¿Qué es un microprocesador?

 El microprocesador es el circuito integrado central más complejo de un sistema informático; a modo de ilustración, se le suele llamar por analogía el "cerebro" de un ordenador. Se encarga de todas las tareas, desde la ejecución de programas hasta la ejecución de aplicaciones de usuario, y toma decisiones basadas en un lenguaje binario que incluye sumas, restas y divisiones. Cuando se habla de lo avanzado que puede ser -dependiendo de los procesadores que se alojen dentro de esta mini máquina- contiene una o más unidades centrales de procesamiento (CPU) que consisten esencialmente en registros, unidad de control y unidad aritmética lógica (ALU).

El microprocesador suele conectarse a través de un zócalo específico en la placa base del ordenador; normalmente, para su correcto y estable funcionamiento, se le dota de un sistema de refrigeración consistente en un disipador de calor, fabricado con metal de alta conductividad térmica como el cobre o el aluminio. También se puede utilizar un sistema de refrigeración líquida que ayude a eliminar el exceso de calor absorbido por el disipador. Por último, existen métodos más eficientes, como las células peltier, que normalmente sólo se utilizan para fines muy especializados, como las prácticas de overclocking.

El rendimiento es una tarea compleja y no es fácil de medir. Diferentes tipos de "cargas" necesitan distintos niveles de procesamiento, por lo que una sola métrica no es suficiente para todos los dispositivos del mercado. Por ejemplo, la frecuencia de reloj permite a los desarrolladores comparar procesadores con núcleos de la misma familia; sin embargo, esto es limitado, ya que hay muchos diseños en el mercado que tienen distintas capacidades en lo que respecta a métricas de rendimiento como éstas. Un sistema informático de alto rendimiento puede contener varios microprocesadores trabajando en paralelo y cada procesador puede estar formado por varios núcleos físicos o lógicos dentro de ellos, dependiendo de sus planes de diseño con fines de eficiencia.

Historia de los microprocesadores

El microprocesador surgió a partir de diferentes tecnologías predecesoras, concretamente la tecnología de los ordenadores y la de los semiconductores. A principios de los años 70, estas tecnologías se fusionaron para dar lugar al primer microprocesador. Estas innovaciones comenzaron a desarrollarse después de la Segunda Guerra Mundial, durante la cual los científicos desarrollaron ordenadores para aplicaciones militares. El periodo de posguerra de 1948 marcó también un punto de inflexión en la tecnología electrónica con la creación de los transistores por parte de los Laboratorios Bell (de donde salieron los actuales circuitos integrados).

Al pasar de los años 50 a la actualidad, los ordenadores se han remodelado y digitalizado. Ahora se fabrican utilizando una variedad de componentes electrónicos activos, como chips que funcionan bien con la codificación digital, en lugar de tubos de vacío o bombillas. Al ensamblar estos diferentes componentes en módulos, pueden crear numerosos circuitos y dispositivos electrónicos. Un hito fundamental en el diseño de los ordenadores fue el desarrollo de capacidades de almacenamiento de memoria que les permitieran guardar datos mientras esperaban su siguiente tarea, algo que se llama "arquitectura von Neumann".

El silicio se ha convertido en algo omnipresente y se ha utilizado en el diseño de circuitos electrónicos desde que la tecnología informática digital sustituyó al voluminoso tubo de vacío. Los circuitos lógicos digitales, como el RTL (Resistor Transistor Logic), el DTL (Diode Transistor Logic) y el TTL (Transister-Transilter Logic) se utilizan ahora ampliamente para el diseño de circuitos en la electrónica moderna.

A finales de los años 60 y principios de los 70 surgió la integración de sistemas a gran escala. Esta tecnología permitía aumentar el número de componentes en los circuitos integrados (IC). Sin embargo, en aquella época se producían pocos circuitos LSI; los dispositivos de memoria, como una calculadora o un chip controlador de ordenador, son buenos ejemplos.

El primer microprocesador fue el 40042 de Intel Corporation, que contenía 2300 transistores. Se desarrolló originalmente para una calculadora y tenía muchas características revolucionarias: podía realizar hasta 60.000 operaciones por segundo a una frecuencia de reloj de unos 700 kHz y procesar instrucciones de 4 bits.

El 8086 fue el primer microprocesador de la familia x86, que se hizo más popular debido a su simplicidad y diseño. El 8088 se lanzó porque no había aplicaciones compatibles para 16 bits en ese momento. Por ello, Intel lanzó un nuevo chip llamado 8088; todavía hoy se utiliza ampliamente como uno de los muchos procesadores de los ordenadores con arquitectura compatible con AT o placas base (PC). Tiene 134K transistores. Con el tiempo, las velocidades alcanzaron los 25 MHz gracias a que se incorporó a los ordenadores PC/AT de IBM a partir de 1984.

Uno de los primeros procesadores de arquitectura de 32 bits fue el 80386 de Intel, fabricado a finales de la década de 1980; en sus diferentes versiones, llegó a funcionar a frecuencias de unos 40 MHz. El microprocesador DEC Alpha se lanzó en 1992 con una frecuencia de trabajo de 200 MHz. Alcanzó 1 GHz en 2001, siendo irónicamente retirado del mercado cuando sus competidores lo superaron en velocidad apenas unos meses después.

Los microprocesadores modernos tienen una capacidad, velocidad y complejidad mucho mayores. Los que vemos hoy en día son arquitecturas de 64 bits, integran más de 700 millones de transistores (el número de transistores en la serie Core i7 es casi siempre infinito debido a la Ley de Moore), pueden funcionar a frecuencias normales ligeramente superiores a 3 GHz con facilidad.

Funcionamiento de los microprocesadores

El microprocesador contiene varios registros: una unidad de control, una unidad aritmética lógica (dependiendo del procesador) y posiblemente una unidad de coma flotante. Cuando se leen las instrucciones de la memoria, se descodifican para determinar lo que va a ocurrir a continuación. El proceso de lectura de los operandos consiste en enviarlos a los registros del procesador o a la memoria principal.

Cada una de estas fases dura uno o varios ciclos de la CPU, dependiendo del procesador y específicamente de lo segmentado que esté. La duración de estos ciclos viene determinada por la frecuencia del reloj: nunca duran menos de lo que tardaría una sola tarea en un solo ciclo. Los circuitos PLL basados en cristales de cuarzo se utilizan para generar pulsos a una velocidad constante, de modo que se puedan realizar múltiples tareas diferentes cada segundo sin dejar de estar sincronizadas entre sí. Este reloj genera actualmente miles de megahercios.