Microprocesador

Un microprocesador es una entidad de procesamiento de propósito general. Posteriormente surgieron varios dispositivos de procesamiento especializados:

• Un procesador de señales digitales (DSP) está especializado en el procesamiento de señales .
• Las unidades de procesamiento gráfico (GPU) son procesadores diseñados principalmente para la representación de imágenes en tiempo real .
• Existen otras unidades especializadas para el procesamiento de vídeo y la visión artificial . (Véase: Aceleración por hardware ).
• Microcontroladores en sistemas embebidos y dispositivos periféricos .
• Los sistemas en chip (SoC, por sus siglas en inglés) suelen integrar uno o más núcleos de microprocesador y microcontrolador con otros componentes, como módems de radio , y se utilizan en teléfonos inteligentes y tabletas.

Los microprocesadores se pueden seleccionar para diferentes aplicaciones según su tamaño de palabra, que es una medida de su complejidad. Los tamaños de palabra más largos permiten que cada ciclo de reloj de un procesador realice más cálculos, pero corresponden a chips de circuitos integrados físicamente más grandes con mayor consumo de energía en espera y en funcionamiento . ^{[ 6 ]} Los procesadores de 4, 8 o 12 bits se integran ampliamente en microcontroladores que operan sistemas embebidos. Cuando se espera que un sistema maneje mayores volúmenes de datos o requiera una interfaz de usuario más flexible , se utilizan procesadores de 16, 32 o 64 bits. Se puede seleccionar un procesador de 8 o 16 bits en lugar de un procesador de 32 bits para sistemas en un chip o aplicaciones de microcontroladores que requieren electrónica de muy bajo consumo , o que forman parte de un circuito integrado de señal mixta con electrónica analógica en el chip sensible al ruido, como convertidores analógico-digitales de alta resolución, o ambas cosas. Algunos afirman que ejecutar aritmética de 32 bits en un chip de 8 bits podría consumir más energía, ya que el chip debe ejecutar software con múltiples instrucciones. ^{[ 7 ]} Sin embargo, otros sostienen que los chips modernos de 8 bits siempre son más eficientes energéticamente que los de 32 bits al ejecutar rutinas de software equivalentes. ^{[ 8 ]}

Estos proyectos lanzaron un microprocesador casi simultáneamente: el Central Air Data Computer (CADC) de Garrett AiResearch (1970), el TMS 1802NC de Texas Instruments (septiembre de 1971) y el 4004 de Intel (noviembre de 1971, basado en un diseño anterior de Busicom de 1969 ). Cabe mencionar que el microprocesador AL1 de Four-Phase Systems también se lanzó en 1969.

Pico/General Instrument (1971)

En 1971, Pico Electronics ^{[ 40 ]} y General Instrument (GI) presentaron su primera colaboración en circuitos integrados: un circuito integrado completo de un solo chip para la calculadora Monroe/ Litton Royal Digital III. Este chip podría considerarse uno de los primeros microprocesadores o microcontroladores con ROM , RAM y un conjunto de instrucciones simple integrados. El diseño de las cuatro capas del proceso PMOS se dibujó a mano a escala 500x sobre una película de mylar, una tarea considerable para la época dada la complejidad del chip.

Pico fue una empresa derivada fundada por cinco ingenieros de diseño de GI cuya visión era crear circuitos integrados de calculadora de un solo chip. Tenían una importante experiencia previa en el diseño de múltiples conjuntos de chips para calculadoras, tanto con GI como con Marconi-Elliott . ^{[ 41 ]} Los miembros clave del equipo habían recibido originalmente el encargo de Elliott Automation de crear una computadora de 8 bits en MOS y habían ayudado a establecer un Laboratorio de Investigación MOS en Glenrothes , Escocia, en 1967.

Las calculadoras se estaban convirtiendo en el mercado individual más grande para los semiconductores, por lo que Pico y GI tuvieron un éxito significativo en este mercado en auge. GI continuó innovando en microprocesadores y microcontroladores con productos como el CP1600, el IOB1680 y el PIC1650. ^{[ 42 ]} En 1987, el negocio de GI Microelectronics se escindió para formar el negocio de microcontroladores Microchip PIC .

Intel 4004 (1971)

El Intel 4004 se considera a menudo (erróneamente) el primer microprocesador verdadero construido en un solo chip, ^{[ 43 ] [ 44 ]} con un precio de US$60 (equivalente a $480 en 2025) . ^{[ 45 ]} El primer anuncio conocido del 4004 data del 15 de noviembre de 1971 y apareció en Electronic News . ^{[ 46 ]} El microprocesador fue diseñado por un equipo formado por el ingeniero italiano Federico Faggin , los ingenieros estadounidenses Marcian Hoff y Stanley Mazor , y el ingeniero japonés Masatoshi Shima . ^{[ 47 ]}

El proyecto que dio origen al 4004 se remonta a 1969, cuando Busicom , un fabricante japonés de calculadoras, solicitó a Intel la creación de un chipset para calculadoras de escritorio de alto rendimiento . El diseño original de Busicom contemplaba un chipset programable compuesto por siete chips diferentes. Tres de ellos se destinarían a una CPU de propósito especial, con su programa almacenado en ROM y sus datos en memoria de lectura/escritura de registro de desplazamiento. Ted Hoff , el ingeniero de Intel encargado de evaluar el proyecto, creía que el diseño de Busicom podría simplificarse utilizando memoria RAM dinámica para los datos, en lugar de memoria de registro de desplazamiento, y una arquitectura de CPU de propósito general más tradicional. Hoff propuso una arquitectura de cuatro chips: un chip ROM para almacenar los programas, un chip RAM dinámica para almacenar los datos, un dispositivo de E/S sencillo y una unidad central de procesamiento (CPU) de 4 bits. Aunque no era diseñador de chips, consideraba que la CPU podría integrarse en un solo chip, pero, al carecer de los conocimientos técnicos necesarios, la idea se quedó en un mero deseo por el momento.

Si bien la arquitectura y las especificaciones del MCS-4 surgieron de la interacción de Hoff con Stanley Mazor , un ingeniero de software que reportaba a él, y con el ingeniero de Busicom, Masatoshi Shima , durante 1969, Mazor y Hoff pasaron a otros proyectos. En abril de 1970, Intel contrató al ingeniero italiano Federico Faggin como líder del proyecto, una decisión que finalmente hizo realidad el diseño final de la CPU de un solo chip (mientras tanto, Shima diseñó el firmware de la calculadora Busicom y ayudó a Faggin durante los primeros seis meses de la implementación). Faggin, quien originalmente desarrolló la tecnología de puerta de silicio (SGT) en 1968 en Fairchild Semiconductor ^{[ 48 ]} y diseñó el primer circuito integrado comercial del mundo que utilizaba SGT, el Fairchild 3708, tenía la experiencia adecuada para liderar el proyecto que se convertiría en el primer microprocesador comercial de propósito general. Dado que SGT era un invento suyo, Faggin también lo utilizó para crear su nueva metodología de diseño de lógica aleatoria , que permitió implementar una CPU de un solo chip con la velocidad, la disipación de potencia y el coste adecuados. En el momento del desarrollo del MCS-4, el director del Departamento de Diseño MOS de Intel era Leslie L. Vadász, pero su atención estaba completamente centrada en el negocio principal de las memorias de semiconductores, por lo que dejó el liderazgo y la gestión del proyecto MCS-4 a Faggin, quien finalmente fue responsable de llevar a cabo el proyecto 4004. Las primeras unidades de producción del 4004 se entregaron a Busicom en marzo de 1971 y se enviaron a otros clientes a finales de ese mismo año.

Al Intel 4004 le siguió en 1972 el Intel 8008 , el primer microprocesador de 8 bits de Intel . ^{[ 49 ]} Sin embargo, el 8008 no fue una extensión del diseño del 4004, sino la culminación de un proyecto de diseño independiente en Intel, surgido de un contrato con Computer Terminals Corporation , de San Antonio, Texas, para un chip para una terminal que estaban diseñando, ^{[ 50 ]} el Datapoint 2200 —los aspectos fundamentales del diseño no provenían de Intel sino de CTC. En 1968, Vic Poor y Harry Pyle de CTC desarrollaron el diseño original para el conjunto de instrucciones y el funcionamiento del procesador. En 1969, CTC contrató a dos empresas, Intel y Texas Instruments , para hacer una implementación de un solo chip, conocida como CTC 1201. ^{[ 51 ]} A finales de 1970 o principios de 1971, TI se retiró al no poder fabricar una pieza fiable. En 1970, dado que Intel aún no había entregado la pieza, CTC optó por utilizar su propia implementación en el Datapoint 2200, empleando lógica TTL tradicional (por lo que la primera máquina en ejecutar "código 8008" no era en realidad un microprocesador y se entregó un año antes). La versión de Intel del microprocesador 1201 llegó a finales de 1971, pero era demasiado tarde, lenta y requería varios chips de soporte adicionales. CTC no tenía interés en utilizarla. CTC había contratado originalmente a Intel para el chip y les habría debido US$50,000 (equivalente a US$397,494 en 2025) por su trabajo de diseño. ^{[ 51 ]} Para evitar pagar por un chip que no querían (y no podían usar), CTC liberó a Intel de su contrato y les permitió el uso gratuito del diseño. ^{[ 51 ]} Intel lo comercializó como el 8008 en abril de 1972, como el primer microprocesador de 8 bits del mundo. Fue la base del famoso kit de computadora " Mark-8 " anunciado en la revista Radio-Electronics en 1974. Este procesador tenía un bus de datos de 8 bits y un bus de direcciones de 14 bits. ^{[ 52 ]}

El 8008 fue el precursor del exitoso Intel 8080 (1974), que ofrecía un rendimiento superior al del 8008 y requería menos chips de soporte. Federico Faggin lo concibió y diseñó utilizando transistores MOS de canal N de alto voltaje. El Zilog Z80 (1976) también fue un diseño de Faggin, que empleaba transistores de canal N de bajo voltaje con carga de agotamiento y procesadores Intel de 8 bits derivados; todos diseñados con la metodología que Faggin creó para el 4004. Motorola lanzó el 6800 , su competidor , en agosto de 1974, y el similar MOS Technology 6502 se lanzó en 1975 (ambos diseñados en gran parte por las mismas personas). La familia 6502 rivalizó con el Z80 en popularidad durante la década de 1980.

Un bajo costo total, un embalaje mínimo, requisitos de bus de computadora sencillos y, en ocasiones, la integración de circuitos adicionales (por ejemplo, el circuito de actualización de memoria integrado del Z80 ) permitieron que la "revolución" de las computadoras domésticas se acelerara drásticamente a principios de la década de 1980. Esto dio lugar a máquinas tan económicas como la Sinclair ZX81 , que se vendía por US$99 (equivalente a US$350.59 en 2025) . Una variante del 6502, el MOS Technology 6510, se utilizó en la Commodore 64 y otra variante, el 8502, impulsó la Commodore 128 .

Western Design Center, Inc. (WDC) presentó el microprocesador CMOS WDC 65C02 en 1982 y cedió la licencia de su diseño a varias empresas. Este microprocesador se utilizó como CPU en los ordenadores personales Apple IIe y IIc , así como en marcapasos y desfibriladores implantables , dispositivos automotrices, industriales y de consumo. WDC fue pionera en la concesión de licencias de diseños de microprocesadores, seguida posteriormente por ARM (32 bits) y otros proveedores de propiedad intelectual (PI) de microprocesadores en la década de 1990.

Motorola presentó el MC6809 en 1978. Se trataba de un diseño ambicioso y bien concebido de 8 bits, compatible a nivel de código fuente con el 6800 e implementado mediante lógica cableada pura (los microprocesadores de 16 bits posteriores solían utilizar microcódigo en cierta medida, ya que los requisitos de diseño CISC se estaban volviendo demasiado complejos para la lógica cableada pura).

Otro de los primeros microprocesadores de 8 bits fue el Signetics 2650 , que disfrutó de un breve auge de interés debido a su innovadora y potente arquitectura de conjunto de instrucciones .

Un microprocesador fundamental en el mundo de los vuelos espaciales fue el RCA 1802 (también conocido como CDP1802 o RCA COSMAC) de RCA (introducido en 1976), que se utilizó a bordo de la sonda Galileo a Júpiter (lanzada en 1989 y llegada en 1995). El RCA COSMAC fue el primero en implementar la tecnología CMOS . El CDP1802 se utilizó porque podía funcionar con muy bajo consumo de energía y porque existía una variante fabricada mediante un proceso de producción especial, silicio sobre zafiro (SOS), que proporcionaba una protección mucho mayor contra la radiación cósmica y las descargas electrostáticas que cualquier otro procesador de la época. Por ello, se dice que la versión SOS del 1802 fue el primer microprocesador resistente a la radiación .

El RCA 1802 tenía un diseño estático , lo que significaba que la frecuencia del reloj podía ajustarse a un nivel arbitrariamente bajo, o incluso detenerse. Esto permitió que la sonda Galileo utilizara una mínima cantidad de energía eléctrica durante largos periodos sin incidentes en su viaje. Los temporizadores o sensores activaban el procesador a tiempo para tareas importantes, como actualizaciones de navegación, control de actitud, adquisición de datos y comunicación por radio. Las versiones actuales del Western Design Center 65C02 y 65C816 también cuentan con núcleos estáticos y, por lo tanto, conservan los datos incluso cuando el reloj se detiene por completo.

La familia Intersil 6100 constaba de un microprocesador de 12 bits (el 6100) y una gama de circuitos integrados de memoria y soporte periférico. El microprocesador reconocía el conjunto de instrucciones del miniordenador DEC PDP-8 , por lo que a veces se le denominaba CMOS-PDP8 . Dado que también lo fabricaba Harris Corporation, se le conocía como Harris HM-6100 . Gracias a su tecnología CMOS y sus ventajas, el 6100 se incorporó a algunos diseños militares hasta principios de la década de 1980.

El primer microprocesador multichip de 16 bits fue el National Semiconductor IMP-16 , presentado a principios de 1973. En 1974 se lanzó una versión de 8 bits del chipset, denominada IMP-8. Otro microprocesador multichip de 16 bits de la época es el MCP-1600 , que Digital Equipment Corporation (DEC) utilizó en 1975 para la placa LSI-11 OEM y el miniordenador PDP-11/03 .

A finales de 1974, National presentó el primer microprocesador de un solo chip de 16 bits, el PMOS National Semiconductor PACE , ^{[ 53 ]} al que siguió más tarde una versión NMOS , el INS8900 .

Otro diseño de un solo chip es el General Instrument CP1600 , lanzado en febrero de 1975, ^{[ 54 ]} que se utilizó principalmente en la consola Intellivision .

Otro microprocesador de 16 bits de un solo chip de 1976 fue el TMS 9900 de TI , que también era compatible con su línea de minicomputadoras TI-990 . El 9900 se usó en la minicomputadora TI 990/4, la computadora doméstica TI-99/4A y la línea TM990 de placas de microcomputadoras OEM. El chip estaba empaquetado en un gran paquete DIP de cerámica de 64 pines , mientras que la mayoría de los microprocesadores de 8 bits, como el Intel 8080, usaban el DIP de plástico de 40 pines, más común, pequeño y económico. Un chip posterior, el TMS 9980, fue diseñado para competir con el Intel 8080, tenía el conjunto completo de instrucciones de 16 bits del TI 990, usaba un paquete de plástico de 40 pines, movía datos de 8  bits a la vez, pero solo podía direccionar 16 KB . Un tercer chip, el TMS 9995, fue un nuevo diseño. Posteriormente, la familia se amplió para incluir los modelos 99105 y 99110. 

Otra implementación de un miniordenador mediante microprocesador es el Fairchild Semiconductor MicroFlame 9440 , presentado en 1977. Implementaba el conjunto de instrucciones del Nova 2 .

En 1978, Intel amplió su diseño 8080 para crear el Intel 8086 de 16 bits , el primer miembro de la familia x86 , que impulsa la mayoría de las computadoras PC modernas . Intel presentó el 8086 como una forma rentable de portar software de las líneas 8080, y logró obtener un gran éxito comercial gracias a esta premisa. El 8088 , una versión del 8086 que utilizaba un bus de datos externo de 8 bits, fue el microprocesador de la primera IBM PC . Posteriormente, Intel lanzó el 80186 y el 80188 , el 80286 y, en 1985, el 80386 de 32 bits , consolidando su dominio del mercado de PC gracias a la retrocompatibilidad de la familia de procesadores. El 80186 y el 80188 eran esencialmente versiones del 8086 y el 8088, mejoradas con algunos periféricos integrados y algunas instrucciones nuevas. Aunque los procesadores Intel 80186 y 80188 no se utilizaron en diseños tipo IBM PC, sí se emplearon con frecuencia versiones de segunda mano de NEC, como el V20 y el V30. El 8086 y sus sucesores contaban con un método innovador pero limitado de segmentación de memoria , mientras que el 80286 introdujo una unidad de gestión de memoria (MMU) segmentada con todas las funciones. El 80386 introdujo un modelo de memoria plana de 32 bits con gestión de memoria paginada.

Los procesadores Intel x86 de 16 bits hasta el 80386 inclusive no incluyen unidades de punto flotante (FPU) . Intel introdujo los coprocesadores matemáticos 8087 , 80187 , 80287 y 80387 para agregar capacidades de hardware de punto flotante y funciones trascendentales a las CPU 8086 a 80386. El 8087 funciona con el 8086/8088 y 80186/80188, ^{[ 55 ]} el 80187 funciona con el 80186 pero no con el 80188, ^{[ 56 ]} el 80287 funciona con el 80286 y el 80387 funciona con el 80386. La combinación de una CPU x86 y un coprocesador x87 forma un único microprocesador multichip; Los dos chips se programan como una unidad utilizando un único conjunto de instrucciones integrado. ^{[ 57 ]} Los coprocesadores 8087 y 80187 están conectados en paralelo con los buses de datos y direcciones de su procesador principal y ejecutan directamente las instrucciones destinadas a ellos. Los coprocesadores 80287 y 80387 se conectan a la CPU a través de puertos de E/S en el espacio de direcciones de la CPU; esto es transparente para el programa, que no necesita conocer ni acceder directamente a estos puertos de E/S; el programa accede al coprocesador y sus registros a través de los códigos de operación de instrucciones normales.

El Western Design Center (WDC) presentó en 1984 la actualización de 16 bits del WDC CMOS 65C02 , el microprocesador CMOS 65816. Este microprocesador de 16 bits fue el núcleo del Apple IIGS y, posteriormente, del Super Nintendo Entertainment System , convirtiéndose así en uno de los diseños de 16 bits más populares de todos los tiempos.

Los diseños de 16 bits llevaban poco tiempo en el mercado cuando empezaron a aparecer las implementaciones de 32 bits .

El diseño de 32 bits más significativo es el Motorola MC68000 , presentado en 1979. El 68k, como se le conocía popularmente, tenía registros de 32 bits en su modelo de programación, pero utilizaba rutas de datos internas de 16 bits, tres unidades aritmético-lógicas de 16 bits y un bus de datos externo de 16 bits (para reducir el número de pines), y externamente solo admitía direcciones de 24 bits (internamente funcionaba con  direcciones completas de 32 bits). En los mainframes compatibles con IBM basados ​​en PC, el microcódigo interno del MC68000 se modificó para emular el mainframe IBM System/370 de 32 bits. ^{[ 58 ]} Motorola generalmente lo describía como un procesador de 16 bits. La combinación de alto rendimiento, gran espacio de memoria (16 megabytes o 2 ^{24 bytes) y un costo bastante bajo lo convirtieron en el} diseño de CPU más popular de su clase. Los diseños de Apple Lisa y Macintosh utilizaban el procesador 68000, al igual que otros diseños de mediados de la década de 1980, incluidos el Atari ST y el Amiga .  

El primer microprocesador de un solo chip totalmente de 32 bits del mundo, con rutas de datos de 32 bits, buses de 32 bits y direcciones de 32 bits, fue el BELLMAC-32A de AT&T Bell Labs , con las primeras muestras en 1980 y la producción general en 1982. ^{[ 59 ] [ 60 ]} Después de la desinversión de AT&T en 1984, se le cambió el nombre a WE 32000 (WE por Western Electric ) y tuvo dos generaciones posteriores, el WE 32100 y el WE 32200. Estos microprocesadores se utilizaron en las minicomputadoras AT&T 3B5 y 3B15; en la 3B2, la primera supermicrocomputadora de escritorio del mundo; en la "Companion", la primera computadora portátil de 32 bits del mundo ; y en "Alexander", el primer supermicroordenador del mundo del tamaño de un libro, que utilizaba cartuchos de memoria ROM similares a los de las consolas de videojuegos actuales. Todos estos sistemas funcionaban con el sistema operativo UNIX System V.

El primer microprocesador comercial de un solo chip y totalmente de 32 bits disponible en el mercado fue el HP FOCUS .

El primer microprocesador de 32 bits de Intel fue el iAPX 432 , presentado en 1981, pero no tuvo éxito comercial. Contaba con una arquitectura orientada a objetos basada en capacidades avanzadas , pero su rendimiento era deficiente en comparación con arquitecturas contemporáneas como el propio Intel 80286 (presentado en 1982), que era casi cuatro veces más rápido en las pruebas de rendimiento habituales. Sin embargo, los resultados del iAPX432 se debieron en parte a un compilador Ada desarrollado con prisas y, por lo tanto, poco óptimo .

El éxito de Motorola con el 68000 dio lugar al MC68010 , que incorporó soporte para memoria virtual . El MC68020 , presentado en 1984, añadió buses de datos y direcciones de 32 bits. El 68020 se hizo enormemente popular en el mercado de los supermicroordenadores Unix , y muchas pequeñas empresas (por ejemplo, Altos , Charles River Data Systems , Cromemco ) produjeron sistemas de tamaño de escritorio. Posteriormente se presentó el MC68030 , que mejoraba el diseño anterior al integrar la MMU en el chip. El éxito continuado dio lugar al MC68040 , que incluía una FPU para un mejor rendimiento matemático. El 68050 no logró alcanzar sus objetivos de rendimiento y no se lanzó, y el sucesor, el MC68060, se lanzó a un mercado saturado por diseños RISC mucho más rápidos. La familia 68k dejó de utilizarse a principios de la década de 1990.

Otras grandes empresas diseñaron el 68020 y sus sucesores para equipos integrados. En un momento dado, había más 68020 en equipos integrados que procesadores Intel Pentium en PC. ^{[ 61 ]} Los núcleos de procesador ColdFire son derivados del 68020.

Durante este período (principios a mediados de la década de 1980), National Semiconductor presentó un microprocesador interno de 32 bits con una configuración de pines de 16 bits muy similar, llamado NS 16032 (posteriormente renombrado 32016), cuya versión completa de 32 bits se denominó NS 32032. Más tarde, National Semiconductor produjo el NS 32132 , que permitía que dos CPU residieran en el mismo bus de memoria con arbitraje incorporado. El NS32016/32 superó en rendimiento al MC68000/10, pero el NS32332, que llegó aproximadamente al mismo tiempo que el MC68020, no tenía suficiente rendimiento. El chip de tercera generación, el NS32532, fue diferente. Tenía aproximadamente el doble de rendimiento que el MC68030, que se lanzó por esas mismas fechas. La aparición de procesadores RISC como el AM29000 y el MC88000 (ambos ya descatalogados) influyó en la arquitectura del núcleo final, el NS32764. Técnicamente avanzado —con un núcleo RISC superescalar, un bus de 64 bits y overclocking interno—, aún podía ejecutar instrucciones de la Serie 32000 mediante traducción en tiempo real.

Cuando National Semiconductor decidió abandonar el mercado de Unix, el chip se rediseñó como el procesador integrado Swordfish con un conjunto de periféricos integrados. El chip resultó ser demasiado caro para el mercado de impresoras láser y se descontinuó. El equipo de diseño se dirigió a Intel y allí diseñó el procesador Pentium, que es muy similar al núcleo NS32764 internamente. El gran éxito de la Serie 32000 se dio en el mercado de impresoras láser, donde el NS32CG16 con instrucciones BitBlt microcodificadas tenía una muy buena relación precio/rendimiento y fue adoptado por grandes empresas como Canon. A mediados de la década de 1980, Sequent presentó la primera computadora de clase servidor SMP que utilizaba el NS 32032. Este fue uno de los pocos éxitos del diseño, y desapareció a finales de la década de 1980. Los MIPS R2000 (1984) y R3000 (1989) fueron microprocesadores RISC de 32 bits de gran éxito. Se utilizaron en estaciones de trabajo y servidores de alta gama de SGI , entre otros. Otros diseños incluían el Zilog Z80000 , que llegó demasiado tarde al mercado para tener alguna posibilidad y desapareció rápidamente.

El ARM apareció por primera vez en 1985. ^{[ 62 ]} Se trata de un diseño de procesador RISC , que desde entonces ha llegado a dominar el espacio de procesadores para sistemas embebidos de 32 bits debido en gran parte a su eficiencia energética, su modelo de licenciamiento y su amplia selección de herramientas de desarrollo de sistemas. Los fabricantes de semiconductores generalmente licencian los núcleos y los integran en sus propios productos de sistema en un chip ; solo unos pocos proveedores, como Apple, tienen licencia para modificar los núcleos ARM o crear los suyos propios. La mayoría de los teléfonos móviles incluyen un procesador ARM, al igual que una amplia variedad de otros productos. Existen núcleos ARM orientados a microcontroladores sin soporte para memoria virtual, así como procesadores de aplicaciones multiprocesador simétrico (SMP) con memoria virtual.

Entre 1993 y 2003, las arquitecturas x86 de 32 bits se impusieron cada vez más en los mercados de ordenadores de sobremesa , portátiles y servidores, y estos microprocesadores se volvieron más rápidos y potentes. Intel había licenciado las primeras versiones de la arquitectura a otras compañías, pero se negó a licenciar el Pentium, por lo que AMD y Cyrix desarrollaron versiones posteriores de la arquitectura basándose en sus propios diseños. Durante este periodo, la complejidad (número de transistores) y la capacidad (instrucciones por segundo) de estos procesadores aumentaron al menos tres órdenes de magnitud. La línea Pentium de Intel es probablemente el modelo de procesador de 32 bits más famoso y reconocible, al menos para el público en general.

Si bien los diseños de microprocesadores de 64 bits se han utilizado en varios mercados desde principios de la década de 1990 (incluida la consola de videojuegos Nintendo 64 en 1996), a principios de la década de 2000 se introdujeron los microprocesadores de 64 bits dirigidos al mercado de los PC.

Con la introducción por parte de AMD de una arquitectura de 64 bits retrocompatible con x86, x86-64 (también llamada AMD64 ), en septiembre de 2003, seguida por las extensiones de 64 bits casi totalmente compatibles de Intel (primero llamadas IA-32e o EM64T, luego renombradas Intel 64 ), comenzó la era de los ordenadores de sobremesa de 64 bits. Ambas versiones pueden ejecutar aplicaciones heredadas de 32 bits sin ninguna pérdida de rendimiento, así como nuevo software de 64 bits. Con sistemas operativos como Windows XP x64 , Windows Vista x64, Windows 7 x64, Linux , BSD y macOS que se ejecutan de forma nativa en 64 bits, el software también está orientado a aprovechar al máximo las capacidades de dichos procesadores. El paso a 64  bits es más que un simple aumento en el tamaño de los registros con respecto a IA-32, ya que también duplica el número de registros de propósito general.

La transición a 64  bits en PowerPC estaba prevista desde el diseño de la arquitectura a principios de los 90 y no fue una causa importante de incompatibilidad. Los registros de enteros existentes se extendieron, al igual que todas las rutas de datos relacionadas, pero, como sucedió con IA-32, tanto las unidades de punto flotante como las vectoriales llevaban  varios años operando a 64 bits o más. A diferencia de lo ocurrido cuando IA-32 se extendió a x86-64, no se añadieron nuevos registros de propósito general en PowerPC de 64 bits, por lo que cualquier mejora en el rendimiento al usar el modo de 64 bits para aplicaciones que no utilizan el mayor espacio de direcciones es mínima.

En 2011, ARM presentó la nueva arquitectura ARM de 64 bits.

Entre mediados de la década de 1980 y principios de la de 1990, surgió una nueva generación de microprocesadores de alto rendimiento con conjunto reducido de instrucciones ( RISC ), influenciados por diseños de CPU discretas similares a RISC, como el IBM 801 y otros. Los microprocesadores RISC se utilizaron inicialmente en máquinas de propósito específico y estaciones de trabajo Unix , pero posteriormente se popularizaron en otros ámbitos.

El primer diseño comercial de microprocesador RISC fue lanzado en 1984 por MIPS Computer Systems , el R2000 de 32 bits (el R1000 no se lanzó). En 1986, HP lanzó su primer sistema con una CPU PA-RISC . En 1987, en las computadoras Acorn no Unix, el Acorn Archimedes de 32 bits, entonces sin caché y basado en ARM2 , se convirtió en el primer éxito comercial que utilizó la arquitectura ARM , entonces conocida como Acorn RISC Machine (ARM); el primer silicio ARM1 en 1985. El R3000 hizo que el diseño fuera realmente práctico, y el R4000 introdujo el primer microprocesador RISC de 64 bits disponible comercialmente en el mundo. Proyectos competidores darían como resultado las arquitecturas IBM POWER y Sun SPARC . Pronto, todos los principales proveedores lanzaron un diseño RISC, incluidos el AT&T CRISP , el AMD 29000 , el Intel i860 y el Intel i960 , el Motorola 88000 y el DEC Alpha .

A finales de la década de 1990, solo dos arquitecturas RISC de 64 bits se seguían produciendo en masa para aplicaciones no integradas: SPARC y Power ISA , pero a medida que ARM se ha vuelto cada vez más potente, a principios de la década de 2010 se convirtió en la tercera arquitectura RISC en el segmento de la informática general.

El procesamiento simétrico multiprocesador (SMP ) ^{[ 63 ]} es una configuración de dos, cuatro o más CPU (en pares) que se utilizan habitualmente en servidores, ciertas estaciones de trabajo y ordenadores personales de sobremesa desde la década de 1990. Un procesador multinúcleo es una única CPU que contiene más de un núcleo de microprocesador.

Esta popular placa base de dos sockets de Abit se lanzó en 1999 como la primera placa base para PC con soporte SMP. El procesador Intel Pentium Pro fue la primera CPU comercial ofrecida a ensambladores de sistemas y entusiastas. La Abit BP9 admite dos procesadores Intel Celeron y, al usarse con un sistema operativo con soporte SMP (Windows NT/2000/Linux), muchas aplicaciones obtienen un rendimiento mucho mayor que con un solo procesador. Los primeros Celeron eran fácilmente overclockeables y los aficionados usaban estos procesadores relativamente económicos con frecuencias de hasta 533 MHz, muy por encima de las especificaciones de Intel. Tras descubrir la capacidad de estas placas base, Intel eliminó el acceso al multiplicador en los procesadores posteriores.

En 2001,  IBM lanzó la CPU POWER4 , un procesador desarrollado tras cinco años de investigación, iniciada en 1996 con un equipo de 250 investigadores. El esfuerzo por lograr lo imposible se vio reforzado por el desarrollo de la colaboración remota y la asignación de ingenieros jóvenes para trabajar con ingenieros más experimentados. El trabajo del equipo culminó con el éxito del nuevo microprocesador Power4. Se trata de una CPU dos en uno que duplicó con creces el rendimiento a la mitad del precio de la competencia, y representó un gran avance en la informática. La revista de negocios eWeek escribió: "El Power4 de 1 GHz de nuevo diseño representa un salto tremendo con respecto a su predecesor" . El analista de la industria, Brad Day, de Giga Information Group, afirmó: "IBM está adoptando una estrategia muy agresiva, y este servidor es revolucionario".

El Power4 ganó el " Premio Elección de los Analistas al Mejor Procesador de Estación de Trabajo/Servidor de 2001" y batió récords notables, incluyendo ganar un concurso contra los mejores jugadores en el programa de televisión estadounidense Jeopardy! ^{[ 64 ] .}

Los procesadores Intel Yonah, cuyo nombre en clave era " CPU", se lanzaron el 6 de enero de 2006 y se fabricaron con dos chips empaquetados en un módulo multichip . En un mercado altamente competitivo, AMD y otras compañías lanzaron nuevas versiones de CPU multinúcleo. AMD lanzó en 2001 los procesadores Athlon MP con soporte SMP de la línea AthlonXP , Sun lanzó los Niagara y Niagara 2 con ocho núcleos, y AMD lanzó el Athlon X2 en junio de 2007. Las empresas estaban inmersas en una carrera constante por la velocidad; de hecho, el software más exigente requería mayor potencia de procesamiento y velocidades de CPU más rápidas.

Para 2012, los procesadores de doble y cuádruple núcleo se popularizaron en ordenadores de sobremesa y portátiles. Los procesadores más recientes, similares a los Intel Xeon profesionales de mayor precio, incorporaban núcleos adicionales que ejecutaban instrucciones en paralelo, lo que generalmente mejoraba el rendimiento del software, siempre que este estuviera diseñado para aprovechar el hardware avanzado. Los sistemas operativos ofrecían compatibilidad con procesadores multinúcleo y SMD, y muchas aplicaciones de software, incluidas aquellas con gran carga de trabajo y que consumen muchos recursos (como los juegos en 3D), estaban programadas para sacar partido de los sistemas multinúcleo y multi-CPU.

Apple, Intel y AMD lideran actualmente el mercado de procesadores multinúcleo para ordenadores de sobremesa y estaciones de trabajo. Si bien suelen superarse mutuamente en rendimiento, Intel mantiene frecuencias más altas y, por lo tanto, ofrece el mejor rendimiento de un solo núcleo ^{[ 65 ]} , mientras que AMD suele ser líder en tareas multihilo gracias a una arquitectura de conjunto de instrucciones (ISA) más avanzada y al proceso de fabricación de sus procesadores.

Los conceptos de multiprocesamiento para configuraciones multinúcleo/multi-CPU están relacionados con la ley de Amdahl .