Sete principais casos de uso de unidades centrais de processamento (CPU)

A unidade central de processamento (CPU) é o cérebro do computador, atribuindo e processando tarefas e gerenciando funções operacionais essenciais.

Os computadores estão tão perfeitamente integrados à vida moderna que, às vezes, nem temos consciência de quantas CPUs estão em uso em todo o mundo. É uma quantidade impressionante. Há tantas CPUs que um número conclusivo só pode ser aproximado.

Estima-se que possa haver até 200 bilhões de núcleos de CPU (ou mais) em execução atualmente. Como exemplo do que um número tão impressionante significa de uma perspectiva diferente, o fabricante de chips Arm (link fora de ibm.com) afirmou ter enviado 7,3 bilhões de chips em um único trimestre de 2020, ou aproximadamente 900 CPUs por segundo de todo esse trimestre. (Há aproximadamente 7,8 milhões de segundos em 3 meses.)

Isso leva a uma comparação surpreendente. As projeções do US Census Bureau calculam a população global de 2024 em cerca de 8 bilhões de pessoas. Se esses 200 bilhões de CPUs atualmente existentes fossem todos distribuídos igualmente entre as pessoas e nenhum fosse dedicado a aplicações comerciais, governamentais ou científicas, haveria exatamente 25 CPUs servindo como o cérebro do computador de cada cérebro humano no planeta.

Isso levanta uma pergunta importante: com tantas CPUs em operação, como todas elas estão sendo utilizadas?

Com CPUs referimo-nos a um chip de processador muito pequeno, mas há muito pouco que essa coisa pequena não possa fazer. Uma breve pesquisa mostra quais setores dependem mais de CPUs:

Eletroeletrônicos de consumo

Muitas das empresas mais lucrativas do mundo, como a Apple, fabricam dispositivos para a indústria de eletrônicos de consumo. A demanda desenfreada por plataformas de computação pessoal (como smartphones, notebooks e consoles de jogos) impulsionou uma expansão maciça e contínua do uso de CPUs. Além disso, os dispositivos domésticos beneficiados pela tecnologia de Internet das Coisas (IoT) significam que as CPUs agora estão sendo incorporadas a refrigeradores, termostatos, sistemas de segurança e outros.

Análise de dados

O objetivo da análise de dados é pegar dados brutos e refiná-los em uma narrativa compreensível que atenda às metas comerciais. A primeira parte desse processo é reunir e limpar os dados. As CPUs são fundamentais para essas atividades, servindo como as principais unidades de processamento do computador. Além disso, as altas velocidades de clock alcançadas pelas CPUs as tornam perfeitamente adequadas para lidar com o tipo de varredura e recuperação rápida de informações que a análise de dados exige.

Defesa e espaço

A CPU é a verdadeira espinha dorsal dos sistemas de defesa modernos. Qualquer país que queira ser uma potência global deve ter computadores modernos como parte do arsenal de segurança. Da mesma forma, as conquistas da humanidade na exploração espacial nunca poderiam ter ocorrido sem a CPU para lidar com os incríveis desafios computacionais de calcular a distância e as rotas dos voos espaciais. O espaço representa um desafio único para os computadores, que devem ser protegidos contra radiação para resistir aos poderosos raios solares.

Serviços financeiros

Assim como a análise de dados, as empresas de fintech dependem de CPUs para possibilitar o processamento rápido e eficiente de grandes quantidades de informações financeiras. Executando análises avançadas sobre esses dados e, em seguida, aplicar uma série de cenários diferentes a esses dados, os sistemas de gerenciamento de riscos habilitados pelas CPUs podem ajudar as instituições financeiras a reduzir as perdas. As CPUs também auxiliam nesse esforço de outra forma fundamental: ajudando a sinalizar situações atípicas e detectar casos de fraude.

Setor de saúde

Quase todos os tipos de setores se beneficiam por causa das altas velocidades que as CPUs alcançam, mas nenhum tão importante quanto o setor de saúde, onde há vidas literalmente na balança e o tempo é uma preocupação crítica. Além da capacidade de transferir rapidamente informações vitais do paciente entre fornecedores, as CPUs podem ser utilizadas para ajudar a automatizar o pedido e o rastreamento de prescrições e outros suprimentos. Os computadores também podem criar modelos 3D pré-cirúrgicos de órgãos e ajudar os patologistas a estudar doenças.

Manufatura (IIoT - Industrial IoT)

A utilização de semicondutores mudou radicalmente a fabricação, sincronizando a entrada de materiais e melhorando o controle de qualidade. A fabricação também está sendo revolucionada pela manufatura auxiliada por computador (CAM), onde sistemas de computador comandados por CPUs ajudam a executar operações de produção industrial. O CAM utiliza conexões diretas ou indiretas que há entre a CPU e as operações de produção para agendar, controlar e gerenciar a atividade de manufatura.

Telecomunicações

O setor de telecomunicações oferece seus próprios produtos básicos, os dispositivos de tecnologia de comunicação, mas também auxilia outros setores de maneiras importantes. Esses casos de uso incluem a ativação de transações digitais (para o setor de serviços financeiros) e a assistência na área da saúde, com suporte a cirurgias robóticas com recursos de precisão e atualizações de dados. Além disso, as CPUs são essenciais para operar veículos autônomos que dependem de sinais de telecomunicações para orientação de navegação.

As CPUs modernas geralmente contêm os seguintes componentes:

• Unidade aritmética/lógica (ALU): Executa operações aritméticas e lógicas, incluindo equações matemáticas e comparações baseadas em lógica.
• Barramentos: gerencia a transferência adequada de dados e o fluxo de dados entre componentes em um sistema de computador.
• Unidade de controle: utiliza circuitos intensivos que controlam o sistema computacional emitindo um sistema de pulsos elétricos e instruem o sistema a executar instruções computacionais de alto nível.
• Registros de instrução e ponteiro: mostra 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. A unidade de memória principal supervisiona o manuseio da memória cache.
• Registradores: oferece memória permanente integrada para necessidades de dados constantes e repetidos que devem ser administrados regularmente, sem exceção.

Para estar totalmente familiarizado com a terminologia da CPU, é útil conhecer os seguintes conceitos:

Cache: áreas de armazenamento cuja localização permite aos usuários acessar rapidamente dados que estão em uso recente. A memória cache armazena dados em áreas incorporadas ao chip do processador de uma CPU para atingir velocidades de leitura de dados ainda mais rápidas do que a memória de acesso aleatório (RAM).

Velocidade do relógio: a taxa de atividade por ciclo de relógio do computador. O relógio interno incorporado aos computadores 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 de pulsos é chamada de "velocidade do relógio".

Núcleo: 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; processadores single-core, dual-core e quad-core são alguns dos exemplos. (O termo "Intel Core" é utilizado comercialmente para comercializar a linha de produtos de CPUs multinúcleos da Intel.)

Threads: As sequências mais curtas de instruções programáveis que o agendador de um sistema operacional pode gerenciar e enviar a uma CPU para processamento. Por meio do multithreading, o uso de vários threads executados simultaneamente, vários processos do computador podem ser executados simultaneamente, oferecendo compatibilidade com multitarefa. (“Hyper-threading” é o termo proprietário da Intel para sua forma de multithreading.)

As duas principais empresas que lutam pelo controle deste mercado ultralucrativo são Intel e Advanced Micro Devices (AMD):

Intel

Comercializa processadores e microprocessadores por meio de quatro linhas de produtos: Intel Core (linha premium de ponta), Intel Xeon (uso de escritórios e negócios), Intel Pentium (computadores pessoais e notebooks) e IntelCeleron (uso em computação pessoal de baixo custo).

Obviamente, cada tipo de chip é mais adequado para determinadas aplicações. O Intel® Core i5-13400F é um bom processador para desktop com 10 núcleos. Mas quando se trata de um aplicativo com uso intenso de processamento, como edição de vídeo, muitos usuários optam pela CPU Intel® Core i7 14700KF de 20 núcleos e 28 threads.

Advanced Micro Devices (AMD)

Vende dois tipos de processadores e microprocessadores: CPUs e APUs (que significa Unidades de Processamento Acelerado). APUs são CPUs equipadas com gráficos proprietários da Radeon®. A AMD® fabrica processadores Ryzen® de alta velocidade e alto desempenho para o mercado de videogames. O AMD Ryzen 7 5800X3D, por exemplo, apresenta uma tecnologia 3D V-Cache que ajuda a elevar os gráficos de jogos a novos patamares.

Os processadores Athlon® eram antes considerados a linha de ponta da AMD, mas a AMD agora os utiliza como alternativa de computação básica.

Arm

A Arm® não fabrica equipamentos, mas aluga seus valiosos designs de processadores e/ou outras tecnologias proprietárias para outras empresas que fabricam equipamentos.

Para computação de uso geral, como executar um sistema operacional como o Windows e usar programas multimídia, a maioria dos processadores AMD Ryzen® ou Intel® Core® pode lidar com as cargas de trabalho envolvidas.

Várias questões superficiais continuarão influenciando o desenvolvimento da CPU e os casos de uso para os quais elas são utilizadas nos próximos anos:

Aumento do uso de GPUs: Unidades de processamento gráfico (GPUs) são circuitos eletrônicos desenvolvidos inicialmente para uso em smartphones e consoles de videogame. Seu uso procura aumentar a velocidade de processamento, portanto, além de acelerar placas gráficas, as GPUs estão sendo utilizadas em atividades de processamento intensivo, como mineração de criptomoedas e treinamento de neural networks.

Desejo de miniaturizar: a história do hardware de computadores tem sido uma busca constante para tornar os processadores de computador menores. Os primeiros computadores exigiam grande espaço físico e válvulas a vácuo. Então, as CPUs se tornaram menores e mais eficientes com a introdução dos transistores. Mais tarde, os cientistas da computação criaram uma CPU chamada microprocessador que poderia ser mantido dentro de um pequeno chip de circuito integrado. O desejo de reduzir o tamanho dos processadores continuará inabalável enquanto houver consumidores e empresas que queiram mais poder de processamento e maior velocidade.

Proliferação de periféricos: dispositivos periféricos ajudam a otimizar e aumentar a funcionalidade da computação. Os periféricos podem ser conectados à parte externa de um computador e incluem dispositivos como teclados, mouses, scanners e impressoras. Espera-se ver mais periféricos criados em resposta à demanda constante dos clientes.

Problemas de sustentabilidade: no futuro, as questões de consumo de energia serão cada vez mais importantes. As empresas se concentrarão mais em soluções energeticamente eficientes à medida que os custos de energia aumentarem. Quando o uso da CPU aumenta em grande volume, como em data centers de hiperescala com milhares de computadores vinculados trabalhando 24 horas por dia, a energia utilizada é geralmente medida em gigahertz (GHz), equivalente a todo o consumo de energia de aldeias ou pequenas cidades.

Em sua previsão de receita de processadores para 2022–2028, o grupo de analistas Yole Intelligence calculou que o mercado total de processadores em 2022 era de US$ 154 bilhões. Esse número total incluiu os seguintes segmentos de processadores e seus respectivos valores:

• Unidades centrais de processamento (CPUs): US$ 65 bilhões
• Unidades de processamento de aplicativos (APUs): USD 61 bilhões
• Unidades de processamento gráfico (GPUs): US$ 22 bilhões
• SoC FPGA: USD 2,6 bilhões (SoC FPGA significa “field programmable gate array em sistema-em-chip”, dispositivos semicondutores contendo lógica programável em núcleos de processadores).
• ASICs de IA: US$ 1,5 bilhão (ASICs de IA significa "circuitos integrados para aplicações específicas", especificamente relacionados a inteligência artificial).
• Unidades de processamento de dados (DPUs): USD 0,6 bilhão

Nas projeções para 2028, podes-se ver como os especialistas da Yole esperam que determinados segmentos cresçam, especificamente IA e DPUs. A Yole prevê crescimento anual total de 8%, levando a um valor total esperado de US$ 242 bilhões em 2028, com base nestes números:

1. CPUs: USD 97 bilhões
2. APUs: USD 65 bilhões
3. GPUs: USD 55 bilhões
4. ASICs de IA: US$ 11 bilhões
5. DPUs: USD 8,1 bilhões
6. FPGAs de SoC: US$ 5,2 bilhões

Além do crescimento substancial do mercado de ASICs e DPUs de IA, a previsão da Yole Intelligence mostra um crescimento quase idêntico para CPUs e GPUs durante o mesmo período, com previsões de crescimento de USD 32 bilhões e USD 33 bilhões, respectivamente. Essas projeções também demonstram a centralidade contínua das CPUs, uma vez que essa categoria lidera todas as outras agora e continuará a fazê-lo no futuro, de acordo com a Yole Intelligence.

Com mais de 200 bilhões de CPUs em operação atual, é razoável concluir que as CPUs vieram para ficar, muito provavelmente uma parte permanente da condição humana no futuro. Mas também é uma aposta segura que a CPU continuará sendo desenvolvida e refinada, para continuar maximizando sua utilidade para sistemas de alto desempenho e os novos programas de computador ricos em gráficos que eles executam.

Por isso é prudente investir de forma inteligente na compra dos equipamentos associados necessários para executar os objetivos de computação. É importante ter hardware capaz de acompanhar o ritmo das CPUs modernas. Os servidores IBM oferecem flexibilidade e robustez para você ter o poder de processamento de que precisa agora com espaço para crescer no futuro.