Micro, UCP, Procesador, CPU

8 Ene

Es un chip que contiene millones de minúsculos elementos electrónicos, casi todos transistores en un único circuito integrado capaz de realizar las diversas operaciones que le encomiende el software.

Es el componente principal, el cerebro, también se conoce como Micro, Procesador, UCP o CPU del ordenador. El termino CPU puede referirse a la caja que contiene la micro, placa base, tarjetas y el resto de circuitos del ordenador.

Tiene forma cuadrada o rectángulo negro y se conecta a un zócalo especial de la placa base que se denomina socket, o a una ranura especial slot.

lga

Procesador para zócalo LGA

El proceso de elaboración: consiste en exposición, fotolitografía, implantación de iones, división y empaquetado. Es un trabajo complejo y de mucha dificultad. Los materiales empleados son semiconductores, (silicio). El silicio se forma en lingotes cilíndricos y se cortan en discos llamados “obleas” en las que se gravan los microprocesadores. Sobre la oblea se gravan el circuito electrónico mediante un proceso de procesos “químico-físico-térmico” hasta obtener la oblea con los chips terminados. La oblea se somete a pruebas, se corta en chips individuales. Después se encapsula, el núcleo se introduce dentro de un material, que puede ser de plástico o cerámica y se conecta a sus conectores externos, ademas de añadir una superficie disipador.

  • Exposición: Una capa de dióxido de silicio se expone al calor con determinados gases para lograr que crezca y obtener una oblea de silicio, una capa tan fina que es imperceptible al ojo humano.
  • Fotolitografía: Sobre la oblea se aplica luz ultravioleta con una plantilla, el dibujo resultante, de dióxido de silicio se fija con productos químicos. Un procesador lleva varias de estas capas con plantillas distintas, cada una más fina que la anterior.
  • Implantación de iones: La oblea es bombardeada con iones para alterar la forma en la que el silicio conduce le electricidad en esas zonas, este proceso se utiliza para cambiar la física, química o propiedades elécticas de la capa.
  • División: En cada oblea se crearon las micros, un vez comprobado el trazado y el circuito se troquela o cortan con una sierra de diamante.
  • Empaquetado: Cada micro o procesador, se inserta en el paquete protector que le da la apariencia y que le permite ser conectado a los dispositivos.

Tipos de encapsulados: Es lo que protege al chip en si, extremadamente delicado. Fue evolucionando a lo largo de la historia, siendo los más importantes.

Tipos y tamaños

Distintos tipos y tamaños

  • DIP: Es la clásica cucaracha negra de material cerámica o plástico, con conectores en forma de pata negra,  se sueldan o insertan en los zócalos. Desfasado, empleándose en Intel 8088 y 8086.

  • PGA: Matriz rectangular de contactos cilíndricos, Estos contactos se encuentran el la base y hacen del microprocesador mas fácil y resistente de instalar. Existen variantes: PPGA de plástico, OPGA de material orgánico.

  • Formato de ranura (slot): No se trata de encapsulados, ya que los encapsulados son de los tipos anteriores. Está sobre una placa de circuitos, cubierta con un cartucho de plástico que se mete en una ranura en lugar de un zócalo. Se empezó a utilizar en Pentium II, hoy esta den desuso.

pga1

Procesador para zócalo PGA

  • LGA: Este tipo de zócalo se intercambiaron los papeles, los pines pasan a estar en el zócalo de la placa base, mientras que el microprocesador tiene contactos planos na superficie interior. Esto permite mayor densidad de pines y mayor velocidad de bus. Son los que se emplean hoy en día.

Procesadores monocúcleo:

  • Unidad de control: dirige la actividad de los otros elementos del microprocesador, ademas de descodificar las instrucciones recibidas.

  • ALU:  Unidad Aritmética-Lógica, Encargada de realizar las operaciones aritméticas y lógicas.

  • FPU: Unidad de coma flotante, se encarga de realizar las operaciones con números en coma flotante. Es conocida como coprocesador matemático.

  • Caché de nivel 1 o L1: Es una memoria volátil, integrada en el núcleo del procesador, que trabaja a la misma velocidad que este, su función es almacenar los datos más frecuentes para una mayor rapidez de localización y ejecución.

  • Caché de nivel 2 o L2: Es una memoria volátil, integrada también en el procesador, pero no en el núcleo. Tiene la misma finalidad de la L1 pero es algo más lenta.

  • Bus trasero o BSB: Es la conexión entre el microprocesador y la memoria cache externa (L2 o L3) Esta en desuso.

  • Bus frontal o FSB: Conecta la CPU con la placa base, la velocidad de este bus representa a máxima velocidad con la que el procesador puede conectarse con la memoria RAM. Antiguamente esta comunicación se realizaba utilizando Northbridge, en los nuevos procesadores se hace directamente utilizando la tecnologia DMI e en AMD HyperTransport.

Fin de la era de los Mhz y comienzos de Multi-Core: La tendencia en la frabricación de los microprocesadores era ir aumentando la velocidad, esto provocaba el aumento de temperatura y era necesario más refrigeración.

Se hicieron estudios donde se demostró que reduciendo MHz en 15% en CPU el consumo de energía se reduce 50%. Los consumos muy bajos de energía se traducen en PCs menos ruidosos y en portátiles con mayor duración de batería.

  • Multi-Core o Multinúcleo: Gracias a los avances en la densidad de integración de semiconductores es posible colocar dos (Dual Core) o más nucleos, (Quad Core) para 4, (Octo Core) para 8, en un solo encapsulado. Esta tecnología presenta algún problema, aumenta el calor por lo que deben fabricarse a velocidad de reloj algo más bajo, necesita un ancho de bus mas elevado. Los procesadores multinucleo añaden las siguientes partes.

    • Controlador de memoria integrado: Permite hacer más rápido el acceso a memoria RAM, reducir la latencia.

    • Bus de transporte de alta velocidad: Un bus de E/S para comunicarse con el sistema.

  • Hyperthreading: La CPU no tiene que gastar un ciclo completo de reloj para completar una operación. En este caso la CPU puede cambiar a otra orden (thread) de ejecución y procesar las instrucciones en el tiempo sobrante. El microprocesador trabaja como si fuesen varios procesadores virtuales ejecutando varios hilos de ejecuciones o subprocesos en paralelos.

    Para soportar Hyperthreading y Multi-Core no solo es necesario que el procesador incorpore esa tecnología, tiene que ser compatible con la placa base, el chipset, la BIOS y que el sistema operativo haga multihread.

  • Arquitecturas de 32 y 64 bits: Cuando hablamos de arquitecturas de 32 y 64 bits se hace referencia al ancho de los registros con los que trabaja el microprocesador, el ancho de datos y el ancho de bus de dirección. La diferencia es que en 32 el rango de números a representar va desde el 0 hasta 2 a 32 y el de 64 = 2 a 64, con un limite de memoria 4GB y 16ET. Actualmente los procesadores de 64 bits se imponen, sin embargo no todo el software (sistema operativo o aplicaciones) esta diseñado para explotar todos los recursos que ofrece un procesador de 64 bits, en todo caso su ejecución en eficiencia y velocidad sera idéntica a la de utilizar un procesador de 32 bits. Para poder reconocer mas de 4GB de memoria necesitamos ademas del hardware adecuado un S.O. de 64 bits.

Características:

Velocidad de reloj de microprocesador: La micro realiza numerosas tareas por etapas, de manera que se necesitan una forma de que todas sus partes lleven el mismo ritmo (funcionen todas de forma sincrona) Esto se consigue mediante una señal de reloj, generado por un oscilador de cuarzo con una frecuencia en pulso por segundo o “hercios (Hz)” que es como se conoce velocidad de reloj o frecuencia del microprocesador. Esta velocidad se mide en megahercios (MHz) o gigahercios (GHz)

1Hz=1Ciclo/segundo _  1KHz=1000Hz _ 1MHz=1000KHz _ 1GHz=1000MHz

Velocidad de reloj de bus (ancho en bits y Mhz): Los microprocesadores tienen un bus de datos que permiten que se conecte con el resto de los elementos del sistema, principalmente con la memoria RAM. Cuanto mayor sea el ancho de bits del bus, mayor será el número de bits que pueda transmitir en cada pulso de reloj. En el caso de Intel este ancho aumento de 8 a 64 bits. Otro parámetro importante es la velocidad de reloj a la que funciona el bus, el cual es inferior a la del micro, ya que es dificultoso fabricar componentes electrónicos que funcionen a la misma velocidad que la micro. Esta velocidad se mide en GHz o GTz/s Los buses que comunican procesador con memoria son:

  • Utilizando Norbridge: FSB o bus frontal.

  • Sin utilizar Norbridge: DNI en procesadores Intel y HyperTransport (HTT) en el caso de AMD a partir de Athlon 64

Velocidad interna: Velocidad a la que trabaja el micro internamente.

Velocidad externa o frecuencia de bus del sistema (FSB): Velocidad a la que se comunica el microprocesador con exterior. Los procesadores obtienen la frecuencia de trabajo a partir de dos parámetros, Frecuencia del Bus del Sistema (FSB) y el Multiplicador. Es el proceso de multiplicar los dos parámetros.

Velocidad interna = velocidad externa (FSB)* multiplicador

Velocidad del bus de la placa FSB velocidad externa

Multiplicador de la CPU

Velocidad de CPU velocidad interna

800 MHz

3

2,4 GHz

1200 MHz

2

2,4 GHz

2,4 x 1000 = 2400 Mhz ; Mult= Velo. Inte \Velo. Exte; 2400\800= 3

2,4 x 1000 = 2400 Mhz ; Mult= Velo. Inte \Velo. Exte; 2400\1200= 2

Overclocking: Es el hecho de provocar que un microprocesador funcione a una frecuencia mayor que para lo que fue diseñada, Aumenta la temperatura hay que tener un sistema de ventilación adecuado.

Turbo Boost: Permite los distintos núcleos acelerase “inteligentemente” por si mismos cada 133 Mhz por encima de su velocidad oficial, mientras que los requisitos térmicos y electrónicos de la CPU no sobrepasen los predeterminados.

Memoria Cache: Es una memoria muy rápida que se emplea para almacenar una copia de datos que con mas probabilidad requerirá a continuación el microprocesador. Acelera el rendimiento al reducir el número de veces que debe acceder a memoria principal o RAM, mucho más lenta. Los niveles de cache cuanto mas cercanos al microprocesador (número de nivel mas bajo) mas rápido.

  • Cache primaria o nivel 1 (L1): Es interna, esta integrada en el propio microprocesador. Funciona a máxima velocidad (misma que microprocesador) y acostumbra estar dividida en dos partes.

    • Cache de datos _ Cache de instrucciones.

  • Cache niveles 2 y 3 (L2 y L3): Conectadas a microprocesador mediante el bus trasero (BSB). Estas caches están integradas hoy en día dentro del microprocesador. Cuando el microprocesador busca un dato lo hace primero en L1 si lo encuentra lo aprovecha, si no lo encuentra pasa a los siguientes niveles de caché, hasta llegar a la memoria principal.

Interpretación de los datos sobre memoria caches (Explicación a la hora de entender las publicidad de productos) Ejm:

Memoria caché: L1/l2/L3. 4X32KB / 2×256 KB /8MB Intel Smart Caché

L1 4*32 KB – Quiere decir que son 32 KB por núcleo, tiene 4

L2 2*256KB – Quiere decir que son 256KB por pareja de núcleos

L3 8MB Interl Smart Caché – Quiere decir que son 8MB compartida por todos los núcleos.

Tamaño, tecnología de integración: El tamaño del circuito o tecnología de integración cada vez permite integrar mayor número de transistores en menos espacio. El avance se indica mediante el tamaño del elemento más pequeño del chip. La tecnología de fabricación de los microprocesador se miden en micras (una micra es la milésima parte de un milímetro) o en nanómetros (nm), (es la millonésima parte de un milímetro). Hoy en día podemos hablar de tecnología de fabricación de 0,045 y 0,032 micras que equivalen a 45 y 32 nm respectivamente. La principal desventaja es que necesita de disipadores muy complejos, por el contrario tiene unas mayores ventajas la reducción de tamaño.

  • Se obtienen mayor número de procesadores en cada oblea, reduce costes

  • Mayor velocidad de reloj.

  • Disminuye el voltaje necesario para su funcionamiento.

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