ARQUITECTURA DEL ORDENADOR: MICROPROCESADOR

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1 ARQUITECTURA DEL ORDENADOR: MICROPROCESADOR El microprocesador, o simplemente el micro, es conocido vulgarmente como el cerebro del ordenador. Es el chip o circuito integrado, más complejo y sofisticado que fabrica la industria microelectrónica (dejando a un lado las tarjetas gráficas, que no son sino micros especializados en procesamiento de imágenes). En su interior se integran sobre una placa de silicio, millones de transistores, los componentes básicos de las operaciones binarias, quienes a su vez permiten realizar cualquier tipo de trabajo programado via software. En particular, es el encargado de ejecutar el Sistema Operativo, que toma el control del hardware, y las aplicaciones de usuario, que se asientan sobre este último. En realidad, el micro sólo es capaz de ejecutar instrucciones al nivel más bajo, el llamado código máquina, por lo que todo el software debe sufrir un proceso de traducción que lleva a expresar cualquier manipulación compleja de información utilizando sólo el repertorio de instrucciones máquina que es capaz de manipular el micro: sumas, restas, multiplicaciones, divisiones, comparaciones y movimientos de datos entre los distintos almacenes de memoria. Funcionalmente, lo componen una o varias CPUs (nucleos o cores), cada una con su unidad de control, ALU, banco de registros, unidad de coma flotante (el antiguo coprocesador matemático), un reloj y otra serie de elementos que tratan de mejorar el rendimiento, como las memorias cache. Físicamente, los microprocesadores se fabrican utilizando un material como el silicio, muy abundante en la naturaleza, y muy interesante debido a ser un semiconductor, esto es, que se puede comportar como aislante o como conductor en determinadas circunstancias. Pero lo más llamativo de los microprocesadores es la progresiva miniaturización de los componentes que lo forman, y consecuentemente su nivel de integración que lleva a podamos situar millones de transistores en la superficie que ocupa la cabeza de un alfiler. El micro es empaquetado junto con un conjunto de conectores que terminan en pines o contactos, y cubierto y sellado por un material protector (plástico o cerámico), presentando finalmente una forma de cuadrado o rectangulo negro. Debemos hacer el inciso de que la 1

2 mayor parte de su superficie la ocupan los pines de contacto que comunican el bus interno del micro con el de la placa. Entre estas conexiones, están las de alimentación eléctrica del micro, las señales de reloj, y las señales relacionadas con datos, direcciones y control. El micro se coloca en la placa base sobre un elemento denominado zócalo (socket en inglés), lo que facilita la arquitectura abierta del PC. En modelos antiguos, podían ir soldados en la placa con lo que era imposible su sustitución. Entre los años 1997 y 2000, los Athlon de AMD, los procesadores Pentium II y primeros Pentium III y los Xeon de Intel (dedicados a servidores de red) sustituían los socket por slots, unas ranuras para conectarlos perpendiculares a la placa que recuerdan al modo en que se conectan las tarjetas gráficas, pero finalmente se abandonó este método. Zócalo (socket) ZIF Slot 1 El Zero Insertion Force (ZIF) es un tipo de zócalo que permite insertar y quitar componentes sin hacer fuerza y de una forma fácil, ya que lleva una palanca que conecta todos los pines a un tiempo con la misma presión. Además, la posición correcta del chip viene marcada por una muesca. Además, sobre el micro se sitúa un dispositivo disipador de calor, ya que el nivel de integración, la alta frecuencia y la velocidad de proceso lleva implícita como efecto secundario indeseable un calentamiento del chip, que de no rebajado, podría conllevar el deterioro de los circuitos. En ordenadores de sobremesa, suele ser un sistema de rejillas con, opcionalmente, un ventilador, adherido al micro con una pasta térmica, aunque en el caso de portátiles, para evitar su gran volumen, se utiliza un sistema de refrigeración líquida con circuito cerrado. Características principales del microprocesador A la hora de valorar un micro, es necesario calibrar una serie de características de fabricación que inciden en su rendimiento final. Podríamos hablar de cinco fundamentales: 2

3 1- Distancia de integración Se mide en nanómetros (10-9 m) y se refiere a la anchura del canal de un transistor y a la distancia entre ellos. Cuanto más baja sea, menos calor genera el micro, y más alta puede ser la frecuencia de reloj y el número de transistores integrados. Ahora mismo estamos entorno a los 14nm. El límite físico se calculaba hace poco entorno a los 10nm, pero sorprendentemente, IBM ha anunciado el próximo lanzamiento de un nuevo micro de 7nm combinando silicio y germanio. En cualquier caso, el límite físico está cerca, y esta es la razón por la que se están experimentando ya otro tipo de arquitecturas alternativas. 2- Frecuencia del micro o velocidad de reloj Todo micro tiene un reloj de cuarzo que emite señales a una determinada frecuencia. Una de las características principales de un micro es esa frecuencia, que se mide en Gigahercios (GHz, 10 9 hertzios o pulsos de un reloj por segundo), aunque en realidad, en todos los micros modernos habría que tener en cuenta 2 velocidades: Velocidad interna: la velocidad a la que funciona el micro internamente. Velocidad externa o de bus: o también FSB, la velocidad con la que se comunican el micro y la placa base, para poder abaratar el precio de ésta. La cifra por la que se multiplica la velocidad externa o de la placa para dar la interna o del micro es el multiplicador, p.ej. el procesador Intel Core i7-860 tiene un multiplicador 21x y está diseñado para operar en una placa con una velocidad de 133 mhz para el FSB, lo que dará una velocidad de reloj de 2.8 Ghz. 3- Memoria caché Es una memoria ultrarrápida que está al servicio del micro, con el objeto de anticipar y tener a mano instrucciones y datos que previsiblemente serán requeridos en las siguientes operaciones sin tener que acudir a la memoria RAM, bastante más lenta, reduciendo así el tiempo de espera. Hay hasta 3 tipos de caché: L1: se encuentra en el propio núcleo del micro, es la más cara, rápida y pequeña L2: se encuentra en el micro, aunque no en el núcleo y puede ser de acceso exclusivo o compartido entre cores L3: es la más lenta y la de mayor tamaño, y puede ser compartida por todos los núcleos. Es la más lenta de las tres 3

4 El concepto previsibilidad implica un elemento probabilístico, pues nunca se sabe con certeza qué datos o instrucciones va a necesitar el micro en el instante siguiente. En principio, se almacena en caché todo lo que haya sido utilizado recientemente, en previsión de que puede volver a ser requerido, pero hay otras posibilidades especulativas. Por ejemplo, se pueden utilizar diferentes algoritmos predictivos que adelanten el trasiego de información desde la RAM y políticas de reemplazo de esta información cuando ésta se encuentre llena. Así pues, el rendimiento del sistema de almacenamiento de la caché no solamente depende de la tecnología de fabricación, que incide directamente en su capacidad de almacenamiento y velocidad, sino también en lo acertado de las predicciones. 4- Paralelismo (nº de cores) Otra carácterística importante a tener en cuenta en un micro es el número de núcleos o cores que los forman. Antiguamente, un micro sólo tenían una unidad de proceso (y se podían tener varios micros en determinadas arquitecturas), pero en la actualidad los hay de 2, 3, 4, 6, 8 ó 12 núcleos. Cuantos más núcleos tenga un micro, más operaciones se pueden realizar en paralelo, aumentando así el rendimiento general, aunque hay que advertir que éste no responde exactamente al factor multiplicativo, sino que se produce una pérdida de eficiencia debido a la necesaria coordinación entre nucleos para trabajar cooperativamente. 5- Conjunto de instrucciones básicas Cualquier instrucción software, es descompuesta en el proceso de traducción en un número más o menos elevado de instrucciones del juego básico del micro, al más bajo nivel, que es el código máquina. Este juego de instrucciones está diseñado para sacarle el máximo partido y rendimiento a las características del micro. Pertenecen a alguna de las siguientes categorías: Movimiento de datos: entre memoria y registros de la máquina, de lectura/escritura a traves de un periférico, etc Operaciones matemáticas o lógicas: comparaciones y cálculos Alteraciones del flujo del programa: implementan bifurcaciones, bucles o llamadas a subrutinas Algunas operaciones más complejas: ahorro de energía, cálculos optimizados, etc Se pueden implementar directamente en la circuitería o simularlas vía software, lo que añade un coste adicional de ejecución. Tradicionalmente, los microprocesadores se han dividido en dos clases según su conjunto de instrucciones: CISC (Complex Instruction Set Computer) y RISC (Reduced Instruction Set Computer) Los CISC se caracterizaban por incluir instrucciones muy complejas que reducían el número total de órdenes del programa en ejecución, buscándose con ello una mayor rapidez, pero los 4

5 RISC surgieron en los años 80 como una alternativa, sustituyendolas por un conjunto más sencillo que si bien generan un código ejecutable más largo, facilita el paralelismo y el solapamiento de instrucciones, y de esa manera, aumenta el rendimiento del micro. Actualmente, el modelo arquitectónico CISC está en desuso. Evolución de los microprocesadores Existen 2 principales fabricantes de microprocesadores para ordenadores, Intel y AMD, que compiten en el mercado a la hora de ir sacando nuevos modelos en una carrera que ahora parece ir ganando Intel. Pero aunque se reparten la mayor parte del mercado doméstico, no son los únicos, también hay que contar con IBM, Motorola. En el mundo de las tablets y smartphones, debemos contar con Qualcomm, Mediatek y Spreadtrum Desde el primer microprocesador de la historia en salir al mercado, el Intel 4004, lanzado el 15 de noviembre de 1971 hasta ahora, se ha producido una evolución constante en la fabricación de estos circuitos integrados, reduciéndose progresivamente la distancia de integración, y aumentando la velocidad de proceso. 5

6 La ley de Moore Se denomina así a un enunciado predictivo emitido por Gordon Moore, el cofundador de Intel, en Cuando las revistas de electrónica le preguntaron cómo se desarrollaría el área de desarrollo de los transistores (aún no se había fabricado el primer micro) en los siguientes diez años, él afirmó que el poder de procesamiento total de las computadoras se duplica cada doce meses. En 1975 modificó su prección y aumentó el periodo de 12 a 24 meses. Finalmente, en 2007, predijo que su ley tenía un límite entorno a 10 o 15 años a partir de esa fecha. Hay que señalar que el enunciado original no implicaba directamente que el número de transistores se tuviera que duplicar, sino que lo hiciera el rendimiento total. Pero en la práctica, las consecuencias son que ambos términos van en paralelo, así como también el proceso de miniaturización y la obsolescencia de los productos tecnológicos La Ley de Moore no es ni siquiera una ley, ya que no tiene fundamentos físicos. Hay quien dice que la razón principal de que siga teniendo vigencia es puramente psicológica y está influida por el mercado. Los fabricantes luchan continuamente por conseguir circuitos con mejor rendimiento y por ser los siguientes en cumplir la predicción de Moore, lo cual hace que a veces se produzcan lanzamientos precipitados por esta simple razón. Microprocesadores actuales para PCs: Intel Tick-tock El fabricante de procesadores Intel sigue desde 2007 una línea de evolución de fabricación de micros que denomina tick-tock, indicando de esta manera una alternancia en el criterio de mejora de sus modelos. Cada tick supone una reducción en nanómetros, mientras que cada toc representa una nueva microarquitectura. 6

7 Actualmente, conviven en el mercado procesadores de la familia de Intel Haswell de 22 nm (es la cuarta generación de procesadores Core i3, i5 e i7, un tock), Broadwell, de arquitectura de 14nm (la quinta, un tick) y los Skylake, también de 14 nm (la sexta, un tock). Aunque lo que ahora correspondía era un nuevo tick, acaba de lanzarse en Agosto el Kabylake, que rompe la secuencia tick-tock autoimpuesta por la casa por problemas técnicos en la reducción a 10nm. Pero el nombre comercial que utiliza Intel para sus micros destinados a ordenadores domésticos o de consumo es el de Intel Core. Se ofrecen en versiones Intel Core i7, i5 e i3, además de otras como Core M de ultra bajo voltaje y otras marcas como Pentium o Celeron. Intel ofrece una página web informativa que permite conocer al detalle sus especificaciones a través de su número de modelo, y que se encuentra permanentemente actualizada. Características diferenciales de los i3, i5 e i7 En principio, un Intel Core i7 tiene un rendimiento superior a un Core i5, que a su vez es superior a un Core i3. Se le denomina como modificador de marca en el sistema de numeración empleada. Pero no siempre es sencillo calibrar las diferencias entre tanto modelo, variante y plataforma. Otro de los números a tener en cuenta es el indicador de generación. El número 6 corresponde a la sexta generación de procesadores Core, Skylake, y el número 5 corresponde a la quinta generación de procesadores Core, nombre en clave Broadwell. Los tres dígitos siguientes corresponden al número de modelo, que por lo general, en la misma serie ofrece un rendimiento superior cuanto más grande sea. Como ejemplo, un Intel Core i sería superior a un Core i Sufijos opcionales Las letras que acompañan al número de modelo indican la línea de producto. Entre otros: K: Sobremesa Multiplicador desbloqueado para facilitar overclocking T: Sobremesa Optimizado para la potencia HK: Portátil Gráficos de alto rendimiento y Multiplicador debloqueado H: Portátil Gráficos de alto rendimiento HQ: Portátil Gráficos de alto rendimiento y CPU de cuatro núcleo U: Portátil Consumo ultra bajo Y: Portátil Consumo Extremadamente bajo 7

8 En cuanto a las tecnologías implementadas que hacen que el rendimiento varíe entre los diferentes procesadores más allá del nivel de integración (en los tock) Intel dispone de unas cuantas, que combinadas nos dan toda la variedad de su catálago: Multi core Un procesador multinúcleo o multicore combina dos o más microprocesadores independientes en un solo circuito integrado. En general, los microprocesadores multinúcleo permiten paralelismo de procesamiento multiprocesamiento a nivel de chip (chip-level multiprocessing) o CMP. Estos procesadores se unen con un canal de alta velocidad y comparten la carga de trabajo entre ellos y además, en caso de que uno falle, el otro se hace cargo. La serie Core i3 sólo tiene modelos con dos núcleos físicos, mientras que el Core i5 y Core i7 serie tienen procesadores tanto de doble núcleo como de cuatro núcleos. Hyper Threading Además, Intel utiliza una tecnología llamada Hyper-Threading que habilita la ejecución de múltiples hilos de procesamiento en paralelo dentro de un único procesador, incrementando el uso de las unidades de ejecución. Hyper-Threading simula dos procesadores lógicos dentro de un único núcleo físico, aumentando el rendimiento (aunque en verdad un core simulado tiene un rendimiento del 60% de uno real) La serie Core i3 y Core i7 cuentan con esta tecnología mientras que Core i5 no la tiene habilitada. Turbo Boost Es otra de las tecnologías que Intel implementa en algunas series para incrementar su frecuencia de funcionamiento, de forma automática, en determinadas circunstancias cuando una aplicación o juego requiere mayores recursos. Para su activación, Turbo Boost calcula núcleos activos, consumo y temperatura del microprocesador. Turbo Boost es útil en la ejecución de software que hace un uso intensivo de recursos. Está habilitado en la serie Core i5 y Core i7, mientras que no se emplea en procesadores Core i3. Tamaño de caché Otra diferencia importante es la cantidad e memoria caché que implemente el micro, cuanto mayor sea su capacidad, mayor rendimiento tendrá el procesador. 8

9 La serie Core i3 tiene normalmente tiene hasta 3 Mbytes de caché. La serie Core i5 tiene entre 3 MB y 6 MB de caché, mientras que la serie Core i7 tiene entre 4 MB y 8 MB de caché. Gráficos integrados Se ofrecen tres niveles generales de gráficas integradas, Intel HD, Intel Iris e Intel Iris Pro. Si el equipo donde va integrado el procesador no tiene tarjeta gráfica dedicada y siempre va a funcionar con la integrada del procesador, éste es otro elemento a considerar a la hora de la elección del procesador. Cómo elegir el procesador adecuado En términos generales podríamos diferenciar los Intel Core de forma sencilla según el objetivo del uso y presupuesto. Core i3: Usuarios que buscan un equipo básico y económico. Ideal para ejecutar aplicaciones como suite ofimáticas, navegación y servicios de Internet, y enretenimiento multimedia. Core i5: Equipos intermedios para usuarios que buscan el equilibrio entre rendimiento y precio, y todo tipo de usos. Core i7: Los modelos más potentes en rendimiento de proceso con hasta 4 núcleos y 8 hilos, y también en potencia gráfica si se combinan con Iris Pro. Microprocesadores actuales para PCs: AMD AMD es una empresa de fabricación de componentes electrónicos que a partir de los años 70 construye microprocesadores compitiendo directamente en el mercado con Intel. El rasgo que siempre ha caracterizado a la familia de procesadores de AMD es la de ofrecer mejor relación calidad-precio que la gama Intel, aunque eso sí, con una potencia algo menor, por lo que, en la mayoría de los casos, la decisión de incorporar un procesador u otro está motivada por el presupuesto. Veamos cual es la línea de diseño y producción de AMD en los últimos años: AMD Bulldozer Bulldozer es el nombre en código de la microarquitectura diseñada por la empresa para suceder a la anterior y exitosa AMD K10. Los procesadores que la utilizan fueron lanzados el 12 de octubre de 2011 y se han estirado en el tiempo durante seis generaciones hasta el momento actual, utilizando una distancia de integración que ha variado entre los 32 y los 22 nm. El chip Bulldozer está diseñado para incluir entre 2 y 8 cores y soportar todas las instrucciones máquina implementadas en procesadores Intel junto a otros sets de instrucciones propuestos por AMD. Su frecuencia de reloj está entre los 2.8Ghz y los 4.9Ghz, siendo este su punto fuerte. Esto se debe a una buena TDP (thermal design power), 9

10 que representa la máxima cantidad de potencia permitida por el sistema de refrigeración de un sistema informático para disipar el calor. El nombre comercial de estos micros comienza con el prefijo FX, por ejemplo FX-6120, FX- 4120, FX-4170, etc y se instalan en un zócalo AM3. A lo largo de varias generaciones, se ha utilizado una distancia de integración de entre 32 y 28 nm, y las sucesivas mejoras han recibido diferentes nombres: 2011: Zambezi (32 nm) 2012: Piledriver (32 nm) 2013: Vishera (32nm) 2014: Steamroller (28nm) 2015: Excavator (28nm) AMD Zen AMD Zen es el nombre en clave de una arquitectura de procesadores AMD que será lanzada el próximo año, con un proceso de fabricación de 14nm y tecnología multi-hilo. La empresa anuncia una mejora en el rendimiento del 40% con respecto a la familia anterior, la Bulldozer, y una reducción en el consumo energético. En la AMD Zen se abandona el sistema de recursos compartidos que tenía Excavator y se vuelve a los núcleos dedicados con 512 KB de caché L2 cada uno. La arquitectura AMD Zen está pensada para utilizar un nuevo socket, el AM4. AMD ZEN X370 será el nombre de uno de los primeros lanzamientos, bajo el nombre generacional de Summit Ridge con los que AMD competirá en la gama alta con Intel. En principio, este modelo tendrá 8 núcleos reales con 16 hilos y 20 MB de caché combinada L2 y L3 y un TDP de 95W El futuro Dado que la Ley de Moore predice un fin cercano de la tecnología de silicio, el futuro pasa por buscar alternativas a los actuales computadores. Computadores cuánticos La idea de computación cuántica surge en 1981, cuando Paul Benioff expuso su teoría para aprovechar las leyes cuánticas en el entorno de la computación. En vez de trabajar a nivel de voltajes eléctricos, se trabaja a nivel de cuanto. En la computación digital, un bit sólo puede tomar dos valores: 0 ó 1. En cambio, en la computación cuántica, intervienen las leyes de la mecánica cuántica, y la partícula puede estar en superposición coherente: puede ser 0, 1 y 10

11 puede ser 0 y 1 a la vez (dos estados ortogonales de una partícula subatómica). Eso permite que se puedan realizar varias operaciones a la vez, según el número de qubits o bits cuánticos. El número de qubits indica la cantidad de bits que pueden estar en superposición. Con los bits convencionales, si teníamos un registro de tres bits, había ocho valores posibles y el registro sólo podía tomar uno de esos valores. En cambio, si tenemos un vector de tres qubits, la partícula puede tomar ocho valores distintos a la vez gracias a la superposición cuántica. Así, un vector de tres qubits permitiría un total de ocho operaciones paralelas. Como cabe esperar, el número de operaciones es exponencial con respecto al número de qubits. Para hacerse una idea del gran avance, un computador cuántico de 30 qubits equivaldría a un procesador convencional de 10 teraflops (10 millones de millones de operaciones en coma flotante por segundo), cuando actualmente las computadoras trabajan en el orden de gigaflops (miles de millones de operaciones). IBM ya ha desarrollado un modelo cuántico que está en fase de pruebas. Y Google y la NASA adquirieron recientemente la empresa canadiense D-WAVE que desarrolla computadores cuánticos. Videos: Cómo funciona un transistor Cómo se fabrica un microprocesador Ordenador cuántico Enlaces: Intel y la Ley de Moore Numeración de procesadores Intel Comparativa procesadores Intel y AMD El procesador cuántico de IBM El ordenador cuántico de Google y la NASA 11