EL Microprocessador és un circuit electrònic que actua com unitat central de procés d'un ordinador, proporcionant el control de les operacions de càlcul. Els microprocessadors també es utilitzen en altres sistemes informàtics avançats, com impressores, automòbils o avions. En 1995 es van produir uns 4.000 milions de microprocessadors en tot el món
El microprocessador és un tipus de circuit altament integrat. Els circuits integrats, també coneguts com microxips o xips, són circuits electrònics complexos formats per components extremadament petits formats en una única peça plana de poc espessor d'un material conegut com semiconductor. Els microprocessadors moderns incorporen fins 10 milions de transistors (que actuen com amplificadors electrònics, oscil·ladors o, més sovint, com commutadors), a més d'altres components com resistències, díodes, condensadors i connexions, tot això en una superfície comparable a la d'un segell postal.
Un microprocessador consta de diverses seccions diferents. La unitat aritmètic-lògica (ALU, sigles en anglès) efectua càlculs amb nombres i presa decisions lògiques; els registres són zones de memòria especials per a emmagatzemar informació temporalment; la unitat de control descodifica els programes; els busos transporten informació digital a través del xip i de la computadora; la memòria local es empra per els còmputs realitzats en el mateix xip. Els microprocessadors més complexos contenen sovint altres seccions; per exemple, seccions de memòria especialitzada denominades memòria caché, que serveixen per a accelerar l'accés als dispositius externs d'emmagatzematge de dades. Els microprocessadors moderns funcionen amb una amplària de bus de 64 bits (un bit és un dígit binari, una unitat d'informació que pot ser un un o un zero): això significa que poden transmetre's simultàniament 64 bits de dades.
Un cristall oscil·lant situat en l'ordinador proporciona un senyal de sincronització, o senyal de rellotge, per a coordinar totes les activitats del microprocessador. La velocitat de rellotge dels microprocessadors més avançats és d'uns 300 megahertz (MHz) —uns 300 milions de cicles per segon—, el que permet executar uns 1.000 milions d'instruccions cada segon.
La Memòria són els circuits que permeten emmagatzemar i recuperar la informació. En un sentit més ampli, pot referir-se també a sistemes externs d'emmagatzematge, com les unitats de disc o de cinta. En general es refereix només al semiconductor ràpid de magatzematge (RAM) connectat directament al processador.
Com el microprocessador no és capaç per si solo d'albergar la gran quantitat de memòria necessària per a emmagatzemar instruccions i dades de programa (per exemple, el text d'un programa de tractament de text), poden emprar-se transistors com elements de memòria en combinació amb el microprocessador. Per a proporcionar la memòria necessària s'empren altres circuits integrats cridats xips de memòria d'accés aleatori (RAM, sigles en anglès), que contenen grans quantitats de transistors. Existeixen diversos tipus de memòria d'accés aleatori. La RAM estàtica (SRAM) conserva la informació mentre estigui connectada la tensió d'alimentació, i sol emprar-se com memòria caché perquè funciona a gran velocitat. Altre tipus de memòria, la RAM dinàmica (DRAM), és més lenta que la SRAM i deu rebre electricitat periòdicament per a no esborrar-se. La DRAM resulta més econòmica que la SRAM i s'empra com element principal de memòria en la majoria de les computadores.
Un microprocessador no és un ordinador complet. No conté grans quantitats de memòria ni és capaç de comunicar-se amb dispositius d'entrada —com un teclat, una maneta de jocs o un ratolí— o dispositius de sortida com un monitor o una impressora. Un tipus diferent de circuit integrat cridat microcontrolador és de fet una computadora completa situada en un únic xip, que conté tots els elements del microprocessador bàsic a més d'altres funcions especialitzades. Els microcontroladors s'empren en videojocs, reproductors de vídeo, automòbils i altres màquines.
Tots els circuits integrats es fabriquen amb semiconductors, substàncies la capacitat de les quals de conduir l'electricitat és intermèdia entre la d'un conductor i la d'un no conductor o aïllant. El silici és el material semiconductor més habitual. Com la conductivitat elèctrica d'un semiconductor pot variar segons la tensió aplicada al mateix, els transistors fabricats amb semiconductors actuen com minúsculs commutadors que obren i tanquen el pas de corrent en només uns pocs nanosegons (mil milionèsimes de segon). Això permet que un ordinador pugui realitzar milions d'instruccions senzilles cada segon i executar ràpidament tasques complexes.
El bloc bàsic
de la majoria dels dispositius semiconductors
és el díode,
una unió de materials de tipus negatiu (tipus n) i positiu (tipus p).
Els termes "tipus n" i "tipus p" es refereixen a materials
semiconductors que han estat dopats, és a dir, les propietats elèctriques
dels quals han estat alterades mitjançant l'addició controlada
de petitisimes
concentracions d'impureses com bor o fòsfor. En un díode, el corrent
elèctric només flueix en un sentit a través de la unió:
des del material de tipus p fins el material de tipus n, i només quan
el material de tipus p està a una tensió superior que el de tipus
n. La tensió que deu aplicar-se al díode per a crear aquesta condició
es denomina tensió de polarització directa. La tensió oposada
que fa que no passada corrent es denomina tensió de polarització
inversa. Un circuit integrat
conté milions d'unions p-n, cadascuna de les quals compleix una
finalitat específica dintre dels milions d'elements electrònics
de circuit. La col·locació i polarització correctes de
les regions de tipus p i tipus n fan que el corrent elèctric flueixi
pels trajectes adequats i garanteixen el bon funcionament de tot el xip.
El transistor emprat més comunament en la indústria microelectrònica es denomina transistor d'efecte de camp de metall-òxid-semiconductor (MOSFET, sigles en anglès). Conté dues regions de tipus n, anomenades font i drenatge, amb una regió de tipus p entre ambdues, anomenada canal. Damunt del canal es troba una capa prima de dióxid de silici, no conductor, sobre la qual va altra capa anomenada porta. Perquè els electrons flueixin des de la font fins el drenatge, és necessari aplicar una tensió a la porta (tensió de polarització directa). Això fa que la porta actuï com un commutador de control, connectant i desconnectant el MOSFET i creant una porta lògica que transmet uns i zeros a través del microprocessador.
