cpu

CPU

Oblea de un microprocesador Intel 80486DX2 (tamaño: 12×6.75 mm) es su empaquetado
La unidad central de procesamiento , CPU (por sus siglas del inglés Central Processing Unit), o, simplemente, el procesador es el componente en una computadora digital que interpreta las instrucciones y procesa los datos contenidos en los programas de computadora. Las CPU proporcionan la característica fundamental de la computadora digital, la programabilidad, y son uno de los componentes necesarios encontrados en las computadoras de cualquier tiempo, junto con el almacenamiento primario y los dispositivos de entrada/salida. Se conoce como microprocesador el CPU que es manufacturado con circuitos integrados. Desde mediados de los años 1970, los microprocesadores de un solo chip han reemplazado casi totalmente todos los tipos de CPU, y hoy en día, el término "CPU" es aplicado usualmente a todos los microprocesadores. Si bien lo correcto sería decir la CPU (por ser la unidad central de procesamiento), está muy extendido el término en masculino: el CPU.
La expresión "unidad central de proceso" es, en términos generales, una descripción de una cierta clase de máquinas de lógica que pueden ejecutar complejos programas de computadora. Esta amplia definición puede fácilmente ser aplicada a muchos de los primeros ordenadores que existieron mucho antes que el término "CPU" estuviera en amplio uso. Sin embargo, el término en sí mismo y su acrónimo han estado en uso en la industria de la informática por lo menos desde el principio de los años 1960 . La forma, el diseño y la implementación de las CPU ha cambiado drásticamente desde los primeros ejemplos, pero su operación fundamental ha permanecido bastante similar.
Las primeras CPU fueron diseñadas a la medida como parte de una computadora más grande, generalmente una computadora única en su especie. Sin embargo, este costoso método de diseñar los CPU a la medida, para una aplicación particular, ha desaparecido en gran parte y se ha sustituido por el desarrollo de clases de procesadores baratos y estandarizados adaptados para uno o muchos propósitos. Esta tendencia de estandarización comenzó generalmente en la era de los transistores discretos, computadoras centrales, y microcomputadoras, y fue acelerada rápidamente con la popularización del circuito integrado (IC), éste ha permitido que sean diseñados y fabricados CPU más complejos en espacios pequeños (en la orden de milímetros). Tanto la miniaturización como la estandarización de los CPU han aumentado la presencia de estos dispositivos digitales en la vida moderna mucho más allá de las aplicaciones limitadas de máquinas de computación dedicadas. Los microprocesadores modernos aparecen en todo, desde automóviles, televisores, neveras, calculadoras, aviones, hasta teléfonos móviles o celulares, juguetes, entre otros.

Historia

El EDVAC, una de los primeras computadores de programas almacenados electrónicamente.
Artículo principal: Historia del hardware
Antes del advenimiento de las máquinas parecidas a los CPU de hoy, computadores como el ENIAC tenían que ser físicamente recableados para poder realizar tareas diferentes. Estas máquinas eran a menudo referidas como "computadores de programa fijo", puesto que tenían que ser reconfiguradas físicamente para correr un programa diferente. Puesto que el término "CPU" es generalmente definido como un dispositivo de ejecución de software (programa de computadora), los primeros dispositivos que podían ser llamados correctamente como CPU vinieron con el advenimiento de la computadora con programa almacenado.
La idea de una computadora con programa almacenado ya estaba presente durante el diseño del ENIAC, pero fue omitida inicialmente para que la máquina pudiera ser terminada más pronto. El 30 de junio de 1945, antes de que el ENIAC incluso fuera terminado, el matemático John von Neumann distribuyó el trabajo titulado "Primer Borrador de un Reporte sobre el EDVAC". Este trabajo, cuya autoría principal hoy se les reconoce a John Presper Eckert y John William Mauchly,[1] esbozó el diseño de una computadora con programa almacenado que finalmente sería terminado en agosto de 1949 . El EDVAC fue diseñado para efectuar un número determinado de instrucciones (u operaciones) de varios tipos. Estas instrucciones podían combinarse para crear programas útiles para ser ejecutados por el EDVAC. Significativamente, los programas escritos para el EDVAC fueron almacenados en memoria de la computadora de alta velocidad en lugar de ser especificados por el cableado físico de la computadora. Esto superó una severa limitación del ENIAC, que era la gran cantidad de tiempo y esfuerzo que tomaba reconfigurar el computador para realizar una nueva tarea. Con el diseño de Eckert-Mauchly, el programa, o el software, que el EDVAC corría, podía ser reemplazado simplemente cambiando el contenido de la memoria del computador.
Debe ser notado que mientras que von Neumann es acreditado más frecuentemente por el diseño del computador con programa almacenado debido a su diseño del EDVAC, otros antes de él, como Konrad Zuse, habían sugerido ideas similares. Además, la llamada arquitectura Harvard del Harvard Mark I, que fue terminada antes del EDVAC, también utilizó un diseño con programa almacenado empleando cinta de papel perforada en vez de memoria electrónica. La diferencia clave entre las arquitecturas de Eckert-Mauchly y la de Harvard es que la última separa el almacenamiento y el tratamiento de las instrucciones y de los datos del CPU, mientras que la primera usa el mismo espacio de memoria para ambos. La mayoría de los CPU modernos son diseños de Eckert-Mauchly en su mayor parte, pero también son vistos comúnmente elementos de la arquitectura de Harvard.
Siendo dispositivos digitales todos los CPU tratan con estados discretos, y por lo tanto requieren una cierta clase de elementos de conmutación para diferenciar y cambiar estos estados. Antes de la aceptación comercial del transistor, los relés eléctricos y los tubos de vacío (válvulas termoiónicas) eran usados comúnmente como elementos de conmutación. Aunque éstos tenían distintas ventajas de velocidad sobre los anteriores diseños puramente mecánicos, no eran fiables por varias razones. Por ejemplo, hacer circuitos de lógica secuencial de corriente directa requería hardware adicional para hacer frente al problema del rebote de contacto. Por otro lado, mientras que los tubos de vacío no sufren del rebote de contacto, éstos deben calentarse antes de llegar a estar completamente operacionales y eventualmente fallan y dejan de funcionar por completo.[3] Generalmente, cuando un tubo ha fallado, el CPU tendría que ser diagnosticado para localizar el componente que falla para que pueda ser reemplazado. Por lo tanto, los primeros computadores electrónicos, (basados en tubos de vacío), generalmente eran más rápidas pero menos confiables que las computadoras electromecánicas, (basadas en relés). Las computadoras de tubo, como el EDVAC, tendieron en tener un promedio de ocho horas entre fallas, mientras que las computadoras de relés, (anteriores y más lentas), como el Harvard Mark I, fallaban muy raramente . Al final, los CPU basados en tubo llegaron a ser dominantes porque las significativas ventajas de velocidad producidas generalmente pesaban más que los problemas de confiabilidad. La mayor parte de estos tempranos CPU síncronos corrían en frecuencias de reloj bajas comparadas con los modernos diseños microelectrónicos, (ver más abajo para una exposición sobre la frecuencia de reloj). Eran muy comunes en este tiempo las frecuencias de la señal del reloj con un rango desde 100 kHz hasta 4 MHz, limitado en gran parte por la velocidad de los dispositivos de conmutación con los que fueron construidos.

CPU de transistores y de circuitos integrados discretos

CPU, memoria de núcleo, e interface de bus externo de un MSI PDP-8/I.
La complejidad del diseño de los CPU se incrementó a medida que varias tecnologías facilitaron la construcción de dispositivos electrónicos más pequeños y confiables. La primera de esas mejoras vino con el advenimiento del transistor. Los CPU transistorizados durante los años 1950 y los años 1960 no tuvieron que ser construidos con elementos de conmutación abultados, no fiables, y frágiles, como los tubos de vacío y los relés eléctricos. Con esta mejora, fueron construidos CPUs más complejos y más confiables sobre una o varias tarjetas de circuito impreso que contenían componentes discretos (individuales).
Durante este período, ganó popularidad un método de fabricar muchos transistores en un espacio compacto. El circuito integrado (IC) permitió que una gran cantidad de transistores fueran fabricados en una simple oblea basada en semiconductor o "chip". Al principio, solamente circuitos digitales muy básicos, no especializados, como las puertas NOR fueron miniaturizados en ICs. Los CPU basadas en estos IC de "bloques de construcción" generalmente son referidos como dispositivos de pequeña escala de integración "small-scale integration" (SSI). Los circuitos integrados SSI, como los usados en el computador guía del Apollo (Apollo Guidance Computer), usualmente contenían transistores que se contaban en números de múltiplos de diez. Construir un CPU completo usando ICs SSI requería miles de chips individuales, pero todavía consumía mucho menos espacio y energía que diseños anteriores de transistores discretos. A medida que la tecnología microelectrónica avanzó, en los IC fue colocado un número creciente de transistores, disminuyendo así la cantidad de ICs individuales necesarios para un CPU completo. Los circuitos integrados MSI y el LSI (de mediana y gran escala de integración) aumentaron el número de transistores a cientos, y luego a miles.
En 1964, IBM introdujo su arquitectura de computador System/360, que fue usada en una serie de computadores que podían correr los mismos programas con velocidades y desempeños diferentes. Esto fue significativo en un tiempo en que la mayoría de las computadoras electrónicas eran incompatibles una con la otra, incluso las hechas por el mismo fabricante. Para facilitar esta mejora, IBM utilizó el concepto de microprograma, a menudo llamado "microcódigo", que todavía ve un uso extenso en los CPU modernos . La arquitectura System/360 era tan popular que dominó el mercado del mainframe por las siguientes décadas y dejó una herencia que todavía es continuada por computadores modernos similares como el IBM zSeries. En el mismo año de 1964, Digital Equipment Corporation (DEC) introdujo otro computador influyente dirigido a los mercados científicos y de investigación, el PDP-8. DEC introduciría más adelante la extremadamente popular línea del PDP-11, que originalmente fue construido con ICs SSI pero eventualmente fue implementado con componentes LSI cuando llegaron a ser prácticos. En fuerte contraste con sus precursores hechos con tecnología SSI y MSI, la primera implementación LSI del PDP-11 contuvo un CPU integrado por solamente cuatro circuitos integrados LSI .
Los computadores basados en transistores tenían varias ventajas distintas sobre sus predecesores. Aparte de facilitar una creciente confiabilidad y un más bajo consumo de energía, los transistores también permitían al CPU operar a velocidades mucho más altas debido al corto tiempo de conmutación de un transistor en comparación a un tubo o relé. Gracias tanto a la creciente confiabilidad como a la dramáticamente incrementada velocidad de los elementos de conmutación que por este tiempo eran casi exclusivamente transistores, fueron obtenidas frecuencias de reloj del CPU de decenas de megahertz. Además, mientras que los CPU de transistores discretos y circuitos integrados estaban en fuerte uso, comenzaron a aparecer los nuevos diseños de alto rendimiento como procesadores vectoriales SIMD (Single Instruction Multiple Data) (Simple Instrucción Múltiples Datos). Estos tempranos diseños experimentales dieron lugar más adelante a la era de los supercomputadoras especializados, como los hechos por Cray Inc.

Microprocesadores

Microprocesador Intel 80486DX2 en un paquete PGA de cerámica
Artículo principal: Microprocesador
Desde la introducción del primer microprocesador, el Intel 4004, en 1970, y del primer microprocesador ampliamente usado, el Intel 8080, en 1974. Esta clase de CPUs ha desplazado casi totalmente el resto de los métodos de implementación de la Unidad Central de Proceso. Los fabricantes de mainframes y minicomputadores de ese tiempo lanzaron programas de desarrollo de ICs propietarios para actualizar sus más viejas arquitecturas de computador, y eventualmente produjeron microprocesadores con conjuntos de instrucciones que eran compatibles hacia atrás con sus más viejos hardwares y softwares. Combinado con el advenimiento y el eventual vasto éxito del ahora ubicuo computadora personal, el término "CPU" es aplicado ahora casi exclusivamente a los microprocesadores.
Las generaciones previas de CPUs fueron implementadas como componentes discretos y numerosos circuitos integrados de pequeña escala de integración en una o más tarjetas de circuitos. Por otro lado, los microprocesadores son CPUs fabricados con un número muy pequeño de ICs; usualmente solo uno. El tamaño más pequeño del CPU, como resultado de estar implementado en una simple pastilla, significa tiempos de conmutación más rápidos debido a factores físicos como el decrecimiento de la capacitancia parásita de las puertas. Esto ha permitido que los microprocesadores síncronos tengan ratas de reloj con un rango de decenas de megahertz a varios gigahertz. Adicionalmente, como ha aumentado la capacidad de construir transistores excesivamente pequeños en un IC, la complejidad y el número de transistores en un simple CPU también se ha incrementado dramáticamente. Esta tendencia ampliamente observada es descrita por la ley de Moore, que ha demostrado hasta la fecha, ser una predicción bastante exacta del crecimiento de la complejidad de los CPU y otros ICs.
Mientras que, en los pasados sesenta años han cambiado drásticamente, la complejidad, el tamaño, la construcción, y la forma general del CPU, es notable que el diseño y el funcionamiento básico no ha cambiado demasiado. Casi todos los CPU comunes de hoy se pueden describir con precisión como máquinas de programa almacenado de Eckert-Mauchly.
A medida que la a mencionada ley del Moore continúa manteniéndose verdadera, se han presentado preocupaciones sobre los límites de la tecnología de transistor del circuito integrado. La miniaturización extrema de puertas electrónicas está causando los efectos de fenómenos que se vuelven mucho más significativos, como la electromigración, y el subumbral de pérdida. Estas más nuevas preocupaciones están entre los muchos factores que hacen a investigadores estudiar nuevos métodos de computación como la computadora cuántica, así como ampliar el uso de paralelismo, y otros métodos que extienden la utilidad del modelo clásico de Eckert-Mauchly.