O que é CPU (unidade central de processamento)?

Armazenamento de dados

O armazenamento de dados refere-se ao ato de reter informações para que elas possam ser facilmente acessadas futuramente ou até mesmo mantidas por um longo período.

Os computadores dependem de dois tipos de armazenamento, classificados como armazenamento primário e armazenamento secundário. O armazenamento primário (também conhecido como memória principal ou apenas “principal”) contém instruções operacionais ou recuperação de dados. A CPU interage rotineiramente com o armazenamento primário para obter acesso a esses dados.

Memória da CPU

A memória é uma alocação de arquivos de computador em que instruções operacionais específicas ou outras formas de informações digitais podem ser extraídas e utilizadas.

A memória geralmente assume a forma de armazenamento de curto prazo para os arquivos acessados com mais frequência durante o uso recente do computador. Quando um dado entra pela primeira vez em um sistema operacional (SO), ele é colocado na memória de acesso aleatório (RAM) desse SO.

Mais uma vez, a CPU se assemelha ao cérebro humano, pois ambos têm memórias de curto e longo prazo.

A memória operacional padrão de uma CPU armazena os dados da RAM apenas "no momento", semelhante à memória de curto prazo de uma pessoa, antes de eliminá-los periodicamente da memória cache do computador.

O armazenamento secundário é semelhante à memória de longo prazo em humanos e envolve a retenção permanente ou de longo prazo de dados, por meio do arquivamento em dispositivos de armazenamento secundários, como discos rígidos. Dispositivos de saída, como discos rígidos, proporcionam armazenamento permanente.

O armazenamento permanente envolve a memória somente leitura (ROM), o que significa que os dados podem ser acessados, mas não podem ser executados ou alterados.

A funcionalidade da CPU é gerenciada pela unidade de controle, com assistência de sincronização fornecida pelo clock do computador.

O trabalho da CPU ocorre de acordo com um ciclo estabelecido, conhecido como ciclo de instrução da CPU, que exige um certo número de repetições das seguintes instruções básicas de computação, conforme permitido pela potência de processamento do computador:

• Busca: as buscas ocorrem sempre que os dados são recuperados da memória.
  
  
• Decodificação: o decodificador dentro da CPU traduz instruções binárias em sinais elétricos que envolvem outras partes da CPU.
  
  
• Execução: a execução ocorre quando os computadores interpretam e executam o conjunto de instruções de um programa de computador.

É importante mencionar que, com alguns ajustes básicos, o clock do computador dentro de uma CPU pode ser manipulado para manter o tempo mais rápido do que o normal. Alguns usuários fazem isso para que o computador opere em velocidades mais altas. No entanto, essa prática não é aconselhável, pois pode fazer com que as peças do computador se desgastem mais rápido do que o normal, além de violar as garantias do fabricante da CPU.

Atualmente, os computadores são considerados uma parte tão fundamental da vida contemporânea que parece que sempre estiveram conosco. Mas é claro que não é esse o caso.

Dizem que toda tecnologia está nos ombros de gigantes. Por exemplo, na história da computação, existiram visionários precoces cujos experimentos e escritos ajudaram a moldar a próxima geração de pensadores, que por sua vez exploraram novas ideias sobre o potencial da computação, e assim por diante.

Na era moderna, a história da computação começou durante um conflito. A Segunda Guerra Mundial estava acontecendo quando o governo dos EUA contratou um grupo da Moore School of Electrical Engineering da Universidade da Pensilvânia. A missão deles era construir um computador completamente eletrônico que pudesse calcular com precisão distâncias para tabelas de alcance de artilharia. Liderada pelo físico John Mauchly e pelo engenheiro J. Presper Eckert, Jr., o trabalho começou no início de 1943.

A máquina de calcular que eles concluíram no início de 1946 foi chamada de ENIAC, e foi, tanto literal quanto figurativamente, um grande avanço.

O ENIAC custou US$ 400.000 (equivalente a aproximadamente US$ 6,7 milhões em 2024, se ajustado de acordo com a inflação). Foi construído em um porão da Moore School, ocupando um espaço de aproximadamente 139 metros quadrados. Um número absurdo de componentes de computador foi necessário, incluindo mais de 17.000 tubos de vácuo, 70.000 resistores, 10.000 capacitores, 6.000 interruptores e 1.500 relés. E, em um pequeno prenúncio, os tubos de vácuo produziam tanto calor que o ENIAC precisou de um sistema de ar-condicionado especial.

Apesar de ter uma CPU primitiva, o ENIAC era uma maravilha para sua época e podia processar até 5.000 equações por segundo. Quando a Segunda Guerra Mundial terminou, o ENIAC foi imediatamente convocada para a emergente Guerra Fria do lado americano. Sua primeira tarefa foi executar cálculos relacionados à construção de uma nova arma, a bomba de hidrogênio, que tinha um potencial explosivo mil vezes maior do que as bombas atômicas.

O ENIAC havia demonstrado o que um computador poderia fazer em termos militares. Logo, a mesma equipe de Eckert e Mauchly criou sua própria empresa, mostrando ao mundo como um computador poderia impactar positivamente o mundo dos negócios.

A principal criação da Eckert-Mauchly Computer Corporation (EMCC), o UNIVAC 1 (geralmente chamado de "o UNIVAC"), era uma versão menor e mais barata do ENIAC com várias melhorias que refletiam as mudanças tecnológicas de seu tempo.

Para começar, a entrada de dados ficou mais fácil e eficiente ao incluir dispositivos de E/S, como um teclado de uma máquina de escrever elétrica, até 10 unidades de fita UNISERVO para armazenamento de dados e um conversor de fita para cartão, o que permitiria que as empresas utilizassem cartões além da fita magnética.

Assim como seu antecessor, o UNIVAC ainda exigia o uso de uma grande quantidade de espaço (aproximadamente 35 metros quadrados), mas já era uma redução considerável em relação ao ENIAC. No entanto, o UNIVAC, com seus recursos adicionais, custou mais que o ENIAC, cerca de US$ 1,5 milhão (atualmente, cerca de US$ 11,6 milhões).

Mas, por essa quantia, o UNIVAC foi capaz de realizar coisas incríveis. De forma mais notável, a CBS News o utilizou para prever com precisão a eleição presidencial de 1952 nos EUA. As pesquisas convencionais da Gallup previam uma eleição apertada, mas o UNIVAC surpreendeu todos os repórteres ao fazer uma convocação antecipada para uma vitória decisiva de Dwight D. Eisenhower, e foi exatamente o que aconteceu. Ninguém fez essa previsão, exceto o UNIVAC. O evento surpreendeu o público, que da noite para o dia ganhou um apreço pelas incríveis análises e previsões que os computadores poderiam fazer.

Apesar de um perfil mais elegante, o UNIVAC ainda era enorme, pesava pouco mais de 8 toneladas e precisava de 125 kW de energia. O UNIVAC 1 foi apresentado em 1951, com o primeiro modelo comprado pelo Census Bureau dos EUA. Infelizmente, o uso do UNIVAC foi dificultado por uma grave falha de projeto, pois ainda dependia de tubos de vácuo de vidro que eram propensos a vários tipos de quebra e produziam quantidades consideráveis de calor.

Felizmente, a próxima revolução nas CPUs resolveria diretamente esse problema.

Os criadores tanto do ENIAC quanto do UNIVAC sofreram com os tubos de vácuo, pois não havia uma alternativa viável na época. Tudo mudou em 1953, quando um estudante pesquisador da Universidade de Manchester mostrou que havia encontrado uma maneira de construir um computador totalmente baseado em transistores. A criação de Richard Grimsdale era uma máquina de 48 bits composta por 92 transistores e 550 diodos, e nenhum tubo de vácuo de vidro.

Os transistores começaram a ser produzidos em massa no início da década de 1950, mas seu uso foi inicialmente dificultado pelo material utilizado, o germânio, que era difícil de purificar e precisava ser mantido em uma faixa de temperatura precisa.

No início de 1954, os cientistas da Bell Laboratories começaram a fazer experiências com o silício, que acabaria sendo adotado para a produção de chips de computador. Mas as coisas realmente não decolaram até que Mohamed Atalia e Dawon Kahng da Bell Laboratories refinaram ainda mais o uso do silício e criaram o transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico (ou MOSFET, ou transistor MOS).

Os dois engenheiros construíram um protótipo funcional no final de 1959 e, no início de 1960, ele foi mostrado para o mundo, inaugurando a Era do transistor para o início de uma nova década. No final da década, o transistor era amplamente utilizado em todos os lugares.

Na verdade, o MOSFET tornou-se tão popular e adotado globalmente ao longo das décadas, que desde então foi celebrado como o "dispositivo mais fabricado na história"  pelo Computer History Museum. Em 2018, foi estimado que 13 sextilhões de transistores MOS foram fabricados.

Para o design de CPU, os transistores foram um verdadeiro divisor de águas, liberando a computação de seus primórdios volumosos e permitindo a criação de computadores com design mais elegante, que ocupavam menos espaço e podiam operar de forma mais eficiente.

O UNIVAC foi uma revelação para sua época, apesar de suas falhas e de seu tamanho enorme.

Em seguida, surgiu uma fase em que placas-mãe menores foram criadas, utilizando uma variedade de chips de computador. Isso acabou levando ao desenvolvimento do chipset, um único chip com vários usos. E até agora, as CPUs modernas foram miniaturizadas tão bem que a CPU — toda ela — está alojada em um pequeno chip de circuito integrado, conhecido como microprocessador.

Os microprocessadores são designados pelo número de núcleos que suportam.

O núcleo de uma CPU é o "cérebro dentro do cérebro", e serve como a unidade de processamento físico dentro de uma CPU. Os microprocessadores podem conter vários processadores. Enquanto isso, um núcleo físico é uma CPU embutida em um chip, mas que ocupa apenas um soquete, permitindo que outros núcleos físicos acessem o mesmo ambiente de computação.

Vale ressaltar que o termo “microprocessador” não deve ser confundido com “microcontrolador”. Um microcontrolador é um computador muito pequeno que existe em um único circuito integrado. Microcontroladores normalmente contêm pelo menos uma CPU, além de memória relacionada e dados de E/S programáveis.

Aqui estão alguns dos outros principais termos usados em relação aos microprocessadores:

• Processadores single-core: os processadores single-core contêm uma única unidade de processamento. Normalmente, eles são marcados por um desempenho mais lento, são executados em um único thread e realizam o ciclo de instruções da CPU um de cada vez.
  
  
• Processadores dual-core: os processadores dual-core são equipados com duas unidades de processamento contidas em um único circuito integrado. Ambos os núcleos são executados ao mesmo tempo, dobrando efetivamente as taxas de desempenho.
  
  
• Processadores quad-core: os processadores quad-core contêm quatro unidades de processamento em um único circuito integrado. Todos os núcleos são executados simultaneamente, quadruplicando as taxas de desempenho.
  
  
• Processadores multi-core: os processadores multi-core são circuitos integrados equipados com pelo menos dois núcleos de processador, dessa forma podem oferecer um desempenho superior enquanto consomem menos energia.

Os threads podem ser considerados como sequências virtuais de instruções que são emitidas para uma CPU. Basicamente, eles são uma forma de dividir as cargas de trabalho e compartilhar essas responsabilidades entre diferentes processadores.

Dois termos relacionados são multithreading e hyper-threading. No primeiro, as tarefas são divididas em threads distintos e executadas em paralelo. Já o hyper-threading ajuda na obtenção de benefícios de desempenho ainda maiores porque os processadores são usados para executar dois threads ao mesmo tempo.

As unidades de processamento gráfico (GPUs) são criadas para aceleração e aprimoramento de gráficos de computador e imagens processadas. A GPU é como um circuito eletrônico especial que pode ser usado em placas-mãe, bem como em computadores pessoais e consoles de jogos.

Às vezes, podemos achar que, como a tecnologia da CPU está bem estabelecida, deve estar estagnada. No entanto, há evidências consideráveis de inovação contínua, com novos produtos sendo constantemente criados, todos tentando oferecer a melhor CPU (ou microprocessador) possível. As seguintes empresas demonstram repetidamente esse esforço:

• Advanced Micro Devices (AMD): a AMD fabrica microprocessadores Ryzen desde sua fundação em 2017. Produtos de destaque da AMD Ryzen (por exemplo, Ryzen 7, Ryzen 9) têm sido muito apreciados por gamers por fornecerem de forma confiável uma ação de jogo em alta velocidade, enquanto o processador Ryzen 5 1600 teve um bom desempenho entre aqueles que trabalham em desenvolvimento de software.
  
  
• Qualcomm: em termos de fabricação pura, a Qualcomm atualmente lidera um grupo competitivo de fornecedores que atuam na área de CPUs. Em maio de 2024, amostras de taxas de cliques em computadores sugeriram que a Qualcomm tinha uma impressionante participação de cliques de 37,4%, mais do que o dobro da participação do seu rival mais próximo.
  
  
• Arm: este é um mercado onde a velocidade é uma virtude motriz. E embora a Arm não fabrique microprocessadores, ela proporciona uma maneira de licenciar e usar sua tecnologia de chip, para que empresas terceirizadas possam garantir que se beneficiarão dos tempos de processamento incrivelmente rápidos oferecidos pelos microprocessadores projetados pela Arm.
  
  
• Intel: a Intel tem sido um dos principais nomes na produção de chips de computador há décadas, iniciou a produção de chips em 1975. Processadores como o Intel Core i5 (lançado em 2009) demonstram compatibilidade perfeita com programas que exigem mais poder de processamento, como programas de edição de vídeo e de desenvolvimento de software.