T.P Nº6 "Microprocesadores"

T.P Nº6 "Microprocesadores"

Microprocesadores:

La historia de la electronica digital arranca a principios del siglo XIX cuando George Boole desarrolla un sistema logico basado en variables binarias (podian tomar solamente 2 valores).Posteriormente hubo varios intentos de fabricar dispositivos capaces de efectuar las operaciones desarrolladas por Boole con el fin de realizar mecanicamente operaciones matematicas.

Con el desarrollo de la electricidad fue posible implementar las operaciones del algebra de Boole con circuitos electricos utilizando interruptores que justamente pueden estar unicamente en 2 estados: abierto y cerrado.

Con el desarrollo tecnologico los interruptores mecanicos fueron reemplazados por reles, valvulas de vacio, finalmente por transisores.

Gracias al pequeño consumo y disipacion del calor de estos ultimos fue posible colocar muchos sobre alguna unica base (sustrato) creandose entonces los primeros circuitos integrados en plena decada de los años 60. estos circuitos integrados digitales incluian compuertas logica inversores codificadores multiplexores flip-flop y contadores.

Con estos elementos se construyeron circuitos digitales complejos que permitieron controlar tornos, alarmas, maquinas automaticas, electrodomesticos, etc.

En este momento cada circuito que se desarrollaba servia solamente para el fin que habia sido diseñado. Las ventajas caracteristicas de los circuitos integrados como bajo consumo,facidilidad de reemplazo,etc. Hicieron que muchas empresas intentaran el desarrollo de circuitos integrados para funciones especificas (por ejemplo el control de un horno de microondas).Esto resultaba particularmente caro. Esto resultaba particularmente caro dado que su diseño y produccion exigian importantes inversiones que podian ser recuperadas en base a grandes producciones.La solucion a este problema llego a principios de la decada del 70 cuando se crearon circuitos electronicos digitales programables es decir que se comenzaron a fabricar circuitos integrados capaces de cumplir las mas variadas funciones de acuerdo a distintos programas esto constituyo la verdadera revolucion en el campo de la electronica digital ya que los denominados microprocesadores podian usarse cumpliendo diferentes funciones. Es decir el mismo procesador se puede usar para controlar un sistema de alarma ,un monitor de parametros fisiologico y un horno de microondas siguiendo distintos programas. La historia de la informatica esta signada por el desarrollo de los microprocesadores . Los microprocesadores se clasifican y se denominan en funcion de ancho de su bus de datos medido en bits que se corresponde con la cantidad de informacion que el microprocesador puede trabajar en paralelo. Tambien se clasifica la cantidad de operaciones basicas que pueden realidar medida en ciclos por segundo o Hertz. En la practica solo se fabrican microprocesadores cuyo bus de datos tenga un ancho igual a los valores de las sucesivas potencias de 2 existen entonces microprocesadores de 4, 8 ,16 , 32 y 64. El primer microprosecador comercial conocido fue fabricado por la firma Intel 4004 . Posee baja capacidad de operación aritmetica y un reducido

conjunto de instrucciones practicamente en desuso hoy en dia , se utilizo en pequeños automatismos y jugetes.

Contenia 2300 transistores, podia realizar hasta 60.000 por segundo trabajando a una frecuencia de 700 Khz.

El primer procesador de 8 bit fue el intel 8008, desarrollado en 1972 contaba con 3300 transitores y podia procesar a frecuencias de 800 Khz .

Un poco mas tarde el saca a la vente en 1974 el 8080 de 8 bit que contenia 4500 transistores y podia ejecutar 200.000 funciones por segundo trabajando a 2 Mhz para esa misma epoca motorola sacaba el 6800 y la empresa Zilog zacaba el Z80

Estas 3 empresas intel motorola y zilog iniciaron una serie de computadoras personales que adoptaron sus microprocesadores.IBM adopto la linea intel para su linea de computadoras personales (personal computer) hoy conocidas como PC.Apple uso los microprocesadores motorola incialmente para la linea Macintosh y el microprocesador Zilog Z80 se utilizo en las computadoras hogareñas como la commodore 54 y la Sinclair.

Los primeros procesadores de 16 bit fueron el 8086 y 8088 fueron el inicio de los primeros miembros de lo que se conoce como arquitectura X86 estos microprocesadores llegaban a operar en frecuencias de 4 mhz.motorola saco para esta epoca el 68.000.

A principios de la decada del 80’ se lanza al mercado el 80286 que equipaba las IBM at. Es un microprocesador de 16 bit que ya contaba con 134.000 transitores y llegaba a velocidades de hasta 25 Mhz.

Uno de los primeros procesadores de 32 bit fue el 80386 de Intel es decir fabricado a fines de la decada del 80’. En sus diferentes versiones llego a trabajar a frecuencias del orden .

Los microprocesadores mas modernos tienen una capacidad y velocidad mucho mayores. Integran mas de 700.000.000 de transitores como en el caso del core I7 y pueden operar a frecuencias mayores a las 4.0Ghz

1971 intel 4004

1972 intel 8008

1974 SC/MP 8080

1975 Motorola 6800

1976 Zilog Z80

1978 Intel 8086 y 8088

1982 Intel 80286

1985 Intel 80386 y VAX 78032

1989 Intel 80486

1991 AMD AMX86 y AMD 586

1993 Power PC.601y Intel Pentium

1994 Power PC.620

1995 Intel Pentium Pro

1996 AMD K5 y K6

1997 Intel pentium 2

1998

1999 Intel Celeron Y AMD Athlon K7

2000 Intel pentium 3 Xeon

2001 Intel pentium 4 y el AMD Athlon XP

2004 Intel pentium 4 (Prescott y el AMD 4 64

2006 Intel Core Duo

2007 AMD Phenom

2008 Intel core 2008 NeHalem y AMD PHENOM 2 y Athlon 2

2011 Intel core Sandy Bridge y AMD fusion

Proceso de fabricacion de un microprocesador es muy complejo . Comienza con una buena cantidad de arena compuesta por silicio que se funde a altas temperaturas (1370 G) con las que se fabrica un mono cristal, en forma cilindrica . de 20 cm de diametro y un metro y medio de largo. Este proceso es muy lento con aproximadamente 10 a 40 mm por hora.

De este cristal de cientos de kilos de peso se cortan los extremos y se obtiene un cilindro perfecto.

Luego el cilindro se corta en rodajas llamadas obleas (waffer) que tienen 10 micrones de espesor(10x10-6m)(la decima parte del espesor de un cabello humano.Para este trabajo se utiliza una sierra de diamante.

De cada cilindro se obtienen miles de obleas y de cada oblea cientos de microprocesadores.Las obleas son luego pulidas hasta obtener una superficie perfectamente plana luego pasan por un proceso que se llama annealing que consiste en someterlas a un calentamiento extremo para remover cualquier defecto o impureza que pueda haber quedado. Despues de una supervision mediante rayos laser para detectar otras imperfecciones menores a una milesima de micron se recubren con una capa aislante formada por oxido de silicio transferido mediante una deposicion de vapor.

Terminado este proceso de preparación se comienza a construir los transistores, diodos y resistores mediante un proceso muy complejo que consiste basicamente en la intencion de varias mascaras sobre la oblea y luego la ubesidad mediante luz ultravioleta.Luego sera atacada por acidos encargados de remover las zonas no cubiertas por la impresión. Este proceso se repite cientos de veces hasta llegar al Chip que contiene todos los circuitos interconectados del microprocesador.

Los transistores construidos de esta forma tienen aproxidamente un tamaño de 45 nanometros(45x10-9m(solo para comparar el tamaño de los transistores podemos decir que es equivalente al diametro de 200 electrones)).

Las salas empleadas para la fabricacion de transistores se denominan salas limpias y poseen filtros absolutos para filtrar el aire que impiden que pasen particulas mayores a 0,10 micrones.Los trabajadores emplean trajes especiales que impiden que se liberen del ambiente restos de piel polvo y pelo.Finalizado el proceso se verifica el proceso de cada procesador en forma automatica y se marcan aquellos con defectos. Luego los chips son cortados .ahora cada procesador es una placa de unos pocos milimetros cuadrados sin pines ni capsulas protectoras.

Cada una de estas plaquetas sera dotada de una capsula protectora plastica (en algunos casos ceramica) y conectada a los cientos de pines que le permitiran interactuar con el mundo exterior . estas conexiones se realizan utilizando delgadisimos alambre generalmente de oro. De ser necesario la capsula de un pequeño disipador tecnico de metal que servira para mejorar la transferencia de calor desde el interior del chip hacia el disipador principal.