Las unidades centrales de los primeros computadores (décadas de los años 1940 a 1970) se instalaban en armarios metálicos y utilizaban unos dispositivos electrónicos (válvulas) que ocupaban un gran espacio, consumían una cantidad ingente de energía eléctrica y eran extremadamente caros.
Como ejemplo el primer computador electrónico, ENIAC, contenía cerca de 18.000 válvulas electrónicas, ocupaba una superficie de 167 m2 y pesaba 27,5 toneladas y consumía 160.0000 vatios. Realizaba aproximadamente 300 multiplicaciones y 5.000 sumas por segundo.
En el año 1946 se inventó el transistor, que era un dispositivo que realizaba las mismas funciones de una válvula, pero ocupando mucho menor espacio, consumiendo mucho menos y siendo muchas más barato por poderse producir en grandes series sin apenas intervención humana. Esta invención fue una autentica revolución en todos los ámbitos de la electrónica, como en las aplicaciones de radio y televisión, y esta tecnología fue rápidamente utilizada para construir nuevos computadores.
Pero la evolución no se para en la construcción de transistores individuales (discretos) sino que a finales de la década de los 1950 los investigadores Kilby y Niyce lograron integrar en una pieza de Silicio circuitos completos con varios transistores interconectados convenientemente, surgiendo así la era de la microelectrónica basada en la utilización de circuitos integrados (chips). Como ejemplo de lo anteriormente descrito, ya en 1997 los alumnos de la escuela Moore de Pensilvania hicieron una versión del ENIAC descrito anteriormente integrada en único chip ocupando 7.44mm x 5.29mm e incluyendo 174.569 transistores.
Poco a poco se fue mejorando la tecnología de circuitos, de forma tal que en la actualidad hay circuitos integrados (como el AMD Ryzen) que llegan a integrar hasta 4.800 millones de transistores. Los circuitos integrados han hecho posible, por ejemplo, que dispongamos en nuestros bolsillos de teléfonos inteligentes con una potencia de cálculo extremadamente superior a la del ENIAC.
Desde el punto de vista del procesamiento de datos, existen familias de dispositivos integrados de gran utilidad, algunas de uso general y otras orientadas a ámbitos de aplicación especializados, como son las que a continuación se describen (Figura 7). [6]
Microprocesador
Es un procesador (CPU) de uso general implantado en un circuito integrado (o en un conjunto muy reducido de ellos). Un microprocesador por sí sólo no realiza ninguna función; para funcionar adecuadamente debe estar interconectado a un conjunto de circuitos a los que controla o monitoriza, formando con estos un sistema electrónico digital programable (un computador, por ejemplo)
Microcontrolador
Es un circuito integrado que contiene, total o parcialmente, los cinco elementos básicos de un computador completo (unidad de control, unidad de tratamiento, memoria y puertos de entrada/salida), estando proyectados para aplicaciones de uso específico que incluyen supervisión, monitorización, gestión y control en sistemas tales como aparatos telefónicos, electrodomésticos, instrumentación médica, control de robots, líneas de ensamblado, etc. Los microcontroladores son circuitos esenciales en el desarrollo de Internet de las Cosas. Se diferencian de los microprocesadores en que: (1) contienen en su interior no sólo el procesador sino también otros elementos como puertos de entrada/salida y memoria interna (ampliable externamente), (2) están orientados a aplicaciones específicas de control, y suelen instalarse embebidos dentro del sistema que controlan (máquina de lavar, automóvil, máquina de juegos, impresora, etc.).
Procesador de imágenes (Graphic Processing Unit, GPU) o unidad de procesamiento visual (VPU)
Es un circuito integrado diseñado específicamente especializado para gestionar rápidamente la información contenida en archivos de imágenes y generar a partir de ella las salidas a visualizar en las pantallas. Téngase en cuenta que la información de un archivo de una imagen se encuentra codificada en binario y para visualizarla hay que descomprimirla, decodificarla y recuperar la imagen original para verla en la pantalla. Un vídeo se compone de al menos unas 30 imágenes sucesivas por segundo, y hay que ir decodificando cada una de ellas a tiempo para obtener en la salida la sensación de movimiento continuo. Las GPU se fundamentan en la utilización de técnicas para poder realizar en paralelo (simultáneamente) sus operaciones básicas, y son de gran utilidad en consolas de videojuegos, computadores personales, estaciones de trabajo y teléfonos inteligentes. Las GPU pueden estar insertadas en tarjetas de vídeo o en la placa base de un ordenador o incluso estar incluida en el propio chip de un procesador.
Procesadores digitales de señal (DSP, Digital Signal Proccesors)
Las señales de audio, vídeo, procedentes de sensores (como en el caso de IoT), etc. que se procesan en un sistema digital están constituidas por grandes secuencias o series de muestras generadas a lo largo del tiempo.
Con frecuencia con estas señales es necesario realizar tareas como análisis, eliminación de ruido, detección de errores, transformaciones matemáticas (transformada de Fourier), extracción de patrones (incluyendo reconocimiento del habla), filtrado de señales, compresión de datos, identificación de señales (de sonar o radar, por ejemplo). Para hacer las funciones enumeradas anteriormente, existen algoritmos informáticos muy eficientes pero que necesitan gran potencia de cálculo para ejecutarlos en tiempo real. Los DSP son circuitos que están diseñados específicamente para implementar por hardware las operaciones básicas de esos algoritmos.
Los ámbitos de aplicación de los DSP son muy amplios, pudiéndose programarlos para funciones tales como procesamiento en tiempo real de señales procedentes de redes de sensores, codificación y decodificación de audio o de vídeo, filtrado y ecualización de señales de audio, compresión y decompresión de datos, comunicaciones digitales, etc.
Procesadores de red (NP, Networks Proccesors)
Como se verá en la próxima unidad (Unidad 2.3), en las redes de comunicaciones digitales la información (voz, video, datos) se transfiere en conjuntos (unidades) que pueden ser de distintos tipos (tramas, paquetes o datagramas). La gestión de estas unidades de datos se realiza con dispositivos de red que deben operar en tiempo real y a grandes velocidades lo que ha dado lugar al desarrollo y comercialización de procesadores integrados específicos para redes. Los procesadores de red pueden programarse para realizar eficientemente funciones tales como las siguientes.
- Creación a partir de los datos originales de unidades de datos a transmitir
- Extracción de datos contenidos en unidades de datos.
- Encaminar las unidades de datos a través de la red
- Establecimiento y finalización de sesiones de comunicación.
- Implementación de algoritmos de detección de intrusos y seguridad en la red (cortafuegos, etc.).
- Monitorización del tráfico en la red.
Sistemas en un chip (SoC, Systems on a Chip)
Un sistema en un chip es un sistema digital implementado en un circuito integrado que usualmente contiene todos los componentes básicos de un computador (uno o varios procesadores, memoria interna y secundaria y puertos de entrada/salida) junto con otros elementos para comunicaciones a través de redes (modem de radio para redes celulares, conexión a WiFi, etc.) y unidad de procesamiento de gráficos (GPU). Las instrucciones propias del SoC permiten procesar tanto señales digitales como analógicas, así como señales electromagnéticas en el rango de las radiofrecuencias (Ver un ejemplo en la Figura 9).
Constituyen una alternativa más completa y potente a los microcontroladores.
