Que vamos a ver en este curso?
Bienvenidos Daniel, Diego y Sergio. Este curso trata sobre la pieza mas importante de cualquier ordenador: el procesador (CPU). Sin el, ningun ordenador funciona.
Lo que vais a aprender
Este curso esta dividido en 5 bloques:
- Que es una CPU - Entender que hace y por que es tan importante
- Historia - Desde las primeras maquinas del tamano de una habitacion hasta los chips que llevais en el bolsillo
- Fabricacion - Como se crea un procesador a partir de arena (si, arena de verdad)
- Funcionamiento - Que pasa dentro del chip cuando ejecutais un programa o un juego
- Futuro - Multi nucleo, chiplets, 3D V-Cache y lo que viene
Cuando sepais como funciona una CPU, entendereis por que unos ordenadores van mas rapido que otros, por que el vuestro a veces va lento, y podreis elegir componentes con criterio cuando monteis o mejoreis un PC.
Que necesitais?
- Solo curiosidad. No hace falta saber programar ni tener conocimientos previos.
- Vuestro portatil con Ubuntu para hacer las practicas de los ultimos temas (comprobar vuestra CPU, etc.)
Que es un procesador?
Un procesador o CPU (Central Processing Unit - Unidad Central de Procesamiento) es un chip electronico que ejecuta las instrucciones de los programas. Es el componente que "piensa" dentro del ordenador.
Que hace exactamente?
La CPU hace 3 cosas basicas en un ciclo infinito:
- BUSCAR (Fetch) - Va a la memoria RAM y coge la siguiente instruccion
- DECODIFICAR (Decode) - Interpreta que le estan pidiendo hacer
- EJECUTAR (Execute) - Realiza la operacion (sumar, mover datos, comparar...)
Este ciclo se repite miles de millones de veces por segundo. Un procesador moderno como el que teneis en vuestros portatiles hace aproximadamente 3.000.000.000 (3 mil millones) de estos ciclos cada segundo.
Donde esta la CPU?
La CPU es un chip cuadrado de unos 3-5 cm que va encajado en un socket de la placa base. Encima lleva un disipador con ventilador porque genera mucho calor al trabajar.
Vuestro movil tambien tiene una CPU, pero integrada con otras cosas (GPU, modem...) en lo que se llama un SoC (System on Chip). Por ejemplo, los Samsung Galaxy llevan un chip Exynos o Snapdragon que tiene todo junto.
Caracteristicas principales de una CPU
| Caracteristica | Que significa | Ejemplo |
|---|---|---|
| Nucleos | Cuantos "cerebros" tiene dentro. Mas nucleos = puede hacer mas cosas a la vez | 4, 6, 8, 16 nucleos |
| Frecuencia (GHz) | Velocidad a la que trabaja cada nucleo. Mas GHz = mas rapido | 3.5 GHz, 5.0 GHz |
| Cache | Memoria ultra rapida dentro de la propia CPU | L1: 64KB, L2: 512KB, L3: 16MB |
| TDP | Cuanta energia consume (y calor genera) | 65W, 125W |
| Proceso (nm) | Tamano de los transistores. Menor = mas eficiente | 7nm, 5nm, 3nm |
Practica en vuestro portatil (Ubuntu)
Abrid la terminal (Ctrl+Alt+T) y escribid:
Vereis informacion de vuestra CPU: modelo, nucleos, frecuencia, cache... Comparad los datos entre vuestros tres portatiles!
Otro comando util:
Primera generacion de ordenadores (1940-1956)
Los primeros ordenadores no tenian nada que ver con lo que conoceis hoy. Eran maquinas del tamano de una habitacion, pesaban toneladas y usaban unas piezas llamadas valvulas de vacio (tubos de vacio) en vez de transistores.
Las valvulas de vacio
Una valvula de vacio es un tubo de cristal (como una bombilla grande) que puede actuar como un interruptor electronico: deja pasar la corriente o la corta. Esto es exactamente lo que necesita un ordenador para funcionar: algo que pueda estar en dos estados (encendido/apagado, o sea, 1/0).
- Enormes: Cada una media unos 10 cm
- Calientes: Generaban muchisimo calor
- Fragiles: Se fundian constantemente (como las bombillas)
- Caras: Miles de dolares cada una
- Consumo: Un ordenador con 18.000 valvulas consumia 150.000 vatios
Los ordenadores mas importantes de esta epoca
Colossus (1943) - Reino Unido
Construido en secreto durante la Segunda Guerra Mundial para descifrar los mensajes codificados de los nazis (cifrado Lorenz). Usaba 1.500 valvulas de vacio. Fue tan secreto que el gobierno britanico destruyo los planos despues de la guerra.
ENIAC (1945) - Estados Unidos
Considerado el primer ordenador electronico de proposito general. Sus numeros son impresionantes:
| Caracteristica | ENIAC (1945) | Vuestro portatil (2025) |
|---|---|---|
| Peso | 27 toneladas | ~2 kg |
| Tamano | 167 m2 (un piso entero) | Cabe en la mochila |
| Valvulas/Transistores | 18.000 valvulas | ~10.000.000.000 transistores |
| Operaciones/segundo | 5.000 | ~3.000.000.000 |
| Consumo | 150.000 W | ~45 W |
| Precio (ajustado) | ~7 millones $ actuales | ~500 $ |
UNIVAC I (1951)
El primer ordenador comercial. La empresa Remington Rand lo vendio al gobierno de EE.UU. para procesar datos del censo. Fue famoso porque predijo correctamente la victoria de Eisenhower en las elecciones de 1952 cuando nadie se lo creia.
Cuenta la leyenda que el ENIAC atraia tantos insectos por el calor y la luz de las valvulas que cuando fallaba, los tecnicos buscaban literalmente "bugs" (bichos) dentro de la maquina. De ahi viene la palabra "bug" para referirse a un error informatico.
Arquitectura de Von Neumann
John von Neumann fue un matematico hungaro-estadounidense que en 1945 propuso un diseno que cambio la historia de la informatica para siempre. Practicamente todos los ordenadores actuales (incluidos los vuestros) siguen su arquitectura.
El problema antes de Von Neumann
Los primeros ordenadores como el ENIAC se programaban con cables. Literalmente, habia que reconectar cables fisicos para cambiar de programa. Esto podia tardar dias para preparar un calculo nuevo.
La idea genial: programa almacenado
Von Neumann propuso algo revolucionario: guardar el programa en la misma memoria que los datos. Asi, cambiar de programa es simplemente cargar nuevas instrucciones en la memoria, sin tocar ningun cable.
Los 4 componentes
La arquitectura Von Neumann divide el ordenador en 4 partes:
| Componente | Que hace | Equivalente actual |
|---|---|---|
| Memoria | Almacena datos e instrucciones del programa | RAM |
| Unidad de Control (UC) | Dirige el flujo: que instruccion toca, a donde van los datos | Parte de la CPU |
| ALU | Hace los calculos: sumar, restar, comparar | Parte de la CPU |
| Entrada/Salida | Comunicacion con el exterior | Teclado, pantalla, USB... |
La UC + la ALU juntas forman lo que hoy llamamos CPU.
El cuello de botella de Von Neumann
Esta arquitectura tiene un problema que sigue existiendo hoy: la CPU es mucho mas rapida que la memoria. La CPU tiene que esperar a que los datos lleguen desde la RAM. Es como si Usain Bolt tuviera que esperar a que le traigan la pelota caminando.
Con memorias cache (L1, L2, L3) que son memorias mas pequenas pero ultra rapidas dentro de la propia CPU. Los datos mas usados se guardan ahi para no tener que ir a la RAM cada vez.
Historia del transistor
El transistor es el invento mas importante del siglo XX. Sin el, no existirian los ordenadores, los moviles, internet, ni practicamente nada electronico que usais a diario.
El nacimiento (1947)
Tres cientificos de los Bell Labs (el laboratorio de investigacion de la compania telefonica AT&T) inventaron el primer transistor:
- John Bardeen
- Walter Brattain
- William Shockley
Los tres ganaron el Premio Nobel de Fisica en 1956 por este invento.
Que solucionaba?
El transistor hacia lo mismo que una valvula de vacio (actuar como interruptor electronico) pero era:
| Caracteristica | Valvula de vacio | Transistor |
|---|---|---|
| Tamano | ~10 cm | ~1 cm (1947), hoy: 3 nanometros |
| Consumo | Muy alto | Minimo |
| Calor | Muchisimo | Poco |
| Durabilidad | Se fundian constantemente | Practicamente infinita |
| Velocidad | Lenta | Mucho mas rapida |
| Precio | Caro | Cada vez mas barato |
De que esta hecho?
Los transistores se fabrican con semiconductores, principalmente silicio (Si). El silicio es el segundo elemento mas abundante en la corteza terrestre: esta en la arena de la playa. Por eso la zona de California donde estan las grandes empresas tecnologicas (Apple, Google, Intel...) se llama Silicon Valley (Valle del Silicio).
Un semiconductor es un material que no es ni buen conductor de electricidad (como el cobre) ni aislante (como el plastico). Su "truco" es que se puede controlar cuando conduce y cuando no, anadiendo impurezas (un proceso llamado dopaje). Esto es lo que permite que funcione como interruptor.
La miniaturizacion
La historia del transistor es la historia de hacerlo cada vez mas pequeno:
- 1947: Primer transistor - del tamano de un dedo
- 1960s: Se meten varios en un chip (circuito integrado)
- 1971: Intel 4004 - 2.300 transistores en un chip
- 2000s: Millones de transistores
- 2024: Apple M4 Ultra - 141.000 millones de transistores en un solo chip
Funcionamiento del transistor
Ya sabeis que un transistor es un interruptor. Ahora vamos a entender como funciona por dentro.
El transistor MOSFET
El tipo de transistor que usan los procesadores modernos se llama MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). Tiene 3 partes:
- Fuente (Source): Por donde entra la corriente
- Drenaje (Drain): Por donde sale la corriente
- Puerta (Gate): El "interruptor". Controla si la corriente pasa o no
Como funciona?
- Sin voltaje en la puerta: No pasa corriente entre fuente y drenaje = estado 0 (apagado)
- Con voltaje en la puerta: Se crea un "canal" que permite pasar la corriente = estado 1 (encendido)
Es como una presa: la puerta decide si el agua (electricidad) pasa o se queda bloqueada.
Pensad en un grifo de agua. La fuente es la tuberia que trae el agua. El drenaje es por donde sale. Y la puerta es la llave del grifo: girandola controlais si sale agua (1) o no (0). El transistor hace exactamente esto pero con electricidad, y lo hace miles de millones de veces por segundo.
Nanometros: el tamano importa
Cuando oimos que un procesador esta fabricado en "5 nanometros" o "3 nanometros", se refiere (simplificando) al tamano de la puerta del transistor. Cuanto mas pequena:
- Mas transistores caben en el mismo espacio = mas potencia
- Menos energia necesitan para cambiar de estado = menos consumo y calor
- Mas rapido puede cambiar entre 0 y 1 = mayor frecuencia
| Para que os hagais una idea | Tamano |
|---|---|
| Un pelo humano | ~80.000 nanometros |
| Globulo rojo | ~7.000 nanometros |
| Virus COVID | ~100 nanometros |
| Transistor CPU 2020 | ~7 nanometros |
| Transistor CPU 2025 | ~3 nanometros |
| Un atomo de silicio | ~0.2 nanometros |
Estamos llegando a tamanos tan pequenos que los electrones empiezan a comportarse de forma rara (efectos cuanticos). A menos de ~1 nm, los electrones pueden "atravesar" barreras que no deberian, causando errores. Por eso los ingenieros buscan nuevas soluciones como apilar transistores en 3D.
Segunda generacion de ordenadores (1956-1964)
La segunda generacion marca la transicion de las valvulas de vacio a los transistores. Los ordenadores se volvieron mas pequenos, rapidos, baratos y fiables.
Caracteristicas principales
- Transistores en vez de valvulas de vacio
- Aparecen los primeros lenguajes de programacion: FORTRAN (1957) y COBOL (1959)
- Se usa memoria de nucleos magneticos (pequenos anillos de ferrita)
- Los ordenadores pasan de ocupar salas enteras a ocupar "solo" armarios grandes
- Aparece el concepto de sistema operativo basico
Ordenadores destacados
IBM 7090 (1959)
Uno de los ordenadores mas potentes de su epoca. Completamente transistorizado. Se uso para:
- Calculos de la NASA para las misiones Mercury (los primeros astronautas americanos)
- Prediccion meteorologica
- Investigacion cientifica
Costaba unos 3 millones de dolares de la epoca.
PDP-1 (1960) - Digital Equipment Corporation
El primer ordenador "pequeno" (del tamano de un frigorifico grande). Costaba "solo" 120.000 dolares. Con el se creo el primer videojuego de la historia: Spacewar! (1962), un juego de naves espaciales para dos jugadores.
Spacewar! fue creado por estudiantes del MIT. Dos naves orbitaban alrededor de una estrella y se disparaban. Los controles eran switches fisicos del ordenador. De ahi nacio toda la industria del videojuego que conoceis hoy.
Comparacion de generaciones
| 1a Gen (valvulas) | 2a Gen (transistores) | |
|---|---|---|
| Componente base | Valvula de vacio | Transistor |
| Tamano | Sala entera | Armario grande |
| Fiabilidad | Se averiaba constantemente | Mucho mas fiable |
| Calor | Enorme, necesitaba aire acond. | Mucho menos |
| Programacion | Cables y codigo maquina | FORTRAN, COBOL |
| Velocidad | Miles de op/s | Cientos de miles de op/s |
Historia del circuito integrado
En 1958 ocurrio otro salto gigante: meter muchos transistores en un unico chip de silicio. Esto es el circuito integrado (IC - Integrated Circuit), tambien llamado chip o microchip.
Los dos inventores
Dos personas llegaron a la misma idea de forma independiente, casi al mismo tiempo:
Jack Kilby - Texas Instruments (1958)
Nuevo empleado en Texas Instruments, mientras todos estaban de vacaciones, tuvo la idea de fabricar todos los componentes de un circuito en un solo trozo de semiconductor. Creo el primer circuito integrado funcional en septiembre de 1958. Gano el Premio Nobel de Fisica en 2000.
Robert Noyce - Fairchild Semiconductor (1959)
Desarrollo una version mejorada del circuito integrado usando un proceso llamado "planar", que era mucho mas facil de fabricar en masa. Noyce fundo despues Intel en 1968, la empresa que domino los procesadores durante decadas.
Antes del circuito integrado, cada transistor era una pieza separada que habia que conectar con cables soldados a mano. Un ordenador con 10.000 transistores necesitaba 10.000 piezas soldadas individualmente. Con el circuito integrado, esos 10.000 transistores se fabrican todos juntos en un unico chip, automaticamente, en minutos.
La evolucion
- 1958: Primer CI - 1 transistor
- 1961: Primeros CIs comerciales - ~10 transistores
- 1965: ~100 transistores por chip
- 1971: Intel 4004 (primer microprocesador) - 2.300 transistores
- 1989: Intel 486 - 1.200.000 transistores
- 2005: Intel Pentium D - 230.000.000 transistores
- 2024: AMD EPYC 9004 - 90.000.000.000+ transistores
Tipos de circuitos integrados
Los circuitos integrados se clasifican por la cantidad de transistores que contienen y por su funcion.
Por escala de integracion
| Escala | Siglas | Transistores | Epoca |
|---|---|---|---|
| Pequena | SSI | 1 - 100 | 1960s |
| Media | MSI | 100 - 1.000 | Late 1960s |
| Grande | LSI | 1.000 - 10.000 | 1970s |
| Muy grande | VLSI | 10.000 - 1.000.000 | 1980s |
| Ultra grande | ULSI | 1.000.000+ | 1990s+ |
Hoy en dia todo es ULSI. El termino ya no se usa mucho porque todos los chips modernos tienen miles de millones de transistores.
Por funcion
Microprocesadores (CPU)
Lo que estudiamos en este curso. Es un circuito integrado que contiene toda la logica necesaria para ejecutar instrucciones de programas. Ejemplos: Intel Core i7, AMD Ryzen 7.
Memorias
- RAM (DRAM): Memoria volatil (se borra al apagar). Donde el procesador guarda los datos temporales
- ROM: Memoria permanente. Contiene instrucciones basicas (como la BIOS de la placa base)
- Flash/NAND: Lo que usan los SSDs y los pendrives. No volatil y rapida
GPUs (Graphics Processing Unit)
Circuitos integrados especializados en calculos graficos. Tienen miles de nucleos pequenos (a diferencia de la CPU que tiene pocos pero potentes). Perfectos para renderizar juegos y, ultimamente, para inteligencia artificial.
ASICs
Application-Specific Integrated Circuit: chips disenados para hacer UNA sola tarea, pero hacerla extremadamente bien. Por ejemplo, los chips que minan Bitcoin o los chips de codificacion de video.
FPGAs
Field-Programmable Gate Array: chips "en blanco" que se pueden reprogramar para hacer distintas tareas. Se usan mucho en prototipado y en industria.
SoC (System on Chip)
Un chip que integra TODO: CPU + GPU + modem + controladores de memoria... Es lo que lleva vuestro movil. Ejemplos: Apple A17, Qualcomm Snapdragon, Samsung Exynos.
En Ubuntu, podeis ver los circuitos integrados que tiene vuestro ordenador con:
Vereis la lista de chips del sistema: controlador de red, audio, USB, GPU, etc. Todo son circuitos integrados diferentes!
Tercera generacion de ordenadores (1964-1971)
La tercera generacion viene marcada por el uso de circuitos integrados en vez de transistores individuales. Los ordenadores se volvieron mucho mas pequenos, fiables y asequibles.
El gran cambio: IBM System/360 (1964)
IBM aposto todo (5.000 millones de dolares de la epoca, la inversion privada mas grande de la historia hasta entonces) en crear una familia de ordenadores compatibles entre si. Fue un exito enorme:
- Primer ordenador con compatibilidad hacia atras: los programas de un modelo funcionaban en otro mas potente
- Introdujo el concepto de "byte" como unidad de 8 bits
- Primer sistema en usar microprogramacion
- Domino el mercado empresarial durante decadas
Otras novedades de esta generacion
- Sistemas operativos multitarea: Podian ejecutar varios programas "a la vez"
- Terminales remotos: Multiples usuarios podian usar el mismo ordenador desde diferentes pantallas
- Minicomputadoras: Maquinas mas pequenas y baratas para empresas medianas (como el PDP-8 de DEC, que costaba "solo" 18.000$)
- Discos duros: IBM introdujo el almacenamiento en disco magnetico
| 2a Gen (transistores) | 3a Gen (CIs) | |
|---|---|---|
| Componente | Transistores individuales | Circuitos integrados |
| Tamano | Armario grande | Armario pequeno / escritorio |
| Velocidad | Cientos de miles op/s | Millones de op/s |
| Fiabilidad | Buena | Muy buena |
| Coste | Millones de $ | Desde 18.000$ |
| Usuarios | 1 a la vez | Multiples (time-sharing) |
En 1969, durante esta generacion, se creo ARPANET: una red que conectaba 4 universidades de EE.UU. Fue el embrion de lo que hoy es Internet. El primer mensaje enviado fue "LO" (querian escribir "LOGIN" pero el sistema se cayo despues de dos letras).
La Ley de Moore
En 1965, Gordon Moore (cofundador de Intel) hizo una observacion que se convirtio en la prediccion mas famosa de la historia de la tecnologia.
Que dice la Ley de Moore?
Originalmente, Moore dijo "cada ano", pero en 1975 lo ajusto a "cada 2 anos". Y se ha cumplido con sorprendente precision durante mas de 50 anos.
Los numeros son alucinantes
| Ano | Procesador | Transistores |
|---|---|---|
| 1971 | Intel 4004 | 2.300 |
| 1978 | Intel 8086 | 29.000 |
| 1985 | Intel 386 | 275.000 |
| 1993 | Intel Pentium | 3.100.000 |
| 2000 | Intel Pentium 4 | 42.000.000 |
| 2006 | Intel Core 2 Duo | 291.000.000 |
| 2012 | Intel Core i7-3770 | 1.400.000.000 |
| 2020 | AMD Ryzen 9 5950X | 10.000.000.000+ |
| 2024 | Apple M4 Ultra | 141.000.000.000 |
De 2.300 a 141.000 millones en 53 anos. Es un aumento de 60 millones de veces.
Es una ley fisica?
No. La Ley de Moore no es una ley de la fisica como la gravedad. Es una observacion empirica que se convirtio en un objetivo de la industria. Las empresas de semiconductores se organizaron para cumplirla, invirtiendo miles de millones en investigacion.
Se esta frenando?
Si. Desde 2015 aproximadamente, el ritmo se ha ralentizado. Las razones:
- Los transistores estan llegando al tamano de pocos atomos
- Efectos cuanticos empiezan a causar problemas
- El coste de cada nueva generacion de fabricacion se dispara (una fabrica de chips moderna cuesta 20.000 millones de dolares)
- El calor generado es cada vez mas dificil de disipar
En vez de solo reducir el tamano, los fabricantes buscan nuevas estrategias:
- Mas nucleos: En vez de un nucleo mas rapido, poner muchos nucleos
- 3D: Apilar transistores en capas (como un edificio de pisos)
- Chiplets: Varios chips pequenos conectados en vez de uno grande
- Nuevos materiales: Grafeno, nanotubos de carbono
- Arquitecturas especializadas: NPUs para IA, por ejemplo
Cuarta generacion de ordenadores (1971-1983)
La cuarta generacion llega con el microprocesador: toda la CPU en un solo chip. Esto hizo posible el ordenador personal.
El gran salto: el microprocesador
En las generaciones anteriores, la CPU estaba formada por muchos chips separados conectados entre si. En 1971, Intel consiguio meter toda la logica del procesador en un unico circuito integrado. Esto cambio todo.
Hitos principales
- 1971: Intel 4004 - primer microprocesador comercial (siguiente leccion)
- 1974: Intel 8080 - el cerebro de la primera ola de microordenadores
- 1975: Altair 8800 - primer ordenador personal (se vendia en kit por 439$)
- 1976: Apple I - Steve Wozniak y Steve Jobs lo montan en un garaje
- 1977: Apple II, Commodore PET, TRS-80 - la "trinidad" de PCs
- 1981: IBM PC - el que definio el estandar de PC compatible que aun usamos
- 1982: Commodore 64 - el ordenador mas vendido de la historia (17 millones de unidades). Costaba 595$ y era asequible para familias
El nacimiento de Microsoft y Apple
En 1975, dos jovenes llamados Bill Gates y Paul Allen crearon Microsoft para vender software para el Altair 8800. En 1976, Steve Jobs y Steve Wozniak fundaron Apple en un garaje. Ambas empresas se convirtieron en las mas valiosas del mundo.
El Commodore 64 (1982) tenia un procesador MOS 6510 a 1 MHz con 64 KB de RAM. Vuestros portatiles tienen procesadores 3.000 veces mas rapidos con 100.000 veces mas memoria. Y sin embargo, el C64 tenia miles de juegos increibles.
El primer microprocesador: Intel 4004
El 15 de noviembre de 1971, Intel presento el 4004: el primer microprocesador comercial de la historia. Toda una CPU en un chip del tamano de una una.
Como nacio
Una empresa japonesa llamada Busicom encargo a Intel chips para sus calculadoras. En vez de hacer chips diferentes para cada modelo, el ingeniero Ted Hoff propuso algo radical: hacer un chip programable de proposito general. Asi nacio el microprocesador.
Especificaciones del Intel 4004
| Caracteristica | Intel 4004 (1971) | Vuestro PC (2025) |
|---|---|---|
| Transistores | 2.300 | ~10.000.000.000+ |
| Frecuencia | 740 KHz | ~4.500 MHz (4.5 GHz) |
| Bits | 4 bits | 64 bits |
| Tecnologia | 10 micrometros | 3-7 nanometros |
| Instrucciones/s | ~60.000 | ~100.000.000.000+ |
| Precio | 200$ | Desde 100$ |
Un dato alucinante: vuestro movil tiene mas potencia de calculo que todos los ordenadores que existian en el mundo en 1971 juntos.
Los sucesores
- Intel 8008 (1972): 8 bits, 3.500 transistores
- Intel 8080 (1974): 8 bits, 4.500 transistores. 10 veces mas rapido. El procesador que inicio la revolucion del PC
- Intel 8086 (1978): 16 bits, 29.000 transistores. La arquitectura x86 que sigue viva hoy (vuestros PCs la usan!)
- Intel 80386 (1985): 32 bits, 275.000 transistores. Primer procesador "moderno"
Cuando decimos que un procesador es "x86" o "x86-64", nos referimos a que entiende el mismo juego de instrucciones que invento Intel con el 8086 en 1978. Casi 50 anos despues, vuestros procesadores AMD Ryzen e Intel Core siguen siendo compatibles con aquellas instrucciones originales. Es como si un DVD moderno pudiera reproducir un disco de 1978.
Quinta generacion (1983 - presente)
La quinta generacion abarca desde los primeros PCs domesticos hasta los procesadores multinucleo actuales. Es la era del VLSI (integracion a muy gran escala) y de la IA.
Cronologia de los hitos
| Ano | Hito | Por que importa |
|---|---|---|
| 1985 | Intel 386 (32 bits) | Primer procesador realmente "moderno", base de Windows |
| 1993 | Intel Pentium | Marca el inicio de los PC potentes para casa |
| 1999 | AMD Athlon | AMD demuestra que puede competir con Intel |
| 2003 | AMD Athlon 64 | Primer procesador x86 de 64 bits para consumo |
| 2005 | Intel Pentium D / AMD X2 | Primeros procesadores dual-core (2 nucleos) |
| 2006 | Intel Core 2 Duo | Gran salto en eficiencia. Intel retoma el liderazgo |
| 2011 | Intel Core i7-2600K | Arquitectura Sandy Bridge, aun funcional hoy |
| 2017 | AMD Ryzen | AMD vuelve con fuerza. La competencia baja los precios |
| 2020 | Apple M1 | Apple abandona Intel y crea su propia CPU basada en ARM |
| 2022 | Intel 12th Gen (Alder Lake) | Nucleos hibridos: rendimiento + eficiencia |
| 2024 | AMD Ryzen 9000 / Intel Arrow Lake | IA integrada, eficiencia extrema |
Intel vs AMD: la guerra eterna
Desde los anos 90, dos empresas dominan el mercado de CPUs para PC:
- Intel: Fundada en 1968 por Gordon Moore y Robert Noyce. Domino el mercado desde los 80 hasta 2017
- AMD: Fundada en 1969 por Jerry Sanders. Siempre fue la "alternativa barata" hasta que en 2017 lanzo Ryzen y cambio las reglas del juego
La competencia entre ambas es buena para vosotros como consumidores: cuando compiten, los precios bajan y las prestaciones suben.
ARM: la otra arquitectura
Mientras Intel y AMD usan la arquitectura x86, los moviles y tablets usan ARM. ARM es mas simple y consume menos energia, por eso es perfecta para dispositivos con bateria. Desde 2020, Apple usa ARM tambien en sus Mac (chip M1, M2, M3, M4) y el rendimiento es impresionante.
Las fundiciones (fabs)
Una fundicion (fab o foundry en ingles) es la fabrica donde se fabrican los chips. Son las instalaciones mas avanzadas y caras que existen en el planeta.
Quien fabrica los chips?
Aqui hay una distincion importante:
- Disenar un chip (la "receta"): AMD, Apple, Qualcomm, NVIDIA
- Fabricar un chip (cocinar la receta): TSMC, Samsung Foundry, Intel Foundry
AMD disena sus Ryzen pero no los fabrica: se los encarga a TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), la fundicion mas avanzada del mundo.
Las 3 grandes fundiciones
| Fundicion | Pais | Clientes principales | Tecnologia punta |
|---|---|---|---|
| TSMC | Taiwan | Apple, AMD, NVIDIA, Qualcomm | 3nm / 2nm en desarrollo |
| Samsung | Corea del Sur | Samsung, Qualcomm (algunos) | 3nm GAA |
| Intel | EE.UU. | Intel (y ahora abierto a otros) | Intel 18A (~2nm) |
Cuanto cuesta una fab?
Las cifras son de vertigo:
- Una fab moderna de TSMC: 20.000 - 40.000 millones de dolares
- Una sola maquina de litografia EUV (ASML): 350 millones de dolares
- Construir una fab tarda 3-5 anos
- Funciona 24/7, 365 dias al ano
TSMC fabrica mas del 90% de los chips avanzados del mundo. Si algo pasara en Taiwan (terremotos, conflictos...), la produccion mundial de moviles, ordenadores, coches y practicamente todo se pararia. Por eso EE.UU. y Europa estan invirtiendo miles de millones en construir fabs propias.
Salas Blancas
Los chips se fabrican en salas blancas (cleanrooms): habitaciones donde el aire es entre 1.000 y 10.000 veces mas limpio que el de un quirofano.
Por que tanta limpieza?
Los transistores miden 3-7 nanometros. Una particula de polvo mide unos 10.000-50.000 nm. Si una sola mota de polvo cae sobre un chip en fabricacion, es como si un meteorito cayera sobre una ciudad: destruye miles de transistores y el chip queda inservible.
| Entorno | Particulas por m3 de aire |
|---|---|
| Aire exterior ciudad | ~35.000.000 |
| Oficina normal | ~500.000 |
| Quirofano | ~10.000 |
| Sala blanca (Clase 1) | ~10 |
Como se consigue?
- Filtros HEPA y ULPA: El aire se filtra constantemente y se renueva completamente cada pocos segundos
- Presion positiva: El aire sale de la sala, nunca entra. Asi el polvo no puede entrar
- Trajes especiales (bunny suits): Los trabajadores llevan trajes integrales con mascarilla, guantes, gorro y cubrezapatos. El mayor peligro de contaminacion son las personas: desprendemos millones de particulas de piel cada hora
- Temperatura y humedad constantes: 21°C y 45% de humedad, controlados al milimetro
- Sin ventanas: Iluminacion amarilla especial (sin UV, que danaria los productos quimicos)
Los trabajadores de una sala blanca no pueden llevar maquillaje, perfume, desodorante en spray, ni ropa de algodon (suelta fibras). Antes de entrar pasan por "air showers": duchas de aire a presion que eliminan particulas de sus trajes.
Fotolitografia - Parte 1
La fotolitografia es EL proceso clave para fabricar chips. Es como imprimir una foto, pero en vez de tinta sobre papel, se usan patrones de luz sobre silicio para crear los transistores.
El concepto basico
Imaginad un sello de caucho que estampais sobre una hoja. La fotolitografia es parecida pero usando luz:
- Se cubre la oblea de silicio con una capa sensible a la luz (fotoresist)
- Se proyecta un patron de luz a traves de una mascara (como una diapositiva gigante del diseno del chip)
- Donde la luz toca el fotoresist, este cambia quimicamente
- Se "revela" (como una foto analogica): se disuelve la parte expuesta o la no expuesta, dejando el patron grabado
- Se usa ese patron para grabar los circuitos en el silicio
Tipos de litografia
- DUV (Deep Ultraviolet): Usa luz UV con longitud de onda de 193 nm. Funciona hasta ~7 nm con trucos como "multipatterning" (repetir el proceso varias veces)
- EUV (Extreme Ultraviolet): Usa luz con longitud de onda de 13.5 nm. Necesario para chips de 5nm y menores. La tecnologia mas avanzada que existe
Solo existe UNA empresa en el mundo que fabrica maquinas EUV: ASML (Holanda). Cada maquina:
- Cuesta 350 millones de dolares
- Pesa 180 toneladas
- Necesita 40 contenedores para transportarla
- Tiene 100.000 piezas de 5.000 proveedores
- Genera luz EUV disparando un laser a gotas de estano fundido 50.000 veces por segundo
Fotolitografia - Parte 2: El proceso completo
Un chip moderno necesita entre 70 y 100 capas de fotolitografia. Cada capa anade mas detalle al circuito. El proceso completo tarda unas 10-12 semanas.
Los pasos para cada capa
- Oxidacion: Se crea una fina capa de dioxido de silicio (SiO2) sobre la oblea. Actua como aislante
- Deposicion de fotoresist: Se aplica una capa uniforme de material fotosensible haciendo girar la oblea a alta velocidad (spin coating)
- Exposicion: La maquina de litografia proyecta el patron a traves de la mascara
- Revelado: Se retira el fotoresist sobrante con productos quimicos
- Grabado (Etching): Se graba el patron en el material subyacente (plasma o quimico)
- Implantacion ionica: Se inyectan atomos de impurezas (boro, fosforo) para crear las zonas N y P del transistor
- Eliminacion del fotoresist: Se limpia lo que queda
- Inspeccion: Microscopios electronicos comprueban que todo esta bien
Y esto se repite 70-100 veces, capa sobre capa, con una precision de fracciones de nanometro. Si algo falla en la capa 50, el chip entero se descarta.
El concepto de "yield"
No todos los chips que se fabrican funcionan. El yield (rendimiento) es el porcentaje de chips funcionales por oblea:
- Tecnologia madura: yield del 90-95%
- Tecnologia nueva (ej: 3nm recien lanzado): yield del 50-70%
- Un chip muy grande (como una GPU grande): yield mas bajo porque hay mas probabilidad de defecto
Oblea de silicio: como se fabrica
Todo empieza con arena. Si, arena normal de playa. El silicio (Si) es el ingrediente principal de los chips y es el segundo elemento mas abundante en la corteza terrestre.
De arena a oblea: el proceso
- Extraer silicio de la arena: Se calienta arena de cuarzo (SiO2) a 1.700°C con carbon. Se obtiene silicio metalurgico (98% puro)
- Purificar: Mediante procesos quimicos se lleva a 99.9999999% de pureza (nueve nueves). Es el material mas puro fabricado por el ser humano
- Crear el lingote: Se funde el silicio y se hace crecer un cristal cilindrico perfecto usando el metodo Czochralski. Una semilla de cristal se sumerge en silicio fundido y se va tirando lentamente mientras gira. El resultado es un cilindro de silicio monocristalino de unos 30 cm de diametro y 1-2 metros de largo
- Cortar: Se corta el lingote en rodajas finisimas (obleas) de 0.75 mm de grosor con sierras de diamante
- Pulir: Se pulen hasta quedar perfectamente planas y lisas como un espejo (rugosidad menor a 0.5 nm)
Las obleas actuales miden 300 mm (12 pulgadas) de diametro. De cada oblea se cortan cientos de chips. Cuanto mas grande la oblea, mas chips por tanda y menor coste por unidad. Se esta investigando pasar a 450 mm pero es extremadamente dificil.
La fabricacion del chip: de oblea a procesador
Ya tenemos la oblea de silicio pulida. Ahora hay que convertirla en cientos de procesadores funcionales.
El proceso resumido
- Front-End (FEOL): Se crean los transistores en la oblea usando fotolitografia, grabado e implantacion ionica (lo que vimos en lecciones anteriores). ~70-100 capas
- Back-End (BEOL): Se crean las interconexiones metalicas (cables microscopicos de cobre) que conectan los miles de millones de transistores entre si. Hasta 15 capas de metal
- Test en oblea: Se prueban todos los chips mientras aun estan en la oblea. Una maquina toca cada chip con agujas microscopicas y ejecuta tests basicos
- Corte (dicing): Se corta la oblea en chips individuales con laser o sierra de diamante
- Encapsulado (packaging): Se monta el chip de silicio sobre un substrato, se conectan los pines y se protege con una tapa metalica (el "IHS" - Integrated Heat Spreader que veis cuando mirais un procesador)
- Test final: Se prueba cada procesador a diferentes frecuencias y voltajes. Los que funcionan a mas velocidad se venden como modelos de gama alta; los que funcionan bien pero a menos velocidad, como gama media o baja
Un Intel Core i9 y un Core i7 pueden venir del MISMO diseno de chip. La diferencia es que el i9 paso los tests a maxima frecuencia con todos los nucleos funcionando, mientras que el i7 quiza tenia un nucleo defectuoso que se desactivo, o no llegaba a la frecuencia maxima. Esto se llama binning y es la razon por la que existen tantos modelos a diferentes precios.
Numeros del proceso
- Tiempo total desde oblea virgen hasta procesador listo: ~3 meses
- Numero de pasos de proceso: +1.000
- Una oblea de 300mm puede dar ~200-800 chips dependiendo del tamano del chip
- Coste de una oblea procesada en 3nm: ~20.000 dolares
Los hercios y el codigo binario
Vamos a entender las dos cosas fundamentales del funcionamiento de una CPU: la frecuencia (velocidad) y el codigo binario (el idioma del procesador).
Que son los hercios (Hz)?
Un hercio es un ciclo por segundo. Dentro de la CPU hay un reloj que genera pulsos electricos a una frecuencia fija. En cada pulso, el procesador puede hacer una operacion.
- 1 Hz = 1 ciclo por segundo
- 1 KHz = 1.000 Hz (mil ciclos por segundo)
- 1 MHz = 1.000.000 Hz (un millon)
- 1 GHz = 1.000.000.000 Hz (mil millones)
Un procesador moderno a 4.5 GHz hace 4.500 millones de ciclos por segundo. En cada ciclo puede hacer una o varias operaciones.
El codigo binario
Los transistores solo tienen dos estados: encendido (1) o apagado (0). Por eso todo lo que hace un ordenador se reduce a combinaciones de 1s y 0s. Esto es el codigo binario.
| Decimal | Binario | Como se lee |
|---|---|---|
| 0 | 0000 | Cero |
| 1 | 0001 | Uno |
| 2 | 0010 | Dos (un "2" en la posicion del dos) |
| 3 | 0011 | 2 + 1 = 3 |
| 5 | 0101 | 4 + 1 = 5 |
| 10 | 1010 | 8 + 2 = 10 |
| 255 | 11111111 | 128+64+32+16+8+4+2+1 = 255 |
Cada 1 o 0 es un bit. Un grupo de 8 bits es un byte. Con un byte podeis representar numeros del 0 al 255. Con 4 bytes (32 bits), hasta ~4.000 millones.
Practica en vuestro portatil
En la terminal de Ubuntu podeis convertir entre decimal y binario:
Probad con vuestro numero favorito!
Arquitecturas y familias de procesadores
No todos los procesadores hablan el mismo "idioma". La arquitectura de un procesador define que instrucciones entiende y como las ejecuta.
Las dos grandes arquitecturas
x86 / x86-64 (CISC)
Creada por Intel en 1978. Es la que usan los PCs de escritorio y portatiles.
- CISC (Complex Instruction Set Computer): instrucciones complejas que hacen muchas cosas cada una
- Empresas: Intel (Core i3/i5/i7/i9) y AMD (Ryzen 3/5/7/9)
- Ventaja: muy potente, compatible con todo el software existente de PC
- Desventaja: consume mas energia
ARM (RISC)
Disenada por ARM Holdings (Reino Unido). Es la que usan los moviles, tablets y ahora algunos portatiles.
- RISC (Reduced Instruction Set Computer): instrucciones simples que se ejecutan muy rapido
- Empresas: Apple (M1-M4), Qualcomm (Snapdragon), Samsung (Exynos), MediaTek
- Ventaja: muy eficiente, consume poca energia (ideal para baterias)
- Desventaja: no es directamente compatible con software de PC (aunque esto esta cambiando)
| x86-64 (CISC) | ARM (RISC) | |
|---|---|---|
| Donde | PCs, portatiles, servidores | Moviles, tablets, Mac nuevos |
| Filosofia | Pocas instrucciones potentes | Muchas instrucciones simples y rapidas |
| Consumo | 45-125W (portatil-sobremesa) | 5-30W |
| Ejemplo | AMD Ryzen 7 7800X3D | Apple M4 Pro |
Otras arquitecturas
- RISC-V: Arquitectura abierta y libre (como Linux pero para CPUs). Esta creciendo mucho
- MIPS: Usada en routers y la PlayStation 1 y 2. Hoy casi en desuso
- PowerPC: La usaban los Mac antiguos (antes de 2006) y las consolas (PS3, Xbox 360, Wii)
Practica: que arquitectura tiene vuestro portatil?
Puertas logicas y algebra de Boole
Los transistores se combinan para formar puertas logicas: los bloques basicos que hacen todos los calculos del procesador. La matematica que describe como funcionan se llama algebra de Boole (por George Boole, 1854).
Las 7 puertas logicas basicas
Cada puerta toma una o dos entradas (0 o 1) y produce una salida (0 o 1):
| Puerta | Simbolo | Que hace | 0,0 | 0,1 | 1,0 | 1,1 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| AND | A . B | Ambas deben ser 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| OR | A + B | Al menos una debe ser 1 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| NOT | !A | Invierte: 0->1, 1->0 | NOT(0)=1, NOT(1)=0 | |||
| NAND | !(A.B) | Opuesto de AND | 1 | 1 | 1 | 0 |
| NOR | !(A+B) | Opuesto de OR | 1 | 0 | 0 | 0 |
| XOR | A^B | Solo una puede ser 1 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| XNOR | !(A^B) | Ambas iguales | 1 | 0 | 0 | 1 |
Analogias cotidianas
- AND: "Solo sales si HAS HECHO los deberes Y HAS RECOGIDO tu habitacion" - Ambas condiciones necesarias
- OR: "Puedes jugar si ES SABADO O SI NO HAY COLE" - Basta con una
- NOT: "Si la luz esta encendida, apagala. Si esta apagada, enciendela"
- XOR: "Puedes elegir pizza O hamburguesa, pero no las dos"
Como se construye un sumador con puertas
Con solo puertas AND, OR y XOR se puede construir un sumador (un circuito que suma numeros). El sumador mas basico (half adder) suma dos bits:
Encadenando muchos sumadores se puede sumar numeros tan grandes como se quiera. Y con circuitos similares se puede restar, multiplicar, dividir y hacer cualquier operacion matematica. Toda la potencia del procesador se reduce a combinaciones de estas puertas logicas basicas.
Procesadores Multi Nucleo
Durante decadas, la estrategia era simple: subir la frecuencia del procesador. Un reloj mas rapido = mas rendimiento. Pero alrededor de 2005, se llego al "muro de frecuencia".
El muro de frecuencia (~2005)
El Intel Pentium 4 Prescott (2004) llego a 3.8 GHz y consumia 115W. Intel tenia planeado llegar a 10 GHz, pero se encontro con tres problemas:
- Calor: A mas frecuencia, mas calor. Se estaba volviendo imposible de refrigerar
- Consumo: La potencia crecia exponencialmente con la frecuencia
- Rendimiento decreciente: Doblar la frecuencia ya no doblaba el rendimiento real
La solucion: mas nucleos
En vez de hacer un nucleo super rapido, se ponen varios nucleos en el mismo chip. Es como tener varios cerebros trabajando a la vez.
P-cores y E-cores (nucleos hibridos)
Los procesadores modernos de Intel (12th Gen+) y ARM usan una idea inteligente: dos tipos de nucleos en el mismo chip:
- P-cores (Performance): Nucleos grandes y potentes para tareas pesadas (juegos, edicion video)
- E-cores (Efficiency): Nucleos pequenos y eficientes para tareas ligeras (navegar, musica)
El sistema operativo decide automaticamente que nucleo usar. Cuando jugais, usan los P-cores. Cuando leeis un PDF, los E-cores (que gastan menos bateria).
Practica: cuantos nucleos tiene vuestro portatil?
Chiplet: el diseno modular
Tradicionalmente, un procesador era un unico trozo de silicio (monolitico). AMD revoluciono el mercado con los chiplets: dividir el procesador en varios trozos mas pequenos conectados entre si.
El problema del chip monolitico
Cuanto mas grande es el chip:
- Mas probable que tenga defectos (yield mas bajo)
- Mas caro de fabricar
- Mas dificil de refrigerar
- Si falla una parte, se descarta todo
La solucion chiplet de AMD
AMD divide sus procesadores Ryzen en:
- CCD (Core Complex Die): Chiplets pequenos con los nucleos de CPU. Fabricados en el proceso mas avanzado (5nm). Si un nucleo sale defectuoso, solo se descarta ese chiplet, no todo el procesador
- IOD (I/O Die): Un chip central con los controladores de memoria, PCIe, etc. Fabricado en un proceso mas barato (6-12nm) porque no necesita ser tan avanzado
Ventajas
- Mejor yield: Es mas facil fabricar chips pequenos sin defectos
- Mas barato: Cada parte se fabrica en el proceso optimo para su funcion
- Escalable: Quieres un Ryzen 5 (6 nucleos)? Un CCD. Quieres un Ryzen 9 (16 nucleos)? Dos CCDs. Quieres un EPYC para servidor (128 nucleos)? Ocho CCDs
- Menos desperdicio: Si un chiplet sale malo, no pierdes todo el procesador
3D V-Cache
El 3D V-Cache es una tecnologia de AMD que apila memoria cache encima del procesador en 3D. Es como anadir un segundo piso a un edificio para tener mas espacio.
Que es la cache L3?
Recordad: la RAM es rapida pero la CPU es MUCHO mas rapida. La cache L3 es una memoria dentro del chip que guarda los datos mas usados para que la CPU no tenga que esperar a la RAM.
- Acceso a cache L3: ~10 nanosegundos
- Acceso a RAM: ~50-100 nanosegundos
Mas cache L3 = menos veces que la CPU tiene que esperar = mas rendimiento, especialmente en juegos.
Como funciona el 3D V-Cache?
AMD apila un chip adicional de memoria SRAM encima del chiplet de nucleos usando una tecnologia llamada hybrid bonding (pegado hibrido): se unen los dos chips a nivel atomico con conexiones de cobre.
Resultado en juegos
El AMD Ryzen 7 5800X3D fue el primer procesador con esta tecnologia (2022). Comparado con el 5800X normal (sin V-Cache):
- Mismo precio, mismos nucleos, misma frecuencia
- 15-30% mas rendimiento en juegos, solo por la cache extra
- Se convirtio en el mejor procesador para gaming de su generacion
El futuro de los procesadores
Los transistores se acercan al tamano de los atomos. Que viene despues?
Tecnologias que ya se estan desarrollando
GAA (Gate-All-Around) transistors
El sucesor del FinFET. La puerta del transistor rodea completamente el canal en vez de solo por tres lados. Mejor control = menos fugas de corriente = mas eficiencia. Samsung ya fabrica en GAA 3nm y TSMC lo adoptara en 2nm.
CFET (Complementary FET)
Apilar transistores N y P uno encima del otro en vez de ponerlos lado a lado. Reduce el area un 40-50%. Esperado para ~2027-2028.
Interconexiones opticas
Usar luz en vez de electricidad para comunicar chips entre si. La luz va mas rapido y genera menos calor. Ya se esta investigando para centros de datos.
Computacion cuantica
Una tecnologia completamente diferente basada en mecanica cuantica. En vez de bits (0 o 1), usa qubits que pueden ser 0, 1 o ambos a la vez (superposicion). Para ciertos problemas especificos podria ser millones de veces mas rapida. Pero aun esta en fase experimental y no sustituira a los procesadores normales: sera complementaria.
NPU (Neural Processing Unit)
Nucleos especializados en inteligencia artificial, ya integrados en los procesadores nuevos de Intel, AMD y Apple. Optimizados para operaciones de redes neuronales (multiplicacion de matrices). Los vais a ver cada vez mas.
El futuro proximo (2025-2030)
- 2nm y 1.4nm: TSMC y Samsung avanzan hacia estos nodos
- Mas chiplets: Procesadores modulares con chips especializados (CPU + GPU + NPU + cache, cada uno fabricado en el proceso optimo)
- ARM en PCs: Despues del exito de Apple Silicon, Qualcomm y otros traen ARM a los portatiles Windows
- RISC-V: La arquitectura abierta empieza a aparecer en productos reales
- 3D packaging: Apilar mas y mas capas de chips para aumentar densidad sin reducir tamano del transistor
Quiz Final: Pon a prueba todo lo aprendido
Vamos a ver cuanto habeis aprendido. Haced clic en la respuesta correcta:
1. Que componentes usaban los ordenadores de la primera generacion?
2. Quien propuso la arquitectura de "programa almacenado"?
3. De que material se fabrican los transistores?
4. Que dice la Ley de Moore?
5. Cual fue el primer microprocesador comercial?
6. Que empresa fabrica las unicas maquinas EUV del mundo?
7. Que resultado da la operacion AND(1, 0)?
8. Que tecnologia de AMD apila cache encima del procesador?
9. Que arquitectura usan los moviles y los Mac nuevos?
10. Por que es imposible seguir subiendo la frecuencia indefinidamente?
Curso completado!
Ahora sabeis como funciona el cerebro de todos los ordenadores del mundo. Desde las valvulas de vacio del ENIAC hasta los chiplets de 3nm de AMD, habeis recorrido 80 anos de historia de la CPU.
Siguiente curso recomendado: Historia y funcionamiento de la Tarjeta Grafica