CPU usadas en computadoras personales

Las dos empresas más grandes en el mercado de las CPU para PC son Intel y Motorola. Intel ha disfrutado de un tremendo éxito con sus procesadores desde principios de la década de 1980. La mayor parte de las PC es controlada por procesadores Intel. La principal excepción a esta regla es la Macintosh. Todas las Mac usan chips fabricados por Motorola. Además, varias firmas, como AMD (Advanced Micro Devices) y Cyrix, hacen procesadores que imitan la funcionalidad de los chips de Intel. Otras diversas compañías fabrican chips para estaciones de trabajo PC.

Los procesadores Intel

Intel Corporation es el más grande fabricante de microchips en el mundo, además de ser el principal proveedor de chips para PC. De hecho, Intel inventó el microprocesador; llamado la "computadora en un chip", en 1971, con el modelo 4004. Este invento condujo a las primeras microcomputadoras que empezaron a aparecer en 1975. Sin embargo, el éxito de Intel en este mercado no estuvo garantizado hasta 1981, cuando IBM introdujo la primera IBM PC, la cual estaba basada en el Intel 8088. Desde entonces, todas las máquinas IBM y las compatibles basadas en el diseño de IBM han sido creadas alrededor de chips Intel. Aunque el 8088 fue el primer chip usado en una IBM PC, en realidad IBM usó un chip anterior, el 8086, en un modelo subsecuente, llamado IBM PC XT. Los chips que vinieron después -el 286, 386, 486, la línea Pentium y Pentium II- corresponden a ciertas normas de diseño establecidas por el 8086. Con frecuencia se hace referencia a esta línea de chips como la línea 80x86.

El aumento constante en el tamaño del bus, el tamaño del registro y la memoria direccionable ha sido acompañado también por incrementos en la velocidad de reloj. Por ejemplo, el reloj conectado a la primera PC corría a 4.77 MHz, mientras que las velocidades de reloj para chips Pentium iniciaron a 60 MHz en 1993 y crecieron con rapidez a 100, 120, 133, 150 y 166 MHz. Los chips Pentium II tienen velocidades de 233, 266, 300, 350, 400 MHz y superiores.

Estas estadísticas, sin embargo, reflejan todas las mejoras que se han hecho. El diseño básico de cada chip, conocido como la arquitectura, ha crecido en forma constante en sofisticación y complejidad. Por ejemplo, la arquitectura del 386 contenía 320 000 transistores, y el 486 contenía 1.2 millones. Con el Pentium, ese número creció a más de 3.1 millones, y la arquitectura de la Pentium Pro llevó el número total de transistores en el chip a 5.5 millones. La arquitectura del Pentium II incluye la sorprendente cantidad de 7.5 millones de transistores.

La creciente complejidad de la aquitectura permitió a Intel incorporar algunas técnicas complejas para el procesamiento. Una mejora importante que llegó con el 386 se llama modo 8086 virtual. Es este modo, un solo chip 386 podía lograr el poder de procesamiento de 16 chips 8086 separados cada uno corriendo una copia separada del sistema operativo. La capacidad del modo 8086 virtual permitía a un solo chip 386 correr diferentes programas al mismo tiempo, técnica conocida como multitarea. Todos los chips que siguieron al 386 han tenido capacidad multitarea.

Los 486

Introducido en 1989, el 80486 no presentaba ninguna tecnología nueva de procesador. En cambio, combinaba un procesador 386, un coprocesador matemático y un controlador de memoria caché en un solo chip. Debido a que estos chips ya no estaban separados, ya no tenían que comunicarse por el bus. Esta innovación incrementó la velocidad del sistema asombrosamente.

Los Pentium

El siguiente miembro de la familia Intel de microprocesadores fue el Pentium, introducido en 1993. Con el Pentium, Intel rompió su tradición de nombres numéricos de los modelos, en parte para prevenir que otros fabricantes de chips usaran nombres numéricos parecidos, lo cual implicaba que sus productos eran idénticos desde el punto de vista funcional a los chips de Intel. El Pentium, sin embargo, aún se considera parte de la serie 80X86.

El chip Pentium fue otro salto para los microprocesadores. La velocidad y poder del Pentium empequeñeció a todos sus predecesores en la línea Intel. En términos prácticos, esto significa que el Pentium corre programas de aplicaciones aproximadamente cinco veces más rápido que una 486 con la misma velocidad de reloj. Parte de la velocidad del Pentium viene de una arquitectura superescalar, la cual permite al chip procesar más de una instrucción en un solo ciclo de reloj.

Los Pentium Pro

Introducido en 1995, el Pentium Pro reflejó aún más adelantos de diseño. El Pentium Pro puede procesar tres instrucciones en un solo ciclo de reloj, una más que el Pentium. Además, el Pentium Pro puede lograr velocidades de reloj más rápidas.

Intel acuñó la frase "ejecución dinámica" para describir la capacidad del chip para ejecutar instrucciones de programa de la manera más eficiente, no necesariamente en el orden en el cual fueron escritas. Esta ejecución fuera de orden significa que las instrucciones que no pueden ser ejecutadas de inmediato son dejadas de lado mientras el Pentium Pro empieza a procesar otras instrucciones.

Pentium con tecnología MMX

El Pentium también soporta una tecnología llamada MMX. MMX incluye tres mejoras en el diseño arquitectónico principal: nuevas instrucciones, procesos SIMD y caché adicional. MMX incluye un conjunto de 57 instrucciones que incrementan las capacidades multimedia de un chip de computadora. Estas instrucciones procesan sonido, video y datos gráficos con más eficiencia que un procesador que no es MMX. El proceso MMX de datos múltiples en una sola instrucción (Single Instruction Multiple Data: SIMD) permite que una instrucción realice la misma función en múltiples piezas de datos, reduciendo el número de ciclos requeridos para manejar video, sonido, animación y datos gráficos.

Los Pentium II

La serie Pentium más reciente de procesadores de Intel es el Pentium II. Presentado en el verano de 1997, el Pentium II tiene 7.5 millones de transistores y una ejecución promedio de 233 MHz, 266 MHz, 300 MHz, 333 MHz, 350 MHz, 400 MHz y superiores. Como el Pentium Pro, el Pentium II soporta tecnología MMX y ejecución dinámica. El Pentium II difiere de otros modelos Pentium en que éste viene dentro de un cartucho de plástico y metal en lugar del formato de oblea usado por otros chips. Esto se debe al nuevo esquema de conexión Conector de Borde Único (Single Edge Connector) del Pentium II. En lugar de conectarse en la ranura de chip regular en su tarjeta madre, el Pentium II se conecta en una ranura especial llamada Ranura Uno (llamada Conector de Borde Único), el cual requiere un nuevo diseño de tarjeta madre. Dentro del cartucho del Pentium II está el procesador central y el chip de caché L2, lo que permite operaciones de alto rendimiento.

En 1998, Intel expandió la familia Pentium II al anunciar dos nuevos procesadores, Celeron y Xeon, los cuales adaptaban la tecnología del Pentium II para nuevos mercados. El procesador Celeron ofrece muchas de las capacidades del Pentium II, pero opera a velocidades ligeramente menores y está diseñado para computadoras personales en un nivel de entrada con precios en el rango de los 1 000 dólares. El Pentium II Xeon incorpora una caché de nivel 2 mayor en el procesador y ofrece capacidades de multiprocesamiento aumentadas. El Xeon está diseñado para uso en computadoras de servidores de red y estaciones de trabajo.

Los competidores de Intel

Advanced Micro Devices (AMD) y Cyrix son los dos competidores principales del dominio de Intel. Usted por lo general encontrará procesadores AMD y Cyrix en computadoras del extremo inferior; de precios bajos, para el hogar y pequeños negocios que se venden por menos de 1 000 dólares.

AMD tiene tres líneas de procesadores. La línea de procesadores 5x86, que tiene una velocidad de reloj de 133 MHz y es más o menos equivalente al chip Pentium a 75 MHz. El chip K5 de AMD es un procesador de clase Pentium y viene en versiones de 100 MHz y 116.7 MHz. Estos chips son equivalentes a los procesadores Pentium de 133 MHz y 166 MHz, respectivamente. Uno de los procesadores AMD más rápidos es el chip K6. Este chip soporta la tecnología Intel MMX (las otras dos líneas de AMD no lo hacen) y vienen en velocidades de 166 MHz, 200 MHz, 233 MHz, 266 MHz, 300 MHz y superiores. La línea K6 de chips es comparable a la línea Pentium Pro de procesadores de la misma velocidad de reloj.

Cyrix originalmente empezó como un fabricante de coprocesadores matemáticos en 1988. Ahora trabaja con IBM Microelectronics y SGS-Thomson para fabricar chips en dos líneas principales. El procesador MediaGX. introducido en febrero de 1997, integra funciones de sonido y gráficos y viene en velocidades de hasta 233 MHz. La Arquitectura de Sistema Virtual (Virtual System Architecture: VSA) combina la tecnología de un controlador de memoria, tarjeta de video y tarjeta de sonido en el procesador MediaGX. Un ejemplo de una PC que usa el procesador MediaGX es la PC Compaq Presario 2100. El procesador Cyrix 6x86MX es compatible con MMX y viene en versiones de 133 MHz, 150 MHz, 188 MHz y 208 MHz. El Cyrix MII ofrece rendimiento de clase Pentium II.

Los procesadores Motorola

Motorola Corporation es el otro fabricante importante de microprocesadores para computadoras pequeñas. Como se mencionó antes, las computadoras Macintosh de Apple usan procesadores Motorola. Otros fabricantes de computadoras, que incluyen fabricantes de estaciones de trabajo, como Sun Microsystems, también se han basado en los chips Motorola. Motorola fue una de las primeras favoritas entre las compañías que construían computadoras grandes, basadas en UNIX, como la serie NCR Tower y la serie AT&T 3B.

Motorola ofrece dos familias de chips procesadores. La primera es conocida como la "familia 680x0" similar al grupo de procesadores para PC de Intel conocido como la "familia 80x86". La segunda, denominada MPC, tiene una arquitectura diferente y es conocida como la familia PowerPC.

La serie 680x0

Aunque el chip 68000 es mejor conocido como el fundamento de la Macintosh original, en realidad precede a la MAC por varios años. De hecho, IBM consideró usar el 68000 en la primera IBM PC. (La decisión de IBM de usar el chip 8088 de Intel en su primera PC al parecer fue tomada por consideraciones de costos.) Aunque el chip 68000 de Motorola era más potente que el 8088 de Intel, las mejoras subsecuentes al chip Motorola se hicieron en incrementos más pequeños en comparación con los saltos gigantes en rendimiento de Intel. Para cuando Motorola introdujo el chip 68060, Intel estaba promoviendo el Pentium. En un intento por recuperar su participación en el mercado, Motorola inició el desarrollo del nuevo chip PowerPC.

La serie PowerPC

El chip PowerPC tuvo un comienzo inusual. Dos rivales de la industria, IBM y Apple, unieron fuerzas con Motorola en 1991 de manera ostensible para destronar a Intel de su predominio en el mercado de chips para PC. La porción de hardware de sus esfuerzos se enfocó en el chip PowerPC, el primero de los cuales fue el 601. Pisándole los talones salió el 603, un procesador de bajo poder adecuado para computadoras notebook. Su sucesor, el 604 y 604e, es un chip de alto poder diseñado para sistemas de escritorio de alto rendimiento. Con la introducción del 620 a fines de 1995, los chips PowerPC establecieron una nueva marca de rendimiento para microprocesadores. Un puñado de máquinas pequeñas basadas en el 620 trabajando juntas ofrece casi el mismo poder de cómputo que una mainframe IBM 370. El chip PowerPC 750 (266MHz) fue introducido para computadoras de escritorio y portátiles que necesitan poder de cómputo significativo en un procesador de bajo voltaje. El PowerPC 750 fue diseñado para multimedia, pequeños negocios y aplicaciones portátiles. El nuevo chip G3 proporciona aún más poder para tales aplicaciones. Como se verá en la siguiente sección, los chips PowerPC y G3 son por completo diferentes de la primera serie 68000.

Procesadores RISC

Ambas familias, la Motorola 680x0 y la Intel 80x86, tienen procesadores de cómputo de conjunto de instrucciones complejas (complex instructions set computing: CISC). Los conjuntos de instrucciones para estas CPUs son grandes, pues contienen por lo general de 200 a 300 instrucciones.

Una teoría más reciente en el diseño de microprocesadores sostiene que si el conjunto de instrucciones para la CPU se mantiene pequeño y simple, cada instrucción se ejecutará mucho más rápido, lo que permitirá al procesador completar más instrucciones durante un periodo dado. Las CPU diseñadas de acuerdo con esta teoría se llaman procesadores de cómputo con conjunto de instrucciones reducidas (reduced instruction set computing: RISC). El diseño RISC, que se usa en el PowerPC (aunque fue usado por primera vez a mediados de la década de 1980), dio como resultado un procesador más rápido y más barato. Debido a la forma en que el Pentium Pro y sus satélites procesan instrucciones, son llamados tipo RISC, pero su arquitectura aún se basa en el cómputo de conjunto de instrucciones complejas.

La tecnología RISC ha sido el motor de las computadoras de tamaño mediano como la IBM RS/6000 y las estaciones de trabajo UNIX de alto rendimiento como las construidas por Sun Microsystems, Hewlett-Packard y NCR. Las CPU RISC también se encuentran en impresoras y otros dispositivos que tienen sus propias CPU internas. Los procesadores PowerPC y G3 reflejan un movimiento importante de parte de los gigantes de la industria hacia el uso de tecnología RISC en computadoras de escritorio y notebooks.

Motorola no está sola en la producción de procesadores RISC y CISC. En 1989, Intel introdujo el i860, el cual tenía un chip RISC de 64 bits, que fue el primer chip en contener más de un millón de transistores. Otros procesadores RISC incluyen el Intel i960, el Motorola 88100, la serie VR4000 de NEC Electronics y el Alpha de DEC. Sun Microsystems también produce un procesador RISC, conocido SPARC, que usa en sus estaciones de trabajo UNIX. Los miembros de la familia NEC VR4000 están pensados para ser usados por el mismo rango de computadoras que los chips PowerPC; es decir; por máquinas desde notebook hasta sistemas de alto rendimiento. Por otra parte, el procesador VR4111 de NEC, está proyectando para dispositivos alimentados por baterías, como las PC de bolsillo y de cartera.

Aún no se determina si la tecnología CISC o la RISC será la base de la mayor parte de los microprocesadores del futuro, pero las primeras apuestas son para modelos de chips RISC con consumo de energía reducido.

Procesamiento paralelo

Otra corriente de pensamiento sobre la producción de computadoras más rápidas es construirlas con más de un procesador. Ésta no es una idea nueva en el campo de las mainframes y las supercomputadoras. De hecho, la IBM 3090 tenía de dos a cuatro procesadores, y la Cray X MP 4 tenía cuatro procesadores. Algunas compañías están desarollando computadoras con 256, 512 e incluso miles de microprocesadores, conocidos como procesadores paralelos masivos (massively parallel processors: MPP). Por ejemplo, Intel, junto con el Laboratorio Nacional Sandia del Departamento de Energía de Estados Unidos, construyó lo que se conoce como "la supercomputadora más rápida del mundo". Ésta incluye más de 7 200 procesadores Pentium Pro y alcanza velocidades de 1.06 teraflops, es decir, billones de operaciones de punto flotante por segundo. (El récord anterior era de 386.2 gigaflops, o sea, mil millones de operaciones por segundo.)

En el otro extremo del espectro, en la actualidad se dispone de versiones de PC con procesador doble y procesador cuádruple. Por desgracia, el sistema operativo DOS no puede usar un procesador adicional. Algunos programadores en UNIX, sin embargo, han desarrollado software basado en un procesador adicional. Uno de los sistemas operativos de Microsoft, Windows NT, también puede usar computadoras de procesamiento paralelo. Estas computadoras con frecuencia están basadas en el Pentium Pro, y lucen como una PC de escritorio ordinaria.