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Aula 03 – Arquitetura de Computadores

CPU

Na aula anterior aprendemos um pouco sobre como se constrói uma Unidade Central de Processamento (UCP ou CPU em inglês). Nesta aula veremos com uma CPU funciona.

Modelos de CPU

Arquitetura de von Neumann

A Arquitetura de von Neumann (de John von Neumann, pronunciado Nóimánn) é uma arquitetura de computador que se caracteriza pela possibilidade de uma máquina digital armazenar seus programas no mesmo espaço de memória que os dados, podendo assim manipular tais programas. Esta arquitetura é um projeto modelo de um computador digital de programa armazenado que utiliza uma unidade de processamento (CPU) e uma de armazenamento (“memória”) para comportar, respectivamente, instruções e dados.

A máquina proposta por Von Neumann reúne os seguintes componentes:

Uma memória
Uma unidade aritmética e lógica (ALU)
Uma unidade central de processamento (CPU), composta por diversos registradores, e
Uma Unidade de Controle, cuja função é a mesma da tabela de controle da Máquina de Turing universal: buscar um programa na memória, instrução por instrução, e executá-lo sobre os dados de entrada.

Arquitetura de von Neumann
Arquitetura de von Neumann

Gargalo de Von Neumann

O canal de transmissão de dados entre a CPU e a memória leva ao gargalo de von Neumann, a troca de dados limitada (taxa de transferência) entre a CPU e a memória em relação à quantidade de memória. Na maioria dos computadores modernos, a troca de dados entre o processador e a memória é muito menor do que a taxa com que o processador pode trabalhar. Isso limita seriamente a velocidade eficaz de processamento, principalmente quando o processador é exigido para realizar o processamento de grandes quantidades de dados. A CPU é constantemente forçada a esperar por dados que precisam ser transferidos para, ou a partir da, memória. Como a velocidade da CPU e o tamanho da memória têm aumentado muito mais rapidamente que a taxa de transferência entre eles, o gargalo se tornou mais um problema, um problema cuja gravidade aumenta com cada geração de CPU.

O termo “gargalo de von Neumann” foi cunhado por John Backus em sua palestra Award 1977 ACM Turing. Segundo Backus:

Certamente deve haver uma maneira menos primitiva de se fazer grandes alterações na memória, do que empurrando um grande número de palavras, de um lado a outro, do gargalo de von Neumann. Não é somente um gargalo literal para o tráfego de dados, mas, o mais importante, é um gargalo intelectual que nos tem mantido atados a um pensamento de “uma palavra por vez” em vez de encorajar-nos a pensar em termos unidades conceituais maiores. Assim, a programação é basicamente o planejamento e detalhamento do enorme tráfego de palavras através do gargalo de von Neumann e grande parte desse tráfego não diz respeito aos dados propriamente ditos, e sim a onde esses dados são encontrados.

O problema de desempenho pode ser aliviado (até certo ponto) por diversos mecanismos. Colocando uma memória cache entre o processador e a memória principal, proporcionando caches separados com os caminhos de acesso separado para dados e instruções (a chamada arquitetura Harvard Modificada), utilizando um algoritmo preditor de salto e lógica. O problema também pode ser contornado usando um pouco de computação paralela, por exemplo a arquitetura NUMA, esta abordagem é geralmente utilizada em supercomputadores.

Arquitetura de Havard

A Arquitetura de Harvard baseia-se em um conceito mais recente que a de Von Neumann, tendo surgido da necessidade de se pôr o microcontrolador para trabalhar mais rápido. É uma arquitetura de computador que se distingue das outras por possuir duas memórias diferentes e independentes em termos de barramento e ligação ao processador. É utilizada nos microcontroladores PIC. Tem, como principal característica, o acesso à memória de dados de modo separado em relação à memória de programa.

Baseada também na separação de barramentos de dados das memórias onde estão as instruções de programa e das memórias de dados, permite que um processador possa acessar as duas simultaneamente, obtendo um desempenho melhor do que a da Arquitetura de von Neumann, pois pode buscar uma nova instrução enquanto executa outra.

A principal vantagem dessa arquitetura é que a leitura de instruções e de alguns tipos de operandos pode ser feita ao mesmo tempo em que a execução das instruções (tempo Tcy). Isso significa que o sistema fica todo o tempo executando instruções, o que acarreta um significativo ganho de velocidade. Enquanto uma instrução está sendo executada, a seguinte está sendo lida. Esse processo é conhecido como pipelining (canalização).

A arquitetura Havard também possui um repertório com menos instruções que a de von Neumann, e essas são executadas apenas num único ciclo de relógio.

Arquiteturas de Harvard são normalmente utilizadas em qualquer sistemas especializados ou para usos específicos. É utilizado em processamento de sinal digital especializados (DSP), normalmente por produtos de áudio e vídeo de transformação. Ele também é usado em muitos pequenos microcontroladores utilizados em aplicações eletrônicas, tais como os processadores ARM (sigla em inglês para Advanced RISC Machine) base de muitos fabricantes.

Os microcontroladores com arquitetura Havard são também conhecidos como “microcontroladores RISC” (Computador com Conjunto Reduzido de Instruções), e os microcontroladores com uma arquitetura Von-Neumann, de “microcontroladores CISC” (Computador com um Conjunto Complexo de Instruções). Porém, atualmente as linhas CISC e RISC é muito tênue, não existindo mais essa diferenciação, visto que os processadores atuais tem instruções complexas ao mesmo tempo que buscam minimizar o tempo de execução.

Arquitetura de Harvard
Arquitetura de Harvard

CPUs CISC

O projeto do Conjunto de Instruções inicia com a escolha de uma entre duas abordagens, a abordagem RISC e a CISC. O termo RISC é a abreviação de Reduced Instruction Set Computer, ou Computador de Conjunto de Instruções Reduzido e CISC vem de Complex Instruction Set Computer, ou Computador de Conjunto de Instruções Complexo. Um computador RISC parte do pressuposto de que um conjunto simples de instruções vai resultar numa Unidade de Controle simples, barata e rápida. Já os computadores CISC visam criar arquiteturas complexas o bastante a ponto de facilitar a construção dos compiladores, assim, programas complexos são compilados em programas de máquina mais curtos. Com programas mais curtos, os computadores CISC precisariam acessar menos a memória para buscar instruções e seriam mais rápidos.

A Tabela “Arquiteturas RISC x CISC” resume as principais características dos computadores RISC em comparação com os CISC. Os processadores RISC geralmente adotam arquiteturas mais simples e que acessam menos a memória, em favor do acesso aos registradores. A arquitetura Registrador-Registrador é mais adotada, enquanto que os computadores CISC utilizam arquiteturas Registrador-Memória.

Arquiteturas RISC x CISC

CaracterísticasRISCCISC
ArquiteturaRegistrador-RegistradorRegistrador-Memória
Tipos de DadosPouca variedadeMuito variada
Formato das InstruçõesInstruções poucos endereçosInstruções com muitos endereços
Modo de EndereçamentoPouca variedadeMuita variedade
Estágios de PipelineEntre 4 e 10Entre 20 e 30
Acesso aos dadosVia registradoresVia memória

Como as arquiteturas RISC visam Unidades de Controle mais simples, rápidas e baratas, elas geralmente optam por instruções mais simples possível, com pouca variedade e com poucos endereços. A pouca variedade dos tipos de instrução e dos modos de endereçamento, além de demandar uma Unidade de Controle mais simples, também traz outro importante benefício, que é a previsibilidade. Como as intrusões variam pouco de uma para outra, é mais fácil para a Unidade de Controle prever quantos ciclos serão necessários para executa-las. Esta previsibilidade traz benefícios diretos para o ganho de desempenho com o Pipeline. Ao saber quantos ciclos serão necessários para executar um estágio de uma instrução, a Unidade de Controle saberá exatamente quando será possível iniciar o estágio de uma próxima instrução.

Já as arquiteturas CISC investem em Unidades de Controle poderosas e capazes de executar tarefas complexas como a Execução Fora de Ordem e a Execução Superescalar. Na execução Fora de Ordem, a Unidade de Controle analisa uma sequência de instruções ao mesmo tempo. Muitas vezes há dependências entre uma instrução e a seguinte, impossibilitando que elas sejam executadas em Pipeline. Assim, a Unidade de Controle busca outras instruções para serem executadas que não são as próximas da sequência e que não sejam dependentes das instruções atualmente executadas. Isso faz com que um programa não seja executado na mesma ordem em que foi compilado. A Execução Superescalar é a organização do processador em diversas unidades de execução, como Unidades de Pontos Flutuante e Unidades de Inteiros. Essas unidades trabalham simultaneamente. Enquanto uma instrução é executada por uma das unidades de inteiros, outra pode ser executada por uma das unidades de Pontos Flutuantes. Com a execução Fora de Ordem junto com a Superescalar, instruções que não estão na sequência definida podem ser executadas para evitar que as unidades de execução fiquem ociosas.

Atualmente não se pode afirmar com 100% de certeza que um processador utiliza apenas a arquitetura CISC ou RISC, pois os modelos atuais de processadores abrigam as características de ambas as arquiteturas. Processadores ARM usados em celulares são um com exemplo de uso da arquitetura RISC, outro exemplo de uso dessa arquitetura é em consoles como o Nintendo 64 e o Playstation.

Com o passar dos anos, tanto a Intel quanto a AMD perceberam que usar alguns conceitos da arquitetura RISC em seus processadores poderia ajudá-las a criar processadores mais rápidos. Porém, ao mesmo tempo, existia a necessidade de continuar criando processadores compatíveis com os antigos. A ideia então passou a ser construir chips híbridos, que fossem capazes de executar as instruções x86, sendo compatíveis com todos os programas, mas ao mesmo tempo comportando-se internamente como chips RISC, quebrando estas instruções complexas em instruções simples, que podem ser processadas por seu núcleo RISC.

Encapsulamento dos processadores

Já aprendemos sobre o processo de fabricação de um microprocessador e estudamos como o microprocessador é pequeno e que para proteger e tornar possível a manipulação segura do microprocessador o die (nome da patilha de silício que contem as instruções que a transformam em um processador). Na prática o processo de encapsulamento afeta diretamente o técnico de computadores pois, este encapsulamento irá determinar que tipo de placa mãe pode-se encaixar o microprocessador. Abaixo, lista-se os formatos utilizados para microprocessadores comerciais ao longo do tempo.

PGA: sigla de Pin Grid Array (algo como “matriz de pinos”), esse é um tipo de encapsulamento que faz com que o processador utilize pinos de contato que devem ser inseridos em um encaixe adequado na placa-mãe do computador (ver soquete, logo abaixo). Seu material básico pode ser cerâmica (Ceramic Pin Grid Array – CPGA) ou plástico (Plastic Pin Grid Array – PPGA). Há também um tipo chamado Flip Chip Pin Grid Array (FC-PGA) onde a pastilha fica parcialmente exposto na parte superior do chip.

Pin Grid Array
Pin Grid Array

 

SECC: sigla para Single Edge Contact Cartridge, este tipo faz com que o processador utilize um encaixe linear (ligeiramente semelhante aos slots de memória, por exemplo) ao invés de contatos em formato de pinos. Para isso, o processador é montado dentro de uma espécie de cartucho.

Single Edge Contact Cartridge
Single Edge Contact Cartridge

LGA: sigla para Land Grid Array, esse é um padrão recente da Intel. Tem alguma semelhança com os padrões PGA, tendo como principal diferença o fato de que os processadores não utilizam pinos de contato em sua parte inferior, mas sim pontos metálicos. Quando o processador é encaixado na placa-mãe, esses pontos ficam em contato com pinos existentes no soquete (lembrando que nos padrões PGA há furos ao invés de pinos no soquete).

Land Grid Array
Land Grid Array

Abaixo exibe-se uma tabela retirada da Wikipédia que ilustra bem a grande quantidade de encapsulamentos que existem/existiram nos microprocessadores usados em computadores.

Socket
name
Year of introduction CPU families supported Computer type Package Pin count Pin pitch
(mm)
Bus clock &
transfers
Notes
DIP 1970s Intel 8086
Intel 8088
  DIP 40 2.54 5/10 MHz  
PLCC ? Intel 80186
Intel 80286
Intel 80386
  PLCC 68 to 132 1.27 6–40 MHz  
PGA 168 ? Intel 80486   PGA 168 2.54 16–50 MHz Sometimes referred to as Socket 0 or Socket 486
Socket 1 1989 Intel 80486   PGA 169 2.54 16–50 MHz  
Socket 2 ? Intel 80486   PGA 238 2.54 16–50 MHz  
Socket 3 1991 Intel 80486   PGA 237 2.54 16–50 MHz  
Socket 4 1993 Intel Pentium   PGA 273 ? 60–100 MHz  
Socket 5 1994 Intel Pentium
AMD K5
Cyrix 6×86
IDT WinChip C6
IDT WinChip 2
  PGA 320 ? 50–100 MHz  
Socket 6 ? Intel 80486   PGA 235 ? ? Designed but not used
Socket 463/
Socket NexGen
1994 NexGen Nx586   PGA 463 ? 37.5–66 MHz  
Socket 7 1994 Intel Pentium
Intel Pentium MMX
AMD K6
  PGA 321 ? 50–66 MHz It is possible to use Socket 7 processors in a Socket 5. An adapter is required, or if one is careful, a socket 7 can be pulled off its pins and put onto a socket 5 board, allowing the use of socket 7 processors.
Socket 8 1995 Intel Pentium Pro   PGA 387 ? 60–66 MHz  
Socket 431 1995 Alpha 21064/21064A Desktop PGA 431 ? 12.5–66.67 MHz  
Socket 499 1997 Alpha 21164/21164A Desktop PGA 499 ? 15–100 MHz  
Slot 1 1997 Intel Pentium II
Intel Pentium III
Desktop Slot 242 ? 66–133 MHz Celeron (Covington, Mendocino)
Pentium II (Klamath, Deschutes)
Pentium III (Katmai)- all versions
Pentium III (coppermine)
Socket 587 1998 Alpha 21264 Desktop PGA 587 Desktop 12.5–133 MHz  
Super Socket 7 1998 AMD K6-2
AMD K6-III
Rise mP6
Cyrix MII
  PGA 321 ? 66–100 MHz Backward compatible with Socket 5 and Socket 7 processors.
Slot 2 1998 Intel Pentium II Xeon
Intel Pentium III Xeon
Server Slot 330 ? 100–133 MHz  
Socket 615 1999 Intel Mobile Pentium II
Intel Mobile Celeron
Notebook PGA 615 ? 66 MHz  
Slot A 1999 AMD Athlon Desktop Slot 242 ? 100 MHz  
Slot B 1999 Alpha 21264/21264A Desktop Slot 587 ? 100 MHz[1]  
Socket 370 1999 Intel Pentium III
Intel Celeron
VIA Cyrix III
VIA C3
Desktop PGA 370 1.27[2] 66–133 MHz  
Socket A/
Socket 462
2000 AMD Athlon
AMD Duron
AMD Athlon XP
AMD Athlon XP-M
AMD Athlon MP
AMD Sempron
Desktop PGA 462 ? 100–200 MHz
400 MT/s[a]
 
Socket 423 2000 Intel Pentium 4 Desktop PGA 423 1[3] 100 MHz
400 MT/s
Willamette core only.
Can accept some of Socket 478 CPU with an adapter
Socket 495 2000 Intel Celeron
Intel Pentium III
Notebook PGA 495 1.27[4] 66–133 MHz  
PAC418 2001 Intel Itanium Server PGA 418 ? 133 MHz  
Socket 603 2001 Intel Xeon Server PGA 603 1.27[5] 100–133 MHz
400–533 MT/s
 
Socket 478/
Socket N
2001 Intel Pentium 4
Intel Celeron
Intel Pentium 4 EE
Intel Pentium 4 M
Desktop PGA 478 1.27[6] 100–200 MHz
400–800 MT/s
 
Socket 563 2002 AMD Athlon XP-M Notebook PGA 563 ? 333 MHz  
PAC611 2002 Intel Itanium 2
HP PA-8800, PA-8900
Server PGA 611 ? 200 MHz  
Socket 604 2002 Intel Xeon Server PGA 604 1.27[5] 100–266 MHz
400–1066 MT/s
 
Socket 754 2003 AMD Athlon 64
AMD Sempron
AMD Turion 64
Desktop PGA 754 1.27[7] 200–800 MHz  
Socket 940 2003 AMD Opteron
AMD Athlon 64 FX
Desktop
Server
PGA 940 1.27[8] 200–1000 MHz  
Socket 479 2003 Intel Pentium M
Intel Celeron M
Notebook PGA 479[9] ? 100–133 MHz
400–533 MT/s
 
Socket 939 2004 AMD Athlon 64
AMD Athlon 64 FX
AMD Athlon 64 X2
AMD Opteron
Desktop PGA 939 1.27[8] 200–1000 MHz Support of Athlon 64 FX to 1 GHz
Support of Opteron limited to 100-series only
LGA 775/
Socket T
2004 Intel Pentium 4
Intel Pentium D
Intel Celeron
Intel Celeron D
Intel Pentium XE
Intel Core 2 Duo
Intel Core 2 Quad
Intel Xeon
Desktop LGA 775 1.09 x 1.17[10] 1600 MHz Can accept LGA 771 CPU with slight modification and use of an adapter
Socket M 2006 Intel Core Solo
Intel Core Duo
Intel Dual-Core Xeon
Intel Core 2 Duo
Notebook PGA 478 ? 133–166 MHz
533–667 MT/s
Replaces Socket 479
LGA 771/
Socket J
2006 Intel Xeon Server LGA 771 1.09 x 1.17[11] 1600 MHz See LGA 775/Socket T above
Socket S1 2006 AMD Turion 64 X2 Notebook PGA 638 1.27[12] 200–800 MHz  
Socket AM2 2006 AMD Athlon 64
AMD Athlon 64 X2
Desktop PGA 940 1.27[8] 200–1000 MHz Replaces Socket 754 and Socket 939
Socket F/
Socket L (Socket 1207FX)
2006 AMD Athlon 64 FX
AMD Opteron
(Socket L only support Athlon 64 FX)
Desktop
Server
LGA 1207 1.1[13] Socket L: 1000 MHz in Single CPU mode,
2000 MHz in Dual CPU mode
Replaces Socket 940
Socket L was intended for enthusiasts who wanted server power in a desktop PC. It is just a re-branded Socket F that doesn’t need special RAM, and may have only been used in the Asus L1N64-SLI WS Motherboard.
Socket AM2+ 2007 AMD Athlon 64
AMD Athlon X2
AMD Phenom
AMD Phenom II
Desktop PGA 940 1.27[8] 200–2600 MHz Separated power planes
Replaces Socket AM2
AM2+ Pkg. CPUs can work in Socket AM2
AM2 Pkg. CPUs can work in Socket AM2+
Socket P 2007 Intel Core 2 Notebook PGA 478 ? 133–266 MHz
533–1066 MT/s
Replaces Socket M
LGA 1366/
Socket B
2008 Intel Core i7 (900 series)
Intel Xeon (35xx, 36xx, 55xx, 56xx series)
Desktop
Server
LGA 1366 ? 4.8–6.4 GT/s Replaces Socket J (LGA 771) in the entry level.
rPGA 988A/
Socket G1
2008 Intel Core i7 (600, 700, 800, 900 series)
Intel Core i5 (400, 500 series)
Intel Core i3 (300 series)
Intel Pentium (P6000 series)
Intel Celeron (P4000 series)
Notebook rPGA 988 1 2.5 GT/s, 4.8 GT/s  
Socket AM3 2009 AMD Phenom II
AMD Athlon II
AMD Sempron
AMD Opteron (1300 series)
Desktop PGA 941[14] or 940[15] 1.27[8] 200–3200 MHz Separated power planes
Replaces Socket AM2+
AM3 Pkg. CPUs can work in Socket AM2/AM2+
Sempron 140 only
LGA 1156/
Socket H
2009 Intel Core i7 (800 series)
Intel Core i5 (700, 600 series)
Intel Core i3 (500 series)
Intel Xeon (X3400, L3400 series)
Intel Pentium (G6000 series)
Intel Celeron (G1000 series)
Desktop LGA 1156 ? 2.5 GT/s DMI bus is a (perhaps modified) PCIe x4 v1.1 interface
Socket G34 2010 AMD Opteron (6000 series) Server LGA 1974 ? 200–3200 MHz Replaces Socket F
Socket C32 2010 AMD Opteron (4000 series) Server LGA 1207 ? 200–3200 MHz Replaces Socket F, Socket AM3
LGA 1248 2010 Intel Itanium 9300-series and up Server LGA 1248 ? 4.8-6.4 GT/s  
LGA 1567/
Socket LS
2010 Intel Xeon 6500/7500-series Server LGA 1567 ? 4.8–6.4 GT/s  
LGA 1155/
Socket H2
2011/Q1
2011.01.09
Intel Sandy Bridge
Intel Ivy Bridge
Intel Xeon E3 12xx
Sandy Bridge 12xx
Ivy Bridge 12xxV2
Desktop LGA 1155 ? 5.7 GT/s Sandy Bridge supports 20 PCIe 2.0 lanes.
Ivy Bridge supports 40 PCIe 3.0 lanes.
Intel Mainstream Socket.
LGA 2011/
Socket R
2011/Q3
2011.11.14
Intel Core i7 3xxx Sandy Bridge-E
Intel Core i7 4xxx Ivy Bridge-E
Intel Xeon E5 2xxx/4xxx (Sandy Bridge EP) (2/4S)
Intel Xeon E5-2xxx/4xxx v2 (Ivy Bridge EP) (2/4S)
Desktop
Server
LGA 2011 ? 4.8–6.4 GT/s Sandy Bridge-E/EP and Ivy Bridge-E/EP both support 40 PCIe 3.0 lanes.
Using the Xeon focused 2011 socket gives also 4 memory Channels.
rPGA 988B/
Socket G2
2011 Intel Core i7 (2000, 3000 series)
Intel Core i5 (2000, 3000 series)
Intel Core i3 (2000, 3000 series)
Notebook rPGA 988 1 2.5 GT/s, 4.8 GT/s  
Socket FM1 2011 AMD Llano Processors Desktop PGA 905 1.27 5.2 GT/s used for 1st generation APUs
Socket FS1 2011 AMD Llano Processors Notebook PGA 722 1.27 3.2 GT/s used for 1st generation Mobile APUs
Socket AM3+ 2011 AMD FX Vishera
AMD FX Zambezi
AMD Phenom II
AMD Athlon II
AMD Sempron
Desktop PGA 942 (CPU 71pin) 1.27 3.2 GT/s  
LGA 1356/
Socket B2
2012 Intel Xeon (E5 1400 & 2400 series) Server LGA 1356 ? 3.2–4.0 GT/s  
Socket FM2 2012 AMD Trinity Processors Desktop PGA 904 1.27 ? used for 2nd generation APUs
LGA 1150/
Socket H3
2013 Intel Haswell
Intel Haswell Refresh
Intel Broadwell
Desktop LGA 1150 ? ? used for Intel’s 4th generation (Haswell/Haswell Refresh) processors
rPGA 946B/947/
Socket G3
2013 Intel Haswell
Intel Broadwell
Notebook rPGA 946 ? ?  
Socket FM2+ 2014 AMD Kaveri Processors
AMD Godavari Processors
Desktop PGA 906 1.27 ? Compatible with AMD Accelerated Processing Units (APUs) such as “Richland” and “Trinity
Socket AM1 2014 AMD Athlon
AMD Sempron
Desktop PGA 721 1.27 ? Compatible with AMD Accelerated Processing Units (APUs) such as “Kabini
LGA 1151/
Socket H4
2015 Intel Skylake
Intel Kaby Lake
Intel Coffee Lake
Desktop LGA 1151 ? 5 GT/s – 8 GT/s used for Intel’s 6th generation (Skylake), 7th generation (Kaby Lake), 8th generation (Coffee Lake) processors, and 9th generation (Coffee Lake) processors
LGA 3647 2016 Intel Xeon Phi
Intel Skylake-SP
Server LGA 3647 ? ? used for Intel’s Xeon Phi x200 and Xeon Scalable processors
Socket AM4 2017 AMD Ryzen 7
AMD Ryzen 5
AMD Ryzen 3
Desktop PGA 1331 1 Depends on DDR4 speed compatible with AMD Ryzen 7, Ryzen 5 & Ryzen 3 Zen based processors
Socket SP3 2017 AMD Epyc Server LGA 4094 ? Depends on DDR4 speed compatible with AMD Epyc processors
Socket TR4 2017 AMD Ryzen Threadripper Desktop LGA 4094 ? Depends on DDR4 speed compatible with AMD Ryzen Threadripper processors
LGA 2066/
Socket R4
2017 Intel Skylake-X
Intel Kaby Lake-X
Desktop
Server
LGA 2066 ? ? Used for Intel’s 7th generation (Skylake-X & Kaby Lake-X) series of Core-X processors
Socket
name
Year of introduction CPU families supported Computer type Package Pin count Pin pitch
(mm)
Bus clock &
transfers
Notes

 

Dissipador de energia térmica

Um dissipador térmico, dissipador de energia térmica ou promotor de calor, mais conhecido – de forma pouco adequada – por dissipador de calor, é um objeto de metal geralmente feito de cobre ou alumínio, que, pelo fenômeno da condução térmica, busca maximizar, via presença de uma maior área por onde um fluxo térmico possa ocorrer, a taxa de dissipação térmica – ou seja, de calor – entre qualquer superfície com a qual esteja em contato térmico e o ambiente externo. Dissipadores térmicos têm por objetivo garantir a integridade de equipamentos que podem se danificar caso a expressiva quantidade de energia térmica gerada durante seus funcionamentos não seja deles removida e dissipada em tempo hábil.

Um dissipador térmico é essencialmente usado nos casos em que a fonte de energia térmica implique por si só uma elevada radiância térmica, a exemplo em circuitos eletrônicos com elevado grau de integração ou em componentes de hardware de equipamentos que satisfazem o requisito, como as unidades centrais de processamento de computadores e video games, processadores gráficos, e outros. Em essência, o dissipador busca estabelecer uma maior condutividade térmica entre os sistemas integrados e o ambiente externo de forma que a taxa de dissipação de energia térmica requisitada ao componente não implique, entre o ambiente externo e o interno, uma diferença de temperaturas que possa comprometer a estrutura interna do componente.

Aos dissipadores dotados de uma ventoinha acoplada em suas estruturas dá-se o nome de cooler, sendo esses soluções ativas de refrigeração, enquanto que os dissipadores sem ventoinha são passivos nesse aspecto. Os dissipadores dotados de ventoinhas propiciam a dissipação de energia térmica de forma muito mais eficiente que os dissipadores passivos, que contam apenas com o fenômeno de convecção térmica para auxiliá-los na tarefa.

Dissipadores passivos
Os dissipadores passivos não são dotadas de ventoinhas e por isso não tem a capacidade de resfriar superfícies que gerem grande quantidade de calor. Em equipamentos de hardware são usados em chips que geram pouco calor, como chipsets e controladoras. Os mesmos possuem vantagens como não gerar ruído e não consumir eletricidade.

Dissipador Térmico Passivo
Dissipador Térmico Passivo

Dissipadores ativos
Dissipadores ativos ou coolers tem uma capacidade de refrigeração muito melhor que o dissipador passivo, já que combinando uma maior área de dissipação e uma corrente de ar passando por essa área, é possível o calor a uma taxa maior. O fluxo intenso de ar junto às lâminas impõe temperaturas mais baixas em suas superfícies e por tal gradientes de temperatura e taxas de calor mais acentuadas do que as obtidas nos dissipadores passivos, que contam apenas com o fluxo de ar induzido pelo fenômeno de convecção térmica para tal propósito. Tem seu uso destinado a componentes que exigem grandes taxas de calor, como os processadores.

O aumento excessivo da temperatura de muitos equipamentos podem fazer os mesmos queimarem. Em processadores, por exemplo, um aumento excessivo de temperatura pode através dos diferentes índices de expansão dos metais, causar microrrupturas na superfície do chip e em seus circuitos, ou em casos extremos sua fusão. O acúmulo de energia térmica e a elevação associada na temperatura podem literalmente derreter os minúsculos circuitos do processador caso não exista um cooler instalado na maioria quase absoluta dos casos, salvo aqueles chips que desenvolvem reduzida potência elétrica, e que por isso não demandam uma solução de refrigeração muito eficiente, como chipsets, processadores de baixíssimo consumo, controladoras, etc.

Entre a superfície de onde origina o calor e o dissipador deve-se utilizar algum elemento que facilite a existência de calor, geralmente uma pasta conhecida como pasta térmica – dado que nenhuma das superfícies são perfeitamente planas. Em virtude da rugosidade microscópica das superfícies, sem a presença da pasta há um grande número de pequenos pontos onde o contato entre as duas superfícies não ocorre de forma eficiente, o que, em termos práticos, diminui a área efetiva de contato, e assim o calor, para o dissipador. A pasta térmica é utilizada com freqüência em componentes de hardware, assim como a fita térmica auto-colante. Estes recursos preenchem as microfraturas existentes do processo de fabricação, tanto do cooler quanto dos shim (capa protetora do die), evitando qualquer espaçamento entre a superfície do chip e a superfície do dissipador de calor.

Dissipador Térmico Ativo
Dissipador Térmico Ativo

Refrigeração Líquida (Assunto Opcional Não Entra em Provas)

Basicamente, um Water Cooler é um sistema de refrigeração a água, utilizado em computadores que seguem o mesmo esquema dos sistemas de resfriamento geralmente utilizados em motores de automóveis (radiadores). O dispositivo também colabora no resfriamento de demais partes da placa-mãe como reguladores de tensão e chipsets além de memórias e partes da placa de vídeo como a GPU (processador gráfico).Literalmente, podemos traduzir Water Cooler como “resfriamento por água”.

Concluindo, é um sistema de resfriamento muito utilizado por entusiastas de overclocking. Este sistema veio concorrer com o já existente aircooling (resfriamento a ar), permitindo assim um melhor desempenho dos componentes, conseguindo-se maiores valores de clock nos diferentes tipos de hardware, já que a água é possui capacidade calorífica maior que o ar, obtendo assim resultados superiores ao de um Air Cooler.

Um watercooler consiste nas seguintes partes:

  • Bomba: força a circulação de água através de um circuito fechado composto por reservátorio, mangueiras, ‘waterblocks’ e pelo radiador;
  • Reservatório: responsável por alocar a “agua” (fluido) do watercooler e a transição do líquido para os demais componentes por meio de mangueiras;
  • Fittings/Nozzles (Os conectores): normalmente feitos de plástico ou níquel ou algum metal recoberto por níquel ou uma liga de níquel-cromo. Os diâmetros mais utilizados são os de 3-4/3-8″ ou 1-2/1-4″ polegadas e são conectados às mangueiras;
  • Mangueiras: são responsáveis por interligar as peças do watercooler e fazer a passagem do líquido até os componentes;
  • Fluido/Coolant (A Água!): é através do líquido que o sistema watercooler refrigera os componentes do computador, também chamado de fluido, é recomendável usar água destilada e se possível adicionar aditivos para radiadores que são usados em carros;
  • Waterblock ou Block: são peças fabricadas em cobre ou alumínio e são responsáveis pela transferência de calor dos componentes do computador para a água. É a peça que fica sobre o processador. É ela que vai trocar calor com o processador e com a água, ou seja, o processador esquenta o block e a água esfria o block, mantendo assim o processador em uma baixa temperatura;
  • Radiador (Ou dissipador): responsável pelo resfriamento da água quente que vem do block. Para otimizar a dissipação do calor, são utilizadas ventoinhas que forçam o ar contra as aletas e dutos do radiador, fazendo a troca de calor água com o ambiente;

As partes que compõem o watercooler são ligadas por mangueiras, formando um circuito que é percorrido pelo líquido, que por sua vez é impulsionado pela bomba. Assim o Block, em contato com o processador, transfere o calor do mesmo para o líquido, que circula através de seu interior.

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