Procesadores y chipset

Que es la CPU?

Para comenzar a describir el funcionamiento interno de la unidad central de procesamiento, vamos a hablar acerca de los componentes fundamentales que integran todo microprocesador actual.

Básicamente, un procesador se encarga de obtener datos por medio de una entrada y, luego, de devolver resultados de acuerdo con las operaciones especificadas, para trabajar con esa información posteriormente. El funcionamiento de un microprocesador se puede resumir en cinco pasos elementales: la búsqueda de la instrucción, su decodificación, la búsqueda de los operandos, la ejecución de la instrucción y, finalmente, el almacenamiento del resultado.

Para cumplir estas funciones, todo microprocesador moderno se divide en tres partes fundamentales incluidas en su encapsulado que son la memoria caché, la unidad de control y el motor de ejecución.


Memoria Caché

En tres de los cinco pasos que hemos mencionado en las líneas anteriores (las dos búsquedas y el almacenamiento) se realizan interacciones con el sistema de memoria RAM. Por lo tanto, es muy importante que la velocidad con la que se acceda a la memoria sea suficiente como para no retrasar el trabajo del procesador. Es decir, se busca que el procesador esté trabajando la mayor parte del tiempo, y que no se produzcan fluctuaciones en su funcionamiento. A medida que los procesadores se fueron haciendo más y más rápidos internamente, se comenzó a notar que la memoria RAM (más lenta y de menor escalabilidad en cuanto a velocidad) actuaba como "cuello de botella'; de modo que se desperdiciaba el verdadero potencial de la CPU. Por eso se decidió colocar una pequeña memoria, de alta velocidad, en la que el procesador puede almacenar la información con la que está trabajando y, de esa manera, no debe recurrir al lento sistema de memoria RAM con tanta frecuencia.

FSB y Multiplicador

Un elemento que se menciona con mucha frecuencia es el bus frontal, o Front Side Bus (FSB), que es el bus por el cual el procesador se comunica con el subsistema de memoria y los distintos dispositivos. En verdad, puede decirse que el FSB es el bus de datos del procesador, aunque en ciertos procesadores (como veremos más adelante), el concepto es algo diferente.

En los procesadores modernos, la frecuencia del FSB (también llamada frecuencia base) es multiplicada por un cierto valor, de manera tal que el procesador trabaje internamente a una velocidad mayor. Esto se debe a que, en un momento determinado de la historia, la memoria y los demás dispositivos no pudieron avanzar en velocidad de reloj al mismo nivel que los procesadores. Así fue como nació el concepto de multiplicador, valor que depende exclusivamente del procesador, aunque, en ciertos casos, se puede configurar desde jumpers o switches en el motherboard, o bien mediante el BIOS Setup.

Sintetizando, podemos decir que la velocidad de reloj de un procesador (o frecuencia de trabajo) está dada por el producto entre el FSB y el multiplicador. Por ejemplo, un Pentium 4 de 3,2 GHz tiene un FSB de 200 MHz reales y un multiplicador de 16. La frecuencia de trabajo es una buena medida para evaluar el rendimiento de un procesador, aunque no siempre hay que fiarse de ella, ya que ciertos procesadores ejecutan más instrucciones por cada ciclo de reloj.

Los Bits

De acuerdo con el tamaño de los registros internos, se acostumbra clasificar a los procesadores según la cantidad de bits. Si un procesador contiene en su ALU registros de 8 bits (admite trabajar con números que pueden tener hasta 28). se dice que es de 8 bits. La ventaja de trabajar con una mayor cantidad de bits es que se podrán utilizar números más grandes en un ciclo simple. Es decir que para sumar dos valores de 16 bits (números mayores a 255 y menores a 65536) con un procesador de 8 bits, se precisarán, al menos, dos ciclos de reloj. Mientras que con un procesador de 16 bits se podrá trabajar con ambos en un ciclo simple.

Por supuesto, en este caso, un procesador de 32 o 64 bits sería totalmente innecesario, ya que estaríamos desperdiciando su potencial. Por este motivo, no siempre es mejor tener un procesador con registros más grandes, y esto depende exclusivamente del software y del tipo de datos que se utilicen en ellos. Por supuesto, la precisión de los datos tiene mucho que ver con la aplicación: no es lo mismo un procesador de texto u hoja de cálculos que un programa que utilice todo un entorno 3D. En el primer caso, quizá los cálculos requieran un manejo de datos superior a los 16 bits, pero en el segundo, con las complejas operaciones que se deben realizar, es muy probable que se empleen muy a menudo números con valores superiores a los 64 bits.

Que es el chipset?

Un chipset es un grupo de chips que trabajan en conjunto para realizar una tarea determinada.

Su misión dentro del motherboard es comunicar todos los elementos que componen el sistema.

Básicamente, un chipset está compuesto por dos elementos visibles, el northbridge y el southbridge. A su vez, tanto uno como el otro albergan varios módulos o chips que cumplen diferentes funciones.

El Northbirdge

Este elemento, también llamado puente norte, es reconocido como el chip principal del conjunto. Es el encargado de crear y mantener una comunicación conforme con los requerimientos de los dispositivos más veloces del sistema: el microprocesador, la memoria y el adaptador de video (ya sea AGP o PCI Express x16). Entonces, todos los datos que vayan desde y hacia el procesador se sujetan al northbridge y al FSB (Front Side Bus), que es la frecuencia a la que se comunica el procesador con el resto del sistema. Dado que la memoria del sistema es la única que puede aprovechar al máximo ese ancho de banda, se puede interpretar al FSB como el camino entre la CPU y la memoria. Inicialmente, el northbridge estaba conformado por tres elementos básicos: el controlador de memoria, el puerto AGP y puertos PCI. Actualmente el manejo de los puertos PCI ha sido delegado al southbridge y, en algunas arquitecturas (como las de Athlon 64), el controlador de memoria se encuentra en el procesador. Con esto se intenta dedicar la totalidad del northbridge a la comunicación entre el procesador y la placa de video, que son los dispositivos con más requerimientos y que evolucionan a mayor ritmo.               

Ahora podemos decir que el soporte que tenga un motherboard para procesadores, memoria y placas de video es definido por las características del northbridge. Además, en los motherboards con video integrado, el procesador gráfico se incluye en el northbridge. Así, se consigue un canal mas directo hacia la memoria principal del sistema (recordar que el video hace uso de la RAM de sistema)

El Southbridge

Con el tiempo, el southbridge ha ido creciendo e incorporando más funciones. Debido a que su objetivo fue reemplazar a las antiguas controladoras multifunción, tomó el mando, junto a un pequeño chip conocido como Super I/'O, frente al manejo de puertos serie, paralelo, PS/2, IDE y Floppy.

Si bien hoy en día el southbridge, también llamado ICH (Input/Output Controller Hub), tiene el control sobre los IDE, puertos PCI y USB, además se le integran controladoras Serial ATA, procesadores de sonido, interfaces de red y puertos IEEE: 1394, entre otros.

Conexiones entre puentes

Como dijimos antes, el northbridge incluía el controlador PCI, de manera que el southbridge podía considerarse como un dispositivo PCI más (conocido como PCI-To-ISA Bridge), y la conexión entre ambos era de 133 MB/s (ya que el PCI es un bus de 32 bits que corre a 33 MHz). Sabemos que en los últimos tiempos se han integrado muchas funciones al southbridge, por eso se necesita una comunicación rápida entre éste y el northbridge, a fin de mantener un flujo de datos hacia el procesador y la memoria acorde con los requerimientos actuales.

Para ampliar este ancho de banda y satisfacer la transmisión de datos de todos los componentes del chipset, cada fabricante ha desarrollado su propio método de conexión entre ambos. Por ejemplo, VIA adoptó la interfaz V-Link de 1,041 GB/s para muchos de sus chipsets, y nVIDIA eligió una conexión HyperTransport.

Northbridge: Más Rendimiento

A esta altura sabemos que la cantidad de jugo que se le exprime al sistema depende de este pequeño gigante. Por ende, su permanente desarrollo se encuentra focalizado en el FSB, la memoria y el video.

1. Video integrado: no hace mucho tiempo el video onboard era muy mal visto, debido a que el procesador gráfico integrado era de baja calidad y ni siquiera estaba a la altura de placas dedicadas de gama baja. Hoy en día, encontramos dignos procesadores de video que incluso,  responden a las exigencias de los últimos títulos en materia de videojuegos.
2. AGP 8x: en sus comienzos, al igual que lo sucedido con la versión 4x, el bus de 2,1 GB/s del AGP 8x no nos dejaba conformes. Era evidente que con las placas estándar de la época no se aprovechaba todo el potencial de las nuevas mejoras. Por suerte, esto fue revertido con el pasar del tiempo y, hoy, podemos hacer uso de todas sus características con placas de gama media o alta disponibles.
3. PCle x16: pretende derrocar al puerto AGP con un bus de 4 GB/s y 8 GB/s, pero lo cierto es que por algunas dificultades de compatibilidad, ya sea por el sistema operativo o por los controladores que se encuentran en versiones beta, sus capacidades no son aprovechadas y, por el momento, se obtienen mejores resultados con placas AGP
4. Dual Channel: como podemos notar, el ancho de banda nos acompañará. Esta tecnología, adoptada por casi todos los fabricantes, consiste en agregar al northbridge un controlador de memoria adicional, que trabaja en paralelo con el convencional. De esta manera, si utilizamos dos módulos de memoria de similares características, se duplica el ancho de banda teórico. Aunque se obtienen buenos resultados de esta modalidad, se apreciarán más aún si usamos video integrado (recordemos que el video integrado hace uso de la memoria RAM principal).

Southbridge: Mas Prestaciones

Las mejoras y desarrollos sobre el southbridge apuntan a integrar más funciones al chipset. Esto les permite a los fabricantes de motherboards dotar a sus productos de una amplia integración de dispositivos.

1. Sonido: los sintetizadores de sonido fueron uno de los primeros dispositivos no elementales que se integraron. Sus características, muy aceptables, fueron bien recibidas por el usuario medio, que no hace una utilización exhaustiva del MIDI. Sin embargo, muchos fabricantes de motherboards decidieron usar un chip específico para esta tarea, como el clásico C-Media (CMI). De todos modos, debemos destacar las mejoras que se consiguieron en este aspecto: un ejemplo claro es el poderoso APU (Audio Processor Unit) de los nForce, que iguala' y hasta supera a las principales placas SoundBlaster de Creative.
2. Red: su integración es más reciente, y hoy en día casi no hay motherboards que se priven de su función. Hay que aclarar que, por lo general, en el southbridge se incluyen las funciones básicas de red y se recurre a un controlador externo para regular el tráfico de datos. También podemos notar que muchos motherboards incorporan placas de 1 gbps (Gigabit LAN).
3. Serial ATA I RAID: además de incluir soportes para discos ATA, el southbridge posee controladores Serial ATA. Esta tecnología tiene límites de transferencia fijados en los 150 MB/s y 300 MB/s. Pero eso no es todo, también cuenta con funciones RAID, sobre las que hablaremos más adelante.
4. USB 2.0 I IEEE 1394: desde la aparición de motherboards ATX, el puerto USB logró conquistar al usuario y convertirse en algo indispensable. Como ya nadie puede quedarse sin él, su última versión (2.0 de 480 mbps) viene incluida en el southbridge, al igual que su no tan difundido competidor, el IEEE 1394 (también conocido como FireWire).

Pines, Sockets y Slots

Como comentamos, el microprocesador es un dispositivo pequeño que se encuentra adaptado en un encapsulado más grande para manejarse con facilidad y conectarse al resto del equipo. Los zócalos son la interfaz por la que se conecta al motherboard.

Los procesadores actuales tienen una forma cuadrada y disponen en su parte inferior de muchos contactos, llamados pines, que son las vías por las que se conectan con el motherboard de la PC. Existen dos tipos de disposiciones de pines: PGA (Pin Grid Array) y LGA (Land Grid Arrayj. En el primero, los pines están en forma de patitas debajo del encapsulado del procesador. En el segundo, las patitas están en el zócalo del motherboard, mientras que en el procesador sólo hay unos "puntitos'; lo cual permite trabajar con este componente sin correr el riesgo de que sus patitas se doblen (algo muy común en procesadores actuales, que tienen muchos pines pequeños concentrados en una superficie muy reducida).

Ahora que conocemos los tipos de pines que hay, veamos cuáles son los zócalos utilizados por los procesadores.

SOCKET 7

El clásico socket 7 de 321 pines se utilizo desde los Pentium I de 75 MHz y fue abandonado por el Pentium MMX de 233 MHz. Sin embargo otras compañías tales como AMD y Cyrix, extendieron la vida del zócalo hasta los 500MHz con buses frontales de 100MHz

SOCKET 370

Luego de sacar el Slot 1, (propios de los Pentium II y los primeros Celaron) Intel decidió volver al tipico Socket al que nombre 370 que, como su nombre lo indica, tiene 370 pines. Este zócalo se extendió desde los primero (y exitosos) Celeron A de 300 MHz, la los Pentium III y Celeron de 1.4 GHz. Los procesadores con este formato tenían buses frontales de 66 a 133 MHz, y usaban tensiones de entre 1,5Volts y 2 Volts.

SOCKET A

El muy conocido Socket A (de 462 pines) comenzó su historia en los Athlon Thunderbird (los que siguieron la forma del SLOT A) del año 2000, a 650 MHz, y alcanzó los 2,2 GHz con el Athlon XP. Todavía se pueden ver procesadores de la gama baja de AMD, los Sempron, bajo este formato, cuyo bus frontal comenzó en 200 MHz (100 DDR) t terminó en 400 MHz (200 DDR).

SOCKET 423 Y 478

Socket 423 fue el primero que utiliza los Pentium 4 (de 1.4 a 1.7 GHz y FSB de 400 MHz) y ciertamente es difícil ver una PC basada en esta plataforma ya que en muy poco tiempo fue reemplazada por el 478. En cambio, el Socket 478 sí duró mucho tiempo. Comenzó con el Pentium 4 FSB de 400 MHz (100 QDR) y escaló a un FSB de 800 MHz (200 QDR) teniendo como máximo exponente al Pentium 4 de 3.4 GHz.

SOCKET 754

Pasando para el lado de AMD, el zócalo de 754 contactos fue el primer formato de los Athlon 64. Esta gran cantidad de pines se debe principalmente a motivos eléctricos y al controlador de memoria integrado. Los procesadores que tienen este formato comenzaron con frecuencias 1.8 GHz y alcanzaron los 2.4 GHz.

También forman parte de esta plataforma los procesadores de la línea Sempron (gama económica de AMD).

SOCKET 939

Después del Socket 940 usado por los primeros Opteron y Athlon 64 FX, AMD empezó a utilizar el zócalo de 939 contactos para todas sus líneas de procesadores de nivel medio y alto. Éste es el caso de los Athlon 64 y Athlon 64 FX, con frecuencias de entre 2 y 2,6 GHz. Una vez más, este gran incremento en la cantidad de pines se debe al controlador de memoria, que en este caso es de doble canal (es decir que tiene un ancho total de 128 bits, en vez de los 64 tradicionales).

SOCKET LGA-775

El LGA de 775 contactos es el formato actual de los procesadores de Intel, tanto Pentium 4 como Celeron. Estos procesadores comienzan con buses frontales de 533 MHz (Celeron D) y alcanzan los 1066 MHz.

El aumento en la cantidad de pines se debe, casi exclusivamente, a funciones eléctricas, puesto que los procesadores de este tipo demandan mucha energía y requieren una mejor organización de los pines para este fin.