TP Nº 5 El microprocesador

MICROPROCESADORES

La historia de la electrónica digital arranca a principios del siglo XIX cuando George Boole desarrollo un sistema lógico basado en variables binarios, es decir que puede tomar solo dos valores (0 y 1). Posteriormente hubo varios intentos de fabricar dispositivos capaces de efectuar las operaciones desarrollados por Boole a fin de realizar mecánicamente operaciones matemáticas.

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

Con el desarrollo tecnológico los interruptores mecánicos fueron remplazados por relés, y posteriormente por válvulas de vacío y finalmente por transistores. Gracias al pequeño consumo y disipación de calor de estos últimos fue posible colocar muchos sobre una única base o sustrato, creándose entonces los primeros circuitos integrados en plena década del 60.  

Estos circuitos integrados digitales incluían compuertas lógicas, inversores, codificadores, multiplexores, flip-flop y contadores. Con estos elementos se construyeron circuitos digitales complejos, que permitieron controlar maquinas herramienta, alarmas, electrodomésticos, etc. En ese momento cada circuito que se desarrollaba podía ser utilizado para el fin que había sido diseñado únicamente. Las ventajas características de los circuitos integrados, como el bajo consumo, la facilidad de reemplazo, etc. hicieron que muchas empresas intentaran el desarrollo de circuitos integrados para funciones específicas. Por ejemplo, el control de un horno de microondas, pero esto resultaba particularmente caro, dado que el diseño y producción de circuitos integrados exigía importantes inversiones que únicamente podían ser recuperados en base a grandes producciones.

La solución a este problema llego a principio de los 70’s, cuando se crearon circuitos electrónicos digitales programables, es decir que se empezaron a fabricar circuitos capases de cumplir la mas variadas funciones de acuerdo a distintos programas. Estos circuitos se llaman microprocesadores, y la historia de la informática esta signada por su desarrollo.  

Los microprocesadores se clasifican y se denominan en función del ancho de su bus de datos medido en bits, lo que se corresponde con la cantidad de información que el microprocesador puede procesar en paralelo. También se especifica la cantidad de operaciones básicas que puede realizar medida en ciclos por segundo (c/seg) o hertz (Hz). En la práctica solo se fabrican microprocesadores cuyo bus de datos tenga un ancho igual a los valores de las sucesivas potencias de dos, existen entonces procesadores de 2, 4, 8, 16, 32 y 64 bits. El primer microprocesador comercial conocido fue fabricado por la empresa Intel en 1961, era el 4004. Posee capacidad de operaciones aritméticas y lógicas y un reducido conjunto de instrucciones. Se utilizo en pequeños automatismos y juguetes. 

Los primeros microprocesadores de 8 bits fueron el 8008, desarrollado a mediados de 1972, que contaba con 5600 transistores, y podía procesara frecuencias máximas de 800 kHz, y el 8080 que tenía 7000 transistores y trabajaba a 2 MHz. Para esa misma época, Motorola sacaba el 6800 y Zilog sacaba el Z80. 

 

 

 

 

 

Intel 8080

Intel 8008

Zilog Z80

      

El proceso de fabricación es muy complejo. Comienza con una buena construcción de arena, compuesta con silicio que se funde a altas temperaturas (1300ºC),  con la que se fabrica un monocristal de forma cilíndrica de 30 cm de diámetro y un metro de medio de largo. Este proceso es muy lento, y se obtienen de 30 a 40 mm por hora.

Estas tres empresas (Motorola, Intel y Zilog) iniciaron una serie de computadoras personales que adoptaron sus microprocesadores. IBM adopto la línea Intel para su "Personal Computer", Apple usa microprocesadores para su línea MACINTOSH y el microprocesador Zilog se utilizo para computadoras hogareñas como la Commodore 64 y la SINCLAIR.

Los primeros microprocesadores de 16 bits fueron el 8086 y el 8088 de Intel, que equipaban las PC AT. Fueron el inicio y los primeros miembros de la arquitectura x86. estos microprocesadores llegaban a operar a frecuencias de 4 MHz. Motorola saco para esa epoca el 68000.

A principio de la decada del 80 se lanza al mercado el 80286, que ya contaba con 134000 transistores y llegaba a velocidades de 25 MHz. Uno de los primeros microprocesadores de arquitectura de 32 bits fue el 80386. este microprocesador fue fabricado a finales de los 80. En sus diferentes versiones llego a trabajar en el orden de los  40 MHz. Este microprocesador posibilito que Microsoft lanzara en 1991 el sistema operativo Windows, que incluía una interfaz gráfica. Los microprocesadores más modernos incorporan buses de 64 bits, varios núcleos para el procesamiento en paralelo, y llegan a trabajar en frecuencias de 4 GHz.

 

 

Proceso de fabricación

 

El proceso de fabricación es muy complejo. Comienza con una buena construcción de arena, compuesta con silicio que se funde a altas temperaturas (1300ºC),  con la que se fabrica un monocristal de forma cilíndrica de 30 cm de diámetro y un metro de medio de largo. Este proceso es muy lento, y se obtienen de 30 a 40 mm por hora.

 

 De ese cristal se cortan los extremos y se obtiene un cilindro perfecto. Luego se corta en rodajas llamadas obleas (WAFFER) que tienen 10 micrones de espesor (10x10^-6 m). Para este trabajo se utiliza una sierra de diamantes.

 

 

 

 De cada cilindro se obtiene miles de obleas, y de cada oblea, cientos de microprocesadores. Las obleas son luego pulidas para obtener una superficie totalmente plana, y luego son sometidas a un proceso térmico de altas temperaturas, a fin de eliminar las tensiones internas producidas durante la fabricación. Este proceso se llama ANNEALING.  Después de la supervisión, mediante rayos láser para detectar otras imperfecciones menores a una milésima de micrón, se recubren con una capa aislante formada por oxido de silicio. Terminado este proceso de preparación, se comienzan a construir los transistores, diodos y resistores mediante un proceso que consiste básicamente en la impresión de sucesivas máscaras sobre la oblea, reducidas mediante una lente y endurecidas por luz ultravioleta. Luego serán atacados por ácidos encargados de remover las zonas no cubiertas por la impresión. Este proceso se repite cintos de veces hasta llegar al chip que contiene todos los circuitos interconectados del microprocesador. Los transistores, construidos de esta forma, tienen aproximadamente un tamaño de 45 nanómetros (45x10^-9 m) - solo para comparar el tamaño de los transistores podemos decir que es equilibrante al diámetro de 200 electrones.

Las salas empleadas para la fabricación de circuitos integrados se denominan salas limpias y poseen filtros absolutos para filtrar el aire que impide que pasen partículas mayores a 0,1 micrón. Los trabajadores emplean trajes especiales que evitan que se liberen en el aire restos de piel, cabello y polvo.

Finalizado el proceso, se verifica automáticamente el funcionamiento de cada microprocesador, marcándose a aquellos defectuosos. Luego la oblea es cortada, separándose así los microprocesadores, sin pines de conexión ni protección alguna. A simple vista parece una pequeña placa de vidrio de unos pocos milímetros por lado.

cada una de estas plaquetas se colocara sobre una capsula protectora plástica (en algunos casos, cerámica) y conectada a los pines metálicos que permiten su conexión al exterior. Estas conexiones se realizan utilizando delgadísimos alambres, normalmente de oro. Luego la capsula es provista de un disipador térmico de metal que servirá para mejorar la transferencia de calor desde el interior del chip hacia el disipador principal. El resultado final es un microprocesador que equipará computadoras, tablets, teléfonos celulares y otros dispositivos digitales.