EL CHIP DE SILICIO, Fabricación
Que es un microprocesador?

CONCEPTOS INFORMÁTICOS: ARQUITECTURA DE UN MICROORDENADOR

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CONCEPTOS INFORMÁTICOS: USO DEL CHIP DE SILICIO EN EL  MICROPROCESADOR DE UNA PC

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La magia del chip de silicio
En un espacio no mayor que el de un botón de camisa, un microchip contiene hasta 450.000 componentes electrónicos. Sus conexiones forman circuitos eléctricos que sólo son visibles bajo el microscopio. Los microchips regulan relojes y los programas de las lavadoras de ropa; nos derrotan en los juegos de video y controlan los robots de las líneas de producción de autos.

En cuanto a la electrónica, los circuitos de los microchips no son especialmente complejos; muchos son simples interruptores. La magia de los microchips radica en su pequeñez, que permite que las señales fluyan a velocidad fulminante. De este modo pueden realizar hasta 1000 millones de cálculos por segundo. La mayoría de los microchips son de silicio, uno de los elementos más abundantes de la Tierra, que se obtiene fácilmente de la arena y las rocas.

Chips para todo: Un chip microprocesador como los de las lavadoras de ropa, por ejemplo, es una computadora en sí, además de que puede ser el centro de gobierno de las funciones de una computadora grande. Los chips de memoria almacenan la información de las computadoras en series de circuitos idénticos. Los chips de interfaz convierten en código binario  las señales que el microprocesador recibe —mediante un teclado, por ejemplo—, para que las puedan utilizar los circuitos electrónicos. También convierten las señales de salida en cifras o palabras para la pantalla.

El silicio es el elemento mas abundante en la corteza terrestre (28% -elemento químico de número atómico 14. ) después del oxigeno.  Su uso en la electrónica se debe a sus características de semiconductor. Esto significa que, dependiendo de que materiales se le agreguen (dopándolo) puede actuar como “conductor” o como un “aislador”.  Durante los últimos 40 años, este modesto material ha sido el motor que impulsa la revolución microelectrónica. Con el silicio se han construido incontables generaciones de circuitos integrados y microprocesadores, cada una reduciendo el tamaño de los transistores que lo componen.

Cómo conduce electricidad el silicio
El silicio puro no es conductor de la electricidad. En estado impuro contiene ciertos elementos que lo habilitan para conducir corriente, aunque de manera débil. Por esto se le califica de semiconductor. Los semiconductores permiten el delicado control de corriente necesario para ciertos dispositivos electrónicos, como los transistores, en una medida que es imposible lograr con los conductores metálicos.

Los semiconductores se logran añadiendo al silicio algunos elementos, por lo general fósforo o boro. Si se introduce un poco de fósforo en estado gaseoso al estar fabricando el chip de silicio, los átomos de ese gas forman enlaces con algunos átomos de silicio. Cuatro electrones de las órbitas externas de los átomos del silicio se enlazan con los también externos del fósforo, pero queda libre un electrón de este último y genera una corriente eléctrica al aplicarse un voltaje. Los electrones tienen carga negativa, así que estos cristales se llaman semiconductores tipo n (negativos).

Si se mezcla un poco de boro con el silicio, queda un electrón menos en el sistema de enlaces, dejando un hueco que atrae a los electrones libres. Los huecos libres crean una carga positiva, por lo que estos cristales se llaman semiconductores tipo p (positivos).

Los transistores
Los transistores son componentes comunes de los microchips. Se usan como interruptores para que la corriente se interprete en dígitos binarios: 1 para el encendido y O para el apagado. Un transistor muy empleado tiene dos islas de semiconductor tipo n, sobre una base de semiconductor tipo p. Cuando el transistor está apagado, los electrones libres de las capas n se desplazan hacia la capa p y son absorbidos por los huecos libres.

El transistor se enciende al aplicar, desde otro circuito de baja energía, un voltaje a una compuerta de aluminio situada por encima de la base p. Este voltaje atrae los electrones libres de la base p hacia la compuerta, donde forman un puente entre las dos islas n y un paso para la corriente a través del circuito del interruptor activo.

El transistor se apaga al cortar la corriente. Entonces los electrones libres regresan a la base p y son absorbidos por los huecos libres. Como no forman puente entre las islas, la corriente no puede fluir por el circuito.

Fabricación del microchip
Los chips se producen por centenares en una hoja de cristal ultrapuro de silicio sintético. Esas hojas son tan delgadas que se necesitan unas 10 para formar una capa de 1 mm. de grosor. Los diagramas de los circuitos se preparan en computadora y después se reducen al tamaño del chip, dispuestos lado a lado en una placa de vidrio llamada máscara.

Debido a que los interruptores y otros componentes se integran en capas separadas del chip, se hace una máscara para cada operación. Estas máscaras, que bloquean las partes que no se necesitan, tienen un tamaño varias veces mayor que el del chip, pero después se reducen con técnicas fotográficas.

Se sobreponen las capas —tipo pon, o las aislantes de bióxido de silicio— y se borran químicamente las partes inútiles. Esto se realiza tratando cada capa con un revestimiento sensible a la luz ultravioleta, colocando encima una máscara y exponiéndola a dicha luz. Las partes expuestas se vuelven resistentes al ácido, y las partes no expuestas se eliminan cuando se aplica éste.

Los contactos de aluminio y otras partes similares se depositan en forma de vapor en las áreas grabadas para ellos. Al endurecerse el aluminio, se le añaden las conexiones de los circuitos que hacen contacto con bornes fijos en los bordes del chip.

Todos los chips terminados se prueban con delicadas sondas eléctricas para verificar que funcionen correctamente. Cerca del 70% resultan defectuosos, por lo que se marcan como rechazados y se desechan. Después de la prueba, cada chip se separa de su hoja con un cortador de punta de diamante, bajo un microscopio. Los chips aprobados se montan uno por uno en un estuche y se cubren con plástico. La superficie de contacto está enlazada a conectores metálicos con finos alambres de oro, ligados éstos a espigas metálicas.

Diseño del chip Cada circuito electrónico se diseña por computadora. El diseñador puede manipular la imagen en pantalla con una pluma electrónica y revisar el diseño general del circuito en una impresión en papel. Las máscaras para cubrir las zonas no deseadas de cada capa del chip se hacen con un negativo maestro que es unas 250 veces más grande que el chip. El negativo se reduce con técnicas fotográficas y el circuito se imprime por cientos en el silicio. La hoja se recorta bajo el microscopio con una cortadora de diamante.

1. LAS PRIMERAS CAPAS: Se utiliza un láser para rebanar la barra de silicio, por cada rodaja obtenida de la barra de silicio son fabricados centenares de microprocesadores, cada microprocesador requiere de menos de un centímetro cuadrado de una de estas laminas de silicio.

2. CAPA DE SILICIO: se utiliza una capa aislante de dióxido de silicio (Si02) sobre la lamina, para que se conduzca la electricidad a través del microprocesador.

3. FOTO-RESISTENCIA: es revestido con una sustancia llamada 'photoresist’ (foto-resistencia), este material es viscoso y recorre todo cuando es expuesto a luz ultravioleta.

4. CUBRIENDO: Mascaras fotográficas de foto-resistencia son colocadas sobre la lamina

5. EXPOSICIÓN: El recubrimiento y la lamina son expuestos a la luz ultravioleta, así el recubrimiento se esparce sobre determinadas áreas de la lamina.

6. GRABANDO: Los pedacitos de foto-resistencia son removidos con un solvente, esto revela el dióxido de silicio oculto. La parte final de este proceso involucra remover el dióxido de silicio revelado, el proceso de recubrimiento y grabación es repetido en cada una de las laminas del circuito, a veces es necesario repetir este proceso en mas de 20 ocasiones, dependiendo de la complejidad del microprocesador. Este proceso de grabación es utilizado desde hace mucho tiempo, desarrollado siglos atrás, el proceso fue utilizado primero por artistas para crear impresiones en el papel, telas y madera. En la fabricación de microprocesadores, el proceso de grabación fotográfica se hace posible por medio de cintas de material conductivo, con grosor casi siempre menores al de un cabello humano son preparados circuitos patrones.

7. SOBRECARGANDO: Ahora se inundan las áreas expuestas de lamina de silicio, el primer pedazo con el que nosotros empezamos, en un químico combinado de iones (partículas cargadas), las áreas de silicio sobrecargadas dirigen electricidad a cada transistor para encenderlo. Los electrones fluyen de arriba a abajo entre los diferentes niveles, formando canales a través del proceso de cubrimiento y grabación, luego que los canales estén en un determinado lugar se llenan con uno de los metales mas comunes (aluminio).

EL MICROPROCESADOR: El desarrollo del microprocesador en la década de los setenta del siglo XX inició la revolución informática. Su aparición ha supuesto una drástica reducción del tamaño y precio de los equipos para el tratamiento de la información, y ha contribuido a acercar la informática a todo tipo de usuarios. Hoy día, muchos aparatos, desde los automóviles hasta las lavadoras, utilizan microprocesadores para controlar sus procesos.

Un procesador es un sistema capaz de ejecutar una serie ordenada de instrucciones llamada programa. La ejecución de las instrucciones la lleva a cabo el procesador siguiendo el orden en que están escritas, excepto cuando la propia instrucción obliga al procesador a alterar la secuencia.

El procesador no sólo debe ser capaz de ejecutar el programa, sino también de controlar las distintas unidades que permitirán la comunicación con el exterior y la memoria donde se almacenarán los datos.

La diferencia básica entre procesadores y microprocesadores reside en el tamaño. El microprocesador ocupa un volumen mínimo dentro de las complejas tarjetas que contienen el hardware electrónico de los microordenadores.

El gran avance de la microelectrónica en las últimas décadas ha permitido la miniaturización de los circuitos. En el año 1961 aparecieron los primeros circuitos integrados. A partir de ese momento, el objetivo ha sido aumentar su densidad de integración. En 1964 nacen los circuitos integrados de baja escala de integración (SSI, small scale integration); en 1968, los circuitos integrados de mediana escala de integración (MSI, médium scale integration); y en 1971, los circuitos integrados de alta escala de integración (LSI, large scale integration). Este último peldaño hizo posible la mi niaturización de los procesadores hasta llegar al microprocesador. En la actualidad, se ha llegado a la «muy alta escala de integración» (VLSI, very large scale integration).

La tendencia actual es incrementar esta elevadísima densidad de integración con el fin de aumentar el rendimiento y la velocidad de trabajo, además de reducir el volumen físico y el consumo energético de los circuitos electrónicos.

Hoy día, las aplicaciones del microprocesador son incontables: controladores de procesos industriales, controladores de máquinas herramientas, procesadores paira instrumentos de medida, controladores de semáforos, sistemas de recolección de datos climatológicos, juegos electrónicos, microordenadores, etc.

El concepto de microprocesador
El concepto de microprocesador es un concepto tecnológico, ya que hace referencia a la construcción, en un circuito integrado, de la unidad de control, unidad aritmético-lógica y banco de registros de un ordenador. El microprocesador es, por tanto, una UCP (unidad central de proceso, CPU en inglés) en una sola pastilla.

A medida que el nivel de integración aumenta con el tiempo, la máquina que cabe en un solo chip es cada vez más potente. Así, se ha pasado del primer microprocedor fabricado en 1971, con un ancho de palabra de 4 bits y cuyo diseño empleaba 2.300 transistores, a microprocesadores de 8, 16 y 32 bits de ancho de palabra, a los microprocesadores RISC de 32 y 64 bits de ancho de palabra, con una complejidad y unas prestaciones realmente elevadas, y a los microprocesadores CISC.

Por otro lado, ha aparecido toda una serie de microprocesadores de propósito específico, entre los que cabe destacar procesadores de señal (Digital Signal Processor), procesadores gráficos y procesadores de comunicaciones.

A comienzos de los años noventa, se produjo un cambio decisivo en el diseño general de los ordenadores: prácticamente todos ellos, desde las máquinas pequeñas hasta los grandes superordenadores, están construidos con microprocesadores. Por tanto, el término microprocesador, como una forma especial de construir la UCP, ha caído en desuso.

Podemos definir como un MICROPROCESADOR a un sistema capaz de ejecutar una serie ordenada de instrucciones denominada programa. La ejecución de las instrucciones la efectúa el procesador de forma secuencial, es decir, siguiendo el orden en el que están escritas, excepto cuando la propia instrucción obligue al procesador a alterar la secuencia. Además al procesador no sólo se le exige que sea capaz de ejecutar el programa o secuencia de instrucciones, sino también que controle a las distintas unidades que permitirán la comunicación con el exterior y a la memoria donde se almacenarán los datos.

El microprocesador utilizado como circuito programable


Icografía: Juan E. Serrano y Texto: Manuel Irusta Para El Mundo


Un microprocesador no es más que un circuito integrado con la posibilidad de ser programado. Una de sus aplicaciones inmediatas es, por tanto, la sustitución de los circuitos digitales de lógica cableada.

La principal diferencia entre el diseño del sistema de microprocesador digital y el diseño del sistema digital lógico alambrado consiste en que el primero usa el microprocesador para reemplazar la unidad lógica alambrada, mediante el almacenamiento de las secuencias del programa en la memoria de sólo lectura, en lugar de armar estas secuencias con compuertas, flip-flops, contadores y elementos semejantes. Una vez completo el diseño, puede hacerse cualquier modificación con sólo cambiar el programa en la ROM.

En resumidas cuentas, un microprocesador no es más que un circuito integrado al que se le ha añadido la posibilidad de ser programado. Por lo tanto, una de sus aplicaciones inmediatas es la sustitución de los circuitos digitales de lógica cableada.
Otra aplicación importante es en el empleo como unidad central de proceso de los microordenadores.

 

El microprocesador utilizado como unidad central de proceso de un microordenador 11 microprocesador o unidad central de proceso de un ordenador moderno, que constituye el núcleo del ordenador, es un solo chip de silicio de tamaño diminuto. Mientras otros componentes recogen, transmiten y dan salida a los datos, el procesador es el único que calcula.

Las funciones esenciales de la UCP son las siguientes: controlar el flujo de información; operar los datos; gestionar la memoria; gobernar toda la actividad del ordenador de acuerdo a las instrucciones recibidas.

En torno a la UCP se organizan las restantes unidades funcionales y dispositivos que conforman la arquitectura de un microordenador. En la UCP de un ordenador convencional se distinguen tres zonas básicas: la memoria principal, la unidad de control y la unidad aritmético-lógica.

Memoria principal
La memoria principal es el dispositivo que conserva durante todo el tiempo de trabajo del ordenador las instrucciones y los datos necesarios para el desarrollo del proceso.

Funciona mediante un conjunto de células numeradas (al número que identifica a una célula se le llama dirección). Una vez determinada la dirección de una célula, se puede leer la información que contiene o escribir una nueva información en su interior. Para poder realizar estas operaciones, la memoria dispone de dos registros especiales: el registro de dirección de memoria y el registro de intercambio o de datos. El registro de dirección de memoria indica el número de la célula afectada y el registro de intercambio de datos contiene la información leída o la que hay que escribir en la célula en cuestión.

En ella se almacenan dos tipos de información: el programa o secuencia de instrucciones a ejecutar, y los datos que manejarán dichas instrucciones. Las operaciones que se realizan sobre esta unidad se reducen a dos: lectura y escritura. Evidentemente, las operaciones de escritura destruyen la información almacenada en la célula, al sustituirla por una nueva información. No ocurre así con las de lectura.

Unidad de control
Esta unidad se ocupa de controlar y coordinar el conjunto de operaciones necesarias para realizar el oportuno tratamiento de la información. Su objetivo consiste en extraer de la memoria principal la instrucción a ejecutar. Para ello dispone de un registro, denominado contador de instrucciones, en el que almacena la dirección de la célula que contiene la próxima instrucción a ejecutar, y de un segundo registro, llamado de instrucción, en el que deposita la instrucción propiamente dicha.

Este último está dividido en dos zonas: una contiene el código que identifica la operación a ejecutar, y la segunda la dirección de la célula en la que está almacenado el operando.

Una vez conocido el código de la operación, la unidad de control ya sabe qué circuitos de la unidad aritmético-lógica deben intervenir, y puede establecer las conexiones eléctricas necesarias a través del secuenciador.

A continuación extrae de la memoria principal los datos necesarios para ejecutar la instrucción en proceso. Para ello simplemente ordena la lectura de la célula cuya dirección se encuentra en la segunda zona del registro de instrucción.

Posteriormente, ordena a la unidad aritmético-lógica que ejecute las oportunas operaciones elementales. El resultado de este tratamiento se deposita en un registro especial de la unidad aritmético-lógica, denominado «acumulador». Si la instrucción ha proporcionado nuevos datos, estos son almacenados en la memoria principal.

Por último, incrementa en una unidad el contenido del contador de instrucciones, de tal forma que coincida con la dirección de la próxima instrucción a ejecutar.

También consta de un reloj. El reloj es el oscilador electrónico que hace que el microprocesador vaya de un paso al siguiente al ejecutar las instrucciones (cada instrucción de la máquina ocupa varios ciclos del reloj). La velocidad del reloj se mide en megaherzios.

Unidad aritmético-lógica
La unidad aritmético-lógica (ALU, arithmetica logical unit) es el dispositivo encargado (te ejecutar las operaciones aritméticas y lógicas, almacenando el resultado en un registro llamado acumulador. Todas estas operaciones las realiza siguiendo las indicaciones dadas por la unidad de control.

La unidad lógico-aritmética está conectada al mundo exterior a través del «bus», canal de señales que une la ALU con las otras áreas de la unidad central de proceso, y ésta con dispositivos internos y externos. La ALU puede así recoger los datos entrada y dar salida a los resultados.

DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO: Los programas de computación son "recetas" con instrucciones escritas una debajo de otra, de modo que para que funcionen, primero debe leerse la orden que se encuentra en la fila 1, luego la de la fila 2, y así sucesivamente, del mismo modo que leeríamos una receta de cocina.

Si en algún momento el programa tiene que saltar a otro punto, es necesario romper con la secuencia, hay una llamada que indica exactamente en qué línea se debe seguir, al igual que ocurre cuando leemos un revista y, al final de la nota, aparece un cartel que dice "continúa en la página xx".

Cuando ejecutamos un programa instalado en el disco rígido de la PC, por ejemplo, Word, lo que ocurre es que su secuencia de instrucciones se copia en la memoria principal de la computadora, memoria RAM, y luego, por bloques, pasa a la memoria caché, que es la memoria interna del microprocesador.

Cuando el microprocesador empieza a realizar su trabajo, lee una orden detrás de otra, ya sea desde su caché interno (en caso de que la instrucción se encuentre allí) o desde la RAM, y procede a ejecutarla. Cuando esto ocurre, Word, Excel o el programa que sea empieza a funcionar.

Cuando las instrucciones están en la memoria, el microprocesador las lee y ejecuta. Sin embargo, cabe preguntarse ¿por qué algunas computadoras arrancan más rápido que otras, abren Word más velozmente, muestran antes las imágenes en el monitor, etc.? Una de las principales razones es que su microprocesador es mejor y puede entender y procesar más rápido las órdenes que se le dan.

Podríamos preguntarnos, entonces qué determina que un microprocesador sea mejor que otro. A continuación, se enumeran los puntos clave de los que depende el desempeño del CPU:

• Su rapidez de trabajo.
• La comunicación que tiene con la placa madre.
• Su eficiencia.
• La cantidad de memoria interna que posee.


Algunos Conceptos Básicos del Microprocesador:

¿Cuáles son las dos zonas fundamentales de un ordenador?
La unidad central de proceso (CPU) que se encarga de la ejecución de los programas y del control de las restantes unidades, y los dispositivos periféricos.

¿Cuáles son los componentes básicos de la CPU?
La memoria principal, la unidad de control y la unidad aritmético-lógica.

¿Cómo funciona la memoria principal?
Mediante un conjunto de células numeradas y dos registros especiales con los que realiza las transacciones: el registro de dirección que indica el número de la célula afectada y el de intercambio que contiene la información leída o la que hay que escribir en la célula en cuestión.

¿Cuál es el objetivo de la unidad de control?
Controlar la ejecución de las instrucciones del programa; para ello cuenta con dos registros primarios: uno de ellos memoriza el número de la instrucción en curso, mientras que el segundo almacena la instrucción propiamente dicha.

¿Qué tareas realiza la unidad aritmético-lógica?
Tal como su nombre indica, se encarga de ejecutar las operaciones aritméticas y lógicas, almacenando el resultado en un registro llamado acumulador.

¿Qué son las unidades periféricas?
Son dispositivos que se ocupan de facilitar el diálogo entre el ordenador y el mundo exterior o de almacenar grandes volúmenes de información y mantenerla a disposición del ordenador.

¿Qué es un canal?
Es una unidad encargada de realizar las transacciones de información entre la unidad de control y los periféricos. Su utilidad estriba en que descargan a la unidad central de proceso del control directo de la entrada y salida de datos.

Fuente Consultada:
Gran Enciclopedia de la Informática Tomo I
Cómo Son y Como Funcionan Casi Todas Las Cosas Reader´s Digest
Gran Enciclopedia Universal Tomo 26
Sitio Web: http://www.angelfire.com/ca6/germancho/intelmade.html

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