3. Microprocessadores
Atualizado em: 10 de março de 2024
Por: Nelson H. Koshoji
3.1. Evolução
Os microprocessadores, também conhecidos como CPUs (Central Processing Units), são o coração de qualquer computador ou dispositivo eletrônico, responsáveis por executar as instruções de um programa por meio de operações básicas como aritmética, lógica, controle e entrada/saída.
1971-1973: A história dos microprocessadores começa com o Intel 4004, lançado em 1971. Era um processador de 4 bits projetado para calculadoras, marcando a era dos microprocessadores.
1974-1978: A introdução do Intel 8080, um processador de 8 bits, foi um marco importante. Ele foi amplamente utilizado em sistemas de computadores pessoais da época.
1978-1985: O Intel 8086 e o 8088, introduzindo a arquitetura x86 que ainda é fundamental nos PCs modernos, foram lançados. Eles eram processadores de 16 bits que ofereciam melhor desempenho.
1985-2000: A Intel lançou o 80386, um microprocessador de 32 bits, iniciando a era dos processadores de 32 bits. Desde então, a evolução tem se concentrado em aumentar a eficiência, a velocidade do clock e a quantidade de núcleos. Concorrência significativa entre Intel e AMD.
2000 – presente: Aparecimento de processadores de vários núcleos. Os processadores de 64 bits se tornaram o padrão na indústria de computadores e dispositivos móveis nos últimos anos. A transição para a arquitetura de 64 bits começou no início dos anos 2000, e hoje a maioria dos novos computadores, smartphones e tablets são equipados com processadores de 64 bits.
3.2. Características
Função Principal: O processador é responsável por executar instruções e realizar operações matemáticas e lógicas em dados. Ele interpreta e executa programas, o que inclui o sistema operacional, aplicativos e software em geral.
Componentes Principais:
- Unidade de Controle: Responsável por coordenar as operações de busca, decodificação e execução de instruções.
- Unidade Lógica e Aritmética (ALU): Realiza operações matemáticas (como adição e subtração) e operações lógicas (como comparações).
- Registradores: Armazenam temporariamente dados e instruções durante o processamento.
- Barramentos: São os caminhos de comunicação que permitem a transferência de dados entre os componentes da CPU e a memória.
Arquitetura de Von Neumann: A CPU geralmente segue a arquitetura de Von Neumann, que é uma estrutura que separa a memória (onde os dados e programas são armazenados) da CPU (que executa as instruções). Isso permite que os programas sejam carregados na memória e executados sequencialmente.
fig. Arquitetura Von Neumann
Velocidade de Clock: A velocidade de clock de um processador, medida em Hertz (Hz) ou gigahertz (GHz), determina a taxa na qual ele pode executar instruções, ou seja, indica quantas operações um processador pode realizar em um segundo. Processadores mais rápidos podem realizar mais operações por segundo, mas não é o único fator determinante do desempenho.
Núcleos: Muitos processadores modernos têm múltiplos núcleos, o que permite que eles executem várias tarefas (threads) simultaneamente (multitarefa). Cada núcleo pode funcionar como uma CPU independente, aumentando ainda mais o desempenho.
Arquiteturas: Refere-se à estrutura interna do processador, incluindo o conjunto de instruções, núcleos, threads, etc.Existem diferentes arquiteturas de processadores, incluindo Complex Instruction Set Computing (CISC) e Reduced Instruction Set Computing (RISC), que diferem na complexidade das instruções e na eficiência.
CISC:
- Mais complexo: Possui um conjunto de instruções grande e variado, com instruções que podem realizar tarefas complexas em uma única operação. Isso pode simplificar a programação, mas torna o design do processador mais complexo.
- Instruções variadas em tamanho e tempo de execução: As instruções podem levar diferentes quantidades de tempo para serem executadas, e o processador precisa de lógica adicional para lidar com essa complexidade.
RISC:
- Mais simples: Usa um conjunto de instruções pequeno e otimizado, com a maioria das instruções sendo capaz de ser executada em um único ciclo de clock. Isso torna o processador mais simples e rápido.
- Instruções uniformes: Todas as instruções têm o mesmo tamanho e são projetadas para serem executadas rapidamente, o que facilita a previsão do desempenho e a otimização do hardware.
Tamanho do Die e Tecnologia de Fabricação: Expresso em nanômetros (nm), refere-se ao tamanho dos transistores dentro do processador. Quanto menor, mais transistores podem caber no mesmo espaço, aumentando a eficiência e reduzindo o consumo de energia.
DIE
O “die” de um processador refere-se ao componente central de silício que contém o circuito microeletrônico do processador. Em outras palavras, é a parte do processador que realmente executa as operações de processamento de dados.
O “die” do processador é responsável por executar cálculos, controlar a lógica e gerenciar todas as operações do processador, incluindo a execução de instruções do programa. Ele contém os transistores e os circuitos que compõem a unidade de processamento central (CPU) do processador.
O tamanho e a complexidade do “die” do processador variam de acordo com o modelo e a geração do processador. Processadores mais poderosos e modernos geralmente têm “dies” maiores e mais complexos, com mais núcleos de processamento, caches, unidades de execução e recursos avançados.
fig. Fotografia da arquitetura interna de um microprocessador de imagens de ressonância magnética aumentada 600 vezes, sob luz ultravioleta, para se enxergarem os detalhes
3.3. Principais Fabricantes
Intel: Um dos pioneiros na fabricação de microprocessadores, conhecido por suas linhas Core e Xeon.
AMD: Competidor direto da Intel, conhecido pelas suas linhas Ryzen e EPYC.
ARM Holdings: Projetam arquiteturas de processadores utilizadas por muitos fabricantes de chips para dispositivos móveis.
Qualcomm: Conhecido por seus processadores Snapdragon, amplamente utilizados em smartphones.
Apple: Com a introdução do chip M1, a Apple começou a fabricar seus próprios microprocessadores para Macs, baseados na arquitetura ARM.
Fabricantes: Intel e AMD
1. Intel Corporation
Produtos Destacados: Família de processadores Intel Core (i3, i5, i7, i9), Intel Xeon para servidores e estações de trabalho, e a recente linha Intel Atom para dispositivos móveis e embarcados.
Características: A Intel é conhecida por sua inovação na tecnologia de processadores, especialmente nos mercados de PCs e servidores. A empresa tem liderado o desenvolvimento de tecnologias de fabricação de semicondutores, alcançando processos de 10nm e explorando a transição para 7nm.
2. Advanced Micro Devices (AMD)
Produtos Destacados: Família de processadores AMD Ryzen para desktops e laptops, AMD EPYC para servidores, e as séries AMD Athlon e Sempron para o segmento de entrada.
Características: A AMD é conhecida por oferecer uma excelente relação custo-benefício e tem sido pioneira na adoção de novas tecnologias, como a introdução dos primeiros processadores de 7nm e a implementação de designs de chiplet para aumentar a eficiência e desempenho.
Evolução da Intel
A Intel, uma das pioneiras na indústria de semicondutores, tem desempenhado um papel crucial na evolução dos microprocessadores desde a sua fundação em 1968. Os processadores da Intel passaram por várias gerações, cada uma introduzindo melhorias significativas em desempenho, eficiência energética e capacidades de processamento:
Primeiras Gerações e a Era dos 8 e 16 bits
4004 (1971): O Intel 4004 foi o primeiro microprocessador no mundo, marcando o início da era dos computadores pessoais. Era um processador de 4 bits.
8008 (1972): Seguiu o 4004, sendo o primeiro processador de 8 bits da Intel, expandindo significativamente o mercado de microcomputadores.
8086 (1978): Introduziu a arquitetura x86, que se tornaria a base para os futuros processadores da Intel. Era um chip de 16 bits que oferecia um desempenho muito superior aos seus predecessores.
A Transição para 32 bits
80386 (1985): Foi o primeiro microprocessador da Intel de 32 bits, permitindo uma expansão significativa na capacidade de memória e melhorando o desempenho dos softwares de aplicação.
Pentium (1993): Marcou uma grande melhoria em relação aos seus antecessores com a introdução de um pipeline superescalar, permitindo que várias instruções fossem processadas simultaneamente.
A Era dos Processadores Multicore e de 64 bits
Pentium 4 (2000): Introduziu a arquitetura NetBurst e foi um dos primeiros a atingir velocidades de clock de até 3 GHz, mas enfrentou problemas de dissipação de calor e consumo de energia.
Core (2006): A família Core introduziu uma arquitetura mais eficiente, marcando um retorno ao aumento de desempenho por watt, ao invés de apenas aumentar a velocidade do clock.
Core i3, i5, i7 (2008-2009): Estas linhas de produtos introduziram processadores multicore no mercado de massa, oferecendo melhorias significativas em desempenho através da tecnologia Hyper-Threading e Turbo Boost.
Avanços Recentes
Série Core de 10ª, 11ª e 12ª Geração (2019-2021): Continuaram a inovar com melhorias na arquitetura, eficiência energética e desempenho integrado de gráficos. A 12ª geração, conhecida como Alder Lake, introduziu uma arquitetura híbrida com núcleos de eficiência e desempenho, adaptando-se a uma variedade de cargas de trabalho de forma mais eficiente.
Evolução da AMD
A AMD (Advanced Micro Devices) é uma das principais fabricantes de CPUs e GPUs, competindo diretamente com a Intel no mercado de processadores. A evolução dos processadores da AMD é marcada por inovações significativas e momentos em que a empresa se destacou por oferecer alternativas competitivas em desempenho e preço.
Início e a Era dos Compatíveis com a Intel
AMD Am286 (1982): Foi o primeiro processador produzido pela AMD, um clone do Intel 80286, marcando o início da sua entrada no mercado de CPUs.
AMD Am386 (1991): Este foi um ponto de virada, quando a AMD começou a oferecer processadores que não eram apenas compatíveis com os da Intel, mas também ofereciam melhor custo-benefício.
A Série K e o Aumento da Competitividade
AMD K5 (1996): O primeiro processador projetado inteiramente pela AMD, competindo diretamente com o Intel Pentium.
AMD K6 (1997): O K6 foi um sucesso significativo, oferecendo desempenho comparável ao Pentium II da Intel, mas a um preço mais acessível. O K6-2 e o K6-III, com tecnologia 3DNow!, foram introduzidos para melhorar o desempenho em aplicações multimídia e jogos.
A Era dos Athlon e Duron
AMD Athlon (1999): Foi o primeiro processador a atingir a velocidade de 1 GHz, superando a Intel em desempenho de CPU de alta gama. O Athlon XP, lançado posteriormente, continuou a competir fortemente com a Intel.
AMD Duron (2000): Foi introduzido como uma opção de baixo custo, competindo com o Celeron da Intel.
A Introdução dos Processadores de Múltiplos Núcleos e a Arquitetura Zen
AMD Athlon 64 X2 (2005): O primeiro processador de desktop de 64 bits com dois núcleos, marcando a entrada da AMD na era dos processadores multicore.
AMD Phenom e Phenom II (2007-2009): Apesar de oferecerem desempenho multicore decente, eles lutaram para competir com a Intel em termos de eficiência energética e desempenho por núcleo.
Arquitetura Zen (2017-presente): A introdução da arquitetura Zen com os processadores Ryzen representou um renascimento para a AMD. Os Ryzen ofereceram uma competição direta aos processadores Intel Core em todos os segmentos de mercado, desde o consumidor básico até o entusiasta e o mercado de servidores com a linha Epyc.
Ryzen 1000 Series (2017): Marcou a introdução da arquitetura Zen, oferecendo um desempenho impressionante e eficiência energética.
Ryzen 2000 e 3000 Series (2018-2019): Introduziram melhorias na arquitetura Zen, com a Zen+ e Zen 2, respectivamente, trazendo mais núcleos, maior eficiência e suporte para tecnologias mais recentes.
Ryzen 5000 Series (2020): Baseado na arquitetura Zen 3, ofereceu ganhos significativos em IPC (instruções por ciclo de clock), consolidando a posição da AMD no mercado de alta performance.
3.4. Principais Componentes do microprocessador)
Os núcleos são essencialmente CPUs individuais dentro de um processador. Cada núcleo pode processar instruções de forma independente, permitindo que múltiplas tarefas sejam executadas simultaneamente.
A família Intel Core i3, i5, i7, e i9 varia no número de núcleos, com modelos mais recentes oferecendo de 2 a 18 núcleos, ou mais, em configurações de alta performance.
A AMD tem se destacado por oferecer processadores com um alto número de núcleos, especialmente com suas linhas Ryzen e Epyc, permitindo excelente desempenho em multitarefa e aplicações que aproveitam paralelismo.
2. Cache
A memória cache é uma pequena quantidade de memória de alta velocidade disponível dentro do processador. Ela é usada para armazenar cópias temporárias dos dados e instruções que são frequentemente acessados pelo processador, reduzindo o tempo necessário para acessar dados da memória RAM. Os processadores Intel geralmente possuem três níveis de cache: L1, L2 e L3, variando em tamanho e velocidade.
3. Unidade de Ponto Flutuante (FPU)
A FPU, também conhecida como coprocessador matemático, é especializada em manipular números de ponto flutuante (decimais). Ela é crucial para tarefas que requerem cálculos matemáticos complexos, como aplicações científicas, de engenharia e gráficos 3D.
4. Unidade de Controle (CU)
A Unidade de Controle gerencia as operações do processador, decodificando as instruções do programa e controlando a execução das instruções nos componentes apropriados do processador.
5. Unidade Lógica Aritmética (ALU)
A ALU é responsável por realizar operações aritméticas (como adição e subtração) e lógicas (como comparação de valores) básicas. É um componente fundamental que influencia diretamente a capacidade de processamento do processador
6. Pipeline de Instruções
O pipeline é um conjunto de estágios por onde cada instrução passa para ser processada. Esses estágios incluem busca de instrução, decodificação de instrução, execução e escrita de volta. O pipeline permite que várias instruções sejam processadas simultaneamente, aumentando a eficiência do processador.
7. Gráficos Integrados
Muitos processadores Intel, especialmente da família Core, incluem unidades de processamento gráfico (GPUs) integradas. Essas GPUs são capazes de realizar processamento gráfico para jogos, edição de vídeo e outras aplicações gráficas sem a necessidade de uma placa de vídeo dedicada.
8. Tecnologia Hyper-Threading
Exclusiva dos processadores Intel, essa tecnologia permite que cada núcleo físico do processador seja dividido em dois núcleos lógicos (ou threads). Isso permite que o processador execute mais tarefas simultaneamente, melhorando o desempenho em ambientes multitarefa.
9. Controlador de Memória
Integrado na maioria dos processadores modernos da Intel, o controlador de memória gerencia a comunicação direta entre o processador e a memória RAM, reduzindo a latência e melhorando o desempenho do sistema.
10. Interface de Entrada/Saída (I/O)
A interface de I/O gerencia a comunicação entre o processador e os periféricos externos, como o disco rígido, dispositivos USB e outros componentes do sistema.