base. Menor que la anterior. Esta velocidad es multiplicada por un "multiplicador" para obtener la velocidad interna. Por ejemplo, un micro de 3 GHz de velocidad interna puede usar un FSB de 2 MHz y un multiplicador 15x.
• Caché. Es una pequeña memoria muy rápida que poseen los microprocesadores donde se almacenan las últimas instrucciones ejecutadas. La capacidad más usual es de 12 MB. Poseen una caché L1, mucho más rápida por estar más cerca del núcleo y una de L2, más lenta, pero de más capacidad. Algunos microprocesadores de AMD poseen una caché L3, que sigue la misma metodología.
• Número de núcleos. Actualmente se usan de 2, 3, 4, 6 ú 8 núcleos. Son varios procesadores en un solo chip.
• Hyper-Threading. División de la caché en dos, creando un microprocesador virtual.
• Otras. Existen otras características como el consumo, soporte para USB, etc, pero hoy en día éstas tienden a ser estándar.

Evolución de los microprocesadores

 

El primer micro importante fue el 8088 fabricado por Intel para IBM, con unas prestaciones que nos parecerían ridículas en nuestros días, corría el año 1981.

Más tarde aparecieron el 80186 (8 bits), 80286 (16 bits), y el 80386 (32 bits).

El salto a los 32 bits fue importantísimo pues permitía multitarea, algo impensable con los anteriores micros.

En la misma época fueron construyéndose otros microprocesadores, como Motorola, pero su funcionamiento interno era incompatible con los Intel.

Por otra parte si existía compatibilidad entre Intel y Cyrix, pero sobre todo con AMD. Empresa que creó grandes problemas a Intel debido a que sus microprocesadores eran en muchas ocasiones mejores y más rápidos.

Más tarde apareció el 486, que supuso una autentica revolución, pues incorporaba el coprocesador matemático y memoria caché, siendo mucho más rápidas las transacciones.

Finalmente apareció el Pentium, desvinculándose de los anteriores nombres basados en números para evitar las copias de las competencias. Posteriormente aparecieron varios tipos de Pentium, como el II, III y IV. Este último aún es muy usado, pero la tendencia actual es a comercializar los Core.

 

Tipos de microprocesadores

 

La lista de procesadores sería interminable, por lo que intentaré resumir los más importantes, dividiendolos en antiguos, modernos y actuales.

 

Antiguos

Todos los anteriores a Pentium.

• 8086, 8088, 80286. Los dos primeros eran conocidos como XT, y el último como AT. Funcionaban con 8 o 16 bits, con lo que eran muy limitados. Corrían bajo sistema operativo DOS, aunque también podían hacerlo con los primeros Windows, pero de forma muy ineficiente. Tenían una velocidad de 4.77 MHz.
• 80386. Primer procesador de 32 bits. Concretamente el modelo SX fue el primero. Funcionaban internamente a 32 bits, pero externamente a 16, lo que disminuía mucho su rendimiento. Bajo DOS o los primeros Windows, incluso corrían en navegadores a una velocidad razonable.
• 80486. Salieron diversas variantes de este modelo: SX, DX, DX2 y DX4. No deja de ser un un 386 mejorado, incluye coprocesador matemático y caché de 8 Kb.

Intel 40486 DX (vista posterior)

Modernos

Ya no se fabrican, pero siguen estando instalados en muchos ordenadores.

• Pentium. Fueron más que un nuevo procesador, una prueba. Se calentaban mucho y presentaban fallos en el coprocesador. Llegaron a sacar chips de hasta 200 MHz, internamente a 66 x2.5. Salieron gran cantidad de velocidades, dando lugar a un gran desorden que no mejoraba mucho el rendimiento.
• AMD. Los AMD que compitieron con los primeros Pentium fueron los K5. De este salieron varios modelos a diferentes velocidades, pero su coprocesador matemático era mucho peor que el de Intel, eso sí también más barato.
• Pentium MMX. Fue un gran avance sobre todo en lo que se refiere a tiempo de ejecución. Introdujo nuevos tipos de datos encargados de realizar trabajos cíclicos, disminuyendo así el tiempo en las operaciones. Aparecieron procesadores a 166, 200 y 233 MHz.
• Pentium II. Es un tipo diferente de microprocesador, presentando varios aspectos nuevos como la conexión a la placa base que ahora es en Slot 1, caché secundaria interna, puede usar MMX o arquitectura de buses independientes.

Intel Pentium II en Slot 1

• AMD K6 y K6-3D. Usan las instrucciones MMX, pero la caché de nivel 2 se saca a la placa base. Su rendimiento era parecido al Pentium II, pero el segundo modelo añade capacidades 3D lo que lo hace mejor que éste para los juegos.

AMD K6-2

• AMD K6-III. Considerable aumento del rendimiento debido a que incorporaba una caché de tres niveles (TriLevel). Podía usar una caché de hasta 2368 KB, cuatro veces un Pentium. Tenía un FSB de 100 MHz hacia caché L3, lo que le daba gran flexibilidad.
• Celeron A. Su caché L2 trabajaba a la misma velocidad interna del micro, lo que le daba un buen rendimiento. Usaba Socket 370.
• Pentium III. Aumento del rendimiento del Pentium II en procesos multimedia y científicos. En principio se presentaron en formato Slot 1, como los anteriores, pero con la aparición del "Coppermine" se pasó a Socket 370, alcanzando velocidades de reloj de hasta 1 GHz.
• AMD Athlon (K7). Fue una autentica revolución, con una nueva arquitectura que realizaba operaciones en coma flotante mediante "pipeline", dividiendo las instrucciones en fases independientes. Pudiendo estar corriendo varias instrucciones a la vez, aunque en diferentes fases. Tenía 128 KB de nivel 1, y la caché de nivel 2 podía ser cambiada, alcanzando hasta 8 MB, y suponía un tercio, un medio o igual a la velocidad interna del micro. Alcanzaba velocidades del bus de hasta 266 MHz. Usaba Slot A, parecido al Slot 1 de Intel, pero incompatible. Con la aparición del "K7 Thunderbird se pasa a Socket A, parecido al Socket 370 de Intel.
• Pentium 4. Primer micro con arquitectura NetBurst, abandonando la anterior P6. Tiene en torno a 40 millones de transistores, con más patillas que sus predecesores. Muy orientado hacia multimedia con nuevas instrucciones SSE 2, con operandos de 128 bits, dando lugar a un gran rendimiento. La tecnología "pipeline" pasa a ser de 20 capas. Podía comunicarse con la placa base a unos 3 Gbits/seg. El zócalo es nuevo, se trata del Socket 478. La cache L1 es de 8 Kb, bastante pequeña, y la L2 es de 256 Kb.A pesar de su gran rendimiento resultaba más lento que el Pentium III o el AMD Athlon a misma frecuencia de reloj. Poco después aparece un nuevo core de este procesador, aumentando la caché L2 hasta 512 Kb y el número de instrucciones hasta los 55 millones. Su velocidad era a partir de 2 GHz.
• AMD Athlon XP. Nombre polémico debido a la similitud con el sistema operativo Windows. Ofrecen un mejor rendimiento que los Intel a la misma velocidad, empezando a poner nombres que no gustaron nada a Intel, pues hace entrever un mejor rendimiento que estos. Se calentaba mucho menos que su predecesor, el Thunderbird, consumiendo también menos energía. Empieza a usar hardware Prefech, que intenta deducir cuales serán las próximas operaciones a realizar, cargándolas en caché evitando esperas y optimizando el rendimiento.
• Pentium Xeon. Son modificaciones de otros modelos para trabajar en servidores, con soporte multiprocesador. Pueden conectarse hasta 8 microprocesadores dependiendo de la placa base. Las diferencias con los II, III y 4 son básicamente cambios en la memoria caché y algunos cambios en la placa base.
• Pentium Itanium. Utilizado para servidores y estaciones de trabajo, teniendo una base muy fiable y una respuesta rápida. Fue el primer procesador de 64 bits. Tenía gran capacidad para hacer cálculos en masa y ejecución de gran cantidad de instrucciones de forma concurrente, ofreciendo una gran capacidad de respuesta a los clientes.
• Pentium Itanium 2. Fabricado conjuntamente con HP, usado para servidores y estaciones que realizan un gran procesamiento. Introduce una nueva tecnología en cuanto a paralelismo, la EPIC (Explicitly Pararell Instruction Computing). Esta tecnología trata de predecir los códigos que se están usando para limitar operaciones y cálculos. También usa la especulación, mientras está en espera, sobre futuras instrucciones y datos. Maneja registros de 128 bits, manejando así gran cantidad de operaciones. Las cachés de nivel 1 y 2 van en el micro, e incorpora una de nivel 3 fuera de él como máximo de 6 Mb. Puede trabajar tanto a 32 como a 64 bits, lo que le dan un direccionamiento de memoria de 2⁶⁴ direcciones de RAM. 

Intel Pentium Itanium 2 para servidores

 

Actuales

Algunos de los citados a continuación ya no se comercializan, pero siguen teniendo un uso masivo en los ordenadores actuales.

• Pentium D. Relativamente nuevo, apareció en 2005. Se trata de dos procesadores Pentium 4 encapsulados juntos, aunque incluyen algunas mejoras respecto al 4. Fue el primer microprocesador de dos núcleos comercializado. Existen varios tipos de estos micros, con velocidades oscilantes entre los 2.6 y los 3.2 GHz, y normalmente todos tienen una FSB de 800 MHz. Permiten trabajar con datos de 64 bits. Poseen una caché L2 de 1 MB por núcleo.

Pentium D a 3 GHz

• Intel Core Duo. También posee dos núcleos, y está muy orientado a multitarea, mostrándose muy potente en aplicaciones multimedia corriendo simultáneamente. Usado por Apple en los Macintosh.
• Intel Core 2 Duo. Sucesor natural de los anteriores. Era ya mucho más potente que los Pentium 4 y con mucho menor consumo. Contiene dos núcleos. Puede realizar pipeline de 14 etapas y se convirtió en la competencia directa de los AMD, que en ese momento eran los más potentes.

Intel Core 2 Duo

• AMD Athlon 64 x2. Procesador de 64 bits con dos núcleos. Con soporte para memoria DDR2. Incluye nuevas tecnologías y menor consumo de energía. Cuenta con caché independiente para cada núcleo. Fue la contrapartida a los Intel Core Duo.

AMD Athlon 64 x2

• Intel Core 2 Quad. Trabaja con 64 bits y está formado por cuatro núcleos. Casi el doble de rápido que el Core 2 Duo, es utilizado en portátiles.
• AMD Quad Core (K10). Comercializado en 2007, primer microprocesador de AMD con cuatro núcleos. Salieron varias versiones del mismo, unos para sobremesa y otros para servidores. En sus diversas variantes van desde los mononúcleo hasta los 4 núcleos. Quizás el más potente sea el denominado "Barcelona", usado para servidores con Socket AM2. Todas las versiones han mejorado las cachés, pasando a 512 KB en nivel 1, y a 4 MB en nivel 2.
• Intel Core iX. Totalmente nuevos en Intel. Pueden ser i3, i5, i7 o i9. Evidentemente a mayor número existe una mejora en el rendimiento. Quizás el que se haya hecho más popular sea el i7, debido a un gran impulso del mismo por parte de Intel. Incluye una caché L3 de 8 MB, con velocidad de 2.66 GHz y uso de Socket 1366. Ya no trabaja con FSB, por lo que la velocidad ahora pasa a medirse en GigaTransferencias/seg (GT/s). Estos procesadores trabajan en torno a las 4.8 GT/s.

Intel Core i7