▷ Parts d'un processador fora i dins: conceptes bàsics?

Segurament tots coneguem de manera aproximada què és una CPU, però, realment sabem quines són les parts d'un processador? Totes i cadascuna de les principals, les que són necessàries perquè aquest petit quadrat de silici sigui capaç de processar grans quantitats d'informació, sent capaç de traslladar la humanitat a una era on, no tenir sistemes electrònics, seria una completa desastre.

Els processadors formen ja part de les nostres vides quotidianes, especialment de les persones que han nascut en els darrers 20 anys. Moltes han crescut completament barrejades amb la tecnologia, i no diguem ja els petits que porten un Smartphone sota de braç en lloc d'un pa… En tots aquests dispositius, hi ha un element comú anomenat processador, el qual s'encarrega de donar "intel·ligència" a les màquines que ens envolten. Si aquest element no existís, tampoc ho farien els ordinadors, els mòbils, els robots i les cadenes de muntatge, en definitiva, tots tindrien feina… però seria impossible arribar fins on els hem fet, encara no hi ha un món com "Matrix" però tot arribarà.

Índex de continguts

Què és un processador i per què és tan important

En primer lloc, hem de ser conscients que no només un ordinador tien i al seu interior un processador. Tots els dispositius electrònics, tots, tenen al seu interior un element que fa la funció de processador, ja que sigui un rellotge digital, un autòmat programable o un Smartphone.

Però clar, hem de ser conscients també que, en funció de les seves capacitats i per al que estan fabricats, els processadors poden ser més o menys complexos, des de simplement executar una successió de codis binaris per encendre un panell LED, fins gestionar ingents quantitats de informació, fins i tot aprendre d'elles (Machine Learning i Intel·ligència Artificial).

La CPU o Unitat Central de Processament en espanyol, és un circuit electrònic capaç d'executar les tasques i instruccions que conté un programa. Aquestes instruccions estan molt simplificades, i es redueixen a càlculs aritmètics bàsics (sumes, restes, multiplicacions i divisions), a operacions lògiques (AND, OR, NOT, NOR, NAND), i a el control d'entrada / sortida (I / O) dels dispositius.

Llavors és el processador l'element encarregat de realitzar totes les operacions que formen les instruccions d'un programa. Si ens posem en el punt de vista de la màquina, aquestes operacions es redueixen a simples cadenes de zeros i uns, trucades bits, i que representen els estats de corrent / no corrent, formant així estructures lògiques binàries que fins i tot l'ésser humà és capaç de comprendre i programar en codi màquina, assemblador oa través d'un llenguatge de programació de més alt nivell.

Els transistors, els culpables de tot

Els processadors no existirien, al menys tan petits, si no fos pels transistors. Són la unitat bàsica per així dir-ho, de tot processador i circuit integrat. Es tracta d'un dispositiu semiconductor que tanca o obre un circuit elèctric o s'amplifica un senyal. D'aquesta manera, és com podem crear uns i zeros, el llenguatge binari que entén la CPU.

Aquests transistors van començar sent vàlvules de buit, enormes dispositius similars bombetes i capaços de realitzar les commutacions pròpies d'un transistor, però amb elements mecànics en el buit. Ordinadors com l'ENIAC o EDVAC tenien vàlvules de buit en el seu interior en lloc de transistors i eren immensament grans i consumien pràcticament l'energia d'una petita ciutat. Aquestes màquines van ser les primeres amb l'arquitectura Von Neumann.

Però en la dècada de 1950 a 1960 es van començar a crear les primeres CPU amb transistors, de fet, va ser IBM el 1958 quan va crear si primera màquina basada en transistors semiconductors amb l'IBM 7090. Des de llavors l'evolució va ser espectacular, fabricants com Intel i posteriorment AMD van començar a crear els primers processadors per a ordinadors d'escriptori, implementant la revolucionària arquitectura x86, gràcies a la CPU Intel 8086. De fet, encara en l'actualitat, els nostres processadors per a ordinadors d'escriptori es basen en aquesta arquitectura, més endavant veurem les parts de l'processador x86.

Després d'això, l'arquitectura va començar a fer-se cada vegada més complexa, amb xips més petits i més amb la introducció primer de més nuclis al seu interior, i després amb nuclis especialment dedicats a l'processat de gràfics. Fins i tot es va introduir en l'interior d'aquests petits xips uns bancs de memòria ultra ràpida anomenada memòria cau i el bus de connexió amb la memòria principal, la RAM.

Les parts externes d'un processador

Després d'aquest petit repàs a la història dels processadors fins situar-nos en els nostres dies, veurem quins elements externs té un processador actual. Parlem d'elements físics que es poden tocar i que estan a la vista de l'usuari. Això ens ajudarà a comprendre millor les necessitats físiques i de connectivitat d'un processador.

socket

El sòcol o sòcol de la CPU és un sistema electromecànic instal·lat de forma fixa en una placa base que s'encarrega d'interconnectar el processador amb els altres elements de la placa i l'ordinador. Hi ha diversos tipus bàsics de sòcol al mercat ia més amb moltes configuracions diferents. Hi ha tres elements en el seu nom o denominació que ens faran entendre de qual estem parlant:

El fabricant pot ser Intel o AMD tractant-se d'ordinadors personals, això és una cosa simple d'entendre. Pel que fa a el tipus de connexió tenim tres tipus diferents:

• LGA: (matriu de contactes en reixa), vol dir que els pins de contactes estan instal·lats en el propi sòcol, mentre que la CPU només té una matriu de contactes plans. PGA: (matriu de reixeta de pins), és just el contrari a l'anterior, és el processador el que tenen els pins, i el sòcol els buits per introduir-los. BGA: (matriu de reixeta de boles), en aquest cas el processador va directament soldat a la placa base.

Pel que fa a l'últim número, identifica el tipus de distribució o quantitat de pins de connexió que tenen la CPU amb el socket. Hi ha una enorme quantitat d'ells tant a Intel com a AMD.

substrat

El substrat bàsicament és la PCB en on va instal·lat el xip de silici que conté el circuit electrònic dels nuclis, anomenat DIE. En els processadors actuals pot haver més d'un d'aquests elements instal·lats de forma separada.

Però a més aquesta petita PCB conté tota la matriu de pins de connexió amb el sòcol de la placa base, gairebé sempre xapats en or per millorar el traspàs d'electricitat, i amb protecció davant sobrecàrregues i pics de corrent en forma de condensadors.

DIE

El DIE és precisament el quadrat o pastilla que conté tot el circuit integrat i components interns d'un processador. Visualment, es veu com un petit element negre que sobresurt de l'substrat i que fa contacte amb l'element de dissipació de calor.

A causa de que dins d'ell està tot el sistema de processament, el DIE assoleix unes temperatures increïblement altes, així que ha d'estar protegit mitjançant altres elements.

IHS

També es denomina DTS o Difusor tèrmic Integrat, i la seva funció és la de capturar tota la temperatura dels nuclis de l'processador i transferir-la a l'dissipador que aquest element tingui instal·lat. Està fabricat de coure o alumini.

Aquest element és una xapa o encapsulat que protegeix el DIE de l'exterior, i pot estar en contacte directe amb ell mitjançant pasta tèrmica o directament soldat. En equips gaming personalitzats, els usuaris retiren aquest IHS per col·locar dissipadors directament en contacte amb el DIE mitjançant pasta tèrmica en un compost de metall líquid. A aquest procés de la denomina Delidding i el seu propòsit és millorar de forma substancial les temperatures de l'processador.

dissipador

L'element final que s'encarrega de capturar tota la calor possible i transferir-lo a l'atmosfera. Són petits o grans blocs compostos per alumini i una base de coure, proveït de ventiladors que ajuden a refredar tota la superfície mitjançant un corrent d'aire forçada a través de les aletes.

Tot processador de PC, necessita un dissipador per poder funcionar i mantenir sota control les temperatures del mateix.

Doncs aquestes són les parts d'un processador en de forma externa, ara anem a veure la part més tècnica, els seus components interns.

Arquitectura de Von Neumann

Els ordinadors actuals estan basats en l'arquitectura de Von Neumann, que va ser el matemàtic encarregat de donar vida a 1945 als primers ordinadors de la història, ja sabeu, l'ENIAC i els seus altres corpulents amics. Aquesta arquitectura bàsicament és la forma en la que distribueixen els elements o components d'un ordinador perquè sigui possible el seu funcionament. Es compon de quatre parts bàsiques:

• Memòria programes i dades: és l'element on es guarden les instruccions que s'han d'executar en el processador. Es compon de les unitats d'emmagatzematge o discs durs, la memòria RAM d'accés aleatori, i els programes que contenen les pròpies instruccions. Unitat Central de Procés o CPU: es tracta del processador, la unitat que controla i processador tota la informació que vénen des de la memòria principal i dels dispositius d'entrada. Unitat d'entrada i sortida: permet la comunicació amb els perifèrics i els components que estan connectats a la unitat central. Físicament podríem identificar-los com les ranures i ports de la nostra placa base. Busos de dades: són les pistes, vies o cables que connecten físicament els elements En una CPU es divideixen al bus de control, bus de dades i al bus d'adreces.

Processadors multi-nucli

Abans de començar a enumerar els components interns d'un processador, és molt important saber què són els nuclis d'un processador i la seva funció en ell.

El nucli d'un processador és el circuit integrat que s'encarrega de realitzar els càlculs necessaris amb la informació que passa a través d'ell. Cada processador funciona a una determinada freqüència, mesurada en MHz, que indica la quantitat d'operacions que és capaç de realitzar. Doncs bé, els processadors actuals no només tenen un nucli, sinó diversos d'ells, tots ells amb els mateixos components interns i capaços d'executar i resoldre instruccions de forma simultània en cada cicle de rellotge.

Llavors si un processador amb un nucli pot executar una instrucció en cada cicle, si tingués 6, podria executar 6 d'aquestes instruccions en el mateix cicle. Això és una millora de rendiment espectacular, i és precisament el que fan els processadors actuals. Però no només tenim nuclis, sinó també fils de processament, que són com una mena de nuclis lògics pel qual circulen els subprocessos d'un programa.

Visita el nostre article de: què són els fils d'un processador? Diferències amb els nuclis per saber més sobre el tema.

Parts internes d'un processador (x86)

Hi ha multitud d'arquitectures i configuracions diferents de microprocessador, però la que a nosaltres ens interessa és la que està dins dels nostres ordinadors, i aquesta sens dubte és la que rep el nom de x86. Podríem veure-ho directament de forma física o de forma esquemàtica perquè quedés una mica més clar, sapigueu que tot això es troba dins el DIE.

Hem de tenir en compte que la Unitat de control, Unitat aritmeticològica, Registres i FPU estaran presents en cada un dels nuclis de l'processador.

Vegem primer els components interns principals:

Unitat de control

En anglès anomenada conrol Unit o CU, és l'encarregada de dirigir el funcionament de l'processador. Ho fa impartint ordres en forma de senyals de control a la memòria RAM, la unitat aritmètic-lògica i us dispositius d'entrada i sortida perquè sàpiguen com gestionar la informació i instruccions que s'envien a el processador. Per exemple, que recullin dades, duguin a terme els càlculs i emmagatzemen resultats.

Aquesta unitat s'assegura que la resta de component funcionin de forma sincronitzada mitjançant senyals de rellotge i temporització. Pràcticament la totalitat de processadors compten amb aquesta unitat al seu interior, però diguem que està fora del que és el nucli de processament en si mateix. Al seu torn, podem distingir dins d'ell les següents parts:

• Rellotge (CLK): s'encarrega de generar un senyal quadrat que sincronitza els components interns. Hi ha altres rellotges que s'encarreguen d'aquesta sincronia entre elements, per exemple, el multiplicador, que després veurem. Comptador de programa (CP): conté la direcció de memòria de la següent instrucció que es va a executar. Registre d'instruccions (RI): guarda la instrucció que s'està executant seqüenciador i Descodificador: interpreta i executa les instruccions a través d'ordres

Unitat aritmeticològica

Aquesta la coneixeràs segurament per les sigles en anglès "ALU". La ALU s'encarrega de realitzar tots els càlculs aritmètics i lògics amb nombres enters a nivell de bits, aquesta unitat sí que treballa directament amb les instruccions (operands) i amb l'operació que la unitat de control li ha indicat de faci (operador).

Els operands pot venir, bé dels registres interns de l'processador, o directament de la memòria RAM, fins i tot es poden generar en la pròpia ALU com a resultat d'una altra operació. La sortida d'aquesta, serà el resultat de l'operació, sent una altra paraula que serà emmagatzemada en un registre. Aquestes són les seves parts bàsiques:

• Registres d'entrada (REN): guarden en ells els operands que es van a avaluar. Codi d'operació: la CU envia l'operador perquè l'operació serà realitzada Acumulador o Resultat: de l'ALU surt el resultat de l'operació com una paraula binària Registre d'estat (Flag): emmagatzema diferents condicions a tenir en compte durant l'operació.

Unitat de coma flotant

La coneixeràs com FPU o Floating Point Unit. Bàsicament és una actualització duta a terme dels processadors de nova generació que s'especialitza en el càlcul d'operacions en coma flotant mitjançant un coprocessador matemàtic. Hi unitats que fins i tot poden arribar a realitzar càlculs trigonomètrics o exponencials.

Bàsicament és una adaptació per augmentar el rendiment dels processadors en el processament de gràfics on els càlculs a realitzar amb molt més pesats i complexos que en els programes normals. En alguns casos, les funcions de la FPU les realitza la pròpia ALU mitjançant un microcodi d'instrucció.

Registres

El processadors actuals compten amb un sistema propi d'emmagatzematge, per així dir-ho, i la unitat més petita i ràpida són els registres. Bàsicament es tracta d'un petit magatzem on s'emmagatzemen les instruccions que s'estan processat i els resultats obtinguts d'elles.

memòria cau

El següent nivell d'emmagatzematge és la memòria cau, que també és una memòria extremadament ràpida, molt més que la memòria RAM que s'encarrega d'emmagatzemar les instruccions que seran imminentment usades pel processador. O al menys intentarà emmagatzemar les instruccions que creu que serà usades, ja que de vegades no hi ha més remei que demanar-les directament des de la memòria RAM.

La memòria cau dels processadors actuals està integrada en el mateix DIE de el processador, i es divideix en un total de tres nivells, L1, L2 i L3:

• Memòria cau de nivell 1 (L1): és la més petita després dels registres, i la més ràpida de les tres. Cada nucli de processament té la seva pròpia memòria cau L1, que al seu torn està dividida en dues, la L1 Data que s'encarrega d'emmagatzemar les dades, i l'L1 Instruction, que emmagatzema les instruccions a dur a terme. Sol ser de 32KB cadascuna d'elles. Memòria cau de nivell 2 (L2): aquesta memòria és més lenta que la L2, encara que també més gran. Normalment, cada nucli té la seva pròpia L2 que pot ser d'uns 256 KB, però en aquest cas no està integrada directament al circuit de el nucli. Memòria cau de nivell 3 (L3): és la més lenta de les tres, encara que molt més ràpida que la memòria RAM. També està situada fora dels nuclis i està repartida entre diversos nuclis. Oscil·la entre els 8 MB i els 16 MB, encara que en CPU de molt potents arriba fins a 30 MB.

Busos d'entrada i sortida

El bus és el canal de comunicació entre els diferents elements que formen un ordinador. Són les línies físiques per on circulen les dades en forma d'electricitat, les instruccions i tots els elements necessaris per processar. Aquests busos es poden situar directament dins el processador o fora d'ell, a la placa base. Hi ha tres tipus de busos en un ordinador:

• Bus de dades: segurament el més senzill d'entendre, perquè és el bus per on circulen les dades que envien i reben els diferents components, cap o des del processador. Això vol dir que és un bus bidireccional i pel circularan paraules amb una longitud de 64 bits, la longitud que el processador és capaç de manejar. Un exemple de bus de dades són les LANES o Línies PCI Express, que comuniquen la CPU amb les ranures PCI, per exemple, per a una targeta gràfica. Bus d'adreces: pel bus d'adreces no circulen dades, sinó adreces de memòria per ubicar on són les dades emmagatzemades a la memòria. La memòria RAM és com un gran magatzem de dades dividit en cel·les, i cadascuna d'aquestes cel·les té la seva pròpia direcció. Serà el processador el que demani a la memòria la dada mitjançant l'enviament d'una adreça de memòria, aquesta direcció ha de ser tan gran com cel·les tingui la memòria RAM. Actualment un processador pot adreçar adreces de memòria de fins a 64 bits, és a dir, podríem gestionar memòries de fins a 2 ⁶⁴ cel·les. Bus de control: el bus de control és l'encarregat de gestionar els dos busos anteriors, mitjançant senyals de control i temporització per fer un ús sincronitzat i eficient de tota la informació que circular des de o cap al processador. Seria com la torre de control aeri d'un aeroport.

BSB, unitat d'entrada / sortida i multiplicador

És important saber que els processadors actuals no compten amb el tradicional FSB o Bus Frontal, el qual servia per comunicar el CPU amb la resta d'elements de la placa base, per exemple, chipset i perifèrics a través del pont nord i el pont sud. Això es deu al fet que el mateix bus s'ha introduït dins de la CPU com una unitat d'administració de dades d'entrada i sortida (I / O) que comunica directament la memòria RAM amb el processador com si d'l'antic pont nord es tractés. Tecnologies com HyperTransport d'AMD o HyperThreading d'Intel s'encarreguen de gestionar l'intercanvi d'informació en els processadors d'alt rendiment.

El BSB o Back Side Bus és el bus que s'encarrega de connectar el microprocessador amb la seva pròpia memòria cau, normalment la de L2. D'aquesta manera es pot alliberar el Bus Frontal de prou càrrega, i així apropar encara més la velocitat de les memòries cau a la velocitat de l'nucli.

I finalment tenim els multiplicadors, que són una sèrie d'elements ubicats dins o fora de l'processador que s'encarreguen de mesurar la relació entre el rellotge de la CPU i el rellotge dels busos externs. A hores d'ara sabem que la CPU està connectada amb elements com la memòria RAM, el chipset i altres perifèrics a través de busos. Gràcies a aquests multiplicadors, és possible que la freqüència de la CPU sigui moltíssim més ràpida que els busos externs, per així ser capaç de processar més dades.

Un multiplicador de x10 per exemple, permetrà que un sistema que treballi a 200 MHz, ho faci en la CPU a 2000 MHz. En els processadors actuals, podem trobar unitats amb el multiplicador desbloquejat, això vol dir que podrem augmentar la seva freqüència i així la seva velocitat de processament. D'això en diem overclocking.

IGP o targeta gràfica interna

Per finalitzar amb les parts d'un processador no podem oblidar-nos de la unitat de gràfics integrats que alguns d'ells porten. Abans hem vist el que és una FPU, i en aquest cas estem davant alguna cosa similar, però amb molta més potència, ja que bàsicament són una sèrie de nuclis capaços de processar de forma independent els gràfics del nostre equip, que a efectes matemàtics, són una quantitat massiva de càlculs en coma flotant i renderitzat de gràfics que saturaria molt en processador.

El IGP fa la mateixa funció que una targeta gràfica externa, la qual instal·lem sobre la ranura PCI-Express, només que a una escala o potència menor. S'anomena Integrated Graphics Processor perquè és un circuit integrat instal·lat en el mateix processador que alleuja d'aquesta sèrie de complicats processos a la unitat central. Serà d'utilitat quan no tinguem targeta gràfica, però per ara, no compta amb un rendiment comparable a aquestes.

Tant AMD com Intel tenen unitats que integren IGP a la CPU, passant així a denominar-APU (Accelerated Processing Unit). Un exemple d'això, són gairebé tots els Intel Core de la família i, juntament amb els AMD Athlon i alguns Ryzen.

Conclusió sobre les parts d'un processador

Doncs vam arribar a la fi d'aquest llarg article on veiem de forma més o menys bàsica quines són les parts d'un processador, tant des del punt de vista extern com intern. La veritat és que és un tema molt interessant però endimoniadament complex i llarg d'explicar, els detalls s'escapen a la comprensió de gairebé tots els que no estiguem immersos en les cadenes d'acoblament i fabricants d'aquest tipus de dispositius.

Ara et deixem amb uns quants de tutorials que et poden resultar interessants.

Si tens alguna pregunta o vols aclarir alguna qüestió de l'article, et convidem a que ho escriguis en la caixa de comentaris. Sempre és bo poder comptar amb l'opinió i saviesa dels altres.