Subir3.1 Procesadores: Aspectos tecnológicos
§1 Historia:
La historia de los microprocesadores se inicia en 1948 con la invención del transistor por John Bardeen y Walter H. Brattain en los Laboratorios Bell de AT&T [6], y la posterior introducción del circuito integrado IC, en 1959 [4] por Robert Noyce en Fairchild Semiconductors y Jack Kilby en Texas Instruments.
- El 15 de Noviembre de 1971 Intel introduce el 4004 que corría a 108 KHz con 2.300 transistores y una tecnología de 10 micras. Este procesador fue desarrollado por encargo de una compañía japonesa para una calculadora (Busicom).
- En Abril de 1972 se lanza el 8008 a 200 KHz con 3.500 transistores y tecnología de 10 micras.
- En Abril de 1974 se lanza el 8080, a 2 MHz con 6.000 transistores y tecnología de 6 micras.
Este procesador es el que inicia la era de la micro computadora, pues originó el primer ordenador personal, el Altair 8800. El Sistema Operativo CP/M fue escrito para él [5], y Microsoft fue fundada para producir un intérprete de Basic para dicho procesador. Su éxito fue tal que incluso fue clonado, dando lugar al Z-80 construido por Zilog, una empresa constituida por ingenieros que provenían de Intel. Este procesador incluía un superconjunto de las instrucciones del 8080 con lo que podía correr el software de aquel. - En Junio de 1978 Intel lanza el 8086
a 5 MHz con 29.000 transistores. Una versión reducida, el 8088
fue el elegido para motorizar el primer IBM-PC.
§2 Proceso de fabricación:
- Fabricación de un monocristal de silicio de cientos de quilos de peso; unos 20 cm x 150 cm, en un proceso muy lento (10 a 40 mm/hora) a alta temperatura (1370º C).
- Rectificado de la superficie y corte de sus extremos hasta conseguir un cilindro perfecto.
- Separación de obleas por corte mediante sierra de diamante. Cada una de menos de 1 mm de grosor (se obtienen miles de ellas de cada barra).
- Las obleas se pulen hasta conseguir un acabado especular y se recubren de una primera capa aislante de óxido de silicio mediante deposición de vapor.
- Fotolitografía: Deposición de una película de material fotosensible; a continuación se proyecta sobre esta película la primera máscara. Un ataque caústico disuelve las zonas en que el material fotosensible ha sido expuesto a la luz, con lo que se crean zanjas microscópicas (0.25, 0.18 y 0.13 micras).
- El proceso sigue con el dopaje, que consiste en crear capas con propiedades semiconductoras (que serán posteriormente parcialmente disueltas) mediante la adición de impurezas. El Pentium III utiliza más de 20 máscaras para crear seis capaz de interconexiones de metal y semiconductoras.
- Las zonas de interconexión se efectúan mediante metalización. Actualmente (2002) se utiliza principalmente aluminio, pero empieza a utilizarse cobre que es mejor conductor que aquel, y permite interconexiones más pequeñas (aunque presenta más problemas de corrosión que el aluminio).
- Testeo y corte: Se marcan las unidades malas y se cortan con laser o diamante. (tasa de errores).
-
Encapsulado
y comprobación final a
diversas velocidades y temperaturas.
Estado en 2002: Se pretende llegar a monocristales de 30 cm de diámetro con unos 670 circuitos por oblea. Se está en 140 millones de transistores en un solo circuito integrado (Pentium III Xeon).
La situación en 2005 era que, a pesar de las mejoras (reducción) en la longitud de onda de la luz utilizada, las técnicas fotolitográficas estaban llegando al límite teórico de la resolución óptica. La consecuencia es que, con la tecnología del momento no puede seguir cumpliéndose la Ley de Moore por mucho más tiempo, y se están ensayando nuevos métodos. Sin embargo, en Febrero del 2006 IBM anuncia la puesta apunto de una nueva mejora en las técnicas tradicionales de fabricación, denominada Litografía óptica profunda ultravioleta, que utiliza luz de 248 nm (10-9 m) de longitudes de onda, con la que se consiguen tamaños de 30 nanómetros (menos de una 3000 milésima parte del grosor de un cabello humano).
Las últimas mejoras permiten un nuevo respiro a la mencionada ley, que aparentemente "tiene cuerda" hasta el año 2020. Así, de acuerdo con la Asociación de la Industria de Semiconductores, con el estado actual de la técnica (2006) es de esperar que en los dos próximos años se doble el número de transistores incluidos en una CPU, pasando de 1 a 2 billones (miles de millones. 109) y hasta 4 billones en un plazo de 4 años.
§3 Características distintivas:
§3.1 Tamaño de los registros internos (8088 16; 80386 y siguientes 32 bits).
§3.2 Anchura del bus de datos (8088 8; 80286 16; 80486 32; Pentium 64 bits)
§3.3 Anchura del bus de direcciones (8088 20; 80286 24; 80486 32 y Pentium 36 bits).
§3.4 Velocidad
§3.5 Encapsulado
§3.6 Voltaje
§4 Velocidad
No hay un estándar para medirla. Uno de los pocos datos objetivos es la frecuencia a que funciona, aunque existen otros muchos factores, tales como el número de instrucciones que es capaz de ejecutar en cada ciclo (arquitectura súper escalar), los juegos de instrucciones para aplicaciones específicas como la tecnologías MMX, las extensiones SIMD o 3DNow, la ejecución dinámica, arquitectura de bus independiente, etc.
Tiempos medios por instrucción
8086 y 8088: Un promedio de 12 ciclos por instrucción
A partir del Intel 80486 los procesadores funcionan a una velocidad mayor que lo que pueden hacer los circuitos y buses de la placa-base (bus externo). La situación actual es que las velocidades típicas de las placas-base son de 60- 66- 100- 133 MHz mientras que los procesadores funcionan a frecuencias múltiplos de aquellas; típicamente de 1x hasta 10x, es decir, desde 60 a 1330 MHz. Dado que el procesador está conectado con el bus externo, es fácil comprender que en su interior existan buses que trabajan a distintas velocidades. Para distinguirlos es frecuente referirse a la velocidad del bus más rápido como velocidad del núcleo y a la del bus que conecta con el bus externo como velocidad del bus frontal ("Front-side bus").
§4.1 Tecnología MMX
La tecnología MMX ("MultiMedia eXtensions") fue introducida en 1.997 por Intel en sus procesadores Pentium para mejorar la manipulación de imágenes y tratamiento de codecs de audio/video, mediante un conjunto de 57 nuevas instrucciones, así como una nueva capacidad denominada SIMD ("Single Instrucction Multiple Data").
§4.2 Extensiones SIMD
Con la aparición del Pentium III en 1.999 se introdujeron nuevas mejoras en la tecnología MMX, introduciendo 70 nuevas instrucciones denominadas SSE ("Streaming SIMD Extensions") o KNI ("Katmai News Instrucctions") puesto que Katmai que era el nombre clave del Pentium III antes de su lanzamiento.
Las instrucciones SSE son especialmente adecuadas para decodificación de MPEG2, que es el codec utilizado normalmente en los DVDs, procesamiento de gráficos tridimensionales y software de reconocimiento de voz.
§4.3 3DNow
La tecnología 3DNow es la respuesta AMD a las SSE de Intel. Se introdujo por primera vez en 1.998 en la serie K6 de procesadores, y son un conjunto de 21 instrucciones que mejoran las capacidades multimedia de estos procesadores. Enhanced 3DNow añade otras 24 nuevas instrucciones a las anteriores.
§4.4 Arquitectura DIB
La arquitectura de bus dual independiente DIB ("Dual Independent Bus") consiste en que el procesador dispone de dos buses exteriores que pueden funcionar simultanea e independientemente. El principal es el que comunica con el bus de la placa-base (bus del sistema); el segundo (bus de apoyo), comunica el procesador con la cache L-2.
Para sacar pleno rendimiento de este segundo bus, se sacó esta caché de la placa-base y se la acercó al procesador, permitiendo que funcionase a la misma velocidad que el núcleo (la caché L-1 siempre ha estado incluida en el procesador).
§4.5 Sobrecarga
La Sobrecarga ("Overclocking") consiste en aumentar la eficiencia del procesador aumentando su velocidad de trabajo (frecuencia) por encima de la prevista por el fabricante.
Aspectos relativos al marcaje de la velocidad de los procesadores por los fabricantes; remarcado y mercado negro de procesadores; limitación de la velocidad por el fabricante.
Nota: La compañía Intel proporciona gratuitamente un software especial, denominado
Processor Frequency ID Utility 
support.intel.com
que permite a los usuarios determinar si un determinado procesador Intel está
operando a la frecuencia correcta. Además permite identificar el tipo
de procesador utilizado en el sistema y algunas de sus características como
tipo y tamaño de caché; encapsulado y tecnología (MMX y SMID).
El programa existe en dos versiones. Una de ellas corre bajo Windows, la otra, denominada
"bootable", no necesita un Sistema Operativo instalado para correr [2];
puede instalarse en un disquete y arranca antes que el SO.
§5 Encapsulados:
Concepto: Relación con el tipo de zócalo. Existen varios tipos de encapsulado:
- DIP "Dual In-line Package". El 8088 estaba encapsulado en un DIP de 40 pines.
- PGA "Pin Grid Array". Se utiliza a partir de la introducción de 80286 en 1.982. Existen muchas versiones: Socket 1, 169 pines; Socket 2, 238 p; Socket 3, 237 p; Socket 4, 273 p; Socket 5, 320 p; Socket 6, 235 p [1]; Socket 7, 321 p y Socket 8, 387 p.
- SE "Single Edge".
Ranura 1 cartuchos SEC (Single Edge Card) y SEP (Single Edge Connector) de 242 pines.
Ranura 2 con 330 pines. Servidores y sistemas de altas prestaciones con Pentium Xeon.
Historia: Zócalos de patillas planas y torneadas; origen de los zócalos LIF y ZIF.
Se requieren unas 100 libras de fuerza para insertar un procesador de 169 pines en un zócalo estándar (unos 45 Kg).
Se diseñaron los zócalos LIF ("Low Insertion Force") que limitaban a 60 libras (unos 27 Kg), y los ZIF ("Zero Insertion Force") que no requieren ninguna fuerza para su inserción o retirada.
§6 Voltaje e intensidad:
Consideraciones generales sobre el binomio tensión-intensidad, potencia consumida (W = V * I). La potencia consumida se disipa en forma de calor ( 1 Wh = 860.42 calorías). El procesador es el elemento de mayor consumo de la placa-base; tendencia a reducir el consumo/calentamiento.
Los primitivos procesadores, incluyendo el 8088 funcionaban a 5 V., al igual que el resto de los componentes de la placa-base.
Posteriormente el voltaje ha ido reduciéndose: 3.5; 3.3; ... 2.2 V. Aunque la tensión de los elementos de la placa-base se ha mantenido en 3.3 V. (tecnología de reducción de voltaje VRE), de forma que la tensión del núcleo es distinta que la del resto del sistema.
Métodos de regulación del voltaje:
-
Ninguno (sistemas antiguos)
-
Selección mediante jumpers en la placa-base
-
Selección automática (pines VID).
§6.1 Disipadores:
§6.1.1 Motivo de su utilización.
§6.1.2 Tipos: Activos y pasivos (con y sin ventilador o elemento de refrigeración incorporado).
-
Todos los tipos:
Colocación (grasa de transferencia térmica, generalmente un compuesto de plata que facilita la transmisión del calor desde el chip al disipador).
-
Disipadores activos:
Están provistos de un ventilador que en ocasiones puede ser de velocidad variable en función de la temperatura, de unas 500 r.p.m. Su capacidad se mide en términos del caudal de aire que proporcionan, generalmente expresado en CFM (Cubic Feet per Minute), equivalentes a 28.316 litros/minuto; la presión no suele estar indicada, pero se expresa en PSI ("Pounds per Square Inch"), equivalentes a 0.488 gr/cm2.
Notas de calidad: Preferiblemente con rodamientos, su MTBF de unas 50.000 horas.
Formas de alimentación de los disipadores activos.
§6.1.3 Programas de control de temperatura.
SpeedFan:
Control de velocidad de los ventiladores en función de la temperatura del equipo. Además, si sus discos disponen de la capacidad SMART [3], puede también controlar la temperatura de los discos.
SiGuardian y HDD Temperature de PalickSoft
Control de temperatura de la placa base y de los discos si disponen de capacidad SMART. Existe una versión freeware (limitada) y otra profesional. El programa puede incluso enviar mensajes de advertencia por e-mail si la temperatura de los discos sube excesivamente.
Nota: Este tipo de programas solo funcionan con sistemas (placa-base y discos) modernos.
Inicio.[1] No llegó a instalarse en ningún sistema.
[2] Esta versión es útil para diagnóstico de sistemas que tienen problemas de arranque o que no tienen instalado aún el SO.
[3] SMART - Self Monitoring Analisis and Reporting Technology. Una técnica que incrementa la fiabilidad de los discos intentando adelantarse a la posible aparición de fallos, de forma que permita al usuario guardar los datos antes de su pérdida. Surge de la unión de dos técnicas: La PFA de IBM y la IntelliSafe de Compaq, que condujeron al actual SMART. Aunque específicamente se admite que hay fallos no predecibles (entre los que se encuentran determinados fallos mecánicos y eléctricos, incluyendo eventuales caídas de tensión). Otros en cambio pueden ser detectados por determinados síntomas previos, la alteración de determinados "parámetros de predicción" que son constantemente monitorizados y pueden activar una alarma. Entre estos están la variación de la altura del cabezal sobre la superficie durante el vuelo, y determinados síntomas mecánicos.
[4] 
"The Birth Of The Microprocessor" por Federico Faggin. BYTE
Magazine Marzo de 1.992
[5]
Gary Kildall: "CP/M: A Family of 8-and 16-Bit Operating
Systems". BYTE Magazine Junio de 1.999
[6] Más información en
http://www.pbs.org/transistor