U.D. 4. EL PROCESADOR

1. El procesador

Es el componente principal del ordenador, dirige y controla todos los componentes. Se encarga de llevar a cabo las operaciones matemáticas y lógicas y decodifica y ejecuta las instrucciones de los programas cargados en la memoria RAM.

Físicamente es un circuito integrado o chip formado por millones de elementos electrónicos (casi todos transistores) integrados en una misma placa de silicio. Puede tener varios tamaños dependiendo del tipo de máquina donde se va a colocar (ordenadores, electrodomésticos, móviles, PDA, etc).

En los ordenadores antiguos, el procesador venía soldado y no podía cambiarse por uno más moderno. En la actualidad suele tener forma de cuadrado o rectángulo y se coloca en un zócalo especial de la placa base denominado socket.

1.1. Arquitectura interna

Conforme evoluciona la electrónica también lo hacen los microprocesadores y se van integrando dentro del micro más componentes que hacen que cada vez sean más potentes y rápidos. Para elegir un microprocesador hay que tener en cuenta para qué vamos a utilizar el ordenador, por ejemplo, no se necesitan los mismos recursos para trabajar con herramientas ofimáticas que para trabajar con aplicaciones multimedia. Los últimos micros sobrepasan la barrera del GHz, esto es justificable por lo siguiente:

• Los nuevos sistemas operativos utilizan muchos recursos de la máquina.
• Los nuevos formatos de audio o vídeo comprimido se descomprimen en tiempo real, tarea llevada a cabo por el micro y realiza más trabajos en menos tiempo.

Actualmente se trabaja con arquitecturas de doble núcleo (no hay que confundir un procesador de doble núcleo con un sistema multiprocesador; en el primero, los recursos son compartidos y los núcleos residen en la misma CPU; en el segundo, hay dos CPU diferentes con sus propios recursos).

Esta tecnología de doble núcleo permitirá ejecutar aplicaciones multimedia y de seguridad, se podrán ejecutar varias aplicaciones simultáneamente, se podrá descargar música, ejecutar un antivirus, etc.

El procesador de doble núcleo es un CPU con dos núcleos diferentes en una sola base, cada uno con su propia caché. Con esto se consigue mejorar el rendimiento del sistema eliminando los cuellos de botella que se podrían ocasionar en las arquitecturas tradicionales.

En la CPU de doble núcleo se añaden los siguientes elementos:

• Unidad de punto flotante (FPU). Se conoce también como coprocesador matemático y se encarga de manejar todas las operaciones en punto flotante.
• La caché del procesador de nivel 1 y nivel 2. La memoria caché es usada por el procesador para reducir el tiempo necesario en acceder a los datos de la memoria principal. La caché es una mini memoria más rápida que guarda copias de los datos que son usados con mayor frecuencia.
• Bus frontal (FSB). Bus que conecta la CPU con la placa base. Es la interfaz entre la caché de nivel 2 del procesador y la placa base. El ancho de este bus es de 64 bits.
• Bus posterior (BSB). Es la interfaz entre la caché de nivel 1, el núcleo del procesador y la caché de nivel 2. El ancho de este bus es de 256 bits.

La tecnología de doble núcleo además incorpora:

• Un controlador de memoria DDR que hace que sea más rápido el acceso a la RAM.
• Un bus de transporte con mayor ancho de banda para lograr unas comunicaciones de entrada/salida de alta velocidad.

1.2. Características

La velocidad de un micro se mide en MHz o GHz. Todos los micros modernos tienen dos velocidades:

• Velocidad interna. Es la velocidad a la que funciona el micro internamente.
• Velocidad externa o del bus de sistema. También llamada velocidad FSB. Esta es la velocidad a la que el micro se comunica con la placa base.

Dado que la placa base funciona a una velocidad y el micro a otra, el micro dispone de un multiplicador que indica la diferencia de velocidad entre la velocidad FSB y el propio micro. Por ejemplo: Un Pentium D a 3,6 GHz utiliza un bus de 800 MHz, el multiplicador será 4,5. Ya que 800×4,5 da 3600 MHz. Estas características las podemos encontrar en los manuales de la placa base o del procesador de la forma siguiente: Pentium D a 3,6 GHz (800×4,5).

1.3. La memoria caché del procesador

Una de las características de los microprocesadores es la memoria caché, muy rápida y de pequeño tamaño.

La memoria caché es usada por el procesador para reducir el tiempo promedio necesario en acceder a los datos de la memoria principal. La caché es una mini memoria más rápida que guarda copias de los datos que son usados con mayor frecuencia.

Todos los procesadores actuales tienen una caché de nivel 1 o L1 y una segunda caché de nivel dos o L2 que es más grande que la L1 aunque menos rápida, los más modernos incluyen también en su interior un tercer nivel llamado L3.

Cuando el microprocesador necesita datos, mira primero en las cachés L1, L2 y L3, si allí no encuentra lo que quiere mira la memoria RAM y luego en el disco duro.

1.4. La alimentación

Los microprocesadores reciben la electricidad de la placa base. Existen dos voltajes distintos:

• Voltaje externo o voltaje de E/S: permite al procesador comunicarse con la placa base, suele ser de 3,3 voltios.
• Voltaje interno o voltaje de núcleo: es menor que el anterior (2,4 voltios, 1,8 voltios) y le permite funcionar con una temperatura interna menor.

Además de estos voltajes, en la actualidad se utiliza el Thermal Design Power (TDP) (algunas veces denominado Thermal Design Point) para representar la máxima cantidad de calor que necesita disipar el sistema de refrigeración de un ordenador. Por ejemplo, una CPU de un ordenador portátil que esté designado para 20 W TDP, lo cual significa que puede disipar (por diversas vías: disipador, ventilador…) 20 W de calor sin exceder la máxima temperatura de funcionamiento para la cual está diseñado el chip.

El consumo de energía de la CPU está ligado a su velocidad de proceso y a la actividad interna. Puede ocurrir que se caliente demasiado y se produzcan serios problemas, como, por ejemplo, reinicios espontáneos del sistema. Para evitar el calentamiento se utilizan disipadores de calor que suelen incluir un ventilador. El disipador extrae el calor de la CPU y el ventilador enfría al disipador. Normalmente se coloca entre el procesador y el disipador una pasta térmica para ayudar en la transferencia de calor. El disipador se conecta a la placa base mediante un conector CPU-FAN, para que controle su velocidad y funcionamiento.

1.5. Instrucciones especiales

Estas tecnologías intentan aumentar el rendimiento de las aplicaciones multimedia y en 3D. Lo forman un conjunto de instrucciones incorporadas en el procesador que utilizan la matemática matricial para soportar los algoritmos de compresión y descompresión de gráficos (como JPEG, GIF y MPEG) y presentaciones gráficas en 3D.

Con la aparición del Pentium MMX, surge la tecnología MMX (MultiMedia eXtension). Paralelamente, la empresa AMD saca el K6, con su especificación 3DNow! MMX permite que la FPU actúe con varios datos simultáneamente a través de un proceso llamado SIMD (Single Instruction, Multiple Data, Instrucción única, datos múltiples), donde con una sola instrucción puede llevar a cabo varias operaciones, pudiendo hacer hasta cuatro operaciones en coma flotante por cada ciclo de reloj.

Con la llegada del Pentium III en 1998 se incorporaron al micro 70 nuevas instrucciones, llamadas SSE (Streaming SIMD Extensions, Extensiones SIMD de flujo de datos), también conocidas como MMX-2. Sus ventajas son:

• Las instrucciones SSE permiten efectuar cálculos matemáticos con números con coma flotante, al contrario que las MMX, que solo las realizan con números enteros.
• Las instrucciones SSE pueden emplearse simultáneamente con la FPU o con instrucciones MMX.

Algunas de estas 70 nuevas instrucciones optimizan el rendimiento en apartados multimedia, como la reproducción de vídeo MPEG-2 o el reconocimiento de voz, mientras que otras aceleran el acceso a la memoria.

El Pentium IV añade las instrucciones SSE2 (Streaming SIMD Extensions 2), 144 nuevas instrucciones, algunas de ellas capaces de manejar cálculos de doble precisión de 128 bits en coma flotante. La idea es reducir el número de operaciones necesarias para realizar las tareas.

La extensión SSE3 fue introducida con el núcleo del Pentium 4 5xx, llamado Prescott, brindando nuevas instrucciones matemáticas y manejo de procesos (threads). En los procesadores AMD se incorporó en el núcleo llamado Venice. SSSE3 (Supplemental SSE3) es una mejora menor de esta extensión, fue presentada en los procesadores Intel Core 2 Duo y Xeon. Fueron agregadas 32 nuevas instrucciones con el fin de mejorar la velocidad de ejecución.

SSE4 es una mejora importante del conjunto de instrucciones SSE. Intel ha trabajado con fabricantes de aplicaciones y de sistemas operativos, con el fin de establecer esta extensión como un estándar en la industria del software. Fue presentada en 2007. Los nuevos procesadores Intel Wolfdale de 45nm ya disponen de estas instrucciones.

2. Arquitecturas de 32 y 64 bits

Cuando se habla de arquitecturas de 32, 64 o 128 bits se hace referencia al ancho de los registros con los que trabaja la ALU, o al ancho de los buses de datos o de direcciones. La arquitectura de los ordenadores de 64 bits tiene integrados registros que son de 64 bits, que permite soportar datos de 64 bits.

2.1. Diferencias entre 32 y 64 bits

Las arquitecturas de 32 bits estaban enfocadas para ejecutar aplicaciones de carga pequeña a media, tareas típicas en una pequeña o mediana empresa, con lo que tienen una serie de limitaciones:

• Números en rango 2³². Este límite implica que toda operación realizada se encuentra limitada a números en un rango de 2³² (puede representar números desde 0 hasta 4294967295); en caso de que una operación dé como resultado un número superior o inferior a este rango, ocurre lo que es conocido como un overflow o underflow, respectivamente.

Al utilizar un procesador de 64 bits, este rango dinámico se hace 2⁶⁴ (puede representar números desde 0 hasta 18.446.744.073.709.551.615), la cual se incrementa notablemente comparado con un procesador de 32 bits. Para aplicaciones matemáticas y científicas que requieren de gran precisión, el uso de esta tecnología puede ser imprescindible.

• Límite memoria 4 Gb. La arquitectura de 32 bits se encuentra en la incapacidad de mapear/controlar la asignación sobre más de 4 Gb de memoria RAM. Esta limitación puede ser grave para aplicaciones que manejan volúmenes elevados de información como bases de datos en niveles de terabyte, ya que el traslado continuo de información de un medio (disco duro u óptico) puede hacer que una aplicación se torne sumamente lenta, a menos que esta radique directamente en memoria RAM.

Actualmente, los procesadores de 64 bits se imponen; sin embargo, no todo el software (sea sistema operativo o aplicación) está diseñado para explotar los recursos ofrecidos por un procesador de 64 bits; su ejecución en eficiencia y velocidad será idéntica a la de utilizar un procesador de 32 bits.

3. Intel y AMD

Hablar de procesadores es, sobre todo, hablar de Intel y de AMD, ya que son las empresas que han soportado el peso del desarrollo de estos, ya sea colaborando ambas empresas, como en su fase de desarrollos independientes.

El primer microprocesador comercial fue el Intel 4004, presentado en 1971, para facilitar el diseño de una calculadora. Este procesador tenía 2.250 transistores y trabajaba a 0,1 MHz y con un ancho de bits de 4 bits.

Cada nueva generación de procesadores incorpora no solo algunas mejoras con respecto a la velocidad de procesado, sino también saltos técnicos que hacen referencia a la eficacia de procesado, velocidad, nuevas tecnologías, transmisión de datos, mejoras de diseño, etcétera.

No obstante, es necesario recordar que fabricantes tan conocidos como Zilog, Harris, Siemens, Hitachi, NEC, IBM, Cyrix, Texas Instruments, Chips & Technologies, NexGen NT, Motorola, Apple, Hewlett-Packard, DEC o Renaissance Microsystems también han desarrollado microprocesadores, que en algunos casos han superado en prestaciones a los de Intel o AMD.

Con frecuencia podemos oír comentarios del estilo de: AMD (o Intel) es el mejor o mejor que el otro. Sin embargo, este tipo de comentarios es erróneo. No podemos afirmar que uno u otro sea mejor sin más. Cada tipo de microprocesador es un mundo y cada uno tiene una serie de características y propiedades que lo hacen mejor o peor que otros modelos. Es precisamente ese afán de superación el que ha hecho progresar tanto y tan rápido la tecnología.

3.1. Modelos de procesadores para equipos de sobremesa

• Intel Core Duo, con dos núcleos de ejecución.
• Intel Core 2 Duo (letra E y L en su número de procesador, ej. E7600). Los Core 2 Duo se diferencian de los Core Duo, entre otras cosas, en que los dos núcleos pueden acceder a la caché al mismo tiempo. En cambio, los Core Duo acceden a ella un núcleo por vez. El hecho de que los dos núcleos puedan acceder a la caché al mismo tiempo hace al núcleo más rápido.
• Intel Core 2 Quad o Intel Quad Core (letra Q, Q9400). Son dos procesadores Core 2 Duo encapsulados en un mismo zócalo, formando cuatro núcleos.
• Intel Core 2 Extreme, de cuádruple núcleo (letra X), con una nueva versión basada en la vanguardista tecnología de 45 nm, que utiliza un sistema de circuitos infundido por hafnio (Elemento químico de metal escaso en la corteza terrestre, y tiene excelentes cualidades mecánicas. Se usa en el control de los reactores nucleares). Rendimiento y una eficiencia energética mayores. En los Quad Extreme con la letra QX podemos hablar de una auténtica CPU de cuatro núcleos que aprovecha todas las ventajas de la tecnología Core2.
• AMD Athlon 64 x2, microprocesador de 64 bits multinúcleo. Diseñado actualmente para el socket AM2 (en 90 nm y 65 nm SOI-> Silicon On Insulator), con un bus HyperTransport HT de 2000 MHz y soporte de memoria DDR2 y conjunto de instrucciones SSE3. Cada núcleo cuenta con una unidad de caché independiente, y tiene entre 154 a 233,2 millones de transistores, dependiendo del tamaño de la caché.
• AMD Phenom es el nombre dado por AMD a la primera generación de procesadores de tres y cuatro núcleos, con una velocidad entre 1,8 y 2,6 GHz y con una caché L3 2048.

3.2. Modelos de procesadores para portátiles

Son procesadores que buscan bajo consumo energético y generan menos calor, con tecnologías específicas para dar mayor autonomía y recursos a los equipos portátiles:

• Intel Centrino Core 2 Duo (letra T en su número de procesador).
• Intel Centrino 2 Core 2 Duo incorpora un bus de sistema más rápido (de hasta 1066 MHz), mayores velocidades de reloj y unas tecnologías de microarquitectura mejorada, lo que permite maximizar el rendimiento y el ahorro energético. Tiene compatibilidad con memorias DDR3 y en la pequeña disminución en el consumo energético, llegando hasta los 25 W TDP en algunos modelos (muy cercanos a los procesadores ULV, Ultra-Low Voltage).
• AMD Turion 64. Se presenta en dos series; ML, con un consumo máximo de 35 W, y MT, con un consumo de 25 W.
• AMD Turion x2 Ultra. Con una arquitectura de conexión directa para mejorar el rendimiento y eliminar las demoras que se producen cuando varios componentes compiten por el acceso al bus del procesador.

3.3. Modelos de procesadores para servidores y estaciones de trabajo

Son procesadores que ofrecen escalabilidad, potencia y rendimiento mejorados para robustos entornos de procesamiento múltiple:

• Intel Xeon, con modelos que disponen de caché L3, pero que su característica más importante es que están diseñados para formar sistemas multiprocesadores con hasta 18 CPU en la misma placa base. Se suelen utilizar en el mundo del cine, la animación, en grandes servidores y para supercomputación.
• AMD Opteron, con diseño Quad-Core con la arquitectura de conexión directa, que ofrece mejor rendimiento, una virtualización optimizada, más potencia y un coste menor.

Actualmente los núcleos integran hasta 80 núcleos en un microprocesador (los llamados procesadores multicore). Su reloj va a una velocidad de 10 GHz (10000 MHz), mil millones de transistores y pueden procesar cerca de cien mil millones de instrucciones por segundo.

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