Desde que se fabricó el primer microprocesador en 1971 ha habido un esfuerzo constante por mejorar sus prestaciones. Teniendo en cuenta que se trata de un producto de muy alta tecnología, es de destacar la gran cantidad de inversión e ingenio que han sido necesarios derrochar para mantenerse vivo en esta carrera sin fin. Las aplicaciones de estos chips han crecido inmensamente y hoy en día forman parte de la mayoría de los equipos electrónicos que nos rodean. Estamos acostumbrados a una renovación tecnológica constante, por lo que las expectativas futuras en estos dispositivos siguen siendo muy elevadas. Echémosle un breve vistazo a la historia de los microprocesadores.
Bien, ¿por dónde empezamos?. En este caso, como en cualquier caso en el que esté presente la técnica, si se empieza a tirar del hilo, al final se acaba contando una historia de cavernas.
La creación de Silicon Valley, el entorno apropiado
Para simplificarlo, se puede decir que los orígenes más recientes de la industria informática se remontan a finales de los años 1940. El hecho es que la Leland Stanford Junior University, con el objeto de conseguir dinero con el que poder atraer a buenos profesores para impulsar el desarrollo de la universidad, se les ocurrió crear el Parque Industrial Stanford alquilando los terrenos de la universidad.
Por ejemplo, en esta universidad estaban como alumnos Willian R. Hewlett y David Packard, los cuales, animados por el entonces famoso profesor Terman, decidieron instalar un pequeño taller de electrónica en el garaje de la casa donde se alojaban con el objeto de ganar algo de dinero. Acabaron creando la compañía Hewlett-Packard y, tan solo dos años más tarde, ya tenían un centenar de empleados, diez años después contaban con 200, y en 1984 alcanzaron los 80.000 empleados.
Todo esto ocurrió, no sólo gracias al ingenio de los “chicos del garaje”, sino, sobre todo, gracias al ambiente tecnológico e industrial creado por la universidad, y a los emprendedores y empresarios de la zona. Después de recibir varios nombres, al final la zona es conocida como Valle del Silicio o Silicon Valley. Este nombre se lo dio en 1971 C. Hoefler, director de un pequeño semanario llamado Microelectronics News.
En ese mismo lugar se fundó en 1957 Fairchild Semiconductor, primera empresa mundial que trabajaba exclusivamente con silicio. En Fairchild se inventó el primer circuito integrado en 1959. De esta empresa, ya desaparecida, nacieron todas las compañías importantes de semiconductores de la zona, entre ellas Intel. Fairchild se fundó con expertos procedentes de Schockley Semiconductor Laboratory, empresa fundada años atrás por el doctor William Schockley, premio Nobel y coinventor del transistor junto con John Barden y Walter Brattain en los laboratorios Bell.
A comienzos de 1970, toda la zona de Silicon Valley estaba repleta de empresas de semiconductores que abastecían a las de ordenadores, también locales. El entorno de Silicon Valley ha jugado un papel clave en la historia de los microprocesadores. De hecho, la mayoría de las empresas importantes del sector, siguen teniendo sede en este lugar.
El primer microprocesador, el Intel 4004
En el año 1971, la empresa japonesa Busicom pensó lanzar una nueva gama de calculadoras. La novedad tecnológica que se les ocurrió fue integrar sus circuitos electrónicos en un solo chip. Para fabricar estos nuevos circuitos integrados contactaron con Intel. Este proyecto lo dirigió Ted Hoff y, en vez de hacer un circuito integrado particular para esta calculadora, se le ocurrió hacer un procesador de información de uso general.
El 15 de octubre de 1971, Intel anunció su nuevo circuito integrado, el Intel 4004. Como se trataba de un tipo de circuito diferente, al año siguiente le dieron el nombre de microprocesador. Este fue el comienzo de la historia de los microprocesadores. En 1974 ya había 19 modelos de microprocesadores, en 1975 el número era de 40, y en 1976, de 54.
El Intel 4004 constaba de 2300 transistores, un sumador de números de 4 bits, 16 registros de 4 bits, un registro acumulador, una pequeña pila de estados lógicos (stack), un bus de datos de 4 bits, un juego de 45 instrucciones y podía gestionar hasta 45 bytes.
En 1972, Intel creó el 8008, mejorando considerablemente las características de su predecesor. Contaba con un bus de datos de 8 bits, un juego de 66 instrucciones y capacidad para direccionar hasta 16 Kbytes.
Historias alternativas al primer microprocesador
Aunque la anterior es la historia más aceptada del origen del microprocesador, lo cierto es que en aquellos años hubo muchos ingenieros trabajando en la misma idea por distintos motivos. Como ocurre en otras ocasiones, es posible que la historia oficial no coincida exactamente con la realidad. Aunque no entremos en detalles, creo que merece la pena mencionar algunas alternativas:
- Gilbert Hyatt dice que inventó un microprocesador de un solo chip en 1968.
- La empresa Four-Phase Systems afirma haber diseñado su microprocesador AL1 en 1969 (liderado por Lee Boysel) .
- Texas Instruments (ingenieros Gary Boone y Michael Cochran) tuvieron listo su procesador de un solo chip casi al mismo tiempo que Intel, aunque no lo comercializarían hasta 1974.
- También podemos mencionar los trabajos pioneros de Ray Holt y Steve Geller de la compañía Garrett AiResearch o la del ingeniero Gus Roche de la empresa Computer Terminal Corporation (CTC).
El primer microprocesador de propósito general
Aunque estos primeros microprocesadores tenían ciertas capacidades de programación, en realidad estaban pensados para cumplir una función específica, por ejemplo, ser utilizados para fabricar una calculadora. De hecho, el primer producto comercial en utilizar un microprocesador fue la calculadora Busicom 141-PF.
En 1974 aparece el Intel 8080. Este es considerado como el primer microprocesador de propósito general. Su juego de instrucciones se aumentó a 111 y su capacidad de direccionamiento a 64 Kbytes. Esto no solo supuso un tremendo avance en su potencial, sino que se empezó a imaginar que estos pequeños chips podían llegar a tener un potencial mucho mayor que el de ser un simple componente de una calculadora.
Ese mismo año nació otro mito, el primer microprocesador de Motorola, el M6800. Este microprocesador sería el utilizado por el exitoso ordenador Altair 8800.
Qué es un microprocesador
El microprocesador es un chip electrónico que tiene la particularidad de leer un código de programa y ejecutar cada una de las acciones especificadas en dicho código. Algo que no es menos importante es que se puede comunicar con el exterior del chip leyendo valores y transmitiendo los suyos.
Para poder realizar este trabajo, las partes básicas del microprocesador son las siguientes:
- Unidad aritmético-lógica, ALU, que realiza las operaciones matemáticas.
- Unidad de control, que interpreta las instrucciones del programa y genera las respuestas adecuadas.
- Registros de almacenamiento para guardar datos y estados de forma temporal
Para sincronizar sus acciones, el microprocesador necesita los pulsos que emite un dispositivo llamado reloj. Por cada pulso, o por cada cierto número de pulsos, el microprocesador ejecuta una instrucción, pudiendo necesitar cada instrucción un número de pulsos distinto. El número de pulsos que se emiten cada segundo es la frecuencia de reloj. Originariamente las frecuencias eran del orden de MHz (megahercios o millones de pulsos por segundo) y hoy en día son del orden de GHz (miles de millones de pulsos por segundo). El microprocesador va ejecutando unas instrucciones a continuación de otras, tanto más rápidamente cuanta mayor frecuencia tenga su reloj.
Las distintas partes del microprocesador se comunican entre si a través de unos canales de comunicación internos llamados bus interno, por cada uno de estos canales circula un bit simultáneamente. Cuantos más bits tenga el bus interno, más información simultánea podrá intercambiar, y por tanto, más rápidamente funcionará.
Para que el microprocesador pueda comunicarse con el resto de los componentes del equipo del que forma parte (por ejemplo con las memorias, monitor o periféricos del ordenador) se dispone de un canal de comunicación conocido como bus externo. Cuantos más bits tenga el bus externo, más rápidamente se comunicará con el exterior y mejor será el rendimiento del conjunto.
Qué es la arquitectura de un microprocesador
Todas las partes de los microprocesadores se construyen con un elemento electrónico elemental conocido como transistor. Cada microprocesador está formado por millones de transistores. Se conoce como arquitectura del microprocesador a la forma como están organizados estos transistores. Esto es, los componentes internos que forman el microprocesador y su organización.
Se puede decir que la arquitectura es lo que marca el rendimiento del microprocesador. De hecho, la potencia de los microprocesadores depende fundamentalmente de los bien organizado y equilibrado que estén sus componentes y, en segundo lugar, del número de componentes (transistores) que contenga.
Desde que se construyó el primer microprocesador, la obsesión de los fabricantes ha sido siempre conseguir chips que realicen un mismo proceso cada vez más rápido. Para ello, entre otras muchas cosas, se han mejorado los circuitos para que puedan soportar frecuencias de reloj más elevadas, ampliado el tamaño de los buses internos y externos, mejorando la construcción interna de la unidad de control o introduciendo más de una unidad de control en el mismo microprocesador.
Para hacernos una idea de lo que significa un cambio de arquitectura, cuando aparecieron los primeros microprocesadores, sus unidades de control se construían con la capacidad de poder interpretar un juego de instrucciones muy amplio (en lenguaje máquina), con la idea de facilitarle la labor a los programadores. Esto es lo que posteriormente se ha venido a llamar arquitectura CISC (Complex Instruction Set Computer, microprocesadores con juego de instrucciones complejo).
Todo fue bien hasta que en 1975 se hicieron estudios estadísticos y se dieron cuenta de que muchas de las instrucciones no eran apenas utilizadas. Esto les llevó a un replanteo del juego de instrucciones, logrando un microprocesador cuyo juego de instrucciones era mucho más reducido, teniendo además la ventaja de que se ejecutaban en un solo ciclo de reloj. El resultado es que se reducía considerablemente los tiempos medios de ejecución de los programas. A esta nueva forma de construir los microprocesadores se ha venido a llamar arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computer, microprocesadores con juego de instrucciones reducido). De forma general se puede decir que un microprocesador es RISC cuando todas sus instrucciones se realizan en un solo ciclo de reloj.
A lo largo de los años se han ido diseñando muchas nuevas arquitecturas. Cada una de ellas aportaba nuevas prestaciones al microprocesador, haciéndolo destacar en su lucha por el liderazgo tecnológico. Por ejemplo, la arquitectura Banias de Intel les permitió destacar en 2006 con sus nuevos microprocesadores Core 2. Intel mantuvo su liderazgo hasta que AMD sacó en 2017 una nueva arquitectura, llamada Zen, con la que superó en rendimiento a los microprocesadores de Intel.
El primer ordenador con microprocesador
Hasta la fecha, los ordenadores eran sistemas grandes y caros que solo se podían permitir los gobiernos y las grandes empresas. Además, los usuarios finales de estos equipos no interactuaban directamente con la máquina, sino que preparaban las tareas en tarjetas perforadas que luego introducían en el ordenador para que las ejecutara. La tecnología de estos grandes equipos, a los que curiosamente se les llamaba minicomputadoras, los equipaba con multitud de chips individuales, pero no disponían de microprocesadores en un chip.
La primera aportación de los microprocesadores al mundo de los ordenadores se produjo de la mano de los ordenadores personales. Esto es, se empezaron a crear pequeños ordenadores de uso individual. Estas primeras unidades se vendían a menudo como un kit electrónico dirigido principalmente a aficionados. Por ejemplo, la revista de electrónica estadounidense Radio-Electronics presentó en 1974 el kit Mark-8 (basado en el Intel 8008). Poco después, la revista Popular Electronics describía cómo fabricarse un ordenador basado en el Intel 8080.
Aunque no tiene nada que ver con la historia, permítanme mencionar que yo mismo construiría uno de estos unos años más tarde. En aquel caso, rediseñe las placas de circuito impreso para adaptar el equipo a los componentes que encontré en las tiendas de electrónica de mi barrio. ¿Qué queréis? todavía no tenía Internet.
Se suele decir que 1977 fue el año del lanzamiento masivo de los ordenadores personales. Los más famosos en Estados Unidos fueron el Apple II (evolución del Apple I que Steve Wozniak había construido en su garaje pocos años antes), el TRS-80 y el Commodore PET 2001. En Europa teníamos el ZX Spectrum o los CPC de Amstrad. EL Apple II y el primer modelo de Commodore utilizaban los microprocesadores 6502 de MOS. Los otros tres modelos utilizaban los microprocesadores Z80 de Zilog. Se vendieron millones de unidades.
En 1978 apareció otro famoso microprocesador: el Intel 8086. Éste disponía de un bus de datos de 16 bits y una capacidad de direccionamiento de 1 Megabytes. Le siguieron muchos otros microprocesadores, como el Z8000 de Zilog, el NS16000 de National, el TI9900 de Texas Instruments o el 68000 de Motorola. Éste último es el que venía en los primeros modelos de Apple Macintosh lanzados en los años 1980.
Los microprocesadores de Intel
Intel ha jugado un papel fundamental en la historia de los microprocesadores. No solo ideó el primer microprocesador, sino que, como veremos, ha estado siempre presente en el desarrollo de nuevos modelos. La historia de los ordenadores personales y de Intel han ido siempre de la mano.
La empresa IBM, fundada en 1911, se dedicaba a desarrollar y fabricar grandes ordenadores. Sin embargo, vio interesante introducirse en este floreciente mercado de los ordenadores domésticos. Para poder desarrollar el proyecto de forma rápida, en vez de hacerlo todo ellos mismos, como hacían siempre, pensaron que sería mejor contar con componentes existentes de otras empresas. Lograron terminar el proyecto en tan solo un año.
En agosto de 1981, IBM lanzó un nuevo ordenador personal al que denominó IBM PC (por personal computer u ordenador personal). Este primer PC no solo cambiaría drásticamente la historia de la informática doméstica y empresarial, sino que lanzaría al estrellato a empresas como Microsoft e Intel.
Cuando se creó el primer PC, los ordenadores personales de la época eran de 8 bits (bus interno), sin embargo, el legendario fundador de Microsoft Corporation, Bill Gate, convenció a IBM para hacer del PC un ordenador de 16 bits, e IBM eligió el microprocesador 8088 de Intel para su primer PC. Este tenía un bus interno de 16 bits, pero a diferencia del 8086, su bus de datos externo era de tan sólo 8 bits, con lo que podía trabajar con los componentes de 8 bits, que en esa época eran mucho más baratos y abundantes que los de 16 bits.
IBM decidió comercializar este nuevo equipo como una arquitectura abierta. Esto suponía que otros fabricantes pudieran producir y vender componentes periféricos y software compatible sin necesidad de pagar licencias. El resultado es que a IBM le siguieron muchas otras marcas de ordenadores que fabricaban PC compatibles. El mercado creció tremendamente e Intel empezó siendo el proveedor de microprocesadores de todos.
La importancia de Intel fue tal que los PC fueron evolucionando sus equipos conforme Intel desarrollaba nuevos microprocesadores más potentes. Fueron muy relevantes sus microprocesadores 286, 386 y 486.
Intel era la pionera en este campo, pero las empresas fabricantes de ordenadores necesitaban más proveedores para garantizarse el suministro en caso de que Intel no pudiera abarcar toda la demanda. Esto llevó a Intel a dar licencias a otras empresas para que pudieran fabricar chips utilizando su arquitectura y sus diseños. El papel de estos otros fabricantes empezó a ser cada vez más relevante, sobre todo el de AMD, por lo que Intel cambió de opinión unos años más tardes. Intel dejó de dar licencias de sus microprocesador a partir de su modelo Pentium.
Otros fabricantes de microprocesadores
Aunque lo más conocido del mundo de los microprocesadores sean los empleados en el mercado de los ordenadores personales, lo cierto es que estos microprocesadores solo suponen una parte pequeña de la fabricación mundial de este tipo de chips.
La mayoría de los equipos electrónicos de hoy en día llevan microprocesadores incorporados. No importa si es una lavadora o un automóvil de alta gama. Estamos rodeados de microprocesadores por todas partes. Existen microprocesadores de todo tipo y condición.
Por otro lado, el mundo de la telefonía móvil y tablets se ha desarrollado mucho en estos últimos años. La fabricación de microprocesadores para este tipo de dispositivos no deja de crecer. Fabricantes de microprocesadores como MediaTek, Qualcomm, Samsung, Huawei o Apple son especialistas en estos chips y merecerían un estudio aparte.
Además de los anteriores, cabe mencionar otros fabricantes importantes como Freescale, Nvidia, Spreadtrum o Texas Instrument.
Más información
No cabe duda que la historia de los microprocesadores ha sido un camino lleno de retos, ingenio y saber hacer. No se trata solo de mejorar la arquitectura y los procesos de fabricación, sino que hay que hacerlo de forma rentable.
Si le interesa la cronología en el desarrollo de los microprocesadores, en este artículo de Wikipedia puede encontrar más información. Por otro lado, aquí tiene algunos otros temas de interés.