Hemos visto en anterior apartado que la CPU es uno de los elementos principales en la arquitectura de Von Neumann. El microprocesador representa la CPU. Se trata de un microchip compuesto de millones de microcomponentes recogidos en una cápsula, normalmente cerámica, de la que salen una serie de patillas o contactos, que hay que acoplar en el zócalo de la placa base.

Existen varios fabricantes de microprocesadores para ordenadores personales, siendo los más importantes AMD e Intel, por ser los que más investigan y más productos sacan al mercado.

En relación con el funcionamiento debemos destacar la arquitectura de 32 bits o 64 bits. Hoy día, todos los procesadores que se fabrican son de 64 bits.

Los procesadores producen tanto calor que pueden llegar a quemarse si no se adoptan las medidas para evitarlo. Para refrigerar la CPU, se incorpora un ventilador encima del procesador. En las torres, se suelen instalar algún ventilador adicional. Existen sistemas alternativos como por ejemplo la refrigeración líquida.

Características que definen un procesador:

La velocidad o frecuencia de reloj

Se mide en Hz (hertzios) hoy en GHz, es decir los ciclos por segundo u operaciones elementales. Por ejemplo, un procesador a 3 Gigahertzios = 3 x 10⁹ Hz = 3.000.000.000 Hz significa que realiza 3.000 millones de operaciones elementales en 1 segundo.

Litografía

La tecnología de fabricación, que se mide en nanómetros. Es una medida utilizada para referirse al tamaño de los transistores que componen los procesadores. Cuanto menor sea el tamaño de los transistores, más cerca pueden colocarse unos de otros. Esto permite reducir la cantidad de energía eléctrica necesaria para comunicarlos, y por consiguiente disminuir el calor generado durante el funcionamiento del microprocesador. De forma, que cuando sale una nueva generación de procesadores, disminuye este tamaño, consiguiendo realizar los mismos cálculos con menor consumo y menos calor.
De hecho, este es uno de los avances tanto en el procesador, como en la memoria, de una generación a otra, hay menor voltaje, menor consumo y como consecuencia, menor calor.

Por ejemplo, en Intel, los procesadores más actuales de Intel, están fabricados en 14 nanómetros = 14 x 10^-9 metros

Número de núcleos e hilos del microprocesador

Hacia el 2004 se alcanzó la velocidad máxima de los procesadores, debido al calentamiento que se produce. A partir de ese momento, la mejora de las CPU se consigue incorporando varios núcleos en la CPU.

De esa forma, se puede ejecutar un proceso en cada núcleo. Para PC desktop (PC de escritorio) Intel y AMD tienen procesadores de gama alta de 6 y 8 núcleos. Para servidores, los hay con 32 núcleos.

En cada núcleo, se puede ejecutar un proceso. En muchos procesadores, cada núcleo se divide en 2 hilos de ejecución. Los hilos sirven para que un proceso principal, se subdivida en 2 subprocesos, y cada subproceso se ejecute en cada hilo.

Memoria caché del procesador. Niveles de la memoria caché.

El objetivo de la memoria caché, es acceder menos veces a la RAM. Para ello se guarda en la memoria caché, los datos que se utilizan con mayor frecuencia.

Su éxito se basa en la regla 80/20, que dice que el 20% de los datos se utilizan el 80% de las veces, y viceversa, es decir, el otro 80% de los datos se utiliza el 20% de las veces.

La memoria caché es mucho más rápida que la RAM pero más cara, por ir dentro del procesador.

En los procesadores actuales, hay hasta 3 niveles de caché: L1, L2 y L3 (level 1, 2 y 3)

La memoria L1, es única para el procesador. Se divide en dos, una para datos y otra para instrucciones.

La memoria L2, es por núcleo o para compartir entre algunos núcleos.

La memoria L3 es única para todo el procesador.

Siguiendo la jerarquía de niveles de memoria, sigue ocurriendo que a memoria más rápida, más cara y por tanto menor tamaño:

Tamaño de la memoria caché: L1 < L2 < L3

Velocidad de la memoria caché: L1 > L2 > L3

Precio de la memoria caché: L1 > L2 > L3

Ejemplos:

1. Procesador AMD Phenom 9600 Quadcore tiene tres niveles de caché:

L1: 256 kB + 256 KB. L2 4 × 512 KB y L3 2 MB.

Es decir, un total de 4,5 MB de caché.

(L1 tiene 256KB para datos, 256KB para instrucciones, L2 tiene 512KB para cada núcleo, de los 4 que tiene y L3 son 2 MB para todo el procesador)

2. Intel Core 2 Quad Q6600 tiene L1 y L2:   64 kB + 64 kB y L2 Caché 2 × 4 MB.

Es decir, un total de 8,128 MB de caché.

(L1 tiene 64 KB para datos y 64KB para instrucciones, L2 tiene 4 MB para cada 2 núcleos; ya que tiene 4 núcleos)

Ejemplo de procesador en un ordenador con Linux

Si tenemos Linux instalado, el comando lscpu devuelve las características de la cpu

En la captura, se ve un procesador de 4 núcleos, con 2 hilos de ejecución por núcleo, por tanto 8 hilos de ejecución en total.  Como pueden ejecutar 8 subprocesos, tanto Linux como Windows muestran en esos casos que hay 8 CPU.

Tiene caché L1 32KB + 32KB, L2 de 256KB y L3 6144KB