40 anos dos processadores

Sabe esse seu Core i7, Pentium Dual Core, ou seu AMD Phenom… seus chips com mil tecnologias, capazes de arrebentar nos melhores games da atualidade e de permitir que você faça suas tarefas diárias rapidamente? Tudo começou com uma calculadora.

Intel 4004

Nesta semana, a Intel celebra os 40 anos do primeiro microprocessador, componente que permitiu toda a computação como conhecemos hoje. O primeiro, o Intel 4004, surgiu em 15 de novembro de 1971, dois anos após a empresa ser solicitada para fabricar chips para uma nova calculadora da Nippon Calculating Machine Corporation. Após conseguir os direitos de comercializá-lo para equipamentos diferentes, o Intel 4004 tornou-se o primeiro microprocessador comercial da história.

Na época, o desafio era, basicamente, colocar o computador em um chip. Parecia impossível, mas deu certo: os engenheiros da Intel conseguiram colocar 2.300 transistores em uma área de 3×4 milímetros, formando as bases dos processadores atuais, que ainda são baseados no 4004. Hoje, porém, eles ultrapassam a marca dos milhões de cálculos por segundo e têm mais de 560 milhões de transistores. O estreante, inclusive, foi o primeiro processador a entrar no cinturão de asteróides, a bordo da nave Pioneer 10. Essas pecinhas existem até hoje, mas é claro, nas mãos de colecionadores. Eles chegam a valer mais de mil dólares, o preço que você pagaria no melhor dos Core i7.

 

Comparados ao pioneiro, os processadores da mais nova geração da Intel têm 350 mil vezes a performance do 4004. Apesar de todo o poder, eles são bem mais econômicos: cada transistor, que ficou 50 mil vezes mais barato desde então, gastam 5 mil vezes menos energia.

 

O microprocessador é uma espécie de cérebro de um computador. É o responsável por receber informações digitais, processá-las e responder a elas de acordo com a necessidade. Ali entram os “zeros e uns” e saem os dados que serão lidos e transformados em imagens que irão para sua tela, dados que serão armazenados em seu HD, linhas de código e diversas outras ações enviadas para outros componentes.

 

Antes da invenção dos microprocessadores, esse mesmo trabalho era feito de forma muito mais lenta e precária através de válvulas e transistores individuais. Era uma tecnologia caríssima e exigia salas inteiras para que se montasse um computador com muito menos capacidade do que os que temos hoje. Imagine transformar os 560 milhões de transistores que existem em um microprocessador em 560 milhões de válvulas do tamanho de uma lâmpada incandescente. A coisa era mais ou menos nesse nível.

ENIAC, considerado um dos primeiros computadores digitais eletrônicos

A invenção dos microprocessadores permitiu uma redução drástica no tamanho dos transistores e a junção de centenas de milhares deles em uma única base de silício. Essa base é o que forma o circuito integrado. Se você der uma olhada na parte de baixo do seu processador, vai ver uma camada metálica com diversos pininhos saltando para fora como espinhos. É disso que estamos falando.

O computador funciona pela leitura de uma linguagem chamada de binária, composta por números zero e um. Primeiro, os códigos binários chegam no processador em forma de impulsos elétricos que ativam ou desativam cada transistor. Um transistor ativado corresponde ao número 1 e um desativado ao número 0. Dentro do chip, ocorre uma leitura desses dados, é o que se chama de processamento. Depois de ler e “compreender” os dados, o microprocessador formula respostas de acordo com a necessidade e coloca elas de volta no sistema também por impulsos elétricos.

No vídeo abaixo, temos uma demonstração do funcionamento do transistor, feita no museu da Intel.

A evolução dos processadores percorreu um longo caminho desde o Intel 4004 até os recém anunciados Sandy Brige-E, com as CPUs aumentaram sua capacidade de cáculos por segundo com o incremento do número de transistores e aumento da frequência de operação. O grande paradigma desta evolução é a famosa Lei de Moore, uma palpite/constatação/profecia do presidente da Intel, Gordon E. Moore, presente neste documento publicado em 1965. Nele, Moore afirmava que o número de transistores em um processador vinha dobrando a cada ano, e que esta tendência iria se manter por pelo menos dez anos.

 

A Intel abraçara a causa do seu então presidente e utilizou o “dobro de transistores por ano” como um mantra para o ciclo de desenvolvimento. Depois esta projeção seria revista e ganharia estimativas mais “modestas”, com um ciclo de 24 meses para dobrar o número de transistores.

 

Ano após ano, o número de transistores e a frequência de operação subiam, aumentando a capacidade de cálculos por segundo dos processadores. Para alcançar este feito, as fabricantes dos chips criavam arquiteturas cada vez menores para os transistores, condensando mais deles em áreas cada vez menores. E a lei de Moore mostrava-se certeira (depois daquele pequeno ajuste), até o final da década de 90.

A esta altura, não dava mais para simplesmente ir colocando mais transistores no chip, diminuir o tamanho deles ou aumentar a frequência do processador. A arquitetura dos transistores já estava na escala microscópica, um processador da virada do milênio como o Pentium 4 possuía 42 milhões deles, com 180 nanômetros de tamanho cada, e operava em 2 GHz. Simplesmente aumentar o clock trazia problemas de aquecimento, então foi preciso outro recurso para manter a marcha imposta pela Lei de Moore.

A solução encontrada pelos desenvolvedores, já nos anos 2000, foi a criação de processadores com mais de um núcleo. Dois núcleos operando em 1.5 GHz  não conseguiam o mesmo desempenho que apenas um núcleo em 3.0 GHz, por conta do atraso do processador em distribuir as funções entre os núcleos mas, em compensação, o processador com dois núcleos aquece menos.

 

Assim a indústria seguiu aumentando o número de transistores, diminuindo o tamanho da arquitetura de cada um, incluindo mais núcleos e aumentando a frequência de operação. Novas arquiteturas surgiram, caso da ARM, visando o mercado da computação portátil com processadores com menor aquecimento e consumo de energia, necessário para aparelhos como tablets e smartphones, que trariam o conceito da computação móvel (e faria alguns apostar na morte do bom e velho PC).

Onde está o limite desta evolução? O próprio Moore já falou, em 2005, que não dá para manter esta evolução para sempre. Segundo ele, vai chegar um momento, quando atingirmos a escala atômica, que não será possível diminuir mais o tamanho dos transistores. “A natureza das progressões exponenciais é esta, quando você força além dos limites, desastres acontecem”, profetizou novamente Moore. Talvez, mas até lá o desenvolvimento segue, e já se fala até em processadores de 50 núcleos

 

 

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