Historia de las CPU

INTRODUCCIÓN

Se define como CPU a la parte de un ordenador que interpreta las instrucciones de un programa informático. Solemos creer que es la parte del ordenador que piensa, pero no es un ser vivo por lo que no lo puede hacer. Aún así es lo que más se acerca, por lo que a veces es denominada "cerebro".

Hoy en día estamos acostumbrados a que las CPU sean un circuito integrado, un chip. Pero en los primeros ordenadores la CPU era un conjunto de componentes electrónicos que solían ocupar bastante espacio, a veces el tamaño de un armario o más grandes.

Los primeros ordenadores carecían de CPU en el más estricto sentido que le damos hoy; eran equipos que tenían un programa fijo que se configuraba a base de conexiones físicas, generalmente conectando cables de un sitio a otro. Con el tiempo se diseñaron nuevos ordenadores que eran capaces de ejecutar programas almacenados en algún tipo de soporte (memoria), por lo que en ese momento aparecieron los primeros sistemas basados en primitivas CPU.

Aunque no fue el primero en proponer esta idea, el matemático John Von Neuman escribió un trabajo en 1945 en el que proponía una arquitectura que almacenaba programas en memoria sin la utilización de cableado, por lo que una primitiva CPU interpretaría las instrucciones de estos programas. Se trataba del esbozo de lo que más tarde sería el primer ordenador en funcionar de esta manera, el EDVAC, en el cual se podía cambiar el contenido de la memoria para que ejecutara un programa diferente.

Al principio las CPU se diseñaban a medida, lo que daba lugar a ordenadores únicos. Eran modelos hechos a medida de las necesidades del cliente. Con el tiempo se terminaron diseñando modelos para propósitos más generales, que permitían crear modelos más baratos al estar disponibles para diferentes desarrollos, en las que no se hacía modificaciones o, en caso de haberlas, eran muy pocas y con muy poco coste añadido.

Desde entonces y con el avance de la electrónica se diseñaron ordenadores que disponían de cada vez mejores CPU, hasta llegar a los años 70 del siglo XX. El primer microprocesador comercial creado en un integrado, en un chip, fue el Intel 4004 diseñado para formar parte de calculadoras electrónicas, un mercado muy activo por aquel entonces.

Este dio lugar en 1972 al primer procesador de propósito genera, el 8008. Pero debido a que este necesitaba para su funcionamiento de gran cantidad de electrónica a su alrededor no fue muy popular, tomando el relevo el Intel 8080 mejor diseñado y de mayor desempeño.

A partir de aquí todo lo que vino después y hasta nuestros días han sido distintas CPU cada vez más potentes y con mayor integración, pero el funcionamiento esta basado en los modelos creados en estos años y que siguen la filosofía de funcionamiento ideada por Von Newman.

MODELOS MÁS IMPORTANTES

Hagamos un repaso por los modelos más importantes, históricamente hablando claro está.

Fue el primer procesador en un chip comercializado del mundo. Creado por Intel, fue utilizado principalmente para calculadoras electrónicas.

Era un procesador de 4 bits que tuvo un hermano mayor, el 4040, que fue continuado por la serie 8008 de Intel, el cuál ya era un procesador de 8 bits.

Basado en una mejora sustancial del anterior 8008, el Intel 8080 marcaría una nueva era en los procesadores ya que fue el primer microprocesador verdaderamente funcional para la creación de ordenadores completos; esta tendencia sería seguida por otros fabricantes.

Pasará a la historia como el procesador que dio pie al diseño de los primeros ordenadores "domésticos", como los famosos Altair 8800 y el IMSAI 8080, los cuales ya eran capaces de ejecutar el sistema operativo CP/M.

Disponía de un bus de direcciones de 16 bits, que daba acceso a un total de 64KB y un bus de datos de 8 bits, algo verdaderamente revolucionario para la época que dotaba de cierta potencia al sistema.

Gracias a este procesador se popularizó el famoso sistema operativo CP/M, que fue durante tiempo uno de los sistemas operativos más utilizados, dentro y fuera de los entornos profesionales y para el que se gestaron algunos de los programas más famosos de la historia, como por ejemplo Word Star.

Con el tiempo Intel produjo una versión mejorada a la que denominó 8085.

Creado en 1974 aparece en el mercado al año siguiente. Disponía de un bus de datos de 8 bits y un bus de direcciones de 16 bits que daban acceso a 64 KB, características similares a las del Intel 8080, Zilog Z80 y MOS 6501 que fueron la competencia directa.

Fue muy popular en ciertos periféricos para ordenadores, terminales de punto de venta (TPV), juegos arcade y pinball.

En 1977 se presentó el MC6802 que era una versión que añadió ciertas mejoras, como por ejemplo multiplicación por hardware, algo no visto hasta la llegada de los micros de 16 bits.

Debido a una crisis que circuló a mediados de la década de los 70 del siglo XX, varios ingenieros que participaron en el desarrollo del Intel 8080 fueron despedidos y formaron por su cuenta una nueva empresa: Zilog.

Su primer procesador fue una mejora considerable del Intel 8080 que denominaron Z80.

Este procesador usaba el mismo conjunto de instrucciones que el 8080 por lo que era capaz de sustituirlo; podía ejecutar el mismo código de programa debido a que había sido diseñado expresamente para ello. Sin embargo añadía ciertas características mejoradas que lo hacían más potente pero sobre todo era más barato, lo que ayudó a su rápida aceptación en el mercado y a desplazar a su contrincante, el 8080, lo que provocó la retirada del modelo de Intel poco después. En su lugar la marca azul creó el 8085 que mejoró al 8080 pero no llegó a eclipsar al Z80, el cuál ya había captado la atención del mercado provocando que no obtuviera el de Intel tanta aceptación.

Z80 fue uno de los procesadores más utilizados desde el inicio de su comercialización en la segunda mitad de los años 70 del siglo XX. Su uso se hizo tan extenso que formó parte de míticos ordenadores domésticos, como por ejemplo ZX Spectrum, MSX, Amstrad CPC y PCW y todas las consolas de 8 bits de Sega, además de otras arquitecturas profesionales, que por lo general utilizaban CP/M, y en multitud de modelos de máquinas de videojuegos arcade. Se llegaron a fabricar modelos bajo especificaciones militares, con los que dotaron de funciones computarizadas incluso a aviones tipo caza de combate.

Fue tan extensamente utilizado que se licenciaron permisos para su fabricación por parte de otras empresas, como Toshiba, Nec o Hitachi creando en algunos casos versiones mejoradas respecto al original sin perder la compatibilidad con el diseño de Zilog. En la actualizad Zilog comercializa una versión muy mejorada denominada eZ80, capaz de acceder a más memoria lineal y llegar hasta los 50 MHz, que equivale en potencia a un Z80 original funcionando a 150 MHz.

Debido a que fue utilizado en gran medida en diseños industriales, hoy en día se continúa comercializando y es fácil encontrarlo en distribuidores de electrónica en varios formatos posibles.

Este procesador fue diseñado por parte del equipo que había trabajado para Motorola en el 6800. Cuando estos abandonaron la empresa crearon MOS Technology y diseñaron su primer micro, el 6501 que era totalmente compatible con el Motorola 6800.

Esto provocó una demanda por parte de Motorola que terminó a su favor, por lo que MOS tuvo que cesar la producción de este procesador. La respuesta de la marca fue un nuevo diseño, el MOS 6502, que alterando el orden en el patillaje evitaba nuevos enfrentamientos con Motorola a la vez que mantenía la compatibilidad a nivel código máquina con ciertas mejoras añadidas.

El MOS 6502 es un micro con un bus de datos de 8 bits y un bus de direcciones de 16 bits, que permite acceder a un máximo de 64 KB de memoria. Tuvo como competidor principal al Z80 de Zilog; los ordenadores domésticos desarrollados alrededor de estos dos procesadores fueron los principales dominantes del mercado doméstico de Occidente en parte de la década de los 70 y de los 80 del siglo XX.

El 6502 funcionaba inicialmente entre 1 y 2 MHz (aunque existieron después versiones más rápidas) lo que sorprendía en su momento al compararlo con otros procesadores como Z80, el cuál era fácil encontrar en sistemas a 4 MHz. Realmente esto no es un gran problema, debido a su diferente arquitectura, ya que en el 6502 la mayoría de sus instrucciones se ejecutan en un tiempo menor que en otras CPU, consiguiendo un rendimiento similar; sin embargo ciertas tareas no son tan versátiles o no están tan optimizadas, obligando a una programación más cuidada que en ocasiones se acerca a un verdadero "State of the art", aunque irremediablemente ciertos procesos no pueden ser igualados sin un aumento real de velocidad.

Por otra parte la menor velocidad del sistema tenía una gran ventaja: permitía utilizar memoria más lenta y más barata, que en los años 70-80 del siglo XX era un elemento muy caro, consiguiendo en general arquitecturas más económicas.

Algunos de los sistemas más significativos que utilizaron como procesador central el MOS 6502 fueron las consolas de Atari, los primeros ordenadores de Apple y Commodore y la primer consola de Nintendo, la NES.

A pesar de que era un procesador muy popular en la segunda mitad de los 70 del siglo XX, que llegó a vender millones de unidades, la compañía, MOS Technology, pasaba apuros comerciales debido a un desplome del mercado de calculadoras en el que participaba activamente. La solución para evitar la desaparición de MOS vino de la mano de Commodore que la adquirió; esta había estudiado la situación y decidieron que tener en propiedad la producción de los procesadores y otros integrados que utilizaban muchos de sus ordenadores, por no decir todos, les haría obtener mejores beneficios a la hora de diseñar y producir; curiosamente la mayor parte de estos eran fabricados por MOS. Y no se equivocaron, fue un movimiento muy inteligente que permitió a la marca sortear la crisis de entonces para así poder comercializar más tarde el Commodore 64, el ordenador personal de mayor éxito de la marca, convirtiéndose en el modelo más vendido de la historia.

Llegamos a un peso pesado: El Intel 8086. Conocido popularmente como 8086 es el primer procesador de la familia x86.

Era un procesador con un bus de datos de 16 bits y un bus de direcciones de 20 bits que daban acceso a 1MB de memoria plana.

Fue un diseño algo adelantado para su tiempo, lo que provocó que su precio de producción y comercialización fuera muy elevado, más de lo que los posibles compradores estaban dispuestos a pagar. Por este motivo Intel diseñó una versión con los buses recortados, multiplexados, dando lugar a la aparición del 8088 que era más barato y mantenía la compatibilidad a nivel código máquina, aunque era sustancialmente menos potente.

Curiosamente, siguiendo la nomenclatura de Intel, el 8088 debería haber sido más potente al designarse un número de producto mayor pero en realidad no es así. El motivo de su aparición fue debido a que Intel se encontraba en un aprieto: Comercializar el 8086 más barato, cosa que era imposible sin entrar en pérdidas tras los gastos de I+D, o crear otro modelo más barato aprovechando el desarrollo creado sin tener que invertir mucho más en ello.

Así fue como el primer IBM PC comercializado, el ordenador más influyente de todos los que utilizaron x86, incluyó el Intel 8088 en lugar del 8086 que encarecía en exceso el precio final del producto. Aún así su precio mínimo en el año 1981, con 16 KB de RAM y sin disqueteras, era de más de 1500$ USA.

Este procesador fue el primero de la extensa familia x86, que migraron a los 32 bits cuando la propia Intel lanzó al mercado el 80386, detrás del 80186 y el 80286.

Intel fue forzada por parte de IBM, para sus IBM PC, a licenciar la fabricación de esta CPU a más de una marca, garantizando así suficiente disponibilidad en el mercado en caso de aumentar la demanda. Entonces es cuando aparecieron otras marcas que comenzaron a fabricar varios modelos totalmente compatibles que corresponderían a varias generaciones de estos, como Harris, Cyrix, Texas Instruments y VIA entre otras.

AMD, que también fue licenciada en su momento, continuó fabricando esta familia de procesadores con diseños propios, en los que incluyó las especificaciones de 64 bits en el año 2003 que fueron denominadas finalmente como AMD64. Fue algo curioso que a Intel se le escapara por primera vez el hecho de introducir actualizaciones, ya que como creadores de los procesadores x86 eran ellos los que siempre innovaban al respecto; pero el intento que hizo Intel con su tecnología IA-64 (que era su actualización a 64 bits) estaba llena de defectos que hacía inviable su comercialización. Gracias a esta tecnología de 64 bits de AMD se crearon las especificaciones que nos han llegado hasta los procesadores de hoy en día.

Se han continuado fabricando varias versiones cada vez mejores, en las que el aumento de núcleos de ejecución, junto con otros elementos, ofrecen hoy en día una potencia muy elevada.

También conocido popularmente como 68k, aunque tuvo otras denominaciones tales como 680x0, m68k o familia 68000; debe su nombre al número de transistores que contiene. Es un procesador de 32 bits internos que dispone de un bus de datos de 16 bits. En los primeros modelos el bus de direcciones era de 24 bits, que daba un acceso a 16MB de RAM lineal.

Algunas de las arquitecturas que lo usaron fueron Commodore Amiga, Atari ST, los primeros Apple Macintosh, el Sharp X68000 y multitud de máquinas recreativas, principalmente en las de Capcom, así como ciertas consolas domésticas de Sega (Mega Drive, Saturn...) y Neo Geo; también fue usado en estaciones Silicon Graphics, Sun Microsystems, máquinas NeXT y versiones portátiles de bajo consumo en las PDA Palm.

Se continuaron varias versiones, cada vez más potentes, que en general eran retro-compatibles con los modelos anteriores. Así aparecieron nuevas versiones como por ejemplo 68020, 68030, 68040, incluso alguna con el bus de datos de 8 bits como el referenciado como 68008 utilizado en el ordenador doméstico Sinclair QL.

Fue tal su éxito que se llegaron a fabricar diferentes versiones por parte de otras compañías como Hitachi, Philips, SGS y otros.

Aparece la primera generación de esta familia de procesadores con el modelo 601. Fue un diseño creado por IBM al que se unieron Motorola y Apple para hacerlo realidad ya que tenía un alto costo de desarrollo que de otra manera no habría podido llevar a cabo.

Originalmente el PowerPC 601 funcionaba a 50 y 66 MHz, era un procesador de 32 bits que tenía una gran potencia de proceso debido principalmente a su arquitectura Risc. Se fabricaron multitud de versiones a cual más potente, dando lugar a una gran familia.

Una de las características principales de estos procesadores era la gran potencia que desplegaban en igualdad de condiciones que otros de la competencia, lo que los hizo perfectos para equipos de alto rendimiento.

Fue utilizado en distintas arquitecturas de ordenadores entre los que se encuentran los Apple Macintosh y varios sistemas de servidores de IBM así como en consolas Nintendo Wii, Microsoft Xbox 360, además de formar parte de los componentes internos de la Sony PlayStation 3.

Junto con estos procesadores aparecieron o se adaptaron sistemas operativos de alto rendimiento, como por ejemplo varias versiones de Linux, Mac OS de Apple, AmigaOS e incluso una versión concreta de Windows NT.