Microprocesador

El procesador, también conocido como CPU, es el cerebro del PC. Sus funciones principales son, entre otras, la ejecución de las aplicaciones y la coordinación de los diferentes dispositivos que componen el equipo.

Físicamente, no es más que una pequeña pastilla de silicio la cual está recubierta de lo que llamamos encapsulado. Este se inserta sobre la placa base en un conector que se denomina socket, aunque en un laptop o portátil lo normal es que se suelde directamente. La placa base se convierte así en la encargada de permitir la conexión con los restantes dispositivos del equipo, como son la memoria RAM, la tarjeta gráfica o el disco duro usando para ello un conjunto de circuitos y chips denominado chipset.

El procesador es uno de los elementos del PC que más ha evolucionado a lo largo del tiempo. Gracias a las mejoras en la tecnología de fabricación se ha reducido el tamaño de los transistores que lo componen permitiendo integrar un mayor número de ellos. Estos elementos no son más que pequeños ladrillos que unidos configuran la funcionalidad del micro. Como se realiza esta interconexión es lo que se denomina arquitectura.

Componentes.

Núcleos. Un núcleo no es más que un procesador en miniatura. Al tener varios, es posible acelerar ciertos tipos de aplicaciones y evitar bloqueos.

Cache. El sistema de memoria es muy importante y se divide en varios elementos. La memoria cache, es el más cercano al micro ya que se encuentra en su interior. Se usa para mejorar la velocidad de los accesos a la memoria RAM. Si un dato se encuentra en la cache no tendrá que buscarlo en toda la RAM y por lo tanto el procesado final es mucho más rápido.

La cache se encuentra, a su vez, organizada en varios niveles cada uno más lento y grande que el anterior. Será tarea del micro dejar los datos que más se usen lo más cerca posible para así acelerar todo el sistema.

Controlador de memoria. Este fue uno de los primeros elementos que se quiso integrar en el micro. Se hizo porque al incorporar el controlador de memoria en el interior del procesador y quitarlo de la placa base se consigue aumentar la velocidad de acceso la memoria RAM. Esto tiene un inconveniente y es que sólo puedes usar el tipo de memoria para la que tu procesador este preparado.

Tarjeta gráfica. Si integran este componente ya no hablamos de CPUs sino de APUs. Ya no estaríamos ante un micro convencional si no ante un hibrido entre procesador y tarjeta gráfica. En la actualidad y parece que en desarrollos futuros casi todos los micros con los que te encuentres serán de este tipo.

La inclusión de este elemento es fundamental ya que las tarjetas gráficas están compuestas de pequeños núcleos en su interior que pueden usarse para acelerar cierto tipo de aplicaciones. Al pasar al interior del micro pueden hacer su trabajo de una forma mucho más eficiente.

Funcionamiento.
El funcionamiento de un procesador se puede dividir en las siguientes etapas:

Todo el sistema está gobernado por un reloj que se encarga de sincronizar los diferentes bloques funcionales. La velocidad a la que este cambia de estado se denomina frecuencia de funcionamiento y está relacionada con la capacidad de cómputo del sistema.

Se lee una instrucción de memoria. El conjunto de instrucciones de cualquier procesador actual incluye más de mil diferentes y va creciendo con el tiempo. Se añaden para mejorar la velocidad de procesamiento de ciertas aplicaciones.

Se buscan los datos necesarios. Algunas instrucciones necesitaran de datos, los cuales normalmente estarán en la memoria RAM, para poder llevar a cabo su trabajo. Siempre habrá que esperar a tenerlos todos antes de llevar a cabo los cálculos. Es muy importante que el flujo de datos y de instrucciones sea lo más rápido posible para que no se produzcan bloqueos.

Se realiza la operación. Una vez que se tiene todo se ejecuta la operación, para esto puede ser necesario el trabajo de varios bloques dentro del propio procesador como launidad aritmética lógica o la de punto flotante.

Se pasa a la siguiente instrucción. Que no es siempre la que se encuentra a continuación en la memoria. Muchas instrucciones pueden cambiar el flujo del programa y permitir saltos o repetir ciertas acciones hasta que se cumpla una determinada condición.

Una de las técnicas más usadas para aumentar la velocidad incluye la ejecución deinstrucciones fuera de orden intentando optimizar el uso de los bloques funcionales. En estos procesadores se ejecutan las operaciones cuando están sus datos y no en el orden en que fueron escritas. Esto por supuesto lleva a una arquitectura más compleja que debe de controlar que los resultados sean los mismos que se producirían aunque se realizaran una tras otra.

Toda la arquitectura se diseña por tanto con la intención de tener los bloques funcionales continuamente trabajando. Otro de los elementos que suelen tener, para conseguir su objetivo, es el predictor de saltos. Este elemento trata de acertar si en una determinada operación se va a producir una bifurcación en el código o no. De esta forma puede ejecutar las instrucciones de una determinada rama incluso antes de saber si se va a producir un salto a ella.

Todas estas técnicas lo que tratan es de mejorar el IPC es decir la capacidad del procesador de ejecutar más instrucciones en la misma cantidad de tiempo.

Procesadores Actuales.

Para entender mejor los procesadores actuales vamos a revisar las últimas arquitecturas de Intel y AMD para sus procesadores para PCs de escritorio:

Intel

Sandy Bridge. Sandy Bridge fue desarrollado por Intel en 2011 es lo que Intel denomina en su desarrollo “tick\tock” como un tock o lo que es lo mismo una mejora de la arquitectura. Es el último diseño del fabricante donde se primaba la potencia por encima del consumo o lo que es lo mismo el último micro en el cual se piensa antes en los PCs de sobremesa que en los usados en laptops.

Ivy Bridge. Ivy Bridge fue desarrollado por Intel en 2012 y es un tick, es decir una mejora en el proceso de fabricación que permite incluir más elementos en la misma área. El fabricante aprovecha para añadir más funcionalidad a su grafica integrada.

Haswell. Haswell fue desarrollado por Intel en 2013 y es un nuevo desarrollo de la arquitectura o sea un tock en este caso pensado en optimizar el consumo en los dispositivos móviles.

ADM

Llano. Llano fue desarrollado por AMD en 2011. Se mejora el proceso de fabricación respecto a la anterior generación.

Trinity. Trinity fue desarrollado por AMD en 2012. Mejora la arquitectura del anterior.

Kaveri. Kaveri fue desarrollado por AMD en 2013. Debido a que AMD está muy retrasado respecto a Intel en estos micros no solo mejora el proceso de fabricación sino también la arquitectura. Su mayor mejora es conseguir que la tarjeta gráfica integrada acceda a la memoria de manera directa.

Normalmente los micros de AMD son menos potentes en las aplicaciones que usan un solo hilo, que son casi todas, pero a cambio suelen tener una tarjeta grafica integrada más potente y más núcleos.

 

Cada vez tendremos más elementos integrados en el procesador. La idea es que pasemos del concepto de procesador al de SOC, es decir todo el sistema, o al menos la CPU y la placa base, en un solo chip.