Microprocesador (página 2)

Partes: 1, 2

Definición de Microprocesador

El microprocesador
es un tipo de circuito sumamente integrado. Los circuitos
integrados, también conocidos como microchips o chips,
son circuitos
electrónicos complejos formados por componentes
extremadamente pequeños formados en una única pieza
plana de poco espesor de un material conocido como semiconductor.
Hay microprocesadores
que incorporan hasta 10 millones de transistores (que
actúan como amplificadores electrónicos,
osciladores o, más a menudo, como conmutadores),
además de otros componentes como resistencias,
diodos, condensadores
y conexiones, todo ello en una superficie comparable a la de un
sello postal.

Circuito integrado

Este circuito integrado, un microprocesador F-100, tiene
sólo 0,6 cm2, y es lo bastante pequeño para pasar
por el ojo de una aguja

Un microprocesador consta de varias secciones
diferentes. La unidad aritmético-lógica
(ALU, siglas en inglés)
efectúa cálculos con números y toma
decisiones lógicas; los registros son
zonas de memoria
especiales para almacenar información temporalmente; la unidad de
control
descodifica los programas; los
buses transportan información digital a través del
chip y de la
computadora; la memoria
local se emplea para los cómputos realizados en el mismo
chip.

Los microprocesadores más complejos contienen a
menudo otras secciones; por ejemplo, secciones de memoria
especializadas denominadas memoria cache,
que sirven para acelerar el acceso a los dispositivos externos de
almacenamiento de
datos. Los
microprocesadores modernos funcionan con una anchura de bus de 64 bits (un bit es un
dígito binario, una unidad de información que puede
ser un uno o un cero): esto significa que pueden transmitirse
simultáneamente 64 bits de datos.

Un cristal oscilante situado en el ordenador proporciona
una señal de sincronización, o señal de
reloj, para coordinar todas las actividades del microprocesador.
La velocidad de
reloj de los microprocesadores más avanzados es de unos
800 megahercios (MHz) —unos 800 millones de ciclos por
segundo—, lo que permite ejecutar más de 1.000
millones de instrucciones cada segundo.

Memoria de Computadora

Como el microprocesador no es capaz por sí solo
de albergar la gran cantidad de memoria necesaria para almacenar
instrucciones y datos de programa (por
ejemplo, el texto de un
programa de tratamiento de texto), pueden emplearse transistores
como elementos de memoria en combinación con el
microprocesador.

Tipos de Memoria

Memoria de acceso aleatorio o RAM,
memoria basada en semiconductores
que puede ser leída y escrita por el microprocesador u
otros dispositivos de hardware tantas
veces como se quiera. Es una memoria de almacenamiento
temporal, donde el microprocesador coloca las aplicaciones que
ejecuta el usuario y otra información necesaria para el
control
interno de tareas; su contenido desaparece cuando se apaga
el ordenador o computadora, de ahí que los datos que se
quieran conservar a largo plazo se tengan que almacenar en los
discos. RAM es un acrónimo del inglés Random
Access
Memory. El acceso a las posiciones de almacenamiento se puede
realizar en cualquier orden, por eso se le llama memoria de
acceso aleatorio. Intel introdujo el primer chip de RAM en 1970
y tenía una capacidad de 1 Kb. Actualmente la memoria RAM
para computadoras
personales se suele fabricar en módulos insertables
llamados DIMM, SO-DIMM y SIMM, cuya capacidad alcanza los 512
Mb; una placa base puede tener varios de estos
módulos.

Existen diversos tipos de
memoria de acceso aleatorio:

La RAM estática (SRAM), conserva la
información mientras esté conectada la
tensión de alimentación, y
suele emplearse como memoria cache porque funciona a gran
velocidad.
La RAM dinámica (DRAM), es
más lenta que la SRAM y debe recibir electricidad
periódicamente para no borrarse. La DRAM resulta
más económica que la SRAM y se emplea como
elemento principal de memoria en la mayoría de las
computadoras.
Memoria de sólo lectura o
ROM, acrónimo de Read Only Memory, memoria basada en
semiconductores que contiene instrucciones o datos que se
pueden leer pero no modificar. En las computadoras IBM PC y
compatibles, las memorias ROM
suelen contener el software
necesario para el funcionamiento del sistema y
permanece aunque se apague el ordenador; este contenido se
establece cuando se fabrican. Para crear un chip ROM, el
diseñador facilita a un fabricante de semiconductores la
información o las instrucciones que se van a almacenar.
El fabricante produce entonces uno o más chips que
contienen esas instrucciones o datos. Como crear chips ROM
implica un proceso de
fabricación, esta creación es viable
económicamente sólo si se producen grandes
cantidades de chips. Los diseños experimentales o los
pequeños volúmenes son más asequibles
usando PROM o EPROM. El término ROM se suele referir a
cualquier dispositivo de sólo lectura, incluyendo PROM y
EPROM.

Memoria programable de sólo lectura o
PROM, acrónimo de Programmable Read Only Memory,
tipo de memoria de sólo lectura (ROM) que permite ser
grabada con datos mediante un hardware llamado programador de
PROM. Una vez que la PROM ha sido programada, los datos
permanecen fijos y no pueden reprogramarse. Dado que las ROM
son rentables sólo cuando se producen en grandes
cantidades, se utilizan memorias programables de sólo
lectura durante las fases de creación del prototipo de
los diseños. Nuevas PROM pueden grabarse y desecharse
durante el proceso de perfeccionamiento del diseño.

Memoria programable y borrable de sólo
lectura o EPROM, tipo de memoria, también denominada
reprogramable de sólo lectura (RPROM, acrónimo
inglés de Reprogrammable Read Only Memory). Las EPROM
(acrónimo inglés de Erasable Programmable Read
Only Memory) son chips de memoria que se programan
después de su fabricación. Son un buen método
para que los fabricantes de hardware inserten códigos
variables o
que cambian constantemente en un prototipo, en aquellos casos
en los que producir gran cantidad de chips PROM
resultaría prohibitivo. Los chips EPROM se diferencian
de los PROM por el hecho de que pueden borrarse por lo general,
retirando una cubierta protectora de la parte superior del chip
y exponiendo el material semiconductor a radiación ultravioleta, después de
lo cual pueden reprogramarse.

Microcontrolador

Un microprocesador no es un ordenador completo. No
contiene grandes cantidades de memoria ni es capaz de comunicarse
con dispositivos de entrada —como un teclado, un
joystick o un ratón— o dispositivos de salida como
un monitor o una
impresora. Un
tipo diferente de circuito integrado llamado microcontrolador es
de hecho una computadora completa situada en un único
chip, que contiene todos los elementos del microprocesador
básico además de otras funciones
especializadas. Los microcontroladores se emplean en videojuegos,
reproductores de vídeo, automóviles y otras
máquinas.

Semiconductores

Todos los circuitos integrados se fabrican con
semiconductores, sustancias cuya capacidad de conducir la
electricidad es intermedia entre la de un conductor y la de un no
conductor o aislante. El silicio es el material semiconductor
más habitual. Como la conductividad eléctrica de un
semiconductor puede variar según la tensión
aplicada al mismo, los transistores fabricados con
semiconductores actúan como minúsculos conmutadores
que abren y cierran el paso de corriente en sólo unos
pocos nanosegundos (milmillonésimas de segundo). Esto
permite que un ordenador pueda realizar millones de instrucciones
sencillas cada segundo y ejecutar rápidamente tareas
complejas.

El bloque básico de la mayoría de los
dispositivos semiconductores es el diodo, una unión de
materiales de
tipo negativo (tipo n) y positivo (tipo p). Los términos
"tipo n" y "tipo p" se refieren a materiales semiconductores que
han sido dopados, es decir, cuyas propiedades eléctricas
han sido alteradas mediante la adición controlada de
pequeñísimas concentraciones de impurezas como boro
o fósforo. En un diodo, la corriente
eléctrica sólo fluye en un sentido a
través de la unión: desde el material de tipo p
hasta el material de tipo n, y sólo cuando el material de
tipo p está a una tensión superior que el de tipo
n. La tensión que debe aplicarse al diodo para crear esa
condición se denomina tensión de
polarización directa. La tensión opuesta que hace
que no pase corriente se denomina tensión de
polarización inversa.

Un circuito integrado contiene millones de uniones p-n,
cada una de las cuales cumple una finalidad específica
dentro de los millones de elementos electrónicos de
circuito. La colocación y polarización correctas de
las regiones de tipo p y tipo n hacen que la corriente
eléctrica fluya por los trayectos adecuados y garantizan
el buen funcionamiento de todo el chip.

Transistores

El transistor
empleado más comúnmente en la industria
microelectrónica se denomina transistor de efecto de campo
de metal-óxido-semiconductor (MOSFET, siglas en
inglés). Contiene dos regiones de tipo n, llamadas fuente
y drenaje, con una región de tipo p entre ambas, llamada
canal. Encima del canal se encuentra una capa delgada de
dióxido de silicio, no conductor, sobre la cual va otra
capa llamada puerta. Para que los electrones fluyan desde la
fuente hasta el drenaje, es necesario aplicar una tensión
a la puerta (tensión de polarización directa). Esto
hace que la puerta actúe como un conmutador de control,
conectando y desconectando el MOSFET y creando una puerta
lógica que transmite unos y ceros a través del
microprocesador.

Fabricación de
Microprocesadores

Los microprocesadores se fabrican empleando técnicas
similares a las usadas para otros circuitos integrados, como
chips de memoria. Generalmente, los microprocesadores tienen una
estructura
más compleja que otros chips, y su fabricación
exige técnicas extremadamente precisas.

La fabricación económica de
microprocesadores exige su producción masiva. Sobre la superficie de
una oblea de silicio se crean simultáneamente varios
cientos de grupos de
circuitos. El proceso de fabricación de microprocesadores
consiste en una sucesión de deposición y
eliminación de capas finísimas de materiales
conductores, aislantes y semiconductores, hasta que
después de cientos de pasos se llega a un complejo
"bocadillo" que contiene todos los circuitos interconectados del
microprocesador. Para el circuito electrónico sólo
se emplea la superficie externa de la oblea de silicio, una capa
de unas 10 micras de espesor (unos 0,01 mm, la décima
parte del espesor de un cabello humano). Entre las etapas del
proceso figuran la creación de sustrato, la
oxidación, la litografía, el grabado, la
implantación iónica y la deposición de
capas.

La primera etapa en la producción de un
microprocesador es la creación de un sustrato de silicio
de enorme pureza, una "rodaja" de silicio en forma de una oblea
redonda pulida hasta quedar lisa como un espejo. En la
actualidad, las obleas más grandes empleadas en la
industria tienen 200 mm de diámetro.

En la etapa de oxidación se coloca una capa
eléctricamente no conductora, llamada dieléctrico.
El tipo de dieléctrico más importante es el
dióxido de silicio, que se "cultiva" exponiendo la oblea
de silicio a una atmósfera de oxígeno
en un horno a unos 1.000 ºC. El oxígeno se combina
con el silicio para formar una delgada capa de óxido de
unos 75 angstroms de espesor (un ángstrom es una
diezmilmillonésima de metro).

Casi todas las capas que se depositan sobre la oblea
deben corresponder con la forma y disposición de los
transistores y otros elementos electrónicos. Generalmente
esto se logra mediante un proceso llamado fotolitografía,
que equivale a convertir la oblea en un trozo de película
fotográfica y proyectar sobre la misma una imagen del
circuito deseado. Para ello se deposita sobre la superficie de la
oblea una capa fotosensible cuyas propiedades cambian al ser
expuesta a la luz. Los detalles
del circuito pueden llegar a tener un tamaño de
sólo 0,25 micras.

Como la longitud de onda más corta de la luz
visible es de unas 0,5 micras, es necesario emplear luz
ultravioleta de baja longitud de onda para resolver los detalles
más pequeños. Después de proyectar el
circuito sobre la capa fotorresistente y revelar la misma, la
oblea se graba: esto es, se elimina la parte de la oblea no
protegida por la imagen grabada del circuito mediante productos
químicos (un proceso conocido como grabado húmedo)
o exponiéndola a un gas corrosivo
llamado plasma en una cámara de vacío
especial.

En el siguiente paso del proceso, la implantación
iónica, se introducen en el silicio impurezas como boro o
fósforo para alterar su conductividad. Esto se logra
ionizando los átomos de boro o de fósforo
(quitándoles uno o dos electrones) y lanzándolos
contra la oblea a elevadas energías mediante un
implantador iónico. Los iones quedan incrustados en la
superficie de la oblea.

En el último paso del proceso, las capas o
películas de material empleadas para fabricar un
microprocesador se depositan mediante el bombardeo atómico
en un plasma, la evaporación (en la que el material se
funde y posteriormente se evapora para cubrir la oblea) o la
deposición de vapor químico, en la que el material
se condensa a partir de un gas a baja presión o
a presión atmosférica. En todos los casos, la
película debe ser de gran pureza, y su espesor debe
controlarse con una precisión de una fracción de
micra.

Los detalles de un microprocesador son tan
pequeños y precisos que una única mota de polvo
puede destruir todo un grupo de
circuitos. Las salas empleadas para la fabricación de
microprocesadores se denominan salas limpias, porque el aire de las
mismas se somete a un filtrado exhaustivo y está
prácticamente libre de polvo. Las salas limpias más
puras de la actualidad se denominan de clase 1. La
cifra indica el número máximo de partículas
mayores de 0,12 micras que puede haber en un pie cúbico de
aire (0,028 metros cúbicos). Como comparación, un
hogar normal sería de clase 1 millón.

Historia del Microprocesador

El primer microprocesador fue el Intel 4004, producido
en 1971. Se desarrolló originalmente para una calculadora,
y resultaba revolucionario para su época. Contenía
2.300 transistores en un microprocesador de 4 bits que
sólo podía realizar 60.000 operaciones por
segundo. El primer microprocesador de 8 bits fue el Intel 8008,
desarrollado en 1979 para su empleo en
terminales informáticos. El Intel 8008 contenía
3.300 transistores. El primer microprocesador realmente
diseñado para uso general, desarrollado en 1974, fue el
Intel 8080 de 8 bits, que contenía 4.500 transistores y
podía ejecutar 200.000 instrucciones por segundo. Los
microprocesadores modernos tienen una capacidad y velocidad mucho
mayores. Entre ellos figuran el Intel Pentium Pro, con
5,5 millones de transistores; el UltraSparc-II, de Sun
Microsystems, que contiene 5,4 millones de transistores; el
PowerPC G4, desarrollado conjuntamente por Apple, IBM y Motorola,
con 7 millones de transistores, y el Alpha 21164A, de Digital
Equipment Corporation, con 9,3 millones de
transistores.

Tecnologías Futuras

La tecnología de los
microprocesadores y de la fabricación de circuitos
integrados está cambiando rápidamente. Se
prevé que en 2010 los microprocesadores avanzados
contengan unos 800 millones de transistores.

Se cree que el factor limitante en la potencia de los
microprocesadores acabará siendo el comportamiento
de los propios electrones al circular por los transistores.
Cuando las dimensiones se hacen muy pequeñas, los efectos
cuánticos debidos a la naturaleza
ondulatoria de los electrones podrían dominar el
comportamiento de los transistores y circuitos. Puede que sean
necesarios nuevos dispositivos y diseños de circuitos a
medida que los microprocesadores se aproximan a dimensiones
atómicas. Para producir las generaciones futuras de
microchips se necesitarán técnicas como la epitaxia
por haz molecular, en la que los semiconductores se depositan
átomo a
átomo en una cámara de vacío ultraelevado, o
la microscopía de barrido de efecto túnel, que
permite ver e incluso desplazar átomos individuales con
precisión.

Bibliografía

Cattania. Arquitectura y programación.
Brey, Barry B. Los microprocesadores Intel.
Arquitectura, programación e interfaces.
Prentice Hall 1994.
Arquitectura de Microprocesadores. José
María Angulo Usategui, José Luis Gutiérrez
Temiño, Ignacio Angulo Martínez.
Diseño de Sistemas
Digitales y Microprocesadores. J. P. Hayes
Ed. McGraw-Hill, 1986.