Antes de adentrarnos en los entresijos del diseño de CPU, es importante comprender que los procesadores modernos representan uno de los logros de ingeniería más complejos de la historia de la humanidad. Con miles de millones de transistores orquestados en precisa armonía, las CPU son el cerebro computacional de nuestro mundo digital. Este artículo ofrece una exploración del proceso de diseño de la CPU, que abarca desde la planificación inicial de la arquitectura hasta los pasos finales de fabricación.

Qué hace realmente una CPU

En esencia, una CPU (Unidad Central de Procesamiento) sigue un conjunto de instrucciones para realizar operaciones con las entradas. Por ejemplo, podría ser leer un valor de la memoria, sumarlo a otro valor y, finalmente, almacenar el resultado de nuevo en la memoria en una ubicación diferente.

Cuando se ejecuta un programa, como un sistema operativo o un juego, básicamente se está dando a la CPU una serie de instrucciones para que las ejecute. Estas instrucciones se cargan desde la memoria y se ejecutan secuencialmente en procesadores sencillos.

Diseño de una CPU

El proceso de diseño de una CPU sigue una metodología estructurada que suele denominarse flujo de diseño VLSI (Very Large-Scale Integration). Este enfoque sistemático garantiza que el producto final cumpla las especificaciones minimizando los errores. Examinemos cada etapa de este complejo proceso.

Etapa 1: Especificación del sistema y análisis de requisitos

Todo diseño de CPU comienza con unas especificaciones claramente definidas. Los ingenieros determinan la finalidad prevista del procesador, los objetivos de rendimiento, las limitaciones de consumo energético y las restricciones de tamaño físico. Esta etapa fundamental determina todas las decisiones de diseño posteriores. Por ejemplo, los diseñadores deben decidir si van a crear un procesador de servidor de alto rendimiento o un chip móvil de bajo consumo.

Etapa 2: Diseño de la arquitectura

La fase de arquitectura consiste en crear el proyecto de funcionalidad y estructura de la CPU. Aquí se toman decisiones críticas que definirán las capacidades del procesador:

• Elegir entre los enfoques RISC (Reduced Instruction Set Computer) o CISC (Complex Instruction Set Computer).
• Determinar el número de ALU (unidades aritméticas lógicas)
• Decidir la estructura y profundidad del pipeline
• Selección del tamaño y la jerarquía de la caché
• Definición de la arquitectura del archivo de registro

Esta fase culmina con la creación de una especificación microarquitectónica (MAS), que permite a los diseñadores predecir el rendimiento, el consumo de energía y el tamaño de la matriz.

Arquitectura del conjunto de instrucciones (ISA)

Una decisión fundamental en el diseño de una CPU es seleccionar la arquitectura del conjunto de instrucciones (ISA). La ISA define el conjunto de instrucciones que la CPU reconocerá y ejecutará. Las ISA más comunes son x86, ARM, MIPS, RISC-V y PowerPC.

Por lo general, las ISA se dividen en dos categorías:

1. Instrucciones de longitud fija: utilizadas por arquitecturas como RISC-V, donde cada instrucción ocupa un número predeterminado de bits, lo que simplifica la decodificación pero limita el número total de instrucciones posibles.
2. Instrucciones de longitud variable: utilizadas por x86, donde las instrucciones pueden variar de tamaño, lo que aporta flexibilidad pero requiere descodificadores más complejos.

Características Avanzadas de la CPU

Ejecución Fuera de Orden

Los procesadores modernos emplean la ejecución fuera de orden para maximizar la eficiencia computacional. En lugar de detener todo el procesador mientras finaliza una instrucción lenta, la mayoría de los procesadores modernos se ejecutan fuera de orden. Esto significa que determinan qué instrucción sería la más beneficiosa para ejecutar en un momento dado y almacenan en búfer otras instrucciones que no están listas.

Arquitectura superescalar

Para mejorar aún más el rendimiento, las CPU implementan diseños superescalares. Esto significa que, en un momento dado, el procesador está ejecutando muchas instrucciones a la vez en cada etapa del pipeline… Si un procesador ve que dos instrucciones están listas para ser ejecutadas y no hay dependencia entre ellas, en lugar de esperar a que terminen por separado, ejecutará las dos al mismo tiempo.

Jerarquía de memoria y cachés

La jerarquía de memoria es crucial para el rendimiento de la CPU. Los procesadores suelen tener tres niveles de caché que forman lo que se conoce como jerarquía de memoria. La caché L1 es la más pequeña y rápida, la L2 está en medio y la L3 es la más grande y lenta de las cachés.

Esta jerarquía proporciona un equilibrio entre velocidad y capacidad: - Caché L1: unos 100-600 kilobytes, dividida en caché de instrucciones y de datos - Caché L2: hasta 1 megabytes por núcleo - Caché L3: decenas de megabytes, compartidos entre todos los núcleos

Entre los avances recientes se incluye la caché Ryzen 3D V-Cache de AMD, que incorpora capas de caché apiladas adicionales para aumentar el rendimiento en escenarios específicos, como juegos.

Predicción de bifurcaciones y ejecución especulativa

Las instrucciones de bifurcación son similares a las sentencias ‘if’ de un procesador… Estas instrucciones de bifurcación son extremadamente comunes y pueden constituir aproximadamente el 20% de todas las instrucciones de un programa”.

Todos los procesadores modernos de alto rendimiento emplean una técnica llamada especulación. Esto significa que el procesador hace un seguimiento de las instrucciones de bifurcación y predice si se tomará una bifurcación o no”.

Estos predictores de bifurcaciones se encuentran entre las primeras formas de aprendizaje automático, ya que se adaptan al comportamiento de las bifurcaciones a lo largo del tiempo. Si un predictor hace demasiadas conjeturas incorrectas, se ajusta para mejorar la precisión». Décadas de investigación en técnicas de predicción de bifurcaciones han dado lugar a precisiones superiores al 90% en los procesadores modernos”.

Fuentes:

https://www.wikiversus.com/informatica/procesadores/como-se-disena-una-cpu/