Iniciantes: entendendo os processadores

Publicado em 28/11/2009 – 17:47
por Carlos Morimoto

O processador é sempre o componente mais enfatizado em qualquer PC. Ao comprar um desktop ou notebook, quase sempre a primeira informação que consta é o modelo e/ou clock do processador. Além de ser o encarregado de processar a maior parte das informações, o processador é o componente onde são usadas as tecnologias de fabricação mais recentes.

Existem no mundo apenas três empresas com tecnologia para fabricar processadores competitivos para micros PC: a Intel, AMD e a VIA. Antigamente tínhamos outros fabricantes, como IDT (que fabricou o IDT C6, concorrendo com o Pentium), a Texas Instruments (que fabricou chips 386 e 486), a Cyrix (que foi comprada pela VIA), a Transmeta (fabricante do Crusoé) e até mesmo a IBM. Entretanto, com o passar do tempo todas foram empurradas pra fora do mercado, deixando apenas a Intel e a AMD brigando pela supremacia e uma pequena VIA lutando para sobreviver.

Dentro do mundo PC, tudo começou com o 8088, lançado pela Intel em 1979 e usado no primeiro PC, lançado pela IBM em 1981. Depois veio o 286, lançado em 1982, e o 386, lançado em 1985.

O 386 pode ser considerado o primeiro processador moderno, pois foi o primeiro a incluir o conjunto de instruções x86 básico, usado até os dias de hoje. O 486, que ainda faz parte das lembranças de muita gente que comprou seu primeiro computador durante a década de 1990, foi lançado em 1989, mas ainda era comum encontrar micros com ele à venda até por volta de 1997.

Depois entramos na era atual, inaugurada pelo Pentium, que foi lançado em 1993, mas demorou alguns anos para se popularizar e substituir os 486. Em 1997 foi lançado o Pentium MMX, que deu um último fôlego à plataforma. Depois, em 1997, veio o Pentium II, que usava um encaixe diferente e por isso era incompatível com as placas-mãe antigas. A AMD soube aproveitar a oportunidade, desenvolvendo o K6-2, um chip com uma arquitetura similar ao Pentium II, mas que era compatível com as placas soquete 7 antigas.

A partir daí as coisas passaram a acontecer mais rápido. Em 1999 foi lançado o Pentium III e em 2000 o Pentium 4, que trouxe uma arquitetura bem diferente dos chips anteriores, otimizada para permitir o lançamento de processadores que trabalham a frequências mais altas.

O último Pentium III trabalhava a 1.0 GHz, enquanto o Pentium 4 atingiu rapidamente os 2.0 GHz, depois 3 GHz e depois 3.5 GHz. O problema é que o Pentium 4 possuía um desempenho por ciclo de clock inferior a outros processadores, o que faz com que a alta frequência de operação servisse simplesmente para equilibrar as coisas. A primeira versão do Pentium 4 operava a 1.3 GHz e, mesmo assim, perdia para o Pentium III de 1.0 GHz em diversas aplicações.

Quanto mais alta a frequência do processador, mais energia ele consome e, consequentemente, mais calor é dissipado por ele (como diz a primeira lei da termodinâmica, "nada se perde, tudo se transforma"). O calor não era um prolema na época do Pentium 1, quando os processadores usavam apenas 10 ou 15 watts, mas é um dos grandes limitantes hoje em dia, onde muitos processadores rompem a marca dos 150 watts.

Não é incomum que processadores domésticos sejam capazes de operar ao dobro da frequência nominal quando refrigerados com nitrogênio ou hélio líquido (o recorde para o Phenom II de 45 nm, por exemplo, é de 6.5 GHz), que eliminam o problema da temperatura. Entretanto, ao usar um cooler regular, a temperatura se torna um limitando muito antes.

Quando as possibilidades de aumento de clock do Pentium 4 se esgotaram, a Intel lançou o Pentium D, uma versão dual-core do Pentium 4. Inicialmente os Pentium D eram caros, mas com o lançamento do Core 2 Duo eles caíram de preço e passaram a ser usados até mesmo em micros de baixo custo. Os Pentium D eram vendidos sob um sistema de numeração e não sob a frequência real de clock. O Pentium D 820, por exemplo, opera a 2.8 GHz, enquanto o 840 opera a 3.2 GHz.

Em 2003 a Intel lançou o Pentium M, um chip derivado da antiga arquitetura do Pentium III, que consome pouca energia, esquenta pouco e mesmo assim oferece um excelente desempenho. Um Pentium M de 1.4 GHz chegava a superar um Pentium 4 de 2.6 GHz em diversas aplicações.

O Pentium M foi desenvolvido originalmente para ser usado em notebooks, mas se mostrou tão eficiente que acabou sendo usado como base para o desenvolvimento da plataforma Core, usada nos processadores Core 2 Duo e Core 2 Quad. O Pentium 4 acabou se revelando um beco sem saída, descontinuado e condenado ao esquecimento.

Paralelamente a todos esses processadores, temos o Celeron, uma versão mais barata, mas com um desempenho um pouco inferior, por ter menos cache ou outras limitações. Na verdade, o Celeron não é uma família separada de chips, mas apenas um nome comercial usado nas versões mais baratas (com metade ou um quarto do cache) de vários processadores Intel. Existem Celerons baseados no Pentium II, Pentium III, Pentium 4, Pentium M e até mesmo o Celeron E1xx, que é uma versão com menos cache do Core 2 Duo.

Para efeito de comparação, entre os chips antigos e os atuais, um 486 tinha cerca de 1.2 milhões de transistores e chegou a 133 MHz, enquanto o Pentium MMX tinha 4.3 milhões e chegou a 233 MHz. Um Pentium 4 (Prescott) tem 125 milhões e chegou aos 3.8 GHz, que foi por muitos anos a frequência de clock mais alta usada por um processador x86.

O transistor é a unidade básica do processador, capaz de processar um bit de cada vez. Mais transistores permitem que o processador processe mais instruções de cada vez enquanto a frequência de operação determina quantos ciclos de processamento são executados por segundo.

O uso de mais transistores permitem que o processador inclua mais componentes (mais núcleos, unidades de execução, mais cache, etc.) e execute mais processamento por ciclo, enquanto a frequência de operação determina quantos ciclos de processamento são executados por segundo. É possível aumentar o desempenho dos processadores tanto aumentando o número de transistores quanto aumentando a frequência, mas como ambas as abordagens possuem seus limites, os fabricantes são obrigados a encontrar a melhor combinação entre as duas coisas.

Continuando, temos os processadores da AMD. Ela começou produzindo clones dos processadores 386 e 486, muito similares aos da Intel, porém mais baratos. Quando a Intel lançou o Pentium, que exigia o uso de novas placas, a AMD lançou o "5×86", um 486 de 133 MHz, que foi bastante popular, servindo como uma opção barata de upgrade.

Embora o "5×86" e o clock de 133 MHz dessem a entender que se tratava de um processador com um desempenho similar a um Pentium 133, o desempenho era muito inferior, mal concorrendo com um Pentium 66. Este foi o primeiro de uma série de exemplos, tanto do lado da AMD, quanto do lado da Intel, em que existiu uma diferença gritante entre o desempenho de dois processadores do mesmo clock. Embora seja um item importante, a frequência de operação não é um indicador direto do desempenho do processador.

Uma analogia poderia ser feita em relação aos motores de carro. Os motores de 1.6 do final da década de 70, usados nas Brasílias e nos Fuscas, tinham 44 cavalos de potência, enquanto os motores 1.0 atuais chegam a mais de 70 cavalos. Além da capacidade cúbica, existem muitos outros fatores, como a eficiência do sistema de injeção de ar e combustível, taxa de compressão, refrigeração, etc. o mesmo se aplica aos processadores, onde temos o número de unidades de execução, o índice de acerto do circuito de branch prediction, o tamanho e a eficiência dos caches e assim por diante.

Continuando, depois do 5×68 a AMD lançou o K5, um processador similar ao Pentium, mas que não fez tanto sucesso. Ele foi seguido pelo K6 e mais tarde pelo K6-2, que novamente fez bastante sucesso, servido como uma opção de processador de baixo custo e, ao mesmo tempo, como uma opção de upgrade para quem tinha um Pentium ou Pentium MMX.

Esta era do K6-2 foi uma época negra da informática, não pelo processador em si (que excluindo o desempenho em jogos, tinha um bom custo-benefício), mas pelas placas-mãe baratas que inundaram o mercado.

Aproveitando o baixo custo do processador, os fabricantes passaram a desenvolver placas cada vez mais baratas (e de qualidade cada vez pior) para vender mais, oferecendo PCs de baixo custo. A época foi marcada por aberrações. Um certo fabricante chegou a lançar uma família de placas sem cache L2, cujos capacitores estufavam (levando ao fim da vida útil da placa) depois de apenas um ano de uso.

As coisas voltaram aos trilhos com o Athlon, que se tornou a arquitetura de maior sucesso da AMD. A primeira versão usava um formato de cartucho (slot A) similar ao Pentium II, mas incompatível com as placas para ele. Ele foi sucedido pelo Athlon Thunderbird, que passou a usar o formato de soquete utilizado (com atualizações) até os dias de hoje.

Competindo com o Celeron, a AMD produziu o Duron, um processador de baixo custo, idêntico ao Athlon, mas com menos cache. Em 2005 o Athlon foi descontinuado e o cargo foi herdado pelo Sempron, uma versão aperfeiçoada do Duron (com mais cache e capaz de atingir frequências mais altas), que passou a ser vendido segundo um índice de desempenho (em relação ao Pentium 4) e não mais segundo o clock real.

Por volta de 2000, surgiram as primeiras notícias do "SledgeHammer", um processador de 64 bits, que foi finalmente lançado em versão doméstica na forma do Athlon 64, que passou a ser o topo de linha da AMD. Apesar das mudanças internas, o Athlon 64 continua sendo compatível com os programas de 32 bits, da mesma forma que os processadores atuais são capazes de rodar softwares da época do 386, muito embora tenham incorporado diversos novos recursos.

Na prática, o fato de ser um processador de 64 bits não torna o Athlon 64 gritantemente mais rápido, mesmo em aplicativos otimizados (os ganhos de desempenho surgem mais devido ao controlador de memória integrado e aos novos registradores). A principal vantagem dos processadores de 64 bits é derrubar uma limitação inerente a todos os processadores de 32 bits, que são capazes de acessar apenas 4 GB de memória RAM, um limite que está se tornando cada vez mais uma limitação grave em várias áreas.

O Athlon 64 deu origem ao Athlon X2, o primeiro processador dual-core da AMD, onde temos dois processadores Athlon 64 no mesmo encapsulamento, dividindo a carga de processamento e também às várias versões do Sempron para placas soquete 754, AM2 e AM3, que se tornaram bastante populares em PCs de baixo custo.
Com o avanço do Core 2 Duo, a AMD se apressou em atualizar a arquitetura do Athlon 64, incluindo algumas melhorias na arquitetura e (mais importante) suporte ao uso de 4 núcleos e cache L3 compartilhado. Surgiu então o Phenom, que foi o primeiro processador quad-core doméstico da AMD.

O Phenom foi produzido em diversas variações, incluindo versões com três núcleos (o Phenom X3) e também versões com parte do cache desativado. Elas surgiram da necessidade de maximizar o volume de produção, transformando os processadores com defeitos localizados em versões de baixo custo. Essa mesma filosofia deu origem também à série Athlon X2 7xxx, que consistiu em versões low-end do Phenom, com dois dos núcleos desativados.

As versões iniciais do Phenom foram produzidas usando uma técnica de 65 nanômetros (similar à usada pela Intel para produzir a versão inicial do Core 2 Duo), o que limitou o tamanho do cache L3 a apenas 2 MB. Em 2009 a AMD migrou suas fábricas para a técnica de 45 nm, o que deu origem ao Phenom II, que trouxe 6 MB de cache L3, resultando em um ganho considerável de desempenho. Assim como no caso do Phenom original, o Phenom II é vendido em várias versões, com 4 núcleos, 3 núcleos e até mesmo dois núcleos ativos, com o objetivo de aproveitar as unidades com pequenos defeitos.

A nova técnica de fabricação deu origem também a duas novas séries de processadores de baixo custo, o Athlon II X2 e o Athlon II X4, destinadas a substituir os últimos modelos do Athlon X2. Como os nomes sugerem, o Athlon II X2 possui dois núcleos e o Athlon II X4 possui quatro núcleos. A arquitetura continua sendo a mesma do Phenom II, mas eles excluem o cache L3, removido para cortar custos.

A última rodada foi iniciada com o lançamento do Core i7 e do Core i5, que inauguraram a nova geração de processadores da Intel, realimentando o ciclo de lançamentos. Uma das mudanças introduzidas por eles foi o Turbo Boost, um sistema de gerenciamento de clock que aumenta a frequência do processador quando apenas alguns dos núcleos está sendo utilizados, funcionando como uma espécie de sistema de overclock automático. Ele tornou o desempenho dos processadores muito mais variável, já que ele passou a depender também da temperatura de operação do processador e outros fatores.

Aqui está uma árvore rápida de referência com os principais processadores da Intel e os equivalentes da AMD: