Raio-X - Processadores

É impossível não fazer a clássica analogia de que o processador é o cérebro do computador. De fato, todas as informações são processadas nele. Os programas de computador, sejam eles editores de texto, planilhas eletrônicas, visualizadores de e-mails, reprodutores de áudio ou vídeo, jogos ou de qualquer outro propósito, não passam de instruções que são lidas pelo processador. Cabe também a ele executar cálculos matemáticos solicitados por estes programas.

Mesmo que o seu computador não esteja executando nada ativamente e faça a exibição apenas de um simples protetor de telas, existem diversas operações sendo executadas em segundo plano pelo processador, como o monitoramento do programa antivírus, a leitura do relógio do sistema, processos que mantêm o sistema operacional funcionando, enfim, se o seu computador estiver ligado, o processador estará trabalhando e, como tudo é interpretado por ele, realmente não há melhor analogia do que dizer que se trata de um cérebro eletrônico.

Esses fantásticos componentes são, na verdade, circuitos integrados que recebem informações, as processam e as enviam para outros componentes do computador. Eles são compostos por uma quantidade enorme de transistores, que são componentes eletrônicos capazes de funcionar como interruptores de corrente elétrica. Apenas como referência, os processadores modernos possuem mais de 2 bilhões e 500 milhões de transistores. É um número totalmente inimaginável, já que estamos falando de um componente que, depois de encapsulado, mede em torno de 5cm em cada lado, conforme ilustra a imagem abaixo:


Processador Xeon

Processador Xeon

Isso só foi possível porque ao longo dos anos os transistores foram tendo seu tamanho reduzido, chegando atualmente a incríveis 22 nanômetros, ou seja, 22 milionésimos de milímetro! Os primeiros processadores sequer utilizavam transistores e sim válvulas, que apresentavam inúmeros problemas e consumiam muito mais energia, mas deixemos estes complicados e problemáticos componentes para um artigo sobre a história dos processadores. Vamos manter as atenções nos processadores modernos e, para eles o importante é saber que desde que os transistores surgiram e foram reduzindo o seu tamanho ao longo dos anos, a capacidade de processamento foi aumentando, o que deixou os processadores mais velozes.

A unidade de medida para definir a capacidade de processamento dos processadores é o Hertz, que nada mais é do que uma unidade que mede a quantidade de ciclos presentes em um segundo. Se dissermos que algo acontece a uma freqüência de 20Hz, por exemplo, estamos querendo dizer que determinada ação se repete 20 vezes por segundo. No caso dos processadores estes valores são sempre muito elevados. Apenas como referência, em 1982 a Intel lançou o processador 80186, cuja velocidade de processamento era de 6.000.000Hz (seis milhões de Hertz) ou 6MHz (seis Mega Hertz).


Processador 80186

Processador 80186


No outro extremo do desenvolvimento temos, por exemplo, o processador A10-5800K2, da AMD, que atinge incríveis 4.200.000.000Hz ou 4.2GHz de freqüência:


A10-5800K2

Processador A10-5800K2


Grande parte da matéria prima que forma estes maravilhosos cérebros eletrônicos é o Silício, encontrado com facilidade na natureza. No entanto, apesar de ser proveniente de um material tão simples e abundante, o processo de criação dos processadores é extremamente complexo, visto que o grau de pureza precisa ser de algo em torno de 99,999%. Devido a essa necessidade, seu ambiente de produção necessita até de filtragem do ar, para que nenhum grão de poeira atrapalhe o processo. Entrar em um ambiente destes exige a utilização de roupas especiais e até máscaras, para impedirem que a respiração humana contamine os componentes. Estes ambientes são chamados de Salas Limpas ou Clean Rooms. Abaixo podemos ver a imagem de uma Clean Room da Intel, localizada em Israel:


Clean Room da Intel

Clean Room da Intel


A imagem pode fazer parecer que existe um exagero de cuidados, mas não há. Essa pureza é realmente necessária e graças ao aperfeiçoamento destes processos nós temos processadores tão velozes e estáveis atualmente.

Processadores com vários núcleos

Com a redução do tamanho dos transistores e a melhoria nos processos de criação das placas de Silício, os processadores foram tendo sua freqüência de trabalho aumentada ao longo dos anos e, graças a isso, nossos computadores foram ficando cada vez mais rápidos. Este aumento na freqüência de trabalho trouxe uma elevação na temperatura interna dos processadores, o que foi exigindo também uma melhoria nos sistemas de refrigeração. Ainda assim, se analisarmos o aumento de temperatura do núcleo dos processadores em comparação com o aumento da eficiência dos sistemas de resfriamento destes, veremos que, no geral, a temperatura subiu muito e se essa tendência de aumento contínuo não fosse interrompida, haveria um sério problema para os desenvolvedores de processadores, já que seria impossível mantê-los a uma temperatura de trabalho aceitável. Visando resolver este problema e reduzir o ciclo de trabalho do núcleo do processador, foram desenvolvidos processadores com mais de um núcleo, porém com freqüências de trabalho mais baixas. Exemplificando, no lugar de um processador com um núcleo de 3.6Ghz de frequência, que seria naturalmente um processador com alta temperatura interna, teríamos um processador com dois núcleos trabalhando a 1.8Ghz cada.

Ilustração de processador com vários núcleos

Ilustração de processador com vários núcleos


É muito comum encontrarmos autores dizendo que os processadores são a cabeça do computador e, seguindo esta analogia, podemos pensar no processador com dois núcleos como sendo uma cabeça com dois cérebros.


A redução no clock de trabalho dos núcleos provocou uma significativa redução na temperatura, o que permitiu a utilização de um dissipador de calor e um cooler menores, portanto a máquina ainda ficou mais silenciosa. Até aqui temos, portanto, duas vantagens, uma relacionada à temperatura e outra ao ruído gerado pela máquina enquanto estivesse ligada, mas as vantagens em processadores com vários núcleos vão além disso. Os sistemas operacionais modernos são capazes de detectar a existência de vários núcleos no processador, tratando-os como se fossem processadores independentes e delegando tarefas diferentes a cada um deles. Evidentemente isso trouxe um ganho enorme de desempenho para o computador. Abaixo podemos ver o Windows sendo executado em uma máquina com um processador de dois núcleos:

Ilustração com dois núcleos

Em vermelho está destacado o gráfico de trabalho de cada um dos núcleos. Apenas por esta imagem já é possível notar que eles tiveram cargas de trabalho diferentes, ou seja, trabalharam paralelamente para a execução de alguma tarefa. Hoje já temos processadores de oito núcleos sendo comercializados, como é o caso do AMD FX-8120 (foto abaixo):

AMD FX8120

AMD FX8120


Por fim, para encerrar o pacote de vantagens dos processadores multicore, é importante lembrar que havia outro problema que vinha preocupando a todos antes do surgimento dos processadores com clocks mais baixos, que era a ociosidade dos processadores em determinados momentos. O que acontecia, na prática, é que os processadores eram muito mais velozes do que as memórias RAM, portanto era comum que eles ficassem aguardando o retorno de informações que estavam alocadas nelas. Evidentemente isso era péssimo para o sistema, pois gerava uma ociosidade de um dispositivo tão nobre quanto o processador. Com a redução do clock dos processadores multicore houve uma tendência de equilíbrio entre eles e a velocidade das memórias, o que reduziu muito esse tempo de espera.


Memória Cache

A memória cache, ou simplesmente cache, é uma memória de alta velocidade presente no próprio processador. Seu papel é, basicamente, o de armazenar as informações mais utilizadas para que o acesso a elas seja mais rápido no futuro. A quantidade de memória cache presente nos processadores é muito pequena quando comparada à quantidade de memória RAM das máquinas atuais. Tomemos por exemplo o processador i7-3960X, que é o processador com mais quantidade de memória cache já produzido até o momento. Ele possui 15Mb dessa memória, mas é normal encontrarmos computadores com esse processador equipados com 16, 32 e até 64Gb de memória RAM. Ainda assim, embora a quantidade de memória cache pareça desprezível, ela não é. O impacto sobre o desempenho da máquina está diretamente ligado a ela e o que impede que os processadores tenham grande quantidade de cache é que seu custo é muito elevado, já que se trata de uma memória de alta velocidade, e também pelas limitações físicas, pois não há espaço dentro do encapsulamento do processador para se colocar muita memória cache.

i7-3960X

O que considerar no momento da compra?

Como foi possível notar, existem alguns pontos importantes quando falamos de processador. A quantidade de núcleos, a frequência de trabalho deles e a quantidade de memória cache influenciam diretamente na velocidade com que você poderá manipular seus arquivos ou abrir programas. Você deve considerar isso tudo no momento da compra, mas é claro que é preciso adequar tudo à sua necessidade. Processadores como o exibido acima têm custo muito elevado e a maioria das pessoas não necessita de tanto desempenho. O ideal é conversar com um técnico de sua confiança, que lhe ajudará a escolher a melhor opção, considerando o custo e o benefício.


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