Recepción: diciembre 15, 2023
Aprobación: abril 18, 2024
Resumen: En esta investigación, se examinan las variables importantes y componentes, arquitectura y conjunto de instrucciones para microprocesadores diseñados entre 1970 y 2022. La manera en la que están construidos los microprocesadores ha evoluciona al transcurrir el tiempo, este trabajo muestra de qué manera han avanzado las tecnologías implementadas en estos con el paso de los años y analizar en que áreas se implementan para automatizar y facilitar los procesos en estas.
Palabras clave: Microprocesador, Procesadores, Nuevas Tecnologías, Revisión de Literatura.
Abstract: This work analyzed the main factors, components, architecture, and instructions for microprocessors designed between 1970 and 2022. Although the way microprocessors are built has changed over the years, in work presented, we investigate the technological advancements of microprocessors and analyze which areas are implemented to automatize and make the processes most accessible.
Keywords: Microprocessor, Processors, New Technologies, Literature Review.
1. Introducción
A lo largo de la evolución de la humanidad, el microprocesador ha adquirido una importancia fundamental como una herramienta esencial en la sociedad; tan esencial como lo fueron el martillo, pala o hasta el fuego de los primeros hombres. Estas invenciones, aunque primitivas, permitieron la evolución e integración de la especie como hoy se conoce. Paradójicamente, los utensilios mencionados se crearon hace miles de años y el primer procesador, el Intel 4004, se fabricó apenas en 1971, contenía 2,300 transistores y 4 bits; con la capacidad de realizar 60,000 operaciones lógicas por segundo [1].
Es importante conocer cómo a través de los años ha evolucionado este circuito informático, y cómo ha cambiado para satisfacer las necesidades que se requieren hoy en día, ya sea soportar software de edición, algoritmos matemáticos, lenguajes de programación, gestión en servidores, etc. Un fenómeno importante es la complejidad cada vez mayor de las aplicaciones informáticas, también llamadas por su término en inglés: apps. Esta tendencia se debe principalmente al alto rendimiento de las apps y a las grandes exigencias de los usuarios finales.
Acerca del aumento en el rendimiento de los microprocesadores, quizá pueda explicarse con lo observado por el científico estadounidense Gordon Moore mientras trabajaba en Fairchild Semiconductor, que la cantidad de transistores en un microchip se duplicaba cada año. Por lo que en 1965 pronuncia lo que se conoce en el mundo de la computación como Ley de Moore [2], que afirma lo anterior, (la cantidad de transistores en un microchip se duplica cada año). Moore cofundó Intel Corporation y su Ley (que no es una ley en el sentido estricto), se transformó en el motor principal que impulsó la revolución tecnológica de semiconductores en Intel y otras compañías.
Hablando técnicamente, el aumento del rendimiento de los sistemas informáticos es posible gracias a una serie de factores: (1) las tecnologías de chips (microprocesadores) actuales pueden integrar varios cientos de millones de transistores. Además, estos transistores pueden sincronizarse a frecuencias cada vez mayores (a lo que coloquialmente se le llama ser más rápido); (2) los arquitectos informáticos desarrollan técnicas microarquitectónicas avanzadas para aprovechar esta enorme cantidad de transistores. Como tal, impulsan aún más el rendimiento de los microprocesadores; (3) los compiladores actuales pueden generar código altamente optimizado [3].
El funcionamiento de los sistemas de cualquier computadora —y muchos otros dispositivos como teléfonos inteligentes, tabletas, televisores y cualquier aparato que utilice Internet de las Cosas (Internet of Thing, abreviado IoT)— depende de la fiabilidad de los componentes electrónicos que gestionan el control y procesamiento de datos, principalmente la Central Processing Unit o CPU —el microprocesador—. Lo anterior influye en los factores clave en el diseño de microprocesadores actuales y futuros. Al día de hoy no es posible crear un microprocesador basado en la intuición, la experiencia y reglas generales se requieren evaluaciones de rendimiento detalladas a través de simulaciones para caracterizar el desempeño de una arquitectura en una gran cantidad de aplicaciones. El tiempo total de diseño de un microprocesador complejo puede llevar hasta siete años [4].
Por lo anterior, se analizaron las actuales tecnologías que incorporan los microprocesadores y cuáles son sus principales características para así tomar la mejor decisión en una futura compra. El objetivo de esta investigación es analizar y discutir la literatura de investigación publicada de 2018 a 2022, referente a la evolución de los microprocesadores. En los siguientes apartados se encontrarán publicaciones previas realizadas por otros investigadores, estas son revisiones sistemáticas de literatura, estados del arte, mapeos sistemáticos, reviews o surveys sobre el campo de investigación tratado; a continuación, se indica la metodología utilizada en esta revisión sistemática de literatura; posteriormente se muestran una tabla de clasificación de los estudios analizados, a manera de resultados; y finalmente se encuentran las conclusiones.
2. Investigaciones previas
Existen informes de investigación publicados sobre la evolución del microprocesador, su diseño, rendimiento y temas relacionados, gracias al crecimiento y desarrollo de las tecnologías de la información y la era digital que se vive permiten un amplio campo de investigación en el área. Para este estudio se realizó una búsqueda del estado del arte, que permitió evidenciar en qué nivel se ha incursionado sobre este eje temático. Como se observa en la Tabla 1, se dispuso de 12 investigaciones de revisiones de literatura, las cuales están organizadas en orden ascendente por año de publicación.
En la Tabla 1 se analizan 12 informes de investigación acerca de la evolución de los microprocesadores, publicados entre 1987 y 2020. Se observa que se han estudiado tanto procesadores reales como hipotéticos; CPU de la década de lo 70 y 80, hasta los actuales; tecnologías RISC y CISC. El análisis consta de chips que hacían operaciones rudimentarias, hasta otros para el reconocimiento facial y gestual.
3. Metodología
Para este estudio, se adoptó un enfoque cualitativo de nivel exploratorio, combinando diseño de campo y método documental. Se llevó a cabo una exhaustiva búsqueda en múltiples bases de datos, incluyendo Scholar Google, Elsevier, Springer e IEEE Xplore, con el fin de recopilar artículos, tesis, libros y resúmenes provenientes de diversas fuentes, como editoriales universitarias, asociaciones profesionales y repositorios de universidades. La búsqueda se limitó al período comprendido entre 2018 y 2022, centrándose en términos clave como "Microprocesadores", "Procesadores computacionales" y "Tecnología CPU". Los criterios de inclusión y exclusión, detallados en la Tabla 2, delinean los requisitos que deben cumplir las publicaciones para ser consideradas en la revisión de literatura. Mientras que los criterios de exclusión delinean los factores que descalifican un estudio para su análisis en esta revisión. Esta metodología garantiza la exhaustividad y la relevancia de la selección de literatura, asegurando la calidad y la pertinencia de los materiales revisados en el contexto de la investigación.
4. Resultados
La Tabla 3 muestra las 14 publicaciones resultado del procedimiento de indagación. Se identificaron 34 artículos, capítulos de libro y tesis mediante el proceso de indagación en las plataformas en línea: Scholar Google, Elsevier, Springer e IEEE Xplore. Se descartaron 20 artículos por no contar con las características establecidas en la Tabla 2.
Luego de analizar los artículos de la Tabla 3, es posible realizar una agrupación de acuerdo a su temática y contribuciones principales. Por ejemplo, López Sánchez [17], Figueroa Nacimba [20] y Casas Alonso [21], hacen sus propuestas enfocadas en arquitectura y diseño de los microprocesadores, explorando características y principios fundamentales, diseño y análisis de tecnologías utilizadas o aplicaciones específicas.
En el caso de Khan et al. [19], Barahona et al. [26] y Martinez del Pezo et al. [24] abordan tecnologías emergentes y aplicaciones específicas, como avances en arquitectura de microprocesadores para IA, examinando la historia, evolución y desafíos futuros en la implementación de IA, Diseño e implementación de sensores autónomos inalámbricos para sistemas eléctricos de protección, centrado en tecnologías innovadoras y bajo consumo de potencia y Desarrollo de un cluster de microprocesadores RISC para problemas de agricultura de precisión, con un enfoque en soluciones asequibles para tareas específicas.
En cuanto a seguridad y tolerancia de fallos Isaza-González [22] realiza portaciones a la tolerancia a fallos en microprocesadores bajo efectos de la radiación, con énfasis en la metodología para realizar campañas de inyección de fallos SEU en procesadores COTS y Ramos Amo [30] diseñó e implementó de técnicas de tolerancia a fallos para el uso de microprocesadores en misiones espaciales, explorando la adaptación de componentes comerciales para garantizar la fiabilidad en entornos críticos.
Delgado del Carpio [25] y Cano Ladino [27] orientan sus estudios en la Implementación y Optimización de Sistemas, diseñando e implementando un microprocesador para PLC sintetizado en FPGA y su interfaz con la PC para optimizar tiempos de respuesta, centrado en la mejora del rendimiento y la eficiencia en sistemas de control e implementación de dispositivos ARM sobre FPGAs de Xilinx, con el objetivo de estudiar y desarrollar sistemas en chip utilizando microprocesadores de acceso libre.
En cuánto al área de desarrollo de herramientas y métodos Chuquimarca Jimenez et al. [23] llevan a cabo una simulación electrónica del microprocesador GAL22V10 mediante software Proteus basado en VHDL para virtualizar circuitos integrados, con un enfoque en aplicaciones industriales y simulación de sistema y Ramos Amo [30] desarrolló un microprocesador RISC basado en MIPS32 con conectividad AMBA AHBE-Lite, explorando arquitecturas de bus y su implementación en sistemas específicos.
Finalmente, Hidalgo González [29] aborda Aplicaciones en Educación y Aprendizaje con la programación mediante herramientas visuales de microprocesadores digitales de señal (DSP) para aplicaciones de convertidores electrónicos de potencia, centrado en la mejora de sistemas de control mediante herramientas de simulación y programación visual.
En resumen, estos artículos abarcan una amplia gama de temas relacionados con la arquitectura, diseño, aplicaciones y seguridad de los microprocesadores, así como su implementación en diversos contextos y su uso en sistemas críticos y educativos. Cada uno de ellos contribuye de manera significativa al avance del conocimiento en su área específica y muestra la diversidad de aplicaciones y enfoques en el campo de los microprocesadores.
5. Conclusiones
Atendiendo el objetivo de la presente investigación el cual consiste en analizar investigaciones publicadas durante los años 2016-2022, teniendo como tema la evolución de los microprocesadores, es de reconocer que éstos tienen gran importancia en la actualidad debido al gran auge tecnológico que se vive. Del mismo modo que esta tecnología va cambiando radicalmente por las investigaciones, los nuevos descubrimientos permiten tener una mejor calidad de vida.
El estudio del estado del arte desde 1987 hasta 2020 proporciona una visión completa de cómo han evolucionado los microprocesadores en términos de su estructura, organización y rendimiento. Este análisis revela una tendencia de mejora continua año tras año, lo que refuerza la noción de que los microprocesadores son componentes tecnológicos en constante evolución, adaptándose a las necesidades cambiantes de la sociedad.
A pesar de la importancia de los microprocesadores, se identifica una escasez de investigaciones que sirvan como referencia sólida para futuros ingenieros y profesionales en este campo. Esta falta de literatura académica representa un obstáculo para el desarrollo de proyectos innovadores y la identificación de posibles errores en trabajos relacionados con los microprocesadores. Sin embargo, las pocas investigaciones disponibles ofrecen valiosos insights que pueden ser aprovechados para el estudio y aplicación práctica de conocimientos en este ámbito.
La revisión sistemática de la literatura sobre tecnologías de microprocesadores enfatiza su importancia en la sociedad contemporánea, destacando su evolución constante y la necesidad de una mayor investigación y publicación en este campo. Este análisis subraya la importancia de fomentar la innovación y el desarrollo tecnológico a través de un mayor compromiso con la investigación en microprocesadores, lo que podría conducir a avances significativos en diversas áreas de la tecnología y la ingeniería.
6. Referencias
[1] Acs, Z. J., Song, A. K., Szerb, L., Audretsch, D. B., Komlosi, E. (2021). The evolution of the global digital platform economy: 1971–2021. Small Business Economics, 57 (4), 1629-1659. https://doi.org/10.1007/s11187-021-00561-x
[2] Shalf, J. (2020). The future of computing beyond Moore’s law. Philosophical Transactions of the Royal Society A, 378 (2166), 1-15. https://doi.org/10.1098/rsta.2019.0061
[3] Eeckhout, L., De Bosschere, K. (2004). Efficient architectural design of high performance microprocessors. Advances in Computers, 61, 45-106. https://doi.org/10.1016/S0065-2458(03)61002-8
[4] Mukherjee, S. S., Adve, S. V., Austin, T., Emer, J., Magnusson, P. S. (2002). Performance simulation tools. Computer, 35 (2), 38-39. https://doi.org/10.1109/2.982914
[5] Wang, J., Wang, P. (2021). RETRACTED: Simulation of dance performance analysis with microprocessor and machine vision interaction., Microprocessors and Microsystems, 80, 1-5. https://doi.org/10.1016/j.micpro.2020.103625
[6] Gorbunov, M. S. (2019). Design of fault-tolerant microprocessors for space applications. Acta Astronautica, 163 (Part A), 252-258. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.04.029
[7] Dai, H., Yan, C., Gong, B., Yang, Y. (2016). Explore prediction for instruction level redundant execution in fault tolerant microprocessors. Journal of Systems Architecture, 70, 70-81.https://doi.org/10.1016/j.sysarc.2016.04.004
[8] Loilier, T., Tellier, A. (2011). Que faire du modèle de l'innovation ouverte? Revue française de gestion, 1 (210), 69-85. https://www.cairn.info/revue-francaise-de-gestion-2011-1-page-69.htm
[9] Sinclair, I. (2011). Chapter 13 - Microprocessors, Calculators, and Computers. En I. Sinclair (Ed.), Electronics Simplified (3rd. Edition) (pp. 243-261). Editorial Newnes. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-097063-9.10013-5
[10] Lamie, E. L. (2009). Chapter 5 -Introduction to the MIPS Microprocessor. In E. L. Lamie (Ed.) Real-Time Embedded Multithreading Using ThreadX and MIPS (pp. 45-54). CRC Press. https://doi.org/10.1016/B978-1-85617-631-6.00005-6
[11] Higham, E. H., Berge, J. (2010) Chapter 19 - Microprocessor-Based and Intelligent Transmitters. In W. Boyes (Ed.) Instrumentation Reference Book (4th Edition) (pp. 219-251). Editorial Butterworth-Heinemann. https://doi.org/10.1016/B978-0-7506-8308-1.00019-X
[12] Jesshope, C. (2003). Multi-threaded microprocessors–evolution or revolution. 8th Asia-Pacific Conference on Advances in Computer Systems Architecture (ACSAC). Aizu-Wakamatsu, Japan. https://doi.org/10.1007/978-3-540-39864-6_4
[13] Schlett, M. (2000). Embedded microprocessors: Evolution, trends, and challenges. Advances in Computers, 52, 329-379. https://doi.org/10.1016/S0065-2458(00)80021-2
[14] Barthel, D. (1997). Architecture for microprocessors and DSPs. Microelectronic Engineering, 39 (1-4), 255-262. https://doi.org/10.1016/S0167-9317(97)00180-9
[15] Swann, P. (1987). A decade of microprocessor innovation: an economist's perspective. Microprocessors and Microsystems, 11 (1),49-59. https://doi.org/10.1016/0141-9331(87)90333-4
[16] Wagner, F., Nicoud, J. D. (1987). On the notation of CALM — common assembly language for microprocessors. Computer Standards & Interfaces, 6 (4), 455-462.https://doi.org/10.1016/0920-5489(87)90026-2
[17] López Sánchez, C. D. (2022). Diseño y simulación de un microprocesador para sistemas embebidos basado en la ISA RISC-V (Proyecto de Fin de Grado). Universidad Politécnica de Madrid, España. https://oa.upm.es/70478/
[18] Rodríguez Gutiérrez, L. M., Vargas-Hernández, J. G. (2019). Ventaja competitiva de Intel en el segmento de los microprocesadores. Revista En-Contexto, 8 (12), 135–151. https://doi.org/10.53995/23463279.665
[19] Khan, F. H., Pasha, M. A., Masud, S. (2021). Advancements in microprocessor architecture for ubiquitous AI—An overview on history, evolution, and upcoming challenges in AI implementation. Micromachines, 12 (6), 665. https://doi.org/10.3390/mi12060665
[20] Figueroa Nacimba, L. D. (2019). Aplicación de un sistema con microprocesadores para potenciar la enseñanza aprendizaje de sistemas digitales en la carrera de ingeniería en sistemas computacionales (Bachelor's thesis). UNESUM, JIPIJAPA. http://repositorio.unesum.edu.ec/handle/53000/1548
[21] Casas Alonso, C. (2019). Sistema de control basado en microprocesador para el aprendizaje de sistemas digitales complejos (Tesis de Grado). Universidad Estatal del Sur de Manabí, Jipijapa, Manabí, Ecuador. http://hdl.handle.net/10016/30230
[22] Isaza-González, J. I. (2018). Aportaciones a la tolerancia a fallos en microprocesadores bajo efectos de la radiación (Tesis Doctoral). Universida de Alicante, España. http://hdl.handle.net/10045/90359
[23] Chuquimarca Jimenez, L., Suárez Ricardo, P., López Silva, F. (2021). Simulación electrónica del microprocesador GAL22V10 mediante el software Proteus basado en VHDL para virtualizar circuitos integrados. Revista Científica y Tecnológica UPSE, 8 ( 1), 107-115. https://repositorio.upse.edu.ec/handle/46000/7662
[24] Martinez del Pezzo, H., Frati, F. E., Robador, E., Rios, C., Pozo, M. (2015). Cluster de microprocesadores RISC para problemas de agricultura de precisión. XVII Workshop de Investigadores en Ciencias de la Computación (WICC), Salta, Argentina. http://sedici.unlp.edu.ar/handle/10915/46172
[25] Delgado Del Carpio, M. J. (2019). Diseño e implementación de un microprocesador para PLC sintetizado en FPGA y su interfaz con la PC para optimizar tiempos de respuesta (Tesis de Grado). Universidad Nacional de San Agustón de Arequipa, Perú. http://repositorio.unsa.edu.pe/handle/UNSA/11009
[26] Barahona, A., Salazar, J., Soria Colina, M., Novoa Guamán, E., Caina, D., Pérez, F. (2021). Diseño e Implementación de Sensores Autónomos Inalámbricos para Sistemas Eléctricos de Protección Utilizando Microprocesadores de Bajo Consumo de Potencia. Revista Politécnica, 48 (1), 31-42. https://doi.org/10.33333/rp.vol48n1.03
[27] Cano Ladino, F. K. (2020). Implementación de dispositivos ARM sobre FPGAs de Xilinx (Trabajo de Fin de Máster). Universdad de Alcalá, España.. http://hdl.handle.net/10017/44989
[28] Oroz de Gaetano, A. (2019). Microprocesador RISC basado en MIPS32 con conectividad AMBA AHBE-Lite (Tesis de Maestría). Universidad Nacional del Sur, Bahía Blanca, Argentina. http://repositoriodigital.uns.edu.ar/handle/123456789/4969
[29] Hidalgo González, G. (2019). Programación mediante herramientas visuales de microprocesadores digitales de señal (DSP) para aplicaciones de convertidores electrónicos de potencia (Trabajo Fin de Grado). Universidad de Sevilla, España. https://hdl.handle.net/11441/94203
[30] Ramos Amo, A. (2018). Diseño e implementación de técnicas de tolerancia a fallos para el uso de un microprocesador en misiones espaciales (Tesis Doctoral). Universidad Antonio de Nebrija. https://dialnet.unirioja.es/servlet/tesis?codigo=298361