Microprocesadores (historia y fabricación)

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Microprocesadores (historia y fabricación)

La historia de la electrónica digital arranca a principios del siglo XIX, cuando George Boole, un matemático inglés, desarrolló un sistema lógico basado en variables binarias (es decir, pueden tomar 2 valores, 0 y 1). Posteriormente hubo varios intentos de fabricar dispositivos capaces de efectuar las operaciones desarrolladas por Boole, con el fin de realizar mecánicamente operaciones matemáticas  Las operaciones básicas del álgebra de Boole son las siguientes:

Operación Y (And)
F = A • B

Operación Ó (Or)
F = A + B

Operación Ó Exclusiva (Xor)
F = A + B

Operación NO (Not)
F = ~ A

Con el desarrollo de la electricidad fue posible construir circuitos eléctricos que mediante interruptores cumplieran las funciones del álgebra de Boole.
El circuito eléctrico que permite cumplir la tabla de verdad de la operación Y es el siguiente:

Del mismo modo el siguiente circuito cumple con la tabla de verdad de la función O:

Circuito de relés o relay

Por lo tanto, dado que los circuitos lógicos se pueden construir físicamente mediante interruptores, los primeros circuitos digitales utilizaron interruptores mecánicos movidos a mano. Más tarde, con el desarrollo tecnológico se utilizaron relés, que son dispositivos electromagnéticos, capaces de mover un grupo de contactos.

Antiguas válvulas de vació

Después se utilizaron válvulas de vació, que son dispositivos calefaccionados capaces de controlar la circulación de la corriente eléctrica mediante un campo eléctrico (esta tecnología usaba la primera computadora de uso científico instalada en la Argentina en la Universidad de Buenos Aires, en la facultad de ciencias exactas llamada por los científicos como "Clementina") con el desarrollo de los transistores fue posible construir estos interruptores muy pequeños mediante silicio. Los transistores permitieron ser construidos en una misma base o sustrato dando lugar a la aparición de los circuitos integrados.

En ese momento, cada circuito que se desarrollaba podía ser utilizado para el fin que había sido realizado. Las ventajas características de los circuitos integrados, como bajo consumo, facilidad de reemplazo, etc. hicieron que muchas empresas intentaran el desarrollo de circuitos integrados para funciones especificas (centrales de alarmas), esto resultaba caro dado que su diseño y producción exigía importantes inversiones que solo podían ser recuperadas en base a grandes producciones.
La solución a este problema llegó a principio de los años 70 cuando se crearon circuitos electrónicos digitales programables, es decir, que se empezaron a fabricar circuitos integrados capaces de cumplir las más variadas funciones de acuerdo a distintos programas. Esto constituyó una verdadera revolución en el campo digital, ya que el mismo circuito integrado se podía vender para diferentes usos. Cada usuario debía programarlo de acuerdo a sus necesidades. La historia de la informática estaba signada por el desarrollo de los microprocesadores. Ellos se clasifican y se denominan en función a su ancho de bus de datos medidos en bits, lo que corresponde con la cantidad de información que el microprocesador puede trabajar en paralelo.
También se especifica la cantidad de operaciones básicas que puede realizar medida en ciclos por segundos o Hertz. En la practica solo se fabrican microprocesadores cuyo bus de datos que tenga su ancho igual a los sucesivos valores de las potencias de 2, existen entonces procesadores de 2, 4, 8, 16, 32 y de 64 bits. El primer microprocesador comercial conocido fue fabricado por Intel en 1971, era el 4004. Posee baja capacidad de operaciones aritméticas y lógicas y un reducido conjunto de instrucciones. Se utilizó en pequeños automatismos y juguetes. Contenía 2300 transistores y con una frecuencia de clock de 700 KHz, podía realizar alrededor de 60000 operaciones por segundo.

El primer microprocesador de 8 bits de Intel fue el 8008 lanzado el 1 de abril de 1972, llegaba a la cifra de 3500 transistores, podía realizar 200 mil instrucciones por segundo trabajando a 2 MHz. Para esa misma época, Motorola sacaba el 6800 y Zilog sacaba el Z80. Estas 3 empresas (Intel, Motorola y Zilog) iniciaron una serie de computadoras personales (Personal Computer, hoy conocida como PC)
Los primeros microprocesadores de 16 bits fueron el 8086 y 8088 de Intel. Fueron el inicio de lo que se conoce como arquitectura X86. Estos microprocesadores llegaban a operar a frecuencia de 4 MHz. Motorola sacó para esa época el 68000.
A principios de la década del 80 se lanza al mercado el 80286 que equipaba a las PC IBM AT. Es un microprocesador de 16 bits que contaba con 134.000 transistores y llegaba a operar a velocidades de 25 MHz. Uno de los primeros microprocesadores con arquitectura de 32 bits fue el 80386. Este microprocesador, el ultimo que no requería ni disipador ni ventilador, permitió que Microsoft desarrollara su primer Sistema Operativo con interfaz gráfica (Windows). En sus diferentes versiones llegó a trabajar en el orden de 40 MHz.
Los microprocesadores de 64 bits poseen varios núcleos trabajando en paralelo a una velocidad de 4GHz, es decir, son 1000 veces mas rápidos que el 80386. Poseen alrededor de 700 millones de transistores.

♦ Proceso de fabricación:
El proceso de fabricación de los microprocesadores es muy complejo. Comienza con una buena cantidad de arena (compuesta por silicio) que se funde a altas temperaturas (1800ºC). A partir de un mono cristal de silicio ultra puro se obtiene mediante un proceso de giro y tracción un cilindro de 30 cm de diámetro y un metro y medio de largo de silicio ultra puro.
Este proceso es muy lento con aproximadamente 10 a 40 mm por hora. De este cristal se corta los extremos y se obtiene un cilindro perfecto. De ese cilindro se cortan rodajas llamadas obleas (waffer) que tienen aproximadamente 10 micrones de espesor.

Para este trabajo se utiliza una sierra de diamantes. De cada cilindro se obtiene miles de obleas, y de cada oblea, cientos de microprocesadores. Las obleas son luego pulidas hasta obtener una superficie perfectamente plana, luego se somete a un proceso térmico llamado "Annealing" que permite liberar a las obleas de las tensiones internas producidas durante su procesamiento.
Después se somete a una inspección mediante rayos láser para detectar imperfecciones menores a una milésima de micron, y por ultimo se reciben con una capa aislante formada por oxido de silicio.

Pequeño microprocesador sin pines

Terminado este proceso de preparación se comienza a construir los transistores, diodos y resistores mediante un proceso que consiste básicamente en la impresión de sucesivas máscaras sobre la oblea endurecida mediante luz ultra violeta. Luego serán atacadas por ácidos encargados de remover las zonas no cubiertas por la impresión. Este proceso se repite cientos de miles de veces hasta llegar al chip u oblea, que contiene los circuitos integrados del microprocesador. Los transistores construidos de esta forma tienen un tamaño aproximadamente a 45 nanometros  Solo para comparar el tamaño de los transistores podemos decir que tienen el tamaño equivalente al diámetro de 200 electrones.

Microprocesador con pines

Las salas de empleados para la fabricación de circuitos integrados se denomina salas limpias y poseen filtros absolutos para filtrar el aire, capaces de retener partículas mayores a 0,1 micron. Los trabajadores emplean trajes especiales que impiden que se liberen en el ambiente restos de piel, polvo, pelo, etc. Finalizado el proceso se verifica el funcionamiento de cada microprocesador en forma automática y se marcan aquellos con defectos. Luego los chips son cortados. Ahora cada microprocesador es una placa de unos pocos milímetros sin fines ni capsula protectora. Luego cada una de estas plaquitas serán introducidas en una capsula plástica  y conectada a los pines metálicos que permiten su conexión con el exterior. Estas conexiones se realizan utilizando delgadisimos alambres, generalmente de oro. Luego la capsula es provista de un disipador térmico de metal que servirá para mejorar la transferencia de calor desde el interior del chip hacia el disipador principal. El resultado final es un microprocesador como los que equipan a las computadoras.

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