Un
Microprocesador esun circuito electrónico que
actúa como unidad central de proceso de un ordenador,
proporcionando el control de las operaciones de cálculo. Los
microprocesadores también se utilizan en otros sistemas
informáticos avanzados, como impresoras, automóviles o
aviones.
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.
Microprocesador
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Microprocesador
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 especializada 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.
2 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. Para proporcionar la memoria necesaria se
emplean otros circuitos integrados llamados chips de memoria
de acceso aleatorio (RAM, siglas en inglés), que contienen
grandes cantidades de transistores. 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. Otro tipo de memoria, 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.
3 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.
4 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.
5 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.
6 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.
7 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.
8 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.
