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Por que estudar “Microprocessadores”?

– Disciplina obrigatória nos cursos como os de Engenharia Elétrica, Engenharia de Computação, Ciência da Computação e Sistemas de Informação.

– Melhor entendimento do funcionamento (e aproveitamento) das máquinas modernas.

– Cria novas oportunidades de pesquisa em tecnologias da informação avançadas.

Introdução

Fundamentalmente, computadores são máquinas cuja unidade elementar é o processador, ou microprocessador (μP), o qual é responsável pela coordenação e execução de todas as tarefas da máquina.


Esta disciplina tem por objetivo introduzir o aluno no universo dos microprocessadores, para que este compreenda o funcionamento básico deste, as partes que o compõem, as tecnologias mais utilizadas e as diferentes plataformas.

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Figura 1 - Fotografia de um processador ARM1


Existem atualmente inúmeras famílias destes dispositivos, das mais antigas, às mais recentes; das mais sofisticadas, às mais simples. No entanto, todos os microprocessadores têm em comum um conjunto de características similares, e são estas características que serão tratadas nesta disciplina.

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Figura 2 - Arquitetura de um processador Z80


Quando for necessário particularizar algum conteúdo, será dada preferência à plataforma ARM, por ser uma das mais utilizadas atualmente.

With its high performance and high code density and small silicon footprint, the Cortex-M3 processor is ideal for a wide variety of applications:
• Low-cost microcontrollers: The Cortex-M3 processor isideally suited for low-cost microcontrollers, which are commonly used in consumer products, from toys to electrical appliances. It is a highly competitive market due to the many well-known 8-bit and 16-bit microcontroller products on the market. Its lower power, high performance, and ease-of-use advantages enable embedded developers to migrate to 32-bit systems and develop products with the ARM architecture.
• Automotive: Another ideal application for the Cortex-M3 processor is in the automotive industry. The Cortex-M3 processor has very high-performance efficiency and low interrupt latency, allowing it to be used in real-time systems. The Cortex-M3 processor supports up to 240 external vectored interrupts, with a built-in interrupt controller with nested interrupt supports and an optional MPU, making it ideal for highly integrated and cost-sensitive automotive applications.
• Data communications: The processor’s low power and high efficiency, coupled with instructions in Thumb-2 for bit-field manipulation, make the Cortex-M3 ideal for many communications applications, such as Bluetooth and ZigBee.
• Industrial control: In industrial control applications, simplicity, fast response, and reliability are key factors. Again, the Cortex-M3 processor’s interrupt feature, low interrupt latency, and enhanced fault-handling features make it a strong candidate in this area.
• Consumer products: In many consumer products, a high-performance microprocessor (or several of them)is used.TheCortex-M3 processor, being a small processor, is highly efficient and low in power and supports an MPU enabling complex software to execute while providing robust memory protection.
There are already many Cortex-M3 processor-based products on the market, including low-end products priced as low as US$1, making the cost of ARM microcontrollers comparable to or lower than that of many 8-bit microcontrollers.

Mas, afinal, o que são microprocessadores???

Link da Wikipedia

Microprocessadores

Um microprocessador é um componente do computador que incorpora as funções de uma unidade de processamento central (CPU) em um único circuito integrado (CI); no máximo alguns circuitos integrados.

O microprocessador é um dispositivo lógico programável digital, baseado em registradores, acondicionado (encapsulado) em um único chip de silício, concebido sob a tecnologia VLSI (circuito integrado em alta escala).

Atua sob o controle de um programa armazenado em memória o Sistema operacional, e um relógio, ou clock, executando operações aritméticas, lógica booleana, tomada de decisão, além de entrada e saída, e permitindo a comunicação com outros dispositivos periféricos.


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Figura 3 - Parte do ENIAC (1946) - Computador que não utilizava microprocessadores

As principais vantagens da integração de uma CPU inteira em um único chip ou em alguns chips dizem respeito à redução do custo da capacidade de processamento, aumentando a eficiência; redução do tamanho e consumo, e da confiabilidade, pois há muitas menos conexões elétricas possíveis de falhar.


Os processadores de circuitos integrados hoje são produzidos em grande escala, por processos altamente automatizados resultando em um baixo custo por unidade.

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Figura 4 - Evolução do Custo dos microprocessadores por transistor

Os aumentos contínuos na capacidade do microprocessador tornaram já outras formas de computadores quase completamente obsoletas (ver histórico de hardware computacional ), com um ou mais microprocessadores usados em tudo, desde os menores sistemas embarcados e dispositivos portáteis, até os maiores mainframes e supercomputadores .


Histórico dos Microprocessadores

Embora as primeiras gerações de computadores tivessem obtido grande sucesso nas décadas de 50 e 60, apresentavam alguns inconvenientes: o tamanho e a velocidade. Um impacto tecnológico viria a reduzir as dimensões dos computadores ao mesmo tempo em que os tornariam mais rápidos: o surgimento dos microprocessadores.

A origem dos microprocessadores data de 1971, quando a Intel Corporation lançou no mercado o microprocessador 4004, denominado originalmente como “calculadora em um único chip”, podendo ser considerado como o primeiro processador de propósito geral (PPG).

Possuía em torno de 3.000 transistores e logo surgiram aplicações para ele. A partir desta nova tecnologia surgiriam as calculadoras mais modernas, os computadores pessoais (PC), as “workstations”, e “mainframes”.

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Figura 5 - Processador Intel 4004

O Intel 4004 era uma Unidade Central de Processamento com 4-bits.

Fabricado pela Intel Corporation em 1971, foi o primeiro microprocessador comercialmente disponível pela Intel em um chip simples, assim como o primeiro disponível comercialmente.

O design dos chips começou em abril de 1970, quando Federico Faggin, se juntou à Intel, e foi concluído sob sua liderança em janeiro de 1971.

A primeira venda comercial do 4004 totalmente operacional ocorreu em março de 1971 para a Busicom Corp. do Japão, para o qual foi originalmente projetado e construído como um chip personalizado.

Em meados de novembro do mesmo ano, o 4004 foi comercializado no mercado geral e, embora projetado originalmente para ser um componente de calculadoras, o 4004 logo encontrou muitos usos.


O microprocessador 4004 é uma dos 4 chips que constituem o conjunto MCS-4, que inclui a 4001 ROM, 4002 RAM e 4003 Shift Register.Com esses componentes, pequenos computadores com diferentes quantidades de memória e instalações de E / S podem ser criados.


A Intel iniciou um processo que logo fez alguns outros fabricantes de chips a embarcar em projetos para desenvolverem microprocessadores mais eficientes, o que gerou a tendência que criou as indústrias multibilionárias dos microprocessadores e dos microcomputadores atuais.

Masatoshi Shima, um designer de lógica e software da Busicom, sem qualquer experiência prévia em projeto de chips, ajudou ao Faggin no desenvolvimento do MCS-4 e mais tarde se juntou a ele na Zilog, a primeira empresa exclusivamente dedicada a microprocessadores, fundada por Federico Faggin e Ralph Ungermann ao término de 1974.

Faggin e Shima desenvolveram juntos o microprocessador Z80, ainda em produção até os dias atuais.


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Figura 6 - Evolução dos Microprocessadores Intel.


Evolução dos Microprocessadores Intel

Existem diversos fabricantes de microprocessadores que foram surgindo desde o lançamento pioneiro da Intel, como a Motorola, a Zilog e a Texas Instruments, entre outros.


A Intel, após o lançamento do microprocessador 4004, concebeu outros microprocessadores, e alguns deles foram utilizados na implementação dos primeiros PCs, tornando-se referência de mercado. Os principais microprocessadores lançados no mercado pela Intel são:

  • 4004 (1971): primeiro microprocessador de 4 bits, contendo 45 instruções e 4 Kbytes de capacidade de endereçamento de memória. Foi utilizado em aplicações simples, como calculadoras, os primeiros vídeo games e pequenos sistemas de controle.


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Figura 7 - Arquitetura do Microprocessador Intel 4004.


  • 8008 (1972): primeiro microprocessador de 8 bits, possui capacidade de endereçamento de memória e 16 Kbytes. Utilizado em aplicações mais complexas que o anterior, onde a manipulação de caracteres de 8 bits era

importante, como caixas registradoras. Logo tornou-se obsoleto pela sua limitação de endereçamento de memória.


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Figura 8 - CI 8008 primeiro microprocessador de 8 bits.


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Figura 9 - Microarquitetura do processador Intel 8008.


  • 8080 (1973): primeiro dos microprocessadores modernos de 8 bits. A partir dele outros fabricantes começaram a lançar seus microprocessadores de 4 e 8 bits, alavancando um grande avanço tecnológico nesta área. Ele é capaz de endereçar 64 Kbytes de memória, possui mais instruções do que o anterior e ainda utiliza um clock cerca de 10 vezes mais rápido que o 8008. Além disso, possui a vantagem de ser compatível com a família TTL, facilitando o seu interfaceamento com outros componentes.


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Figura 10 - Circuito Integrado do microprocessador 8080.


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Figura 11 - Arquitetura do microprocessador 8080.


  • 8085 (1976): este processador pode ser considerado a nova versão do 8080. Além de mais rápido, possuindo algumas características extras, como a incorporação do gerador de clock e circuitos internos para a geração de sinais de controle, diminuindo o número de componentes adicionais necessários para a construção de um sistema.
  • 8086 (1978): primeiro processador de 16 bits, incorporando instruções de multiplicação e divisão, e com velocidade 3 vezes maior que o 8085. Endereça 1 Mbytes de memória, o que permitiu a concepção dos primeiro microcomputadores da linha PC, e posteriormente os XT, ancestrais dos microcomputadores atuais, que na época até os substituíam em algumas aplicações. Possui ainda um número maior de registradores, possibilitando a agilização de operações entre registradores, sem o envolvimento da memória exterior.
  • 8088 (1979): possui basicamente as mesmas características do microprocessador anterior, trabalhando internamente com 16 bits, com via de dados externa de 8 bits, o que reduz a sua performance a 75 % da do 8086, mas permitindo a concepção de sistemas mais baratos. Encapsulamento DIP
  • 80186 (1982): evolução do 8086, sendo compatível a nível de software com o seu antecessor. Possui recursos adicionais, como gerador de clock interno, controlador de interrupção programável, temporizadores, unidade programável de ADM (acesso direto à memória) e unidade de seleção de dispositivos de memória e E/S.
  • 80188 (1982): versão com via de dados externa de 8 bits do 80186.
  • 80286 (1983): versão avançada do 8086, ainda em 16 bits, tendo sido projetado para permitir aplicações de multi-usuários e multitarefas. Pode endereçar até 16 Mbytes de memória física e 1 Gbytes de memória virtual gerenciada por uma unidade de gerenciamento de memória localizada no próprio processador. É capaz de executar instruções em menos ciclos de clock que o 8086, e foi utilizado pelos microcomputadores PC-AT. Em 1982, a capacidade de processamento chegou ao patamar de 6 e 8 MHz, com o Intel 80286. Posteriormente, as empresas AMD e Harris Corporation conseguiram romper essa barreira, chegando a 25 MHz.


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Figura 12 - Processador Intel 80286 utilizado pelos PCs-ATs em 1982.


Modo real e modo protegido
Ao desenvolver o 286, a Intel enfrentou o velho problema da compatibilidade retroativa, já que precisava introduzir novos recursos, mas ao mesmo tempo manter a compatibilidade com os softwares escritos para o 8086 e o 8088. A solução foi oferecer dois modos de operação, baseados de modo real e modo protegido.
No modo real, o 286 oferecia as mesmas instruções suportadas pelo 8088, mantendo compatibilidade com os softwares. Operando em modo real, o 286 era capaz de acessar apenas 1 MB de memória e sofre de todas as outras limitações, mas o desempenho é melhor (o 286 era quase 4 vezes mais rápido que um 8088 do mesmo clock), graças ao clock mais alto, ao barramento de 16 bits e às muitas melhorias na arquitetura do processador. Ao chavear para o modo protegido, ele ganha suporte a até 16 MB de RAM (apesar de ser um processador de 16 bits, o 286 usa um sistema de endereçamento de memória de 24 bits), com suporte a multitarefa, uso de memória swap e proteção de memória. Devido à questão do BIOS, o processador usa o modo real por default, chaveando para o modo protegido ao receber uma instrução específica. O grande problema do 286 era que, ao chavear para o modo protegido, o processador deixava de ser compatível com as instruções de modo real, incluindo as rotinas de acesso a dispositivos do BIOS e do MS-DOS, o que tornava necessário o desenvolvimento de novos sistemas operacionais e novos drivers de acesso a dispositivos.
Para complicar, o 286 também não possuía uma instrução para voltar ao modo real (era necessário reiniciar o micro), o que eliminava a possibilidade de rodar aplicativos escritos para usar o modo protegido em conjunto com aplicativos de legado, criando uma situação "tudo ou nada", que acabou levando à inércia, fazendo com que os PCs baseados no 286 fossem usados para rodar o MS-DOS e aplicativos de modo real (que também podiam ser executados em um XT), aproveitando apenas a maior velocidade do processador.
Mesmo as primeiras versões do Windows (do 1.0 ao 2.0) rodavam em modo real, sem suporte a memória virtual nem multitarefa. Você podia abrir vários aplicativos ao mesmo tempo, mas apenas um podia ser usado de cada vez. Estas primeiras versões eram muito limitadas e acabavam sendo usadas apenas como uma interface para facilitar o acesso aos aplicativos do MS-DOS. Mesmo assim, a maioria preferia eliminar o intermediário e rodar os aplicativos DOS diretamente, chamando-os através do prompt.
No final, o modo protegido do 286 foi suportado apenas por algumas versões do Unix (o Linux começou a ser desenvolvido apenas em 1991) e uma versão do OS/2, lançada posteriormente.


  • 80386 (1985): versão em 32 do 8086, suportando multitarefa e gerenciamento de memória virtual com ou sem paginação, proteção de software e capacidade de endereçamento de 4 Gbytes de memória física, e 64 Tbytes de memória virtual. Pode chavear entre o modo real e modo protegido de memória via software, sem necessidade de reinicialização. Disponível em duas versões, muito utilizadas nos PCs que sucederam o PC AT:
    • 386DX: versão com via de dados externa de 32 bits.
    • 386SX: versão com via de dados externa de 16 bits.


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Figura 13 - Intel 80386 já utilizava encapsulamentos PGA e QFP


  • 80486 (1989): versão aprimorada do 80386, incorporando o coprocessador numérico 387 e 8 Kbytes de memória cache. Apresenta uma melhor performance em relação ao 80386, tendo sido concebido sob o conceito das arquiteturas RISC. Disponível nas versões:
    • 486SX: versão sem o coprocessador numérico 80387.
    • 486DX: versão com o coprocessador numérico 80387.
    • 486DX2: versão com clock interno duplicada (2 x 20, 25 ou 33 Mhz).
    • 486DX4: versão com clock interno triplicada (3 x 25 ou 33 Mhz), e 16 Kbytes de memória cache.


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Figura 14 - Intel 80486DX versão aprimorada do 386.


  • Pentium (1993): contém o equivalente a dois 80486, sendo que o trabalho a ser realizado é dividido automaticamente entre os dois processadores, visando mantê-los ocupados a maior parte do tempo. Possui duas unidades de processamento de números inteiros implementados na forma de pipeline de cinco estágios, que permitem o paralelismo de algumas operações, e duas unidades de memória cache de 8 Kbytes cada para dados e instruções.


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Figura 15 - Processador Intel Pentium equivalente a dois 486.


  • Pentium Pro(1995): possui arquitetura semelhante à do Pentium, mas com cache de nível 1 (16 Kbytes) e cache de nível 2 (até 1 Mbytes) conectados ao bus com a mesma freqüência do processador. A freqüência de trabalho está entre 150 Mhz e 200 Mhz.


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Figura 16 - Intel Pentium Pro de 1995.


  • Pentium MMX(1996): possui arquitetura semelhante à do Pentium, com a incorporação de instruções destinadas ao processamento de imagem. A partir desse processador foram previstas diferentes tensões de alimentação do núcleo e de interação com o meio externo que são respectivamente 2.8V e 3.3V.


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Figura 17 - Intel Pentium MMX com instruções para o processamento de imagens.


  • Pentium II(1997): possui arquitetura baseada no processador Pentium Pro, com cache de nível 1 de 32 Kbytes que opera na mesma freqüência do processador, e a incorporação de instruções do MMX. O cache de nível 2, com 512 Kbytes, opera na freqüência do bus externo. A freqüência de operação está entre (66 – 100Mhz) x (3– 5).
  • Pentium II Xeon (1998): possui arquitetura semelhante à do Pentium II, mas com o cache de nível 2 (512 Kbytes ou 1 Mbytes) operando na freqüência do processador. O desenvolvimento deste processador teve o objetivo de suprir o mercado anteriormente suprido pelo Pentium Pro, envolvendo servidores e estações de trabalho.
  • Outros processadores: 1999: Celeron® Processor, 1999: Pentium® III Processor, 1999: Pentium® III Xeon™ Processor, 2000: Pentium® 4 Processor, 2001: Intel® Xeon™ Processor, 2001: Itanium™ Processor.


A Tabela 1 apresenta uma comparação entre os diversos microprocessadores da Intel, mostrando as dimensões das vias de endereços e dados (interna e externa).


Tabela 1 - Comparação entre os Microprocessadores da Intel até Pentium II:
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Tabela 2 - Comparação entre Microprocessadores da Intel até Pentium G6950 (Clarkdale):
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Tabela 3 - Comparação entre Microprocessadores da Intel versus barramento:
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Nota
Atualmente, ao invés de aprimorar os processadores de núcleo simples, os fabricantes procuram investir em múltiplos núcleos, em um mesmo processador (Vide seção Multicore, abaixo).


 Maiores detalhes sobre o histórico e evolução dos microprocessadores da Intel podem ser obtidos em 
http://www.intel.com/intel/intelis/museum/exhibit/hist_micro/index.htm e http://www.intel.com/intel/intelis/museum/exhibit/hist_micro/hof/hof_main.htm.

Outros Fabricantes

Motorola

A Motorola é outra empresa que produziu microprocessadores PPG durante décadas.

Seus principais processadores eram:

  • 6800 (1974): primeiro microprocessador da Motorola de 8 bits, sendo um dos primeiros a serem utilizados em controle de sistemas.
  • 6809 (1978): evolução do 6800, apresentando registradores adicionais, novas instruções incorporando manipulação de dados de 16 bits, e mais modos de endereçamento.
  • 6502 (1975): microprocessador popular, de baixo custo e tecnologia MOS, utilizado em computadores pessoais, como as máquinas Apple. Compatível com o 6800.
  • 68000 (1979): microprocessador de 16 bits da Motorola, com 16 Mbytes de capacidade de endereçamento, comunicação externa com via de dados com 16 bits, e via de dados interna com 32 bits.


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Figura 18 - Microprocessador de 16 bits da Motorola.


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Figura 19 - Diagrama de pinos do Microprocessador 68000 da Motorola.


  • 60010 (1983): além das características do 68000, apresenta controle de memória virtual.
  • 68008: versão do 68000 com via de dados externa de 8 bits e via de endereços de 20 bits, permitindo o endereçamento de até 1 Mbytes de

memória. Projetado para a concepção de sistemas mais baratos, apresentando uma performance de cerca de 60% do 68000. * 68020 (1984): microprocessador de 32 bits, compatível com os processadores anteriores. Possui unidades de pré-fetch e cache de 256 bytes. As vias de dados e endereços não são multiplexadas.

  • 68030 (1987): versão aprimorada do 68020, incluindo o coprocessador numérico 68881. Possui cache de 256 bytes para dados e para instruções.
  • 68040 (1990): versão aprimorada do 68030, possuindo internamente unidade de gerenciamento de memória, unidade de manipulação de ponto flutuante, e 4 Kbytes de memória cache para dados e instruções independentes.
  • 68060 (1994): além das características do anterior, apresenta arquitetura superescalar, ou seja, múltiplas unidades de execução, cache de instrução e memória, e unidades de gerenciamento de memória paginada para instrução e dados.

Zilog

A Zilog foi fundada em 1974 a partir de uma dissidência da Intel, e projetou o famoso microprocessador Z80, versão aprimorada do 8080, de 8 bits que se tornou muito popular.


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Figura 20 - Microprocessador Z80 de 8 bits.


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Figura 21 - Diagrama de pinos do Microprocessador Z80.


O microprocessador seu sucessor foi o Z8000 (1979) de 16 bits, com capacidade de endereçar até 8 Mbytes de memória, memória cache para dados e instruções de 256 bytes cada, e unidade de gerenciamento de memória.


AMD

As séries de processadores Intel e AMD marcaram época no mundo da informática, através de suas diferentes versões. O primeiro Pentium (Intel), lançado em 1993, apresentava várias melhorias sobre o 80486, principalmente por uso da superescalabilidade, ou seja, a replicação de hardware para que mais instruções fossem executadas ao mesmo tempo. Seu clock inicial era de 100 MHz, o qual chegou a atingir 200 MHz com o passar do tempo de desenvolvimento.

Em 1995, a Intel lançava o Pentium Pro, sexta geração de chips x86 e que possuía uma série de melhoramentos em relação ao seu antecessor. Essa seria a base para os futuros lançamentos: Pentium II, Pentium III e Pentium M.

Paralelamente, a AMD começava a ganhar mercado com modelos similares, principalmente como o AMD K5, forte concorrente do Pentium original. Dois anos depois, o Pentium II foi lançado, atingindo o clock de 450 MHz.

Nessa mesma época, a AMD desenvolveu CPUs que batiam de frente com a Intel, como o AMD K6. Por esse motivo, ambas as empresas travaram uma espécie de “corrida”, competindo para ver quem conseguia o maior desempenho e valor de clock.


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Figura 22 - Processador AMD-K5 de até 66MHz


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Figura 23 - Processador AMD-K6 de até 166MHz.


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Figura 24 - Processador AMD-K6-2 de até 400MHz.


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Figura 25 - Processador AMD-K6-3 de até 450MHz.


Um dos últimos grandes lançamentos da AMD foi o Athlon Neo, chip desenvolvido para notebooks ultrafinos e que precisam de uma duração maior da bateria. Outra linha apresentada pela fabricante foi a dos processadores Sempron, uma versão simplificada do Athlon, com apenas um núcleo e voltada para consumidores menos exigentes.

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Figura 26 - Processador AMD Duron.


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Figura 27 - Processador AMD Athlon.


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Figura 28 - Processador AMD Athlon Soquete A.


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Figura 29 - Processador AMD Sempron.


Depois dos processadores dual-core, a linha Athlon II apresentou processadores de três (X3) e quatro núcleos (x4), todos com versões econômicas, ou seja, com menor desempenho e mais baratos.

O microprocessador Opteron da AMD, lançado 2003, foi o primeiro a implementar a arquitetura AMD64 (também conhecida como x86-64). Com núcleo Sledgehammer (K8), destinava-se a competir nos mercados de servidores e estações de trabalho, particularmente no mesmo segmento do processador Intel Xeon. Utilizado para servidores de rede com recursos simultâneos de 32 ou 64 bits interno. Permitindo que os usuários executem aplicativos e sistemas operacionais tanto de 32 como de 64 bits. Possui ainda um controlador de memória RAM integrado, memória cache L2 de 1MB e o soquete é de 940 pinos.


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Figura 30 - Processador AMD Opteron de 2005.


Quem não dispensa um bom jogo ou precisa de processamento de alto desempenho pode contar com os processadores Phenom, que foram lançados para competirem de igual para igual com as CPUs da Intel. Esses modelos também receberam versão de três (X3) e quatro (X4) núcleos. A segunda geração dessa linha, Phenom II, conta também com processadores dual-core de 3 e 3,1 GHz.


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Figura 31 - Processador AMD Phenom II dual-core 3GHz.


A surpresa mesmo fica por conta dos processadores Phenom II X4, de quatro núcleos e alto desempenho, com modelos de até 3,4 GHz. Além desses, servidores ou estações de trabalho que exigem uma carga maior de processamento também podem se beneficiar dos processadores Opteron, que podem operar com até seis núcleos.


Tabela 4 - Comparativo entre os processadores AMD:
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A AMD também lançou uma linha de CPUs para notebooks que, apesar de ser dual-core, possui um consumo eficiente de energia, poupando assim a carga da bateria dos portáteis. Mas o que vem ganhando espaço é mesmo a Fusion, linha de APUs (Unidade de Processamento Acelerada) da AMD. Com a junção de CPU e GPU em um único chip, é possível obter melhor desempenho a um custo reduzido.


Outros fabricantes (VIA Cyrix, Apple, Sun, Texas, etc)

A lei de Moore

Em 1965, Gordon Moore, um dos fundadores da Intel, afirmou que o número de transistores em um chip dobraria, sem custo adicional, a cada 18 meses. Tal afirmação ficou conhecida como a Lei de Moore, a qual foi válida durante anos, principalmente no final da década de 90.


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Figura 32 - Quantidade de transistores por processador por ano.


Sempre que uma empresa lançava um modelo de processador, o concorrente a superava meses depois. Isso ficou muito evidente nos anos de 1999 e 2000, quando o Pentium III e o AMD Atlhon (K7) estavam guerreando pelo maior clock. Por um período de tempo, a AMD liderou a disputa, pois o Atlhon, que trabalhava com frequências maiores do que 1 GHz, superou o Pentium III.

A reviravolta da Intel veio com o lançamento do Pentium 4, em 2001, que trabalhava com até 2 GHz e levou a empresa de volta ao topo do mercado. As versões de baixo custo dessas CPUs, Celeron (Intel) e Duron (AMD), também disputavam fortemente o lugar mais alto no ranking do processador “B” mais vendido.

Multicore: o fim da lei de Moore

Conforme a tecnologia dos processadores foi progredindo, o tamanho de seus transistores foi diminuindo de forma significativa.

Contudo, após o lançamento do Pentium 4, eles já estavam tão pequenos (0,13 micrômetros) e numerosos (120 milhões) que se tornou muito difícil aumentar o clock por limitações físicas, principalmente pelo superaquecimento gerado.

A principal solução para esse problema veio com o uso de mais de um núcleo ao mesmo tempo, através da tecnologia multicore.


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Figura 33 - Arquitetura single-core.


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Figura 34 - Arquitetura single-core X multi-core.


Assim, cada núcleo não precisa trabalhar numa frequência tão alta. Se o esquema de escalonamento de tarefas funcionasse de maneira eficiente, seria possível trabalhar com quase o dobro do clock.

Um processador dual-core de 1,5 GHz, por exemplo, poderia ter um desempenho semelhante a uma CPU de núcleo único de 3 GHz.

Um componente chamado de escalonador determina em qual dos núcleos uma tarefa deve ser executada. Mas como o escalonador demora certo tempo para fazer essa decisão, na prática fica quase impossível atingir o dobro exato de desempenho.

Portanto, com o advento do processador multicore, a lei de Moore tornou-se inválida, visto que já não era mais possível aumentar a frequência do processador como antes.


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Figura 35 - Número de transistores por ano depois da Lei de Moore.


Também segundo Carl Anderson, pesquisador da área de concepção de computadores da IBM, a Lei de Moore pode estar chegando ao fim. Entre os motivos para que Anderson faça tal previsão está o fato de que os engenheiros estão desenvolvendo sistemas que exigem menos recursos do processador e os custos para pesquisas de novos processadores estão cada vez mais altos. Além do fato de que, com o aumento da velocidade, aumenta também o consumo de energia e a dissipação de calor.

No início de 2014 o departamento de pesquisa da IBM anunciou um teste de novos chips de silício com tecnologia de 7nm empurrando para novos limites o previsto fim da Lei de Moore.

Em outubro de 2015 foi anunciada uma nova pesquisa da IBM iniciando a caminhada para novos limites na produção de processadores utilizando nano tubos de carbono, o que permitiria atingir escalas de 1.8nm.

Em fevereiro de 2017, o CEO da Intel, Brian, disse que a empresa tem investido pesado nas computação quântica e chips neuromórficos.



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