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Unidad 4. PROCESADORES

  1. Definición

  2. Diagrama de bloques

  3. Características

  4. Disipación de calor CPU

  5. Generaciones recientes de Intel

  6. Generaciones recientes de AMD

  7. Procesador Apple M1

  8. Gráficas en procesadores

  9. Identificar CPU por línea de comandos

1. Definición de procesador

Es el componente principal del ordenador, dirige y controla el resto de componentes, decodifica y ejecuta las instrucciones de los programas cargados en la RAM. Es un circuito integrado o chip, formado por millones de transistores .

No solo se encuentra en ordenadores, también se encuentra en teléfonos móviles, electrodomésticos, consolas, etc.

2. Diagrama de bloques CPU

En las CPU actuales pueden ser de varios núcleos y se añaden, con respecto a la arquitectura Von Neumann, los siguientes elementos:

3. Características de la CPU

3.1 Núcleos

Los procesadores antiguos eran single core , en los microprocesadores modernos suelen existir más de un núcleo ( core ) de procesamiento. Cada núcleo es un pequeño microprocesador independiente dentro del mismo microprocesador.

Cada núcleo se compone de su propia Unidad de Control (UC), Unidad Aritmético-lógica(ALU), Unidad de Punto Flotante (UPF), Registros y los primeros niveles de Memoria Caché (L1 y L2).

Gracias a los núcleos, el microprocesador será capaz de realizar a la vez una tarea (ciclo de instrucción) por cada núcleo que posea. De esta manera el sistema responderá de manera más cómoda aunque una tarea monopolice uno de los núcleos. Como regla general, a mayor número de núcleos, los microprocesadores presentan mejores prestaciones.

¿Núcleo físico VS núcleo lógico? Simultaneous Multi Threading (SMT) de AMD vs Hyper Threading de Intel https://hardzone.es/2018/08/11/importante-no-confundir-hilos-nucleos/

No confundir varios cores con sistemas multiprocesador

3.2 Velocidad de reloj

También llamada frecuencia de funcionamiento, se refiere al número de operaciones que la CPU puede realizar en un solo segundo.

Viene dada por la velocidad del reloj y se mide en megahercios o gigahercios (1 GHz = 1000 MHz).

Por ejemplo una CPU con una velocidad de reloj de 3,2 GHz ejecuta 3.200 millones de ciclos por segundo.

¿Es más rápido en ejecutar una instrucción un procesador de 10GHz que uno de 5 GHz?

3.3 Transistores.

Los procesadores actuales están compuestos por millones de transistores.

Número de transistores

Ley de Moore(1965). El número de transistores por unidad de superficie en circuitos integrado se duplicará cada año

Falta video

Litografía

El proceso de fabricación o litografía se mide en nanómetros (para poneros en perspectiva de lo pequeño que es esto, un nanómetro son 10^-7 centímetros, o lo que es lo mismo, 0,0000001 centímetros), y es precisamente el tamaño de los transistores . Así pues, un proceso de 14 nm significa que cada transistor mide 14 x 10^-7 centímetros.

Esto significa que en comparación, en el proceso de 7 nm se puede meter literalmente el doble de transistores que con el proceso de 14 nm en la misma unidad de superficie. EL efecto de poder meter un mayor número de transistores en el mismo espacio repercute en el rendimiento y en la eficiencia energética, así que tener una litografía menor implica que el procesador será más potente y más eficiente .

3.4 Thermal Design Power. TDP

La Potencia de Diseño Térmico o TDP representa la potencia media, en vatios, que el procesador disipa cuando funciona a Frecuencia Base con todos los núcleos activos bajo una carga de trabajo de alta complejidad.

Un procesador con un TDP de 95W, se espera que genere un valor de 95W de calor cuando está en 100% de su uso.

El TDP no es una medida directa de cuánta potencia consumirá un componente, pero si que es una buena aproximación.

3.5 Memoria caché

3.6 Die Shot - Die Map

https://en.wikichip.org/wiki/WikiChip

3.7 Conjunto de instrucciones

El conjunto de instrucciones que un procesador soporta definirá qué aplicaciones entiende y por tanto cuales puede llegar a ejecutar.

Tipos:

¿Es más rápido en ejecutar una instrucción un procesador de 10GHz que uno de 5 GHz?

Una CPU de hace cinco años con una velocidad de reloj más alta puede ser superada por una nueva CPU con una velocidad de reloj más baja, ya que la nueva arquitectura maneja las instrucciones con mayor eficacia. Un procesador Intel® serie X puede superar a un procesador serie K con una velocidad de reloj más alta, ya que divide las tareas entre más núcleos y posee una caché de CPU mayor. Pero dentro de la misma generación de CPU, un procesador con una velocidad de reloj más alta por lo general superará en muchas aplicaciones a un procesador con una velocidad de reloj más baja. Por eso es importante comparar procesadores de la misma marca y generación.

3.8 Arquitectura de 32 y 64 bits

Cuando hablamos de 32 y 64 bits no solo se refieren al tipo CPU sino también al sistema operativo, los drivers y el software. Todos ellos tiene que utilizar una misma arquitectura. De esta manera todos los componentes hablan “el mismo idioma”, y pueden funcionar correctamente los unos con los otros.

Un procesador de 32 bits puede leer, mantener y operar con 32 bits de datos a la vez, mientras que un procesador de 64 bits puede hacer las mismas operaciones que el de 32 bits, así como las de 64 bits. La capacidad de trabajar con más bits a la vez obtiene como resultado una computación mucho más rápida, independientemente de la velocidad de reloj (Mhz) de la CPU.

Las arquitecturas de 64 bits son capaces de manejar mucha más memoria RAM que las de 32.

Buscar limitación de memoria en Windows 32 y 64 bits

3.9. Temperatura

El procesador debe mantenerse siempre a una buena temperatura. Esto no solo prolongará su vida útil, sino que hará que el equipo tenga un mejor rendimiento y funcione de una manera más silenciosa.

** Parámetros de temperatura**

4 Buses del sistema

4.1 FSB - Front Side Bus

4.2 HT - HyperTransport

4.3 QPI - QuickPath Interconnect

Comparación FSB vs QPI

4.4 DMI - Direct Media Interface

DMI v1

DMI v2

DMI v3

2015

Conecta procesador con PCH

3.96 GB/s with a ×4 link

DMI v4

5. Refrigeración. Disipación de calor en las CPU

El objetivo primordial del sistema de refrigeración instalado en un ordenador es conseguir que los componentes, como la CPU o el procesador gráfico, trabajen en todo momento dentro de su rango admisible de temperatura.

Actualmente los métodos de refrigeración más habituales son la refrigeración por aire y refrigeración líquida.

5.1 Elementos comunes el los sistemas de refigeración

IHS.

El IHS o Integrated Heat Spreader, es el encapsulado de la CPU. Aquí comienza todo, ya que es el primer elemento que está en contacto con los núcleos del procesador, los que realmente generan el calor del componente electrónico.

Está fabricado normalmente en cobre electrolítico con un baño de níquel, y algunos procesadores puede estar directamente soldado al DIE para eliminar la resistencia térmica al mínimo.

Pasta térmica

Es el elemento que mayor resistencia térmica hace en el conjunto del disipador. Es muy importante tener una buena pasta térmica en chips potentes, ya que su conductividad será mayor. La función de la pasta térmica es mejorar todo lo posible, la unión entre el IHS y DIE (método difícil de aplicar) y entre el IHS bloque frío del disipador(método fácil)

Conductividad térmica: Se mide en W/mK → Watios/metro- kelvin

La conductividad térmica de una pasta de cierta calidad es de 8,5 W/mK, la conductividad térmica del cobre es de 385 W/mK o la del aluminio es de 205 W/mK. Según estos números las pastas térmicas no son muy buenas conductoras del calor, razón por la que es recomendable poner una capa lo más fina posible, pues su objetivo es meramente rellenar las micro imperfecciones de las superficies del IHS y el disipador.

https://www.youtube.com/watch?v=j5yXDIno51I

5.2 Refrigeración por aire

Bloque frio

El bloque frío es la base del disipador que entra en contacto directamente con la pasta térmica. Normalmente es más grande que el propio IHS, para asegurar la máxima recepción y transferencia de calor.

Heat Pipes.

Son tuberías de un material de alta conductividad que encierra en su interior un líquido con unas propiedades muy concretas, cuya finalidad es lógicamente disipar el calor mediante una transferencia por conductividad térmica, o lo que es igual, traspasar el calor generado del componente electrónico y disiparlo en un radiador de aletas de aluminio.

El extremo del cilindro con el fluido, reposa sobre un generador de calor.

La superficie del HeatPipe transmite el calor al fluido activo, el cual aumenta su temperatura y comienza a evaporarse.

El líquido evaporado asciende hasta la sección de condensación, que será donde se libera el calor del fluido (se enfría), y este se condensa, volviendo a estado líquido.

El fluido activo vuelve hacia la zona de evaporación debido a la gravedad.

Radiador de aletas.

Hablamos del disipador propiamente dicho y suelen estar hechos de aluminio.

Ventilador

Crean un flujo de aire a gran velocidad para que la convección, en lugar de ser natural, sea forzada y elimine más calor del metal. Es el único dispositivo activo del conjunto y debe de ir conectado a la alimentación.

Tipos de disipadores por aire

Tipos de refrigeración por aire:

**Disipadores de serie. ** Los que traen de serie los procesadores.

**Disipador de torre. ** Los que hemos revisado.

Disipador de perfil bajo. Para cajas estrechas y espacios reducidos

5.2 Refrigeración líquida

La refrigeración líquida o watercooling es una técnica de enfriamiento que utiliza líquido refrigerante como medio refrigerante.

Tipos de sistemas:

Sistemas compactos (All In One - AIO) . También conocidos como todo en uno, ocupan menos espacio dentro de la caja, son más baratos y también resultan más fáciles de instalar, pero a cambio, su eficacia refrigerante suele ser menor.

Sistema avanzados o personalizables (Custom) . Incorporan más elementos, más caros y su instalación es más laboriosa, pero pueden ofrecernos una mayor capacidad refrigerante

Bloque de agua o placa refrigerante

Es el elemento que va colocado directamente sobre la pasta térmica de nuestro ordenador. Incorpora un disipador, habitualmente de aluminio o cobre debido a su elevado índice de termoconductividad, y por su interior circula el líquido refrigerante. La transferencia de la energía térmica del disipador integrado en el microprocesador al disipador del bloque de agua se efectúa mediante el mecanismo de conducción. Y el transporte del calor desde este último disipador al líquido refrigerante que circula por el interior del bloque de agua se lleva a cabo mediante el efecto de convección.

Bomba

Es el componente que se responsabiliza de suministrar al líquido refrigerante la presión necesaria para propiciar que éste se desplace a lo largo de todo el circuito de refrigeración.

Depósito

Recipiente que contiene buena parte del volumen del líquido de refrigeración.

Con frecuencia la bomba y el depósito están adosados, dando forma a un único componente.

Líquido refrigerante

Es el fluido en estado líquido que se encarga de transportar la energía térmica a lo largo del circuito. Su composición puede variar si comparamos el líquido de varias marcas, pero muchas de ellas suelen usar etilenglicol, que es un compuesto químico orgánico utilizado con frecuencia como anticongelante, y un aditivo que le da color para evitar que pueda ser bebido por accidente. Además, el aditivo tiene una función decorativa porque da al líquido un color que puede encajar bien con los tonos de la iluminación LED instalada en la caja y el sistema de refrigeración.

Radiador

Elemento metálico (normalmente de aluminio) por cuyo interior circula el líquido refrigerante y a cuya superficie están adosados uno o varios ventiladores. El movimiento de las palas de estos últimos desplaza el caudal de aire necesario para provocar la transferencia de energía térmica desde el líquido refrigerante que circula por el interior del radiador al aire mediante convección. Como resultado de este proceso la temperatura del líquido refrigerante se reduce y la del aire circundante se incrementa, por lo que debe ser expulsado fuera del chasis del PC.

Tubos y manguitos (Tubing):

Son los conductos, normalmente de policloruro de vinilo (PVC) u otro derivado del plástico, por cuyo interior circula el líquido refrigerante a lo largo de todo el circuito. Pueden ser flexibles o rígidos. Los primeros son más fáciles de instalar que los segundos, pero también suelen ser menos duraderos.

Racores

Se colocan en las entradas y salidas de los diferentes componentes del circuito y son los que se emplean para asegurar el tubing a dichos componentes.

Ventilador:

Va adosado sobre la superficie del radiador con el propósito de desplazar el caudal de aire necesario para optimizar el intercambio de energía térmica entre el líquido refrigerante y el aire.

Falta video

6. Procesadores Intel

6.1 Generaciones Intel

https://en.wikipedia.org/wiki/IntelCore

6.2 Identificación procesadores Intel

https://www.intel.la/content/www/xl/es/processors/processor-numbers.html

https://www.muycomputer.com/2020/04/09/catalogo-de-procesadores-intel/

7. Procesadores AMD (x86-64)

7.1 Generaciones AMD

K8 core architecture

Opteron ( SledgeHammer ) (2003)

Athlon 64 FX ( SledgeHammer ) (2003)

Athlon 64 ( ClawHammer / Newcastle ) (2003)

Mobile Athlon 64 ( Newcastle ) (2004)

Athlon XP-M ( Dublin ) (2004) Note: AMD64 disabled

Sempron ( Paris ) (2004) Note: AMD64 disabled

Athlon 64 ( Winchester ) (2004)

Turion 64 ( Lancaster ) (2005)

Athlon 64 FX ( San Diego ) (1st half 2005)

Athlon 64 ( San Diego / Venice ) (1st half 2005)

Sempron ( Palermo ) (1st half 2005)

Athlon 64 X2 ( Manchester ) (1st half 2005)

Athlon 64 X2 ( Toledo ) (1st half 2005)

Athlon 64 FX ( Toledo ) (2nd half 2005)

Turion 64 X2 ( Taylor ) (1st half 2006)

Athlon 64 X2 ( Windsor ) (1st half 2006)

Athlon 64 FX ( Windsor ) (1st half 2006)

Athlon 64 X2 ( Brisbane ) (2nd half 2006)

Athlon 64 ( Orleans ) (2nd half 2006)

Sempron ( Manila ) (1st half 2006)

Sempron ( Sparta )

Opteron ( Santa Rosa )

Opteron ( Santa Ana )

Mobile Sempron

Zen core architecture (2017-actualidad)

Zen ** series CPUs and APUs** (released 2017)

Summit Ridge Ryzen 1000 series (desktop)

Whitehaven Ryzen Threadripper 1000 series (desktop)

Raven Ridge Ryzen 2000 APU series with RX Vega (desktop & laptop)

Naples EPYC (server)

Zen+ ** series CPUs and APUs** (released 2018)

Pinnacle Ridge Ryzen 2000 series (desktop)

Colfax Ryzen Threadripper 2000 series (desktop)

Picasso Ryzen 3000 APU series with RX Vega (desktop & laptop)

Zen 2 ** series CPUs and APUs** (released 2019)

Matisse Ryzen 3000 series (desktop)

Castle Peak Ryzen Threadripper 3000 series (desktop)

Renoir Ryzen 4000 APU series with RX Vega (desktop & laptop)

Lucienne Ryzen 5000 APU series (laptop)

Rome EPYC (server)

Zen 3 ** series CPUs and APUs** (released 2020)

Vermeer Ryzen 5000 series (desktop)

Cezanne Ryzen 5000 series (laptop)

Milan Epyc (server)

https://en.wikipedia.org/wiki/Epyc

https://en.wikipedia.org/wiki/TableofAMDprocessors

Zen core architecture (2017-actualidad)

Zen ** series CPUs and APUs** (released 2017)

Summit Ridge Ryzen 1000 series (desktop)

Whitehaven Ryzen Threadripper 1000 series (desktop)

Raven Ridge Ryzen 2000 APU series with RX Vega (desktop & laptop)

Naples EPYC (server)

Zen+ ** series CPUs and APUs** (released 2018)

Pinnacle Ridge Ryzen 2000 series (desktop)

Colfax Ryzen Threadripper 2000 series (desktop)

Picasso Ryzen 3000 APU series with RX Vega (desktop & laptop)

Zen 2 ** series CPUs and APUs** (released 2019)

Matisse Ryzen 3000 series (desktop)

Castle Peak Ryzen Threadripper 3000 series (desktop)

Renoir Ryzen 4000 APU series with RX Vega (desktop & laptop)

Lucienne Ryzen 5000 APU series (laptop)

Rome EPYC (server)

Zen 3 ** series CPUs and APUs** (released 2020)

Vermeer Ryzen 5000 series (desktop)

Cezanne Ryzen 5000 series (laptop)

Milan Epyc (server)

https://en.wikipedia.org/wiki/Epyc

https://en.wikipedia.org/wiki/TableofAMDprocessors

7.1 Identificación procesadores AMD

https://glennsqlperformance.com/2020/07/22/understanding-amd-processor-names/

https://www.profesionalreview.com/2019/08/26/procesador-amd-modelos/

8. Procesador Apple

Modelo Lanzamiento Proceso Frecuencia Max (GHz) Núcleos
CPU
Nucleos
GPU
TDP(W) Socket
M2 Q2’22 5 nm 3,49 8 (4+4) 10 22  
M1 Q4’20 5 nm 3.2 8 (4+4) 7 u 8 15  
M1 PRO Q3’21 5 nm 3.2 10 (8+2) 16 60  
M1 MAX Q3’21 5 nm 3.2 10 (8+2) 32 60  
M2 Q2’22 5 nm 3.5 4 (4+4) 10 20  
M2 max Q1’23 5 nm 3.7 12 (10+4) 38 40  

9. Gráficos del procesador -

9.1 Intel

Gráficos del procesador hace referencia a gráficos que están físicamente en el encapsulado del procesador o integrados en la pieza del procesador.

Las tarjetas gráficas integradas en placas base ya no se incorporan en estas desde hace varios años.

Se requiere un puerto de video en la motherboard para funcionar.

Gen 12 y 13: Intel® UHD Graphics 770

Gen 11: Intel® Iris® Xe Graphics

Gen 10: UHD Intel® 630

9.2 APU - AMD

El término APU (Accelerated Processing Unit) hace referencia a una clase de procesadores de AMD, en los que se incorpora núcleos gráficos a los núcleos de computación.

10 Identificar CPU por línea de comandos

Windows: CMD → wmic cpu get caption, deviceid, name, numberofcores, maxclockspeed, status

Linux: Terminal→ $ cat /proc/cpuinfo

11. Compatibilidad placas base con procesadores

https://compatibleproducts.intel.com/ProductDetails?activeModule=Desktop%20and%20Workstation%20Processors&Lang=es-xl

Bibliografía

Libro Montaje y Mantenimiento de Equipos Editorial: McGraw Hill

https://sites.google.com/site/itachiiuchiiha1304/buses?tmpl=%2Fsystem%2Fapp%2Ftemplates%2Fprint%2F&showPrintDialog=1

https://www.intel.es/content/www/es/es/gaming/resources/cpu-clock-speed.html

https://hardzone.es/tutoriales/rendimiento/factores-caracteristicas-rendimiento-procesador/

https://www.visualcapitalist.com/visualizing-moores-law-in-action-1971-2019/

https://hardzone.es/reportajes/que-es/ley-de-moore/

https://ark.intel.com/content/www/us/en/ark/products/208078/intel-core-i5-1145gre-processor-8m-cache-up-to-4-10-ghz.html

https://www.profesionalreview.com/2018/05/13/que-es-el-tdp/

https://www.aboutespanol.com/que-es-el-conjunto-de-instrucciones-de-un-procesador-841124

https://www.sololinux.es/32-bits-vs-64-bits-diferencias-y-como-identificar-en-la-cpu/

https://www.ozeros.com/2012/05/arquitectura-ivy-bridge-22nm-transistores-3d-y-hd-4000/

https://hardzone.es/2018/06/17/thermal-throttling-solucion/

https://hardzone.es/tutoriales/rendimiento/tipos-disipadores-mejor/

https://www.profesionalreview.com/disipadores/

https://hardzone.es/2018/03/18/componentes-refrigeracion-liquida-circuito-abierto/

https://www.xataka.com/componentes/refrigeracion-liquida-que-como-funciona-cuando-merece-pena-apostar-ella-para-propulsar-nuestro-pc

https://hardzone.es/reportajes/comparativas/intel-hyperthreading-amd-smt/

https://hardzone.es/tutoriales/componentes/procesadores-hedt-mainstream-diferencias/

https://www.intel.es/content/www/es/es/gaming/resources/cpu-cooler-liquid-cooling-vs-air-cooling.html

Modelo Lanzamiento Proceso Frecuencia (GHz) Núcleos TDP(W) Socket Portátil