Microprocesadores: el cerebro de la informática moderna

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Los microprocesadores son la piedra angular de los ordenadores modernos. Con una capacidad de cómputo inimaginable, estas pequeñas piezas son las que hacen posible la realización de todo tipo de tareas en nuestros dispositivos, desde navegar por Internet o redactar un documento, hasta editar fotos y vídeos o jugar videojuegos de última generación.

Estos microprocesadores suponen la cúspide de una evolución que se remonta a los primeros ordenadores electrónicos de mediados del siglo XX. Ya en el artículo anterior habíamos hablado de la historia de las calculadoras, y cómo estas representaron la cumbre en capacidad de cómputo durante varios siglos, hasta justo antes de la llegada de estos primeros ordenadores. Pero, ¿qué separa una calculadora de un ordenador? Comprender esta diferencia es clave para entender la historia de la informática.

«ordenador» y «calculadora»

El término «informática» viene del francés «informatique», a su vez formado a partir de las palabras «information» (información) y «automatique» (automática). Es decir, la ciencia que trata de procesar información de forma automatizada, lo que supone, información mediante lógica y cómputo. La mayoría de calculadoras tradicionales son sobresalientes a la hora de realizar cómputo, pero esos resultados no se obtienen mediante un proceso lógico o siguiendo un algoritmo o flujo. Es responsabilidad del operario aplicar los algoritmos a partir de los cálculos obtenidos:

Un ordenador personal puede aplicar lógica para resolver problemas como el algoritmo de Euclides. Una calculadora puede asistir con los cálculos, pero el algoritmo lo debes aplicar tú mismo.
(Imagen de creación propia)

Eso es, precisamente, lo que hace especiales a los ordenadores: además de tener una gran capacidad de realizar cálculos, también son capaces de interpretar instrucciones que le indiquen qué hacer con esos cálculos. Además, dichos resultados pueden tener distinto formato según las necesidades o el programa que se esté ejecutando, y pueden ser almacenados de forma temporal o permanente. Estas características las comparten la gran mayoría de los ordenadores.

En esencia, un microprocesador es una unidad central de procesamiento (CPU) completa e integrada en un único y diminuto chip de silicio que contiene millones de transistores, y que es capaz de ejecutar instrucciones mediante un sistema de circuitos lógicos y aritméticos miles de millones de veces por segundo en los modelos actuales. Para llevar a cabo su tarea, en el interior de cada microprocesador existe lo que se conoce como camino de datos, un conjunto de trazados electrónicos que conectan sus diferentes componentes. Las partes principales son la Unidad de Control, que actúa como el cerebro que interpreta las instrucciones; la Unidad Aritmético-Lógica (ALU), que es la calculadora que realiza las operaciones matemáticas y lógicas; y los registros, que son pequeñas unidades de memoria ultrarrápida para almacenar temporalmente los datos con los que se está trabajando. El proceso fundamental consiste en un ciclo de tres pasos: primero, la Unidad de Control lee una instrucción de la memoria principal, que es donde se encuentra almacenado el programa; después, la decodifica para entender qué operación se debe realizar (como una suma, una comparación o la copia de un dato); y por último, la ejecuta. Es en este último paso donde el camino de datos entra en acción: la Unidad de Control orquesta el flujo de información, moviendo los datos necesarios desde los registros hasta la ALU, ordenando a la misma que realice el cálculo, antes de enviar el resultado a otro registro o de vuelta a la memoria.

Pero los ordenadores no siempre tuvieron estos potentes microprocesadores, y eso es lo que veremos a continuación…

Primeras tres generaciones de ordenadores

Durante los años posteriores al fin de la guerra, los ordenadores de primera generación se caracterizaban por el uso de miles de válvulas de vacío distribuidas en diferentes módulos. Estos componentes, parecidos en forma a una bombilla, hacían que las máquinas fueran de gran tamaño, consumieran una enorme cantidad of energía y generaran mucho calor, provocando averías frecuentes. Las unidades de las que se componen los ordenadores, y que realizan las distintas tareas (aritméticas, lógicas o de control) eran independientes y estaban físicamente separadas. Un ejemplo clásico de ello es la ENIAC, completada en 1945. Uno de los primeros ordenadores totalmente electrónicos y programables, contaba con módulos aritméticos para multiplicar, dividir o realizar raíces cuadradas. Otra de las limitaciones de estos modelos primitivos es que carecían de «memoria» en el sentido moderno, que les permitiera almacenar un programa. En su lugar, era necesario reprogramar el propio ordenador usando un sistema interruptores y tableros de conexiones, un proceso largo y tedioso. Más adelante, la industria tomó inspiración en las ideas del matemático e informático John Von Neumann, cuyo «Primer borrador de un informe sobre la EDVAC», describió la arquitectura de computador que hoy lleva su nombre y que sigue siendo la base de los ordenadores actuales. Esta arquitectura innovadora propone que tanto las instrucciones del programa como los datos que este utilice se almacenen en la misma unidad de memoria. Fue así como comenzaron a aparecer los primeros ordenadores de programa almacenado. Estos modelos podían almacenar y ejecutar instrucciones de programa directamente desde una memoria electrónica. Originalmente se usaban tubos Williams, una de las primeras tecnologías de memoria de acceso aleatorio (RAM), mientras que para almacenamiento persistente (no volátil) existía la memoria de tambor magnético, una forma primitiva de disco duro.

A lo largo de la década de 1950 se produjo un cambio crucial en la industria de la informática y la electrónica: la transición de las válvulas de vacío, grandes e ineficientes, a los transistores, más pequeños y fiables, dando comienzo a la segunda generación de ordenadores. Este gran avance supuso la aparición de máquinas no sólo más potentes, sino también más accesibles, abriendo el camino para la adopción generalizada de la informática en las empresas y el ámbito científico.

Los primeros ordenadores transistorizados fueron máquinas experimentales. El «Transistor Computer» de la Universidad de Mánchester, operativo por primera vez en 1953, se considera el primero de su especie. Le siguió el TRADIC de los Laboratorios Bell en 1954, una máquina desarrollada para las Fuerzas Aéreas de los EE.UU. Es a partir de finales de esta década cuando comienzan a aparecer los primeros modelos comerciales transistorizados de la mano de uno de los gigantes de la industria, IBM, con modelos como el IBM 1401 (1959) o el IBM 7090 y 7094. También fueron clave otras empresas estadounidenses, como Control Data Corporation (CDC) con su CDC 1604 (1960) o Digital Equipment Corporation (DEC) con su PDP-1 (1959), la primera de una larga serie de modelos de gran éxito comercial.

A partir de mediados de la década de 1960 se generaliza la tecnología de circuito integrado, y con ella aparecen los primeros ordenadores de tercera generación. Estos consisten en conjuntos de circuitos electrónicos «grabados» con un método conocido como fotolitografía en una pequeña pieza de silicio u otro material semiconductor. Estos circuitos son órdenes de magnitud más pequeños, rápidos y económicos que los circuitos tradicionales construidos con componentes discretos, aumentando de forma muy significativa el número de transistores (¡estamos hablando de miles de ellos en un chip del tamaño de una uña!). Ahora era posible lograr una capacidad de cómputo similar con un ordenador de tamaño mediano, compuesto por unos pocos circuitos integrados, cada uno especializado en una tarea. La familia de ordenadores más importante de esta generación fue la IBM System/360, comercializada a partir de 1965.

Primeros microprocesadores

Cronología con algunos de los microprocesadores y sistemas en chip (SoC) más importantes de los últimos 55 años. Creación propia a partir de imágenes CC y CC0 (véase referencias al final del artículo)

El rápido avance de la tecnología de circuitos integrados, descrito por la famosa Ley de Moore, que indica que el número de transistores en un chip se duplica aproximadamente cada dos años, asentó las bases para la siguiente gran innovación: el microprocesador. A medida que se fueron integrando más componentes en un único chip mediante procesos conocidos como la integración a gran escala (Large-Scale Integration, LSI), la idea de colocar un procesador informático completo en un solo chip se convirtió en una posibilidad tangible. Este salto finalmente se haría realidad a principios de la década de 1970. Existe cierto debate sobre cuál fue el primer microprocesador, ya que hubo varios diseños que aparecieron entre 1970 y 1971, pero algunos de ellos no se comercializaron hasta tiempo después, o no salieron de la etapa de prototipado. El título de primer microprocesador comercial se suele otorgar al Intel 4004 de 1971. Sus orígenes están en una empresa japonesa de calculadoras, Busicom, quien se puso en contacto con Intel para diseñar un conjunto de circuitos integrados para un nuevo modelo de calculadora. Un equipo de ingenieros de Intel, que incluía a Ted Hoff, Stanley Mazor, Federico Faggin y Masatoshi Shima, trabajó en un diseño más ambicioso que resultaría en el 4004: un único chip capaz de realizar todas las funciones de una CPU.

Estos avances fueron el catalizador que daría comienzo a la industria del microprocesador y, junto a ellos, los primeros ordenadores personales. Entre 1974 y 1979 aparecieron algunos de los «micros» más importantes debido a su influencia y uso en diferentes máquinas durante los siguientes 15 años:

  • Intel 8080 (1974): Una evolución del 4004 y el posterior 8008, fue el procesador que dio vida al Altair 8800, considerado uno de los primeros microodenadores de éxito comercial. También fue usado en una multitud de ordenadores basados en el bus S-100 con sistema operativo CP/M que fueron populares a lo largo de finales de los 70.
  • MOS 6502 (1975): Un diseño creado por numerosos ex-empleados de Motorola, inspirado en el Motorola 6800 lanzado un año antes. Fue utilizado en algunos de los primeros ordenadores domésticos como el Commodore PET y el Apple II, ambos de 1977, y posteriormente en modelos como la Commodore VIC-20, Commodore 64, las consolas Atari 2600, 5200, 7800 y su línea de ordenadores de 8 bits (Atari 400/800), y en forma de variantes en la NES, Super Nintendo y PC Engine.
  • Zilog Z80 (1976): Creación de Federico Faggin y Masatoshi Shima, ex-empleados de Intel, fue un modelo que tomó mucha influencia del Intel 8080, y que tuvo uso en multitud de máquinas como la familia ZX de Sinclair (ZX80, ZX81 y Spectrum), la familia Amstrad CPC, la Tandy TRS-80, Sega Master System y una variedad de máquinas CP/M, sustituyendo al 8080 en ese rol.
  • Intel 8086 (1978) y 8088 (1979): Dos procesadores cruciales en la historia del ordenador personal. El 8088 fue usado en el IBM Personal Computer de 1981 y todos los sistemas clónicos posteriores, dando comienzo a la industria de los «compatibles IBM» y la arquitectura x86 de microprocesadores, que perdura hasta nuestros días.
  • Motorola 68000 (1979): Posiblemente el microprocesador más importante de la empresa. Fue utilizado en ordenadores muy populares de la segunda mitad de los 80, incluyendo los primeros modelos del Apple Macintosh (1984), Commodore Amiga (1985), Atari ST (1985) y la consola Sega Mega Drive (1990 en Europa). Dio comienzo a la arquitectura m68k, con modelos de procesador más avanzados que fueron apareciendo a lo largo de los 80 y principios de los 90.

Aunque hubo muchísimos otros micros de una variedad de fabricantes durante el boom de esta industria nasciente, para finales de los 80 sólo quedaban una pequeña fracción con influencia significativa en el mercado doméstico y profesional. En este periodo también comenzaron a surgir los primeros diseños RISC (conjunto de instrucciones reducido), un paradigma que ha contado con gran apoyo a lo largo de los años y coexiste con los sistemas «complejos» (CISC) hoy en día. Hay varias historias fascinantes que giran en torno a los avances informáticos en los 80 y 90, y de las que hablaremos en futuros artículos.

Más información

https://www.computerhistory.org/timeline/computers/ – Cronología de hitos de los ordenadores, por el Computer History Museum (en inglés)
https://bcc16.ncu.edu.tw/pool/stuff/CMHC_timeline/timeline/topics/components.page.htm – Puntos clave de la historia de la informática (en inglés)
https://cacm.acm.org/news/eniac-turns-75/ – «La ENIAC cumple 75 años», por la Association for Computing Machinery (en inglés)
https://web.mit.edu/sts.035/www/PDFs/edvac.pdf – «First Draft of a Report on the EDVAC» de John Von Neumann (en inglés)
https://youtu.be/5sUDTNKM48M?t=19 – El Intel 4004 en 3 minutos (en inglés)

Referencias

Imágenes usadas en la cronología de microprocesadores.

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