Definicion: Es un circuito integrado que ejecuta las instrucciones de los programas, realiza cálculos y gestiona el flujo de datos entre los componentes del sistema. Está compuesto por millones de transistores que trabajan juntos para procesar información.
Componentes:
UAL (Unidad Aritmético-Lógica)
La UAL es una parte fundamental del microprocesador. Se encarga de realizar operaciones aritméticas (sumas, restas, multiplicaciones, divisiones) y lógicas (comparaciones, operaciones booleanas como AND, OR, NOT). Es el núcleo de procesamiento de datos dentro de la CPU.
UC (Unidad de Control)
La Unidad de Control es otra parte esencial del microprocesador. Su función es interpretar las instrucciones del programa y coordinar las operaciones de la UAL, la memoria y otros componentes. Actúa como el "director de orquesta" del procesador.
Clock (Reloj)
El Clock o reloj del microprocesador es un circuito que genera pulsos eléctricos a una frecuencia constante, medida en Hertz (Hz). Estos pulsos sincronizan las operaciones del procesador. Por ejemplo, un procesador con un clock de 3.5 GHz realiza 3,500 millones de ciclos por segundo. A mayor frecuencia, más operaciones puede realizar en un segundo (aunque también consume más energía y genera más calor).
Los otros dos bloques que un procesador actual lleva adentro —la caché y el controlador de memoria— se explican en las dos secciones siguientes.
La memoria caché
La caché es una memoria pequeña y muy rápida que vive dentro del propio chip del procesador. Guarda una copia de los datos y las instrucciones que se están usando en ese momento, para no tener que ir a buscarlos a la RAM cada vez.
Hace falta por una diferencia de velocidad enorme: un procesador de 3.5 GHz ejecuta una instrucción en una fracción de nanosegundo, mientras que un acceso a la RAM tarda del orden de 80 a 100 ns. A esa frecuencia son unos 300 ciclos de reloj esperando. Por más rápido que fuera el reloj, sin caché el procesador pasaría la mayor parte del tiempo parado.
La caché funciona porque los programas reutilizan datos: si se usó una posición de memoria, es muy probable que se la vuelva a usar pronto (localidad temporal) y que después se usen las posiciones vecinas (localidad espacial). Cuando el dato buscado está en la caché hay un acierto; cuando no está, hay un fallo y hay que ir a buscarlo al nivel siguiente. Los aciertos son la enorme mayoría: en un procesador actual, más del 90 % de los accesos se resuelven en la caché y nunca llegan a la memoria principal.
Caché L1 (nivel 1)
Es la más chica y la más rápida: 32 KB a 64 KB por núcleo, con una latencia de 4 a 5 ciclos de reloj (alrededor de 1 ns). Está pegada a la UAL y a los registros, porque a esa velocidad ni un milímetro de más se puede permitir: cuanto más lejos está el circuito, más tarda la señal en llegar.
Es privada: cada núcleo tiene la suya y los demás no la ven. Y está partida en dos, una caché de instrucciones (L1i) y otra de datos (L1d), de manera que buscar una instrucción del programa y buscar un dato no se estorben entre sí.
Caché L2 (nivel 2)
Es más grande, del orden de 256 KB a 2 MB por núcleo, y algo más lenta: entre 10 y 15 ciclos. Sigue siendo privada de cada núcleo, y recibe lo que la L1 descarta.
Su historia explica por qué se la menciona aparte. En los primeros procesadores con caché, la L2 estaba fuera del chip: en la placa madre o en el mismo cartucho del procesador, conectada por un bus externo mucho más lento. Integrarla al chip —proceso que se completó a fines de los años 90— eliminó esa distancia.
Caché L3 (nivel 3)
Es la más grande: varios megabytes (entre 8 y 32 MB en un procesador de escritorio, y más en los modelos de gama alta) y la más lenta de las tres, con unos 30 a 50 ciclos. Aun así sigue siendo muchísimo más rápida que la RAM.
Su diferencia principal es que es compartida por todos los núcleos. Eso cumple dos funciones: guarda una sola vez lo que usan todos —el código del sistema operativo, por ejemplo— y sirve de punto de encuentro entre los núcleos, porque cuando dos de ellos trabajan sobre el mismo dato se lo pasan por la L3 en lugar de bajarlo hasta la RAM.
El orden de búsqueda es siempre el mismo: L1 → L2 → L3 → RAM. Cada nivel que falla es más grande y más lento que el anterior, y por eso conviene tenerlos todos: el dato que se buscó queda guardado en los niveles de arriba y la próxima vez se encuentra antes.
| Nivel | Dónde está | Tamaño típico | Velocidad | ¿La comparten los núcleos? |
|---|---|---|---|---|
| L1 | Dentro de cada núcleo, junto a la UAL | 32 a 64 KB por núcleo | 4 a 5 ciclos | No: es privada |
| L2 | Dentro de cada núcleo | 256 KB a 2 MB por núcleo | 10 a 15 ciclos | No: es privada |
| L3 | En el chip, fuera de los núcleos | 8 a 32 MB en total | 30 a 50 ciclos | Sí: entre todos los núcleos |
| RAM | Fuera del chip, en los módulos | 8 a 64 GB en total | 80 a 100 ns (unos 300 ciclos) | Sí: la reparte el sistema operativo |
Los módulos, los canales y las latencias se explican en Memorias, y el lugar de la caché en el conjunto del sistema está en la jerarquía de memoria.
El controlador de memoria
El controlador de memoria es el circuito que hace de intermediario entre el procesador y los módulos de RAM. De un lado recibe los pedidos que la caché L3 no pudo resolver; del otro habla el idioma de la memoria: filas, columnas, bancos y refrescos.
Durante mucho tiempo no estuvo en el procesador. Vivía en el chipset de la placa madre, en el chip que se conocía como northbridge, y eso hacía que la memoria fuera un asunto de la placa. AMD lo integró primero, en el Athlon 64 (2003), e Intel lo hizo desde la generación Nehalem (2008). Hoy está dentro del chip en todos los procesadores, de escritorio y de celular.
Qué hace
- Traduce direcciones: convierte la dirección de memoria que pide la caché en la fila, la columna y el banco exactos del módulo.
- Genera las señales y los tiempos: emite las órdenes de lectura y escritura y respeta las latencias del módulo (de ahí salen los tiempos que se configuran cuando la RAM no arranca a su velocidad nominal).
- Refresca la memoria: la DRAM guarda cada bit en un capacitor que se descarga solo, así que el controlador reescribe la información miles de veces por segundo para que no se pierda.
- Arbitra los pedidos: varios núcleos pueden pedir datos a la vez y hay un solo camino hasta los módulos; el controlador decide en qué orden se atienden.
- Administra los canales: los módulos se conectan en canales independientes que trabajan en paralelo —uno, dos o cuatro—. Con dos canales en lugar de uno, el ancho de banda se duplica, y por eso conviene repartir los módulos entre los canales en lugar de llenar solo el primero.
Que esté dentro del procesador tiene una consecuencia práctica importante: es el procesador, y no la placa madre, el que define qué memoria se le puede poner —el tipo (DDR4 o DDR5), la velocidad, cuántos módulos y cuánta capacidad máxima—. Dos placas con el mismo zócalo pueden soportar velocidades distintas según el procesador que tengan montado.
También acortó el camino del dato: antes el pedido salía del procesador hacia el chipset y desde ahí a la memoria; ahora sale directo. Y ese tramo no es un detalle, porque en esta parte del sistema cada centímetro de más es tiempo de espera.
Tipos de Microprocesadores según su socket: LGA, PGA y BGA
1. LGA (Land Grid Array)
- Descripción: En los procesadores LGA, los pines están en el zócalo de la placa madre, no en el procesador. El procesador tiene contactos planos que se conectan a los pines del zócalo.
- Ventajas: Menos riesgo de dañar los pines del procesador.
- Ejemplos:Intel: Procesadores Intel Core i7, i9 (ejemplo: Intel Core i9-13900K, socket LGA 1700).AMD: Algunos procesadores antiguos de AMD usaron LGA, pero actualmente no es común en sus diseños.
2. PGA (Pin Grid Array)
- Descripción: En los procesadores PGA, los pines están en el procesador y se insertan en un zócalo con agujeros en la placa madre.
- Ventajas: Fácil de reemplazar y reparar.
- Ejemplos:AMD: Procesadores Ryzen (ejemplo: AMD Ryzen 5 5600X, socket AM4, que usa PGA).Intel: Procesadores antiguos como los Intel Pentium 4 (socket 478).
3. BGA (Ball Grid Array)
- Descripción: En los procesadores BGA, el procesador se suelda directamente a la placa madre usando pequeñas bolas de estaño. No es reemplazable.
- Ventajas: Menor tamaño y mejor disipación de calor.
- Desventajas: No se puede reemplazar o actualizar.
- Ejemplos:Intel: Procesadores para laptops y dispositivos móviles (ejemplo: Intel Core i7-1165G7).AMD: Algunos procesadores móviles de la serie Ryzen (ejemplo: AMD Ryzen 7 5800U).
- LGA: Pines en el zócalo (común en Intel).
- PGA: Pines en el procesador (común en AMD).
- BGA: Soldado a la placa (usado en dispositivos celulares y Notebooks).
Video: el microprocesador
Como se fabrica un microprocesador: