Procesadores
Procesador. Sí, esta palabra ha estado en nuestras vidas, y
en muchos ha estado desde su nacimiento. Se habla de procesadores, y, a decir
verdad, es una verdadera maravilla toda la magia que se esconde dentro de estas
pequeñas cápsulas de silicio que, en su mayoría, caben en la palma de la mano
y, a veces, hasta en la punta de un dedo. Pero, ¿cuál es su magia? A grandes
rasgos, ¿por qué los procesadores son tan importantes? Eso veremos en este
artículo.
Una breve historia
Conforme la computación (con sus diferentes nombres y
tecnologías) iba avanzando, desde enormes engranes mecánicos hasta los actuales
pequeños dispositivos con transistores que miden apenas algunas millonésimas de
milímetro, la idea ha sido la de miniaturizar para poder integrar cada vez
mayor potencia y funcionalidad en un pequeño espacio. La miniaturización trae
consigo el beneficio no sólo de integrar mayor potencia y funcionalidad, sino
con una reducción en el consumo de energía. Incluso el celular menos potente de
la actualidad tiene cientos o miles de veces mayor potencia que la computadora
que se utilizó para la primera misión a la luna.
Cabe destacar que, históricamente, las llamadas “computadoras”
distaban mucho de ser, como hoy, de propósito general, sino que, en su mayoría,
se fabricaban con algún propósito particular: Si se requería resolver algo, se
construía una tecnología exclusivamente para resolver ese “algo”. No fue sino
hasta la Mark I y el genio combinado de Grace Hopper con otras grandes mentes,
que empezó a hacerse realidad la posibilidad de tener equipos de propósito
general. Y, sin embargo, los equipos de cómputo seguían siendo monstruosamente
grandes y con potencias de, “apenas”, algunas centenas de operaciones por
segundo.
El advenimiento de tecnologías como el bulbo o tubo de
vacío, el ulterior invento del transistor en los laboratorios Bell, y la
creación final del circuito integrado en Texas Instruments trajeron consigo la
cada vez más evidente reducción en el tamaño de las computadoras. Esta
miniaturización supuso la integración de prácticamente toda la potencia de
cómputo que antes se almacenaba en diversas cantidades de estantes, en un solo
pedazo (o chip) de silicio.
La CPU
El término CPU (Unidad Central de Procesamiento, por sus
siglas en inglés) se vino utilizando mucho antes de la creación del
microprocesador. Este término se acuñó para poner en perspectiva a un
dispositivo que podría ejecutar software o programas, lo cual significa que
proviene de aquellas computadoras que empezaron a integrar el concepto de
Programa Almacenado (es decir, aquellos cuyas instrucciones se colocan en algún
tipo de almacenamiento electrónico [que también se conoce como “memoria”] para,
entonces, ser ejecutadas por la computadora). Este concepto se remonta a 1945,
cuando se tuvieron los planes para la EDVAC y, posteriormente, se empezó a
hacer realidad con la Máquina Experimental de Escala Pequeña de Manchester en
1948 para, luego, materializarse con la ya mencionada Mark I antes de que EDVAC
estuviera terminada.
El beneficio de las computadoras de programa almacenado es que
reducían la complejidad de tener que reconfigurar el cableado y los componentes
de la máquina para poder llevar a cabo alguna tarea diferente. Este proceso de
reconfiguración podía ser muy tardado (algunos días y, quizá, algunas semanas),
lo cual convertía en un verdadero viacrucis pensar en calcular algo diferente.
En una computadora de programa almacenado, lo único que había que cambiar era
el contenido de la “memoria” y, entonces, ejecutar lo que allí esté. Ello
requería de significativamente menos tiempo que recablear, reconfigurar y
reajustar los monstruos.
Ahora bien, toda esta funcionalidad existió mucho antes que
los microprocesadores vieran la luz. Y, sin embargo, sirvió como base funcional
para ser integrada, en su momento, en los pequeños chips que resultaban de los
circuitos integrados. Así es, como ya se indicó, la idea de los
microprocesadores era la de integrar toda esa potencia en una pequeña cápsula
de silicio, lo que significaba reducir espacio, consumo de energía y, a su vez,
aumentar potencia. A esta integración se le conocería, al final, como MPU
(Unidad de Microprocesador, por sus siglas en inglés).
El microprocesador
La creación de este término se atribuye a Viatron Computer
Systems que pretendió describir el pequeño circuito integrado que se utilizó en
su computadora System 21, misma que anunció en 1968. Por esos años, fueron
apareciendo MPU que cumplían, con diversos grados de integración, con la
funcionalidad esperada de las CPU—a veces en múltiples chips, a veces en uno
solo.
La Central Air Data Computer de 1968 se considera como la
primera que tuvo la posibilidad de incorporar una MPU, aunque, en realidad,
estaba compuesto por un conjunto de chips basados en MOS. No obstante, su
diseño era unas 20 veces menor y mucho más confiable que los sistemas
mecánicos. Este diseño se utilizó en los primeros modelos Tomcat e integraba
varios microprocesadores en paralelo de 20 bits interconectados. No fue sino
hasta 1997 que se supo de este diseño.
En 1969 se presentó el AL1 de Four-Phase Systems, mismo que
fue un chip de 8 bits con ocho registros y una Unidad Aritmético Lógica (ALU).
Era parte de una CPU de 24 bits conformada por nueve chips y tres AL1.
Ya para 1971, Pico Electronics y General Instrument
presentaron su primer chip en colaboración creado para la calculadora
Monroe/Litton Royal Digital III. Podría decirse que esta MPU es una de las
primeras que tienen ROM, RAM y un conjunto de instrucciones RISC. Cabe hacer
notar que la búsqueda de la popularización de calculadoras de mano trajo varias
innovaciones en el ámbito de los microprocesadores. De hecho, las calculadoras
se convirtieron en el principal mercado para los semiconductores. Vale recordar esto en los siguientes párrafos.
En 1971 fue creado el primer microcontrolador o, también
conocido como, microcomputador. Se trató del TMS 1000 de Texas Instruments,
mismo que fue, a su vez, la primera CPU conformada de un solo chip. Nuevamente,
el impulso provino de integrar una calculadora en un solo chip. La patente del
microprocesador, así, fue conferida a Texas Instruments. La idea de una
computadora en un chip era la de combinar la CPU, la memoria y las líneas de comunicación
en un chip y, nuevamente, esta patente fue conferida a Texas Instruments.
Ahora bien, el fabricante japonés de calculadoras Busicom solicitó
a Integrated Electronics Corporation la creación de un conjunto de chips para
calculadoras de escritorio de alto rendimiento. El diseño original de Busicom
consistía de doce distintos chips. Sin embargo, Ted Hoff, quien estaba a cargo
del proyecto en Integrated Electronics, consideró que ello se podía simplificar
a sólo cuatro chips en un proyecto conocido como MCS-4. Ya para 1970, el
proyecto fue encargado a Federico Faggin quien se encargó de reducir la
funcionalidad de nueve de los doce chips a uno solo. Integrated Electronics se
dio cuenta que esto traería la capacidad de cómputo de propósito general en IC,
y durante renegociaciones con Busicom, donde propusieron ofrecerles un mejor
precio, solicitaron conservar los derechos sobre el nuevo chip y, con ello,
tener la autorización de que fuera utilizado por otras compañías o, incluso, para finalidades distintas a la fabricación de calculadoras. Busicom aceptó y el proyecto conjunto entre Integrated Electronics y Busicom se materializó en marzo de 1971 como parte del conjunto de chips MCS-4 que incluyó a la ROM 4001, a la RAM
4002, al Registro de desplazamiento 4003 y al microprocesador (MCU) 4004 (donde
el cuatro inicial indicaba la tecnología de procesamiento utilizada, que era de
cuatro bits). De hecho, la propuesta de que la calculadora quedara, finalmente,
en cuatro chips (ROM, RAM, Registro de
desplazamiento [Shift Register] y MPU), de acuerdo con Tadashi Sasaki, provino de
una mujer anónima del Nara Women’s College que estuvo presente en una reunión
de intercambio de ideas celebrada en Japón antes de la reunión con Integrated
Electronics. El chip 4004 fue el primer
procesador comercial del mercado de cómputo y pronto fue adoptado por otros
fabricantes de calculadoras así como algunas máquinas de pinball.
En el caso del 8008, Integrated Electronics recibió la
petición de Computer Terminal Corporation (CTC) de generar un chip para su
terminal programable Datapoint 2200. Este chip no era compatible con el 4004. El
resultado no le agradó a CTC y terminó desechándolo. No obstante, Seiko se
interesó en el chip para usarlo en una calculadora. Para 1974, Integrated
Electronics presentó el 8080, una versión extendida y mejorada del 8008 que,
nuevamente, no era compatible con éste. El 8080 sí que llamó la atención y,
mediante una licencia cruzada, fue también fabricado por Advanced Micro Devices
bajo el nombre de Am9080. A partir de allí, el trabajo conjunto de Integrated
Electronics y Advanced Micro Devices (merced un acuerdo de intercambio
tecnológico entre ambas empresas) trajo otros resultados al mercado: Las
mejoras e innovaciones de cada empresa podían ser utilizadas por la otra sin
problemas de patentes o situaciones de ésas. Es así como sucedió que, durante
el diseño de la PC, IBM (para facilitar el camino al diseño del equipo) decidió
utilizar los procesadores x86 de Integrated Electronics con Advanced Micro
Devices como segunda fuente de fabricación.
Los procesadores en la era moderna
En la actualidad, los procesadores se han integrado cada vez
más. El diseño basado en un conjunto de chips se ha ido recortando a cada vez
menos chips y, ahora, los procesadores para PC y Mac están casi todos
conformados por un solo chip que integra varias CPU, el ROM, el controlador de
RAM, el Registro de desplazamiento, los gráficos y otros componentes más en un
solo MPU, mismo que ahora se conoce como Sistema en un Chip (o SoC, por sus
siglas en inglés). La potencia de algunos de estos SoC puede llegar hasta 2 billones
de operaciones matemáticas por segundo (TFLOPS) con un consumo de energía de
apenas 65W (impresionante, si tomamos en cuenta que los primeros MPU 4004 apenas
rasguñaban ~90 mil operaciones matemáticas por segundo (KFLOPS).
El impresionante aumento en las capacidades de cómputo que
ofrecen los procesadores en la actualidad ha permitido que el desarrollo de
software ofrezca soluciones con interfaces y funcionalidad más fácil de
utilizar, con tiempos de respuesta impresionantes (de, apenas, algunos
nanosegundos en algunos casos). Tenemos, incluso en nuestros celulares,
potencias de varios GFLOPS que antes era imposible soñar en computadoras que se
usaron apenas durante la década de los años 90.
Sin duda, los procesadores han avanzado enormemente. Como
puede verse, un procesador es mucho, MUCHO más que hercios o ciclos de reloj.
Hay un mundo de tecnología en esas pequeñas piezas de silicio cuyo constante
desarrollo no se detiene: se le integran cada vez nuevas características y
capacidades que son aprovechadas por el software para ofrecer mejores tasas de
respuesta.
Así, ya tiene un mejor panorama del microprocesador y una
idea de su evolución a lo largo del tiempo. Ahora sabe que dentro de ese chip
hay mucho, mucho más que sólo hercios y que la idea es integrarle cada vez
mayor funcionalidad para ofrecer cada vez mejores capacidades de respuesta y
funcionalidad. Eso sí, conforme el procesador presenta nuevas características,
habrá que asegurarse que el software que se use las aproveche lo mejor posible.
Es por ello que se recomienda enormemente que se utilicen nuevos sistemas
operativos y aplicaciones para, realmente, sacar partido de las novedades tecnológicas
integradas en las MPU. ¡Nos seguimos leyendo!
Referencias:
Faggin, F.
(1992). The Birth of the Microprocessor.
Byte.
Isaacson, W.
(2014). Los Innovadores (1 ed.).
Mexico: Penguin Random House Grupo Editorial
Kanellos, M. (2012). Intel’s
Accidental Revolution. CNet. Obtenido de: https://archive.is/20120711020441/http://news.cnet.com/Intels-accidental-revolution/2009-1001_3-275806.html
Krishna, K
(2007). Microprocessors and
Microcontrollers: Architecture Programming and System Design. PHI Learning
Pvt, Ltd.
Osborne, A.
(1980). An Introduction to
Microcomputers. Volume 1: Basic Concepts (2nd Ed.). Berkeley,
Ca: Osborne-McGraw Hill.
WikiChip. Obtenido de https://en.wikichip.org/wiki/amd
Imágenes cortesía de Synopsis, Texas Instruments, Integrated Electronics y Advanced Micro Devices.
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