Microprocesador

1. El microprocesador

 

El Microprocesador es un dispositivo digital (microchip) que está constituido por millones de minúsculos elementos eléctricos, casi todos  transistores, en un único circuito integrado capaz de realizar diversas operaciones con los datos que le encargan los programas software.

El chip, microchip o circuito integrado, es una pastilla pequeña de material semiconductor  de algunos milímetros cuadrados de área, sobre la que se fabrican circuitos electrónicos generalmente mediante fotolitografía que está protegida dentro de un encapsulado de plástico o cerámica, que posee conductores metálicos apropiados para hacer conexión entre la pastilla y un circuito impreso. Un semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre,  como el silicio, el germanio y el arseniuro de galio, que son los utilizados.

El microprocesador está diseñado para ejecutar programas, es decir ejecuta instrucciones (operación aritmético-lógica, de control y de comunicación con el resto de los componentes integrados que conforman un PC) que se le dan a las computadoras a muy bajo nivel (0 y 1) haciendo operaciones lógicas básicas como sumar, restar, multiplicar, dividir, lógicas binarias y acceso a memoria;  siguiendo el modelo base de Von Neumann. La arquitectura de Von Neumann es una familia de arquitecturas que utiliza el mismo dispositivo de almacenamiento tanto para las instrucciones como para los datos. El Microprocesador funciona como la Unidad Central de Proceso (CPU – Central Procesing Unit), ella está constituida por registros, la unidad de control y la unidad aritmético-lógica. En el microprocesador  se procesan todas las acciones de la computadora.

Este dispositivo se ubica  en un zócalo especial en la placa o tarjeta madre y dispone para su buen funcionamiento de un sistema de enfriamiento que utiliza ventilador, puesto que pueden disipar hasta 100 vatios de forma contínua. Viene protegido por el encapsulado (package) que es un cuadrado de contactos eléctricos el que ha evolucionado. El modelo inicial fue el DIP (Dual In-line Package) con conectores en forma de patas rectas en sus laterales que se sueldan o insertan en zócalos; PGA (Pin Grid Array) es una matriz rectangular de contactos cilíndricos, “pines”, que se encuentran en su base y  que lo hacen más fácil y resistente de instalar; LGA (Land Grid Array) es un encapsulado en que los pines pasan a estar en el zócalo de la placa base, mientras que el microprocesador tiene contactos planos en su superficie inferior. Los sócalos son del tipo ZIF (Zero Insertion Force [socket], zócalo de fuerza de inserción nula) para micros de encapsulado PGA y los sócalos Socket T para micros con encapsulado LGA de 775 contactos.

Su velocidad es medida por la cantidad de operaciones por segundo que puede realizar, también llamada frecuencia de reloj. La frecuencia de reloj se mide en megahertz (MHz) o gigahertz (GHz). Es decir por la cantidad de operaciones por ciclo de reloj que puede realizar y en los ciclos por segundo que desarrolla en microprocesador. El ancho de banda (bandwidth)  mide el número de bits procesados en una sola instrucción.

Una computadora puede estar soportada por uno o varios microprocesadores, y un microprocesador puede soportar uno o varios terminales (redes). Un núcleo suele referirse a una porción del procesador que realiza todas las actividades de una CPU real. La tendencia en los últimos años ha sido la de integrar más núcleos dentro de un mismo empaque, además de componentes como memorias cache y controladores de memoria, elementos que antes estaban montados sobre la placa base como dispositivos individuales.

2.  Arquitectura interna del microprocesador

 

Uno de los recursos del microprocesador son los registros, pequeñas cantidades de memoria extremadamente rápida donde se almacenan los valores sobre los que se están operando actualmente. Cuando un microprocesador se dice es de “32  bits”, se refiere a que cada registro puede almacenar dicha cantidad de memoria. Un elemento que utilizan  registros es la unidad de ejecución, la parte que realiza las operaciones sobre los datos solicitados por el programa software: una de ellas es la Unidad Aritmética Lógica o ALU (Arithmetic Logic Unit) que se encarga de los cálculos sobre números enteros o las operaciones lógicas; la Unidad de Coma flotante o FPU (Floating Pint Unit) se encarga de las operaciones con números reales y la división de enteros, anteriormente realizada por el coprocesador matemático o por software. La unidad de control dirige las actividades de los otros elementos del microprocesador, además de decodificar las instrucciones recibidas. Otro elemento son los buses de datos, que comunican las diversas partes del microprocesador u otros elementos de la computadora y que actualmente es en general de 64 o 128 bits (incluso si registro es de 32 bits), y los bus de direcciones de quien depende el tamaño máximo de memoria que es capaz de manejar (direccionar) el microprocesador y que es de 32 bits posibilitando direccionar hasta 4 GB de memoria.
 
La arquitectura x86 utilizado por los microprocesadores 80186, 80286, 80386 y 80486, poseen un  conjunto de instrucciones compatibles, que se han ampliado, para dar modos de trabajo de microprocesador: el modo real que puede direccionar 1 MB de memoria, que se utilizaba con el sistema operativo DOS y que es utilizado en los microprocesadores modernos durante el proceso de arranque; en el modo protegido del 286 se añade protección de memoria evitando espacios reservados a otros procesos, soporte a multitarea y a memoria virtual; el modo protegido del 386 (386 enchanced mode) es mejor y el empleado actualmente, ofrece paginación para dividir la memoria en zonas llamadas páginas, mejorando el  mecanismo de memoria virtual y extendió, registros, direccionamiento de memoria, bus de datos, a 32 bits, y es utilizado por los sistemas operativos Linux y Windows basados en núcleo NT (XP, Vista); el modo real virtual o modo 8086 virtual es un método para poder ejecutar software diseñado para modo real (como el caso del MS-DOS) desde el modo protegido de 32 bits. La arquitectura x86 moderna es conocida con frecuencia como IA-32 (Intel Architecture-32, arquitectura Intel de 32 bits).
 
            Intel introdujo nuevas instrucciones x86 con el microprocesador MMX, que incluían nuevas instrucciones SIMD (operaciones en las que cada instrucción maneja datos múltiples, de utilidad en procesos multimedia de video o sonido, para acelerar operaciones matemáticas con enteros, para el que se definieron ocho  registros de 64 bits. AMD mejoró la MMX con la introducción de 3DNow! con el AMD K6-2. Intel lanzó las SSE (Streaming SIMD Extensions), añadiendo 128 bits independientes de la FPU permitiendo operaciones en coma flotante juntamente con el soporte MMX; en AMD el SSE están presentes en las AMD Athlon XP.  Las SSE se transformaron en SSE1 y luego en SSE2, que mejoraban el soporte en coma flotante (ahora en números de doble precisión, de 64 bits en lugar de 32 bits) y añadían soporte para manejar enteros en los registros introducidos con la SSE y que en AMD están en la familia de microprocesadores AMD Athlon 64. Luego Intel introdujo el núcleo Prescott, se añadieron más instrucciones, las SSE3, para tecnología Hyper-Threading. Finalmenmte se añadieron más de 50 nuevas instrucciones, las SS4, con el núcleo Penryn en las Intel Core 2 de 45 nm.
 

            Aunque hace muchos años que parte de los microprocesadores es de 64 bits o más, como algunos registros (SSE) o  el bus de datos externo (para acelerar el acceso a memoria), desde el 386 la mayoría de registros seguían siendo de 32 bits y seguía direccionando memoria mediante 32 bits, pudiendo acceder en forma directa a sólo 4GB.Intel decide abandonar la arquitectura IA-32 y pasar a una nueva, la IA-64. Esta arquitectura, empleada por sus  procesadores Itanium e Itanium 2, es realmente avanzada, pero tiene problema de requerir software específicamente diseñado para ella; requiriendo ya sea pasar a un modo de compatibilidad con IA-32, lamentablemente lento, o recurrir a emulación mediante software. El diseño Itanium quedó limitado a microprocesadores  de entorno de servidor donde sobrevive. AMD tomo la dirección contraria que resultó ser la correcta: no se abandonó la arquitectura IA-32, lo que hicieron fue complementarla, en la llamada arquitectura x86-64 o AMD64 que utilizan sus microprocesadores de 64 bits, toda la familia Athlon 64 y sus hermanos profesionales Opteron. Todos los modos de funcionamiento anteriores de la arquitectura x86 se soportan por completo y a alta velocidad, evitándose un nuevo sistema operativo y software diseñado para esta arquitectura. El direccionamiento de memoria ha aumentado a 40 bits, lo que permite direccionar 1 TB (1,024 GB) de memoria, más registros y soporte nativo de instrucciones tipo SSE. Finalmente Intel se vio obligada a adoptarla (lo inventado por AMD) para sus futuros microprocesadores, la retocó, y la llamó EM64T o Intel 64.

 
3.  Parámetros de funcionamiento de un microprocesador

 

Los microprocesadores son dispositivos que realizan numerosas tareas por etapas y se requiere que todas sus partes funcionen de forma síncrona; esto se consigue mediante una señal de reloj, generada por un oscilador de cuarzo, cuya frecuencia en pulsos por segundo o “hercios” (Hz), es lo que se conoce como “velocidad de reloj o frecuencia del microprocesador”. Llegó el momento que resulta simple comparar dos microprocesadores distintos (uno Intel y otro AMD) sólo por su velocidad de reloj, pues puede suceder que se tenga mucha velocidad de reloj pero se realiza menos trabajo por cada ciclo. AMD pasó a denominaciones “comparativas” para definir sus microprocesadores; por ejemplo un “Athlon XP 2400+” realmente funciona a 2GHz, pero su denominación indica que rinde al menos tanto como una Pentium 4 a 2,4 GHz. Se presenta el caso de denominaciones arbitrarias como “Core 2 Duo E6850”, que sólo nos dice que es un modelo internamente similar pero más rápido que el “Core 2 Duo E6540”.

Con respecto a la velocidad del bus, los microprocesadores tienen un bus de datos para comunicarse con otros elementos del sistema y normalmente está conectado a uno de los dos chips del chipset, el northbridge, que la comunica con la memoria, los buses de tarjetas de expansión como PCI y otros dispositivos. Se denomina Front Side Bus, bus frontal o FSB. El primer parámetro es el ancho en bits del bus, el número de bits que puede transmitir en cada pulso de reloj; el segundo es la velocidad de reloj a la que funciona el bus. Los microprocesadores modernos emplean buses con aprovechamiento múltiple de señal de reloj, de manera que mandan varios grupos de datos por cada pulso de reloj, en lugar de sólo uno y se habla de velocidades “equivalentes”. La velocidad del bus del microprocesador está relacionada con la de otros buses, como el de memoria y los AGP, PCI y PCIe. Los microprocesadores Athlon y familia utiliza el llamado HyperTransport, denominado HTT o LDT (Lightning Data Transport) distinto al FSB y es más avanzado: es un bus serie, en lugar de paralelo, enviando menos bits en cada pulso de reloj; funciona a mayor velocidad de reloj, 1,000 MHz o 1,800 MHz; emplea doble aprovechamiento de señal, llegando a 2,000 ó 3600 MHz “equivalentes”; es full-duplex, puede funcionar al mismo tiempo en ambos sentidos, lo que implica hasta 7.2 GB/s por sentido. Otra característica a ser tomada, es que los microprocesadores AMD Athlon 64, Phenom, etc., incorporan el controlador de memoria dentro del microprocesador, en lugar de dentro del nothbridge, lo que acelera el funcionamiento de la memoria.

La memoria caché es una memoria muy rápida que se emplea para almacenar una copia de los datos que con más probabilidad requerirá a continuación el microprocesador, acelerando el rendimiento al reducir el número de veces que debe acceder a la memoria principal o RAM, más lenta. Se empezó a hablar de “niveles de caché”, más cercanos al microprocesador y más rápidos cuanto menor fuese su número de nivel: caché primaria o de nivel 1 (L1) es interna, está integrada y funciona a la misma velocidad del microprocesador, está dividida en caché de datos y cache de instrucciones y es de 128 KB (Athlon 64); las caché de niveles 2 y 3 (L2  y L3) están conectadas al microprocesador mediante el bus trasero o back side bus o pueden estar integradas en el núcleo del microprocesador, en el mismo encapsulado del chip (lo mejor), o ser totalmente externas, mediante chips instalados en la placa base. Cuando el microprocesador busca un dato, mira primero a la caché L1, y si lo encuentra allí lo aprovecha y si no pasa a los siguientes niveles hasta llegar a la memoria principal. Las caché pueden ser inclusivas (todo el contenido de L1 está duplicado en la caché L2) o exclusivas (lo opuesto). Actualmente, aumentar el tamaño de la memoria caché L2 (la L1 requeriría rediseñar excesivamente el núcleo) es uno de los métodos más empleados para aumentar el rendimiento, ocupando la mitad o más de la superficie del núcleo del chip.

La tecnología de fabricación (micras o nm) es un parámetro que indica lo avanzado de la tecnología de fabricación. A lo largo de la historia de los microprocesadores, se ha pasado de  tecnología de fabricación de 3 micras (3,000 nm) a las actuales 65, 45 y 32 nm (0.065, 0.045, 0.032 micras). Al reducirse el tamaño de sus elementos puede obtenerse un mayor número de microprocesadores de cada oblea, reduciendo los costos; se posibilita alcanzar mayores velocidades de reloj; disminuye el voltaje necesario para el funcionamiento y por tanto el calor generado; y se pueden incorporar nuevos elementos, como memoria caché L2. La enorme reducción de tamaño de los micros modernos provoca que la refrigeración sea realmente difícil.

Con respecto al voltaje del microprocesador, cuanto menor sea menor será el calor generado y actualmente es 1.2 V o incluso menos.

Las características de un microprocesador, tanto físicas como lógicas, pueden variar a lo largo de los años; aunque parte del diseño siempre se mantiene, durante el tiempo en que se emplea una determinada marca comercial el microprocesador evoluciona, fabricándose diversas versiones de núcleo. Por ejemplo, los Pentium 4 realmente fueron varios núcleos bastante distintitos: Willamette, Northwood, Prescott, Prescott 2M y Cedar Mill. No solo cambiaron mucho a nivel físico (distinto encapsulado y zócalos, distintos voltajes, distintas velocidades de bus, distintas cantidades de caché) sino que incorporaron mejoras internas que hacen que un núcleo Prescott 2M o Cedar Mill se parezca poco a los primeros Pentium 4 Willamate, como: nuevo conjunto de instrucciones (SSE3 y EM64T/ Intel 64); monitorización térmica del chip; Hyper-Treading y pipelines más largos; tecnología de virtualización; Execute Disable Bit.

Un nuevo sistema para aumentar el rendimiento es emplear varios procesadores en lugar de uno, aprovechando las ventajas de la tecnología s de fabricación modernas para incluir varios núcleos o cores en un único encapsulado, que al momento llegan a ocho o diez. Los micros con múltiples núcleos tiene ventajas evidentes: no se incrementa rendimiento aumentando solo la velocidad de reloj y ofrece una mejor respuesta del sistema durante la multitarea. Sin embargo tiene sus dosis de problemas: aumenta el calor a disipar, deben fabricarse a velocidades de reloj más bajas para reducir costos de refrigeración, necesitan ancho de bus elevado, existen programas que funcionan mejor con un micro de un único núcleo muy rápido en lugar de varios algo más lentos.

Con la técnica de mejora del rendimiento pipelining lo que se hace es dividir las unidades de ejecución del microprocesador en etapas secuenciales (31) de manera que las unidades puedan estar trabajando en varias instrucciones a la vez; en lugar de tardar varios ciclos de reloj en ejecutar cada etapa, se logra ejecutar varias etapas por ciclo de reloj. La técnica multi-hilo que es Hyper-Threading busca aprovechar al máximo las unidades de ejecución llenándolas en paralelo con instrucciones de diferentes hilos, requiriendo un sistema operativo que lo soporte.
4 Historia de los microprocesadores

 

El Microprocesador se desarrolla desde la mitad de los años 50’s, sin embargo su tecnología se logra funcionar a principios de los 70’s. El Microprocesador representa la 4ta y 5ta de generación de computadoras. Las tecnologías iniciaron su desarrollo desde la segunda guerra mundial; en este tiempo los científicos desarrollaron computadoras especialmente para uso militar. Después de la guerra, a mediados de 1940 la computadora digital fue desarrollada para propósitos científicos y civiles.

En 1948 en los laboratorios Bell crearon el Transistor. En los años 50’s, aparecen las primeras computadoras digitales de propósito general. Éstas usaban tubos al vacío (bulbos) como componentes electrónicos activos.

A principios de los años 60’s, el arte de construcción de computadoras de estado sólido se incrementó y surgieron las tecnologías en circuitos digitales como: RTL (Logica Transistor Resistor), DTL (Logica Transistor Diodo), TTL (Logica Transistor Transistor), ECL (Logica Complementada Emisor).

El primer microprocesador fue el Intel 4004 (Patente de E.E.U.U. #3,821,715) , producido en noviembre 1971, por los ingenieros de Intel Federico Faggin, Ted Hoff y Stan Mazor Se desarrolló originalmente para una calculadora, y resultaba revolucionario para la época. Contenía 2,300 transistores, en un área de 3 por 4 milímetros, en un microprocesador de 4 bits que solo podía realizar 60,000 operaciones por segundo.

El primer microprocesador de 8 bits fue el de Intel 8008, desarrollado en 1979 para su empleo en terminales informáticos. El Intel 8008 contenía 3,300 transistores. El primer microprocesador realmente diseñado para uso general, desarrollado en 1974, fue el Intel 8080 de 8 bits, que contenía 4,500 transistores y podía ejecutar 200,000 instrucciones por segundo.

Los Microprocesadores de 64 bits de hoy en día aún se basan en los diseños similares, y el microprocesador sigue siendo el producto más complejo de producción masiva cada vez con más de 5,5 millones de transistores que realizan cientos de millones de cálculos por segundo - números que están seguros de ser obsoletos rápidamente.

Los microprocesadores modernos tienen una capacidad y velocidad muchos mayores. Entre ellos figura el Intel Pentium Pro, con 5.5 millones de transistores; el UltraSparc-II, de Sun Microsystems, que contiene 5.4 millones de transistores; el PowerPC 620, desarrollado conjuntamente con Apple, IBM y Motorola, con 7 millones de transistores, y el Alpha 21164ª, de Digital Equipment Corporation, con 9.3 millones de transistores.

En la actualidad leemos noticias como que Intel reemplazará el año próximo el socket LGA 1366 utilizado en la gama entusiasta por los Core i7 con un nuevo zócalo, nuevo chipset y soporte para nuevos microprocesadores de ocho núcleos “Sandy Bridge”, con 16 hilos de procesamiento nativo, fabricados en procesos de 32 nanómetros. Ver Cuadro 3.1.

1972: microprocesador 8008

Codificado inicialmente como 1201, fue pedido a Intel por Computer Terminal Corporation para usarlo en su terminal programable Datapoint 2200, pero debido a que Intel terminó el proyecto tarde y a que no cumplía con las expectativas de Computer Terminal Corporation, finalmente no fue usado en el Datapoint 2200.

 

1974: microprocesador 8080

Los 8080 se convirtieron en los cerebros de la primera computadora personal la Altair 8800 de MITS, con un precio de $395 , y el IMSAI 8080, formando  la base para las máquinas que corrían el sistema operativo CP/M.

 

Cuadro 1. Resumen de característica de principales microprocesadores para PC

                       

Procesador

Registro

(bits)

Transistores

(cantidad)

tecnología

Tipo Encapsulado

Velocidad

(MHz)

Memoria direccionable

otros

Intel 8088

16

29,000

3 micras

DIP

4.77 - 10

 

 

Intel 8086

16

29,000

 

 

10

 

 

Intel 80286

24

134,000

1.5 micras

PGA

6 - 10

16 MB

 

Intel 386

32

275,000

1 micra

PGA

16 - 33

4 GB

Coprocesador matemático

Intel 486

 

1’180,000

1 micra

PGA

25 - 40

4 GB

Caché L1 8 KB

Intel Pentium

32

3’100,000

0.8 micras

 

75 - 200

4 GB

Bus externo 64 bits, caché L1 16 KB

AMD K5

32

4’300,000

 

 

 

4 GB

Bus externo 64 bits

Pentium MMX

32

 

0.35 micras

 

166 - 233

4 GB

Caché L1 32 KB y L2

Pentium Pro

32

22’000,000

 

 

150 - 200

4 GB

1 MB caché L2

Pentium II

32

7’500,000

0.35 y 0.25 micras

No PGA

233 - 450

4 GB

Caché L1 32 KB y caché L2.

AMD K6

32

8´800,000

0.25 micras

 

300

4 GB

64 KB caché L1

Pentium III

32

 

0.25 – 0.13 micras

PGA

600 - 1000

4 GB

Caché L2 256 KB

AMD Athlon o

 K7

32

22’000,000

0.25 micras

PGA

500 - 700

4 GB

Caché L1 128 KB,

Caché L2 512 KB, bus 200 MHz

Athlon XP

32

54’300,000

0.18 micras

PGA

2,200 MHz

4 GB

 

Pentium 4

32

42’000,000

0.13 micras

0.09 micras

PGA

Max. 3.8 GHz

4 GB

Caché: L1 128 KB,

L2 512 KB a 1 MB, L3 2 MB

Athlon 64 o K8

64

105’900,000

0.13 micras

90 nm

65 nm

PGA

 

 

Caché L1 128 KB,

Caché L2 512 KB  o 1 MB, HTT 800

Intel Core 2

Duo-Quad

64

291,000,000

65 nm

45 nm

PGA

2,133 MHz

 

Caché L2 2 MB,

FSB 1,066 MHz 

AMD Phenon o K10

64

463,000,000

758,000,000

65 nm

45 nm

PGA

 

 

Caché L3 2-4 MB,

HTT 1800 MHz

 

Six-Core Opteron 7400

40

904,000,000

45 nm

 

1.8 – 2.6 GHz

 

Opera a 40 wats,

Soporta DDR2

Six-Core i7

 

1,170,000,000

32 nm

LGA

3.33 GHz

 

Cache L3 12 MB

10-Core Xeon Westmere-EX

64

2,600,000,000

32 nm

 

2.4 GHz

2 TB

Deca-core

 

Fuente: Herrerías R. Juan. 2008.  “El PC Hardware y componentes”
 

1978: microprocesador 8086 – 8088

 

Figura 1. Chips de microprocesadores 8086

 

El 8 de Junio de 1978, Intel presentó al público el chip 8086 (también conocido como iAPX86), procesador que se convertiría en la base para el actual conjunto de instrucciones de arquitectura x86, dando inicio a la historia moderna de las CPUs de propósito general, con frecuencias que bordeaban los 5 MHz.

La identidad de 8086 se establece en sus registros y buses (interno, externo) de 16-bit, lo que permite un direccionamiento I/O de 64 KB (216 = 65.536), mientras el bus externo de 20-bit permitía un direccionamiento físico de 1 MB.

1982: microprocesador 286

 

Figura 2. Chips de microprocesadores 80286

 
El 286 o 80286, era el primer procesador de Intel que podía ejecutar  todo el software escrito para su predecesor.

Las versiones iniciales del i286 funcionaban a 6 y 8 MHz, pero acabó alcanzando una velocidad de hasta 25 MHz. Por su limitación llevó a la famosa referencia de Bill Gates sobre el 80286 como un "chip de cerebro muerto", puesto que estaba claro que el nuevo ambiente de Microsoft Windows no podría correr múltiples aplicaciones MS-DOS con el 286.

 

1985: el  microprocesador Intel 386™

 

Figura 3. Chips de microprocesadores AMD 80386

 

El Intel 386™  microprocesador ofreció 275,000 transistores. El 386 añadió una arquitectura de 32 bits, poseía capacidad “multi-tarea”. El 80386 tiene dos modos de operación: modo de direccionamiento real (modo real), y modo de direccionamiento virtual protegido (modo protegido). Para facilitar diseños de hardware de alto rendimiento, la interfaz con el bus del 80386 ofrece pipelining de direcciones, tamaño dinámico del ancho del bus de datos (puede tener 16 ó 32 bits según se desee en un determinado ciclo de bus) y señales de habilitación de bytes por cada byte del bus de datos.

Existían versiones 386. La 80386: En octubre de 1985 la empresa Intel lanzó el microprocesador 80386 original de 16 MHz, con una velocidad de ejecución de 6 millones de instrucciones por segundo y con 275,000 transistores. Para facilitar la transición entre las computadoras de 16 bits basadas en el 80286, apareció en junio de 1988 el 80386 SX con bus de datos de 16 bits y 24 bits de direcciones. Este microprocesador permitió el armado de computadoras en forma económica que pudieran correr programas de 32 bits. El 80386 original se le cambió de nombre: 80386 DX. En 1990 Intel introdujo el miembro de alta integración de la familia 386: el 80386 SL con varias características extras (25 MHz) interfaz para caché opcional externo de 16, 32 ó 64 KB, soporte memoria expandida por hardware, generación y verificación de paridad, ancho de bus de datos de 8 ó 16 bits.

1985: microprocesador Intel 486™

 

Figura 4. Chips de microprocesadores Intel 80486

 

La generación 486™ realmente significó que el usuario contaba con una computadora con muchas opciones avanzadas, entre ellas, un conjunto de instrucciones optimizado, una unidad de coma flotante y un cache unificado integrados en el propio circuito integrado de microprocesador y una unidad de interfaz de bus mejorada. Estas mejoras hacen que los 486 sean el doble de rápidos que un i386 e i387 a la misma frecuencia de reloj. El procesador Intel 486™ fue el primero en ofrecer un coprocesador matemático, el cual acelera las tareas del micro, porque ofrece la ventaja de que las operaciones matemáticas complejas son realizadas (por el coprocesador) de manera independiente al funcionamiento del proceso central (CPU). Este microprocesador es básicamente un 80386 con el agregado de una unidad de punto flotante compatible con el 80387 y un caché de memoria de 8 KBytes.

Aparecieron varias versiones: en abril de 1989 la compañía Intel presentó su nuevo microprocesador: el 80486 DX, con 1’200,000 transistores a bordo, el doble de la velocidad del 80386 y 100% de compatibilidad con los microprocesadores anteriores; en abril de 1991 introdujo el 80486 SX, un producto de menor costo que el anterior sin el coprocesador matemático que posee el 80486 DX (bajando la cantidad de transistores a 1’185,000); en marzo de 1992 apareció el 80486 DX2, que posee un duplicador de frecuencia interno, con lo que las distintas funciones en el interior del chip se ejecutan al doble de velocidad, manteniendo constante el tiempo de acceso a memoria; en el mismo año apareció el 80486 SL  con características especiales de ahorro de energía; siguiendo con la filosofía del DX2, en 1994 apareció el 80486 DX4, que triplica la frecuencia de reloj y aumenta el tamaño del caché interno a 16 KBytes.

1993: El procesador Pentium®
 
            

Figura 5. Chips de microprocesadores Intel Pentium
 
El procesador Pentium® poseía una arquitectura capaz de ejecutar dos operaciones a la vez. Además, poseía un bus de datos de 64 bits, permitiendo un acceso a memoria 64 bits (aunque los registros eran de 32 bits). Las versiones que incluían instrucciones MMX no solo brindaban al usuario un mejor manejo de aplicaciones multimedia, como por ejemplo, la lectura de películas en DVD, sino que ofrecían en velocidades de hasta 233 MHz, incluyendo una versión de 200 MHz y la más básica proporcionaba unos 166 MHz de reloj.

Este microprocesador se presentó el 22 de marzo de 1993 con velocidades iniciales de 60 y 66 MHz, 3,100,000 transistores, caché interno de 8 KB para datos y 8 KB para instrucciones, verificación interna de paridad para asegurar la ejecución correcta de las instrucciones, una unidad de punto flotante mejorada, bus de datos de 64 bit para una comunicación más rápida con la memoria externa y, lo más importante, permite la ejecución de dos instrucciones simultáneamente. El chip se empaqueta en formato PGA (Pin Grid Array) de 273 pines.

El gran aumento de rendimiento tiene su contraparte en el consumo de energía: 13 watt bajo la operación normal y 16 watt a plena potencia (3,2 amperes x 5 volt = 16 watt), lo que hace que el chip se caliente demasiado y los fabricantes de tarjetas madres (motherboards) tengan que agregar complicados sistemas de refrigeración.

Teniendo esto en cuenta, Intel puso en el mercado el 7 de marzo de 1994 la segunda generación de procesadores Pentium. Se introdujo con las velocidades de 90 y 100 MHz con tecnología de 0,6 micrones y Posteriormente se agregaron las versiones de 120, 133, 150, 160 y 200 MHz con tecnología de 0,35 micrones. En todos los casos se redujo la tensión de alimentación a 3,3 volt. Esto redujo drásticamente el consumo de electricidad (y por ende el calor que genera el circuito integrado). De esta manera el chip más rápido (el de 200 MHz) consume lo mismo que el de 66 MHz. Estos integrados vienen con 296 pines. Además la cantidad de transistores subió a 3.300.000.

En octubre de 1994, un matemático reportó en Internet que la Pentium tenía un error que se presentaba cuando se usaba la unidad de punto flotante para hacer divisiones (instrucción FDIV) con determinadas combinaciones de números. Por ejemplo:

962 306 957 033 / 11 010 046 = 87 402,6282027341 (respuesta correcta)
962 306 957 033 / 11 010 046 = 87 399,5805831329 (Pentium fallada)

En enero de 1997 apareció una tercera generación de Pentium, que incorpora lo que Intel llama tecnología MMX (MultiMedia eXtensions) con lo que se agregan 57 instrucciones adicionales. Están disponibles en velocidades de 66/166 MHz, 66/200 MHz y 66/233 MHz (velocidad externa/interna). Las nuevas características incluyen una unidad MMX y el doble de caché. El Pentium MMX tiene 4.500.000 transistores con un proceso CMOS-silicio de 0,35 micrones mejorado que permite bajar la tensión a 2,8 volt. Externamente posee 321 pines.

1995: El procesador Pentium® Profesional

Lanzada al mercado para el otoño de 1995 el procesador Pentium® Pro se diseña con una arquitectura de 32-bit, su uso en servidores. El rendimiento del código de 32 bits era excelente, pero el Pentium Pro a menudo iba más despacio que un Pentium cuando ejecutaba código o sistemas operativos de 16 bits. Compuesto por unos 5.5 millones de transistores.

1997: El procesador Pentium® II.

El procesador de 7.5 millón-transistores Pentium® II, se busca entre los cambios fundamentales con respecto a su predecesor, mejorar el rendimiento en la ejecución de código de 16 bits, añadir el conjunto de instrucciones MMX y eliminar la memoria caché de segundo nivel del núcleo del procesador, colocándola en una tarjeta de circuito impreso junto a éste.

1998: El procesador Pentium® II XEON™

Los procesadores  Pentium® II XEON™ se diseñan para cumplir con los requisitos de desempeño de computadoras de medio-rango, servidores más poderosos y estaciones de trabajo (Workstations). Ofrece innovaciones técnicas diseñadas para las estaciones de trabajo y servidores que utilizan aplicaciones comerciales exigentes como servicios de Internet, almacenaje de datos corporativo, creaciones digitales y otros. Incorpora una memoria caché L2 de 512 KB o 1 MB. La memoria caché L2 opera a la misma velocidad que el núcleo del procesador (400 MHz).

1999: El procesado Celeron™
            

Figura 6. Chips de microprocesadores Intel Celeron

 

Continuando con la estrategia de Intel en el desarrollo de procesadores para los segmentos del mercado específicos, el procesador Celeron™ es el nombre que lleva la línea de procesadores de bajo costo de Intel.

1999: El procesador Pentium® III

 

El procesador Pentium® III ofrece 70 nuevas instrucciones (Internet Streaming, las extensiones de SIMD) las cuales refuerzan dramáticamente el desempeño con imágenes avanzadas, 3-D, añadiendo una mejor calidad de audio, video y desempeño en aplicaciones de reconocimiento de voz. Fue diseñado para reforzar el área de desempeño en el Internet, le permite a los usuarios hacer cosas tales como, navegar a través de páginas pesadas (llenas de gráficas) como las de los museos online, tiendas virtuales y transmitir archivos de video de alta-calidad. El procesador incorpora 9.5 millones de transistores.

1999: El procesador Pentium® III XEON

El procesador Pentium® III XEON amplía las fortalezas de Intel en cuanto a las estaciones de trabajo y segmentos de mercado de servidor y añade una actuación mejorada en las aplicaciones del e-comercio y la informática comercial avanzada. Los procesadores incorporan tecnología que refuerzan los multimedios y las aplicaciones de video. La tecnología Pentium® III XEON acelera la transmisión de información a través del bus del sistema al procesador, mejorando significativamente. Se diseña pensando principalmente en los sistemas de configuraciones de multiprocesador.

2005: Pentium D

Un chip Pentium D consiste básicamente en 2 procesadores Pentium 4 metidos en un solo encapsulado y comunicados a través del FSB. Su proceso de fabricación fue inicialmente de 90 nm y en su segunda generación de 65 nm. El nombre en clave del Pentium D antes de su lanzamiento era "Smithfield". Los procesadores Pentium D no son monolíticos, es decir, los núcleos no comparten una única caché y la comunicación entre ellos no es directa, sino se realiza a través del bus del sistema.

2006: Core 2 Duo
        

 
Figura 7. Chips de microprocesadores Intel Pentium III y Core 2 Duo

 

La marca Core 2 se refiere a una gama de CPU comerciales de Intel de 64 bits de doble núcleo y CPU 2x2 MCM (Módulo Multi-Chip) de cuatro núcleos con el conjunto de instrucciones x86-64, basado en el Core microarchitecture de Intel. Se regresó a velocidades de CPU bajas y reduciendo el consumo de energía de CPU Core 2, mientras se incrementa la capacidad de procesamiento. Con los procesadores Intel Core 2 Duo se mejorará el rendimiento, incluyendo hasta 4 MB de caché L2 compartida y un bus del sistema de hasta 1.066 MHz para equipos de sobremesa y de hasta 667 MHz para portátiles. Consta de 291 millones de transistores.

2007: El procesador Pentium Dual Core

El procesador Intel Pentium Dual-Core es parte de la familia de microprocesadores creados por la empresa Intel que utilizan la tecnología de doble núcleo. Permitiendo la ejecución de aplicaciones múltiples a un bajo costo, con un bajo consumo energético y sin sacrificar el desempeño. Este procesador es en realidad un Core 2 Duo, pero en su lanzamiento fue llamado Pentium Dual-Core, a manera de aprovechar la fama de la marca Pentium y de algún modo también para reivindicarla.

2008: El procesador Core i7 (Quad)

Intel Core i7 es la nueva gama de microprocesadores de Intel. Se trata de un conjunto de microprocesadores con arquitectura de x86 de 64 bits, y por ahora es de cuatro núcleos, quad-core. Desde el punto de vista más teórico, el principal cambio se llama Intel X58. Es el nuevo chipset que utilizarán los Intel Core i7, y trae consigo varias notables mejoras: Uso exclusivo con memorias DDR3, ya que no se podrán utilizar DDR2. El Intel X58 también brinda la posibilidad de utilizar tres canales de memoria a razón de un máximo de dos slots por cada canal. Se elimina el bus de memoria que conecta el procesador con el chipset. En las placas con el X58 ahora la memoria y el procesador interactúan directamente, sin buses ni controladores de por medio. Esto debería mejorar la velocidad de una forma bastante notable. Intel elimina el FSB, Front Side Bus, del procesador, y lo cambia por QuickPath, teóricamente más rápido y eficiente. Todos los núcleos están ahora bajo el mismo chip. Con este cambio, las transferencias de información entre núcleos ganan en velocidad. Compatibilidad con el nuevo juego de instrucciones SSE 4.2. En los Core i7, Intel ha renovado el Hyperthreading. Cada núcleo dispone ahora de dos hilos de procesamiento, con lo que el sistema ve el microprocesador como si tuviera ocho núcleos en vez de cuatro. Según Intel, los algoritmos de multiprocesado han sido mejorados respecto de anteriores versiones. Todos los micros Core i7 actuales tienen cuatro núcleos. Todos los Core i7 están fabricados en 45 nanómetros.

 

2011: El procesador 10-Core Xeon Westmere-EX

 

El próximo procesador Xeon de 10-core, con nombre en código Westmere-EX, llegará a los servidores en el primer semestre de este año.
El chip Westmere-EX se centrará en los servidores de gama alta en los centros de datos que ejecutan aplicaciones tales como bases de datos. Sop
orta hasta 2 TB de memoria.

Intel compite en el espacio de chip de servidor con Advanced Micro Devices AMD, que en el tercer trimestre se empezarán a distribuir un 16 núcleos Opteron con nombre en código de Interlagos, que se basa en la nueva arquitectura Bulldozer.

3.5 La ley de Moore

El cofundador de Intel Gordon E. Moore enunciaba que: “El número de transistores de un microprocesador se dobla cada 18 meses”. A continuación, con los datos mostrados en la Tabla x, se ha realizado una ecuación empírica que muestra esta relación: 1.4284 (año – 1951)  . Vea figuras 3.8, 3.9 y 3.10. Del mismo modo el cuadro 3.2.
 

Cuadro 2. Evolución de la cantidad de transistores en los microprocesadores

Procesador

Número de transistores

Fecha de Intr.

Fabricante

Proceso

Area

Intel 4004

2,300.0

1971

Intel

10 µm

12 mm²

Intel 8008

3,500.0

1972

Intel

10 µm

14 mm²

Intel 8080

4,500.0

1974

Intel

6 μm

20 mm²

RCA 1802

5,000.0

1974

RCA

5 μm

27 mm²

Intel 8085

6,500.0

1976

Intel

3 μm

20 mm²

Zilog Z80

8,500.0

1976

Zilog

4 μm

18 mm²

Motorola 6809

9,000.0

1978

Motorola

5 μm

21 mm²

Intel 8086

29,000.0

1978

Intel

3 μm

33 mm²

Intel 8088

29,000.0

1979

Intel

3 μm

33 mm²

Intel 80186

55,000.0

1982

Intel

 

 

Motorola 68000

68,000.0

1979

Motorola

4 μm

44 mm²

Intel 80286

134,000.0

1982

Intel

1.5 µm

49 mm²

Intel 80386

275,000.0

1985

Intel

1.5 µm

104 mm²

Intel 80486

1,180,000.0

1989

Intel

1 µm

 

Pentium

3,100,000.0

1993

Intel

0.8 µm

 

AMD K5

4,300,000.0

1996

AMD

0.5 µm

 

Pentium II

7,500,000.0

1997

Intel

0.35 µm

 

AMD K6

8,800,000.0

1997

AMD

0.35 µm

 

Pentium III

9,500,000.0

1999

Intel

0.25 µm

 

AMD K6-III

21,300,000.0

1999

AMD

0.25 µm

 

AMD K7

22,000,000.0

1999

AMD

0.25 µm

 

Pentium 4

42,000,000.0

2000

Intel

180 nm

 

Atom

47,000,000.0

2008

Intel

45 nm

 

Barton

54,300,000.0

2003

AMD

130 nm

 

AMD K8

105,900,000.0

2003

AMD

130 nm

 

Itanium 2

220,000,000.0

2003

Intel

130 nm

 

Cell

241,000,000.0

2006

Sony/IBM/Toshiba

90 nm

 

Core 2 Duo

291,000,000.0

2006

Intel

65 nm

 

AMD K10

463,000,000.0

2007

AMD

65 nm

 

AMD K10

758,000,000.0

2008

AMD

45 nm

 

Itanium 2 with 9MB cache

592,000,000.0

2004

Intel

130 nm

 

Core i7 (Quad)

731,000,000.0

2008

Intel

45 nm

263 mm²

Six-Core Xeon 7400

1,900,000,000.0

2008

Intel

45 nm

 

POWER6

789,000,000.0

2007

IBM

65 nm

341 mm²

Six-Core Opteron 2400

904,000,000.0

2009

AMD

45 nm

346 mm²

16-Core SPARC T3

1,000,000,000.0

2010

Sun/Oracle

40 nm

377 mm²

Six-Core Core i7

1,170,000,000.0

2010

Intel

32 nm

240 mm²

8-core POWER7

1,200,000,000.0

2010

IBM

45 nm

567 mm²

Quad-core z196

1,400,000,000.0

2010

IBM

45 nm

512 mm²

Dual-Core Itanium 2

1,700,000,000.0

2006

Intel

90 nm

596 mm²

Quad-Core Itanium Tukwila

2,000,000,000.0

2010

Intel

65 nm

699 mm²

8-Core Xeon Nehalem-EX

2,300,000,000.0

2010

Intel

45 nm

684 mm²

10-Core Xeon Westmere-EX

2,600,000,000.0

2011

Intel

32 nm

512 mm²

Fuente: http://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_count

.

 
 

                 Fuente: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Transistor_Count_and_Moore%27s_Law_-_2008.svg.

 

Figura Nº 8Curva mostrando la Ley de Moore: cantidad de transistores en los

                        microprocesadores se duplica cada dos años

 

 

 

Figura Nº 9Número de transistores en el microprocesador entre 19714 - 2011.