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Parte de Arquitectura de Computadores

Profesores

Diego Andrade Canosa (diego.andrade (at) udc.es) D 0.03

Gabriel Rodrıguez Alvarez (grodriguez (at) udc.es) S 1.2

Mas informacion en campusvirtual.udc.es

Temario:

Historia del hardware

Representacion de la informacion

Arquitectura del PC

IB

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Historia del hardware

IB

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Indice

Edad antiguaEdad mediaEdad modernaEdad contemporaneaGeneraciones modernas

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Historia del hardware – Edad antigua

El abaco

Herramienta para simplificar calculos aritmeticos.

Utiliza cuentas que se deslizan a lo largo de alambres o unaacanaladura.

Utilizado por primera vez en la antigua Mesopotamia.

Distintos modelos con diferentes caracterısticas.

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∼2400 a.C.


Figura: Abaco romano, con disposicion 1:4.

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Figura: Abaco chino (suanpan), con disposicion 2:5, que permite conteohexadecimal.

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Vıdeo: Funcionamiento del abaco

http://www.youtube.com/watch?v=CvsnftXXKdw&NR=1&feature=fvwp


Mecanismo de Anticitera

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∼125 a.C.


Primer computador analogico conocido.

Construido en Grecia alrededor del 125 a.C.

Se desconoce su constructor o proposito.

Se introducıa una fecha usando las manecillas, y mostraba laposicion de la Luna, el Sol y los 5 planetas conocidos por losgriegos.

Usaba un modelo geocentrico para calcular el movimiento delos cuerpos celestes.

El dispositivo tambien predecıa los eclipses solares y mostrabala fecha de los antiguos juegos olımpicos.

Es el primer dispositivo conocido en usar engranajesdiferenciales (anteriormente el primer uso conocido era del S.XVII).

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Figura: Reconstruccion de R.J. Deroski segun el modelo de D.J. de Solla.

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Otros dispositivos griegos

Disenados o expuestos por Heron de Alejandrıa (ca.10–70 d.C.).

Primera maquina expendedora.

Una obra de teatro totalmente mecanica, operada por unsistema de cuerdas y maquinas simples.

La primera maquina de vapor, la eolıpila.

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Figura: Eolıpila moderna.

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Historia del hardware – Edad media

Ingenierıa medieval islamica

ca. 724 d.C. – Liang Lingzan construye uno de los primerosrelojes mecanicos.ca. 875 d.C. – Los hermanos Banu Musa construyen elinstrumento musical mecanico mas antiguo conocido: unorgano hidraulico que reproduce cilindros intercambiables.

Figura: Cilindro musical como el empleado en el organo hidraulico de loshermanos Banu Musa.

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Al-Biruni (973–1048), astronomo persa, perfecciona elastrolabio e inventa el planisferio.

(a) Astrolabio persa del S. X. (b) Planisferio.

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VIDEO: Como funciona un astrolabio.

http://www.ted.com/talks/tom_wujec_demos_the_13th_century_astrolabe.html


Azarquiel de Toledo (1029–1087) inventa el Equatorium.

Jabir ibn Aflah (1100–1150) inventa el Torquetum.

(c) Equatorium, S. XV. (d) Torquetum, S. XVII.

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Al-Jazari (1136–1206) construye numerosos ingenios, entre losque destacan:

Maniquıs humanoides programables, la primera aproximacionno-magica a un robot:

Camarera que sirve bebidas.Lavador de manos.“Fuente del pavo real” con sirvientes automatizados.Banda musical robotica.

Un reloj astronomico considerado el computador analogicoprogramable mas antiguo.

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Historia del hardware – Edad moderna

La primera calculadora

¿Leonardo da Vinci?

(e) Diseno de Leonardo da Vinci, ca.1492.

(f) Reconstruccion de Roberto Guatelli, 1968.

Figura: Calculadora de LeonardoIB


¿Wilhelm Schickard?

(a) Diseno de Schickard, ca.1624.

(b) Reconstruccion de Loringhoff, 1961.

Figura: Reloj calculador de Schickard.

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Blaise Pascal

Figura: Pascalina, 1645.

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Primera calculadora automatica.1

Capaz de realizar sumas.

Y restas mediante complemento a 9.

Maquina cara y con poco exito comercial.

Debıa personalizarse con la moneda del usuario.Tecnicamente no era posible una produccion masiva.

Se construyeron entre 20 y 50 unidades.

1con permiso de SchickardIB


Figura: Interior de una pascalina. Se observan las ruedas que avanzan lacifra computada, ası como el mecanismo de acarreo y el complemento a9 del numero introducido.

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Stepped reckoner

Disenado y construido por Gottfried Wilhelm von Leibnizentre 1672 y 1694.

Primera calculadora capaz de multiplicar y dividir. Puede:

Sumar y restar un numero de 8 dıgitos a otro de 16.Multiplicar dos numeros de 8 dıgitos y dar como resultado unode 16.Dividir un numero de 16 dıgitos por un divisor de 8.

La suma y la resta se realizan en un solo paso.

La multiplicacion y la division se realizan como secuencias desumas y restas, usando las versiones “largas”2 de losalgoritmos.

2las aprendidas comunmente en la escuelaIB


Figura: Maquina de Leibniz o Stepped Reckoner.

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Historia del hardware – Edad contemporanea

Tarjetas perforadas

Telar de Jacquard: primera maquina en usar tarjetasperforadas para controlar una secuencia de operaciones.

Cada tarjeta corresponde a una fila del diseno.

La existencia o no de un agujero en un punto determinadodetermina el patron de los hilos.

Esto permite cambiar el patron tejido mediante el cambio detarjetas: precursor de los computadores programados.

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Vıdeo: Telar de Jacquard.

1801

http://www.youtube.com/watch?v=f1Zzj9ZBYmQ


S. Korsakov utiliza tarjetas perforadas por primera vez fuerade la industria textil.

Idea un dispositivo para facilitar la busqueda de informacionen una base de datos.

En este caso, las tarjetas perforadas almacenan informacion,no control.

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1832


El censo estadounidense de 1880 habıa sido realizado a mano,una tarea que duro 8 anos.

Las estimaciones eran que el censo de 1890 llevarıa 13 anos.

Mas tiempo que el perıodo entre censos!

Herman Hollerith, empleado de la Oficina del Censoestadounidense, disena un metodo basado en el uso detarjetas perforadas y maquinas tabuladoras.

Su inspiracion proviene de los revisores de ferrocarriles, quecodificaban caracterısticas fısicas de los pasajeros en el ticadode los billetes.

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1890


Figura: Escritor de tarjetas perforadas y plantilla de las tarjetas para suuso en el censo estadounidense de 1890.

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El censo fue completado en un ano: muy por debajo deltiempo (y coste) estimados.

En vista del exito, Hollerith funda la Tabulating MachinesCompany en 1896.

Su modelo de negocio consistıa en alquilar maquinastabuladoras y vender tarjetas perforadas a gobiernosextranjeros para realizar sus censos.En 1924, tras varias fusiones, la TMC se convertirıa en IBM.

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Maquina diferencial

Concebida por Johann Helfrich von Muller, un ingenierio delejercito de Hesse.

Muller no consiguio financiacion para la maquina, por lo queno llevo adelante el concepto.

Disenada en 1822 por Charles Babbage.

Basada en el metodo de las diferencias divididas de Newton.

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1786


Ejemplo: f (x) = 3x2 − 2x + 4

k f (k) d1(f (k)) d2(f (k))

0123456789

10. . .

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Ejemplo: f (x) = 3x2 − 2x + 4

k f (k) d1(f (k)) d2(f (k))

0 41 52 123 25456789

10. . .

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Ejemplo: f (x) = 3x2 − 2x + 4

k f (k) d1(f (k)) d2(f (k))

0 4 11 5 72 12 133 25456789

10. . .

IB


Ejemplo: f (x) = 3x2 − 2x + 4

k f (k) d1(f (k)) d2(f (k))

0 4 1 61 5 7 62 12 133 25456789

10. . .

IB


Ejemplo: f (x) = 3x2 − 2x + 4

k f (k) d1(f (k)) d2(f (k))

0 4 1 61 5 7 62 12 13 63 25 64 65 66 67 68 69 6

10 6. . .

IB


Ejemplo: f (x) = 3x2 − 2x + 4

k f (k) d1(f (k)) d2(f (k))

0 4 1 61 5 7 62 12 13 63 25 19 64 65 66 67 68 69 6

10 6. . .

IB


Ejemplo: f (x) = 3x2 − 2x + 4

k f (k) d1(f (k)) d2(f (k))

0 4 1 61 5 7 62 12 13 63 25 19 64 44 65 66 67 68 69 6

10 6. . .

IB


Ejemplo: f (x) = 3x2 − 2x + 4

k f (k) d1(f (k)) d2(f (k))

0 4 1 61 5 7 62 12 13 63 25 19 64 44 25 65 66 67 68 69 6

10 6. . .

IB


Ejemplo: f (x) = 3x2 − 2x + 4

k f (k) d1(f (k)) d2(f (k))

0 4 1 61 5 7 62 12 13 63 25 19 64 44 25 65 69 66 67 68 69 6

10 6. . .

IB


Ejemplo: f (x) = 3x2 − 2x + 4

k f (k) d1(f (k)) d2(f (k))

0 4 1 61 5 7 62 12 13 63 25 19 64 44 25 65 69 31 66 102 67 68 69 6

10 6. . .

IB


Ejemplo: f (x) = 3x2 − 2x + 4

k f (k) d1(f (k)) d2(f (k))

0 4 1 61 5 7 62 12 13 63 25 19 64 44 25 65 69 31 66 102 37 67 141 68 69 6

10 6. . .

IB


Ejemplo: f (x) = 3x2 − 2x + 4

k f (k) d1(f (k)) d2(f (k))

0 4 1 61 5 7 62 12 13 63 25 19 64 44 25 65 69 31 66 102 37 67 141 43 68 186 69 6

10 6. . .

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Ejemplo: f (x) = 3x2 − 2x + 4

k f (k) d1(f (k)) d2(f (k))

0 4 1 61 5 7 62 12 13 63 25 19 64 44 25 65 69 31 66 102 37 67 141 43 68 186 49 69 237 6

10 6. . .

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Ejemplo: f (x) = 3x2 − 2x + 4

k f (k) d1(f (k)) d2(f (k))

0 4 1 61 5 7 62 12 13 63 25 19 64 44 25 65 69 31 66 102 37 67 141 43 68 186 49 69 237 51 6

10 294 6. . .

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Figura: Maquina diferencial.

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1822


1832: Babbage y Joseph Clement completan la construccionde un primer segmento prototipo.

1842: Se cancela el proyecto, debido a su sobrecoste y ahaberse quedado obsoleto en favor de la Maquina Analıtica.

1859-60: Per Georg Scheutz vende dos de sus MaquinasDiferenciales a UK y los USA. Fueron usadas para tabularlogaritmos y tablas astronomicas.

1991: El London Science Museum termina la construccion dela primera Maquina Diferencial de Babbage para conmemorarel 200o aniversario de su nacimiento.

2000: Se completa la construccion de la “impresora” de lamaquina.

Toda la construccion se realiza usando tolerancias del S. XIX.

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Figura: Maquina diferencial construida con piezas de LEGO. Evaluapolinomios de segundo grado y da el resultado con 3 dıgitos decimales.

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Pagina web de la Maquina Diferencial LEGO.

∼2006

http://acarol.woz.org/difference_engine.html


Maquina analıtica

Babbage concibe la Maquina Analıtica, un paso adelante conrespecto a la maquina diferencial.

Caracterısticas:

Programable mediante tarjetas perforadas.Representacion interna usando numeros decimales.Memoria con capacidad de 1000 numeros de 50 dıgitos cadauno.Capacidad para realizar sumas, restas, multiplicaciones,divisiones, comparaciones y raıces cuadradas.Lenguaje de programacion incluyendo lazos y condicionales(Turing-completo).Salida mediante una impresora y un plotter de funciones.Capaz de multiplicar dos numeros de 20 dıgitos en unos 3minutos, segun Babbage.Alimentada mediante un motor de vapor.

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1834


1871: Babbage finaliza la construccion de una seccionprototipo del “molinillo” (unidad aritmetica) y la impresora.Fallece poco despues.

1872: Henry Babbage continua el trabajo de su padre.

1878: Un comite de expertos recomienda no financiar laconstruccion de la Maquina Analıtica.

1910: Henry Babbage finaliza parte del molinillo y laimpresora, demostrando que el diseno de su padre hubierafuncionado.

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Figura: Seccion del molinillo de la Maquina Analıtica construida porHenry Babbage en 1910.

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1910


Figura: ???

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Primer computador binario: Z1

1848: Boole desarrolla el algebra binaria.

Konrad Zuse desarrolla el Z1 (inicialmente denominado V1):

Primer computador “moderno”: unidad de control, memoria,ALU en punto flotante, representacion interna binaria,programado mediante cinta perforada.Usaba carrete de 35mm como “cinta perforada”.A pesar de trabajar internamente en binario, las entradas ysalidas se aceptaban en decimal.Fue destruido por los bombardeos aliados en 1943, junto conlos planos.Reconstruido en 1989 por el Deustches Technikmuseum Berlin.

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1938


Figura: Reconstruccion del Z1 (1989).

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Primer computador totalmente electronico

ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer).

Primer computador electronico de proposito general(reprogramable).

Parte del “esfuerzo de guerra”. Disenado para computartablas de trayectorias balısticas (pero usado para desarrollar labomba de hidrogeno).

Mil veces mas rapido que los computadores electromecanicos.

Lo mas resenable era su complejidad estructural: 17.000 tubosde vacıo, 7.200 diodos de cristal, 70.000 resistencias, 10.000condensadores, 5 millones de soldaduras hechas a mano.Pesaba 30 toneladas.

Capaz de realizar 5.000 sumas y 300 multiplicaciones porsegundo.

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1946

Historia del hardware – Generaciones modernas

Primera generacion

Computers in the future may weigh no more than 1.5 tons.– Popular Mechanics, prediciendo la imparable marcha de la ciencia (1949)

Caracterizada por la produccion en serie de los computadoresy su entrada en el ambito empresarial.

A nivel tecnico, las caracterısticas de estas maquinas eran:

Arquitectura basada en tubos de vacıo.E/S a traves de tarjetas perforadas, impresoras y cintasmagneticas.Memorias con tamanos inferiores a 100 KB.

Ejemplo representativo: UNIVAC.

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1951–1958


UNIVAC (Universal Automatic Computer)

Primer ordenador producido en EEUU en ser comercializado.

La primera unidad se entrego en 1951 a la Oficina del Censo.

Se fabricaron 46 unidades en total.

Caracterısticas tecnicas:

2.25 Mhz.Memoria de 1000 palabras de 12 bytes.13 toneladas de peso.5.000 tubos de vacıo.

Primer ordenador en ser famoso para el publico en general.

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Segunda generacion

Caracterizada por el uso de transistores en lugar de valvulasde vacıo.

Inventado en los laboratorios de la Bell por John Bardeen,Walter Brattain y William B. Shockley en 1947 (obtuvieronpor ello el premio Nobel en 1956).

Introduccion de las memorias basadas en anillos de ferrita:ahorro en espacio y velocidad.

IBM se convirtio en el lıder del mercado, siendo el modelomas difundido el 1401.

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1959–1964


¿Anillo de ferrita?

La ferrita es un material que contiene partıculas de oxido dehierro.

Se puede magnetizar, y conserva la magnetizacion durantemucho tiempo.

Algunas de sus caracterısticas se mejoran si tiene forma deanillo.

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Podemos actuar sobre la magnetizacion de un anillo de ferritaenhebrandole un hilo conductor y haciendo circular por el unacorriente electrica.

A este hilo lo llamaremos “hilo de escritura”.

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Si aplicamos en el hilo una corriente electrica de intensidadsuficiente, el anillo se magnetiza en el sentido del campomagnetico inducido.

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Al suprimir la corriente inductora, el anillo mantiene lamagnetizacion.

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Aplicando ahora una corriente electrica en sentido contrario, sino tiene intensidad suficiente, el anillo se resiste a cambiar yconserva el sentido de su magnetizacion.

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Cuando la corriente electrica es suficiente, logra que lamagnetizacion cambie de sentido.

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Como en el caso anterior, al suprimir la corriente inductora elanillo mantiene la magnetizacion.

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(a) Estado “0” (b) Estado “1”

Puesto que el anillo de ferrita es capaz de adoptar dos estadosde magnetizacion distintos y estables, se puede emplear paraalmacenar una informacion elemental: solo hay que asignararbitrariamente los valores “0” y “1” a esos estados.

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(c) Estado “0” (d) Estado “1”

¿Como leer el valor de la memoria?

Se puede detectar el sentido de un campo magnetico haciendoque induzca una corriente electrica en un hilo. Esto se puedelograr de dos formas: moviendo el campo (habrıa que girar elanillo) o haciendo que cambia su valor. Esta ultima es lasolucion mas sencilla.

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Ası, se pasa otro hilo por el anillo de ferrita, que no debe estarparalelo al hilo de escritura para evitar inducciones directasentre ambos.

Le llamaremos “hilo de lectura”.

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Para averiguar el estado, a traves del hilo de escritura seaplica una corriente magnetica que fuerce la magnetizaciondel anillo hasta adoptar el estado “0”.

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Si el anillo esta en el estado “1”, al pasar al “0” sumagnetizacion cambia bruscamente. Este cambio induce unacorriente electrica en el hilo de lectura.

Su intensidad es apreciable, aunque menor que la necesariapara producir la conmutacion.

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Si esta en el estado “0”, su magnetizacion apenas cambia, yla corriente inducida en el hilo de lectura es mucho menor queen el otro caso.

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Pero ası “me cargo” el estado que tenıa...

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Efectivamente, la forma de leer la informacion deja el anillo enel estado “0”; por eso se dice que la lectura es destructiva.Pero esto tiene facil arreglo: si estaba a “1” y ha pasado a“0”, basta con dar un nuevo pulso de escritura para volver aponerlo a “1” y dejarlo como estaba.

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Con esta tecnologıa, una memoria de 1 kB tendrıa 8x1024 =8192 anillos de ferrita.

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Figura: Memoria de anillos de ferrita.

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Figura: Escudo de la profesion de Ingenierıa en Informatica.

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Tercera generacion

Caracterizada por la introduccion del circuito integrado(CHIP, Circuit High Integrated Process).

Desarrollado por Jack Kilby en Texas Instruments en 1959.Obtuvo el premio Nobel por ello en 2000.

Numero de computadores en los EEUU:

1954: ∼1001959: ∼1.0001971: ∼10.000

No solo las grandes empresas tenıan ordenadores, sinotambien las medianas.

El equipo mas popular de esta generacion fue el IBM 360.

Diferentes modelos dentro de la serie.El mas basico contaba con 4 kB de memoria.Compatibles entre ellos: facilmente actualizable.

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1965–1974


Intel (fundada en 1968) presento su primer procesador, el Intel4004, en 1971.Desde este momento, se viene cumpliendo la Ley de Moore: elnumero de transistores que se incluyen en un circuitointegrado se duplica cada 18 meses.Cuidado: no hace referencia a la velocidad ni a otrasdimensiones.Se espera que se siga cumpliendo al menos hasta 2015.

Figura: Intel 4004.

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Figura: Ley de Moore y evolucion historica del numero de transistores.

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