Tipos de unidades centrais de processamento (CPUs)

A unidade central de processamento (CPU) é o cérebro do computador. Lida com a atribuição e o processamento de tarefas e gerencia funções operacionais que todos os tipos de computadores utilizam.

Os tipos de CPU são designados de acordo com o tipo de chip que eles utilizam para processar dados. Há uma grande variedade de processadores e microprocessadores disponíveis, com novos processadores poderosos sempre em desenvolvimento. O poder de processamento que as CPUs entregam permite que os computadores se envolvam em atividades de multitarefa. Antes de descrevermos os tipos de CPUs disponíveis, devemos esclarecer alguns termos básicos que são essenciais para nossa compreensão dos tipos de CPU.

Há vários componentes em uma CPU, mas esses aspectos são especialmente críticos para a operação da CPU e nossa compreensão de como eles operam:

• Cache: na recuperação de informações, os caches de memória são indispensáveis. Caches são áreas de armazenamento cuja localização permite que os usuários acessem rapidamente os dados que estiveram em uso recente. Os caches armazenam dados em áreas de memória incorporadas ao chip do processador de uma CPU para atingir velocidades de recuperação de dados ainda mais altas do que a memória de acesso aleatório (RAM) pode alcançar. Os caches podem ser criados por meio do desenvolvimento de software ou componentes de hardware.

• Velocidade do relógio: todos os computadores são equipados com um relógio interno que regula a velocidade e a frequência das operações do computador. O relógio gerencia os circuitos da CPU por meio da transmissão de pulsos elétricos. A taxa de entrega desses pulsos é denominada velocidade de clock, que é medida em Hertz (Hz) ou megahertz (MHz). Tradicionalmente, uma maneira de aumentar a velocidade de processamento é ajustar o relógio para funcionar mais rápido do que o normal.

• Núcleo: núcleos atuam como o processador dentro do processador. Os núcleos são unidades de processamento que leem e executam várias instruções de programas. Os processadores são classificados de acordo com o número de núcleos integrados. CPUs com múltiplos núcleos podem processar instruções consideravelmente mais rápido do que processadores de núcleo único. (Nota: o termo “Intel Core™” é utilizado comercialmente para comercializar a linha de produtos de CPUs multinúcleos da Intel.)

• Threads: threads ou encadeamentos são as sequências mais curtas de instruções programáveis que o agendador de um sistema operacional pode administrar e enviar de forma independente à CPU para processamento. Por meio do multithreading, o uso de vários threads em execução simultaneamente, um processo de computador pode ser executado simultaneamente. Hyper-threading refere-se à forma proprietária de multithreading da Intel para a paralelização de cálculos.

Outros componentes da CPU

Além dos componentes acima, as CPUs modernas geralmente contêm o seguinte:

• Unidade lógica aritmética (ALU): executa todas as operações aritméticas e operações lógicas, incluindo equações matemáticas e comparações baseadas em lógica. Ambos os tipos estão vinculados a ações específicas do computador.
• Barramentos: garante a transferência adequada de dados e o fluxo de dados entre os componentes de um sistema de computador.
• Unidade de controle: contém circuitos intensivos que controlam o sistema do computador emitindo um sistema de pulsos elétricos e instruem o sistema a executar instruções computacionais de alto nível.
• Registro de instrução e ponteiro: exibe a localização do próximo conjunto de instruções a ser executado pela CPU.
• Unidade de memória: gerencia o uso da memória e o fluxo de dados entre a RAM e a CPU. Além disso, a unidade de memória supervisiona o tratamento da memória cache.
• Registros: fornece memória permanente integrada para necessidades de dados constantes e repetidas que devem ser tratadas regular e imediatamente.

As CPUs utilizam um tipo de ciclo de comando repetido que é administrado pela unidade de controle em associação com o relógio do computador que oferece assistência à sincronização.

O trabalho que uma CPU realiza ocorre de acordo com um ciclo estabelecido (chamado ciclo de instruções da CPU). O ciclo de instruções da CPU designa um certo número de repetições, e esse é o número de vezes que as instruções computacionais básicas serão repetidas, conforme permitido pela capacidade de processamento desse computador.

As três instruções computacionais básicas são as seguintes:

• 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 interagem com outras partes da CPU.
• Execução: a execução ocorre quando os computadores interpretam e executam o conjunto de instruções de um programa de computador.

Tentativas básicas de gerar velocidades de processamento mais rápidas levaram alguns proprietários de computadores a renunciar às etapas usuais envolvidas na criação de desempenho de alta velocidade, que normalmente exigem a aplicação de mais núcleos de memória. Em vez disso, esses usuários ajustam o relógio do computador para que ele funcione mais rápido em sua(s) máquina(s). O processo de "overclocking" é análogo ao "jailbreak" de smartphones para que seu desempenho possa ser alterado. Infelizmente, como o jailbreak de um smartphone, esses ajustes são possivelmente prejudiciais ao dispositivo e são totalmente reprovados pelos fabricantes de computadores.

As CPUs são definidas pelo processador ou microprocessador que os controla:

• Processador de núcleo único: Um processador de núcleo único é um microprocessador com uma CPU em sua matriz (o material à base de silício no qual os chips e microchips são fixados). Os processadores de um único núcleo geralmente são mais lentos do que os processadores de múltiplos núcleos, operam em um único encadeamento e executam a sequência do ciclo de instruções apenas uma vez. Eles são mais adequados para computação de uso geral.
• Processador multinúcleo: um processador multinúcleos é dividido em duas ou mais seções de atividade, com cada núcleo executando instruções como se fossem computadores completamente distintos, embora as seções estejam tecnicamente localizadas juntas em um único chip. Para muitos programas de computador, um processador multinúcleos oferece uma saída superior e de alto desempenho.
• Processador incorporado: um processador incorporado é um microprocessador expressamente projetado para uso em sistemas incorporados. Os sistemas integrados são pequenos e projetados para consumir menos energia e ficarem contidos no processador para acesso imediato aos dados. Os processadores incorporados incluem microprocessadores e microcontroladores.
• Processador dual-core: um processador dual-core é um processador multinúcleos contendo dois microprocessadores que agem independentemente um do outro.
• Processador quad-core: Um processador quad-core é um processador multinúcleos que possui quatro microprocessadores funcionando de forma independente.
• Octa-core: Um processador octa-core é um processador multinúcleos que tem oito microprocessadores funcionando de forma independente.
• Processador deca-core: um processador deca-core é um circuito integrado que tem 10 núcleos em um chip ou por pacote.

Embora várias empresas fabriquem produtos ou desenvolvam software compatível com CPUs, esse número diminuiu para apenas alguns grandes players nos últimos anos.

As duas principais empresas nesta área são a Intel e a Advanced Micro Devices (AMD). Cada um utiliza um tipo diferente de ISA (arquitetura de conjunto de instruções). Os processadores Intel utilizam uma arquitetura CISC (complex instruction set computer). Os processadores AMD seguem uma arquitetura de computador de conjunto de instruções reduzido (RISC).

• Inteligência: A Intel comercializa processadores e microprocessadores por meio de quatro linhas de produtos. Sua linha premium e sofisticada é a Intel Core. Os processadores Xeon® da Intel são direcionados para escritórios e empresas. As linhas Celeron® e Intel Pentium® da Intel são consideradas mais lentas e menos potentes que a linha Core.

• Advanced Micro Devices (AMD): a AMD vende processadores e microprocessadores por meio de dois tipos de produtos: CPUs e APUs (ou Unidades de Processamento Acelerado). APUs são CPUs equipadas com circuitos gráficos proprietários da Radeon™. Os processadores Ryzen™ da AMD são microprocessadores de alta velocidade e alto desempenho voltados ao mercado de jogos eletrônicos. Os processadores Athlon™ eram considerados a linha de ponta da AMD, mas a AMD agora os utiliza como uma alternativa de computação básica.

• ARM: Embora a Arm não fabrique equipamentos, ela aluga seus valiosos designs de processadores de última geração e/ou outras tecnologias proprietárias para outras empresas que fabricam equipamentos. A Apple, por exemplo, não utiliza mais chips da Intel nas CPUs Mac®, ela fabrica seus próprios processadores personalizados com base nos projetos da Arm. Outras empresas estão seguindo esse exemplo.

Unidades de processamento gráfico (GPUs)

Embora o termo "unidade de processamento de imagens" contenha a palavra "imagens", essa frase não captura verdadeiramente o que são as GPUs, que é a velocidade. Nesse caso, sua maior velocidade é a causa da aceleração da computação gráfica.

A GPU é um tipo de circuito eletrônico com aplicações imediatas em PCs, smartphones e consoles de videogames, que era seu uso original. Agora, as GPUs também servem para fins não relacionados à aceleração gráfica, como mineração de criptomoedas e o treinamento de redes neurais.

Microprocessadores

A busca pela miniaturização do computador continuou quando a ciência da computação criou uma CPU tão pequena que caberia em um pequeno chip de circuito integrado chamado microprocessador. Os microprocessadores são designados pelo número de núcleos que suportam.

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

Dispositivos de saída

A computação seria uma atividade muito limitada sem a presença de dispositivos de saída para executar os conjuntos de instruções da CPU. Esses dispositivos incluem periféricos que se conectam à parte externa de um computador e aumentam consideravelmente a funcionalidade.

Os periféricos proporcionam os meios para o usuário do computador interagir com o computador e fazer com que ele processe as instruções de acordo com os desejos do usuário. São itens essenciais para desktop, como teclados, mouses, scanners e impressoras.

Os periféricos não são os únicos anexos comuns do computador moderno. Há também dispositivos de entrada/saída em uso amplo e eles recebem e transmitem informações, como câmeras de vídeo e microfones.

Consumo de energia

Vários problemas são afetados pelo consumo de energia. Um deles é a quantidade de calor produzida pelos processadores multi-core e como dispersar o excesso de calor desse dispositivo para que o processador do computador permaneça termicamente protegido. Por essa razão, os data centers em hiperescala (que abrigam e utilizam milhares de servidores) são projetados com extensos sistemas de condicionamento e resfriamento de ar.

Há também questões de sustentabilidade, mesmo que estejamos falando de alguns computadores em vez de alguns milhares. Quanto mais potentes forem os computadores e CPUs, mais energia será necessária para manter suas operações e, em alguns casos de grande porte, isso pode significar gigahertz (GHz) de potência de computação.

Chips especializados

O desenvolvimento mais profundo da computação desde suas origens, a inteligência artificial (IA) agora está impactando a maioria, senão todos os ambientes de computação. Um desenvolvimento que estamos vendo na área das CPUs é a criação de processadores especiais que foram criados especificamente para lidar com as cargas de trabalho grandes e complexas associadas à IA (ou outras finalidades especiais):

• Esse equipamento inclui o Tensor Streaming Processor (TSP), que lida com tarefas de aprendizado de máquina (ML), além de aplicações de IA. Outros produtos igualmente adequados para o trabalho com IA são o processador AMD Ryzen Threadripper™ 3990X de 64 núcleos e o processador desktop Intel Core i9-13900KS, que utiliza 24 núcleos.
• Para aplicações como edição de vídeo, muitos usuários optam pela CPU Intel Core i7 14700KF de 20 núcleos e 28 threads. Outros ainda escolhem o Ryzen 9 7900X, considerado a melhor CPU da AMD para fins de edição de vídeo.
• Em termos de processadores de videogames, o AMD Ryzen 7 5800X3D apresenta uma tecnologia 3D V-Cache que o ajuda a elevar e acelerar os gráficos de jogos.
• Para computação de uso geral, como executar um sistema operacional como o Windows ou navegar em sites multimídia, qualquer processador AMD ou Intel de modelo recente deve lidar com facilidade com tarefas de rotina.

Transistores

Os transistores são extremamente importantes para a eletrônica em geral e para a computação em particular. O termo é uma mistura de "transferência e resistência" e normalmente se refere a um componente feito de semicondutores utilizado para limitar e/ou controlar a quantidade de corrente elétrica que flui através de um circuito.

Na computação, os transistores também são elementares. O transistor é a unidade básica de construção por trás da criação de todos os microchips. Os transistores ajudam a compor a CPU e são o que compõe a linguagem binária de 0s e 1s que os computadores utilizam para interpretar a lógica booleana.

Os cientistas da computação estão sempre trabalhando para aumentar a produção e a funcionalidade das CPUs. Veja a seguir algumas projeções sobre as CPUs do futuro:

• Novos materiais para chips: o chip de silício tem sido o esteio da indústria de computação e de outros eletrônicos. A nova onda de processadores (link fora de ibm.com) utilizará os novos materiais para chips com maior desempenho. Isso inclui nanotubos de carbono (que apresentam excelente condutividade térmica através de tubos à base de carbono aproximadamente 100 mil vezes menores do que a largura de um fio de cabelo humano), grafeno (uma substância que possui propriedades térmicas e elétricas excepcionais) e componentes spintrônicos (que dependem do estudo da maneira como os elétrons giram e que poderiam finalmente produzir um transistor giratório).
• Quantum sobre binário: embora as CPUs atuais dependam do uso da linguagem binária, a computação quântica acabará por mudar isso. Em vez da linguagem binária, a computação quântica deriva seus princípios fundamentais da quântica, uma disciplina que revolucionou o estudo da física. Na computação quântica, dígitos binários (1s e 0s) podem existir em vários ambientes (em vez de em dois ambientes atualmente). E como esses dados estarão em mais de um local, as buscas se tornarão mais fáceis e rápidas. O resultado disso para o usuário será um aumento considerável na velocidade de computação e um aumento geral no poder de processamento.

• IA em todos os lugares: à medida que a inteligência artificial continua a fazer sentir sua presença profunda, tanto na indústria de computação quanto em nossas vidas diárias, ela terá uma influência direta no design da CPU. À medida que o futuro se desenrola, você verá uma crescente integração da funcionalidade de IA diretamente no hardware do computador. Quando isso acontecer, teremos um processamento de IA consideravelmente mais eficiente. Além disso, os usuários notarão um aumento na velocidade de processamento e os dispositivos que poderão tomar decisões de forma independente em tempo real. Enquanto esperamos que a implementação de hardware ocorra, o fabricante de chips Cerebras já revelou um processador que seus fabricantes afirmam ser o "chip de IA mais rápido do mundo" (link fora de ibm.com). Seu chip WSE-3 pode treinar modelos de IA com até 24 trilhões de parâmetros. Este megachip contém quatro trilhões de transístores, além de 900 mil núcleos.

As empresas esperam muito dos computadores em que investem. Por sua vez, esses computadores dependem de CPUs com poder de processamento suficiente para lidar com as cargas de trabalho difíceis encontradas no ambiente de negócios com uso intensivo em dados de hoje.

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