Aula 02 – Arquitetura de Computadores

Material da Apresentação da Aula

Microprocessador

Microprocessador, processador ou simplemente CPU (do inlgês Central Processaor Unit – Unidade Central de Processamento). É um dos componentes mais importantes de um micro computador.

No começo da história dos microcomputadores, existiam muitas CPUs e com o advento do IBM-PC o microprocessador da Intel, especificamente o 8086 virou padrão e foi rapidamente imitada por varios outros fabricantes (devido ao enorme sucesso do IBM-PC). Veremos neste texto um pouco da história disso e propriedades importantes do processador.

Um pouco de História

O primeiro microprocessador comercial foi projetado pela Intel em 1971 para atender uma empresa japonesa que precisava de um circuito integrado especial para as suas atividades. A Intel projetou o 4004, que era um circuito integrado programável que trabalhava com registradores de 4 bits, 46 instruções, clock de 740 kHz e possuía cerca de 2300 transistores. Percebendo a utilidade desse invento a Intel prosseguiu com o desenvolvimento de novos microprocessadores: 8008 (o primeiro de 8 bits) e a seguir o 8080 e o microprocessador 8085. O 8080 foi um grande sucesso e tornou-se a base para os primeiros microcomputadores pessoais na década de 1970 graças ao sistema operacional CP/M. Da Intel saíram alguns funcionários que fundaram a Zilog, que viria a lançar o microprocessador Z80, com instruções compatíveis com o 8080 (embora muito mais poderoso que este) e também de grande sucesso. A Motorola possuía o 68000 e a MOS Technology o 6502. A Motorola ganhou destaque quando implantou o MC68000P12, de 12 MHz com arquitetura de 32 bits (embora seu barramento de dados fosse de 24 bits e o de endereços de 16 bits), no Neo-Geo, um poderoso Arcade da SNK que posteriormente ganharia a versão AES (console casero) e CD (versão CD), todos eles com o mesmo hardware inicial.

Todos os microprocessadores de 8 bits foram usados em muitos computadores pessoais (Sinclair, Apple Inc., TRS, Commodore, etc).

Em 1981 a IBM decidiu lançar-se no mercado de computadores pessoais e no seu IBM-PC utilizou um dos primeiros microprocessadores de 16 bits, o 8088 (derivado do seu irmão 8086 lançado em 1978) que viria a ser o avô dos computadores atuais. A Apple nos seus computadores Macintosh utilizava os processadores da Motorola, a família 68000 (de 32 bits).

Outros fabricantes também tinham os seus microprocessadores de 16 bits, a Zilog tinha o Z8000, a Texas Instruments o TMS9900, a National Semiconductor tinha o 16032,mas nenhum fabricante teve tanto sucesso como a Intel, que sucessivamente foi lançando melhoramentos na sua linha 80X86, tendo surgido assim (por ordem cronológica) o 8086, 8088, 80186, 80188, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX, Pentium II, Pentium III, Pentium IV, Pentium M, Pentium D, Pentium Dual Core, Core 2 Duo, Core 2 Quad, Core i3, Core i5 e Core i7. Para o IBM-AT foi utilizado o 80286, depois um grande salto com o 80386 que podia trabalhar com memória virtual e multitarefa, o 80486 com coprocessador matemático embutido e finalmente a linha Pentium, com pipeline de processamento.

Como grande concorrente da Intel, a AMD aparece inicialmente como fabricante de microprocessadores da linha x86 alternativa mas a partir de um certo momento deixou de correr atrás da Intel e partiu para o desenvolvimento de sua própria linha de microprocessadores: K6, Athlon, Duron, Turion, Sempron, Phenom.

Paralelamente à disputa entre Intel e AMD, a IBM possuía a linha PowerPC utilizada principalmente pelos microcomputadores da Apple.

A evolução tecnológica envolvida é surpreendentemente grande, de microprocessadores que trabalhavam com clock de dezenas de KHz e que podiam processar alguns milhares de instruções por segundo, atingiu-se clocks na casa dos 7 GHz e poder de processamento de dezenas de bilhões de instruções por segundo. A complexidade também cresceu: de alguns milhares de transístores para centenas de milhões de transístores numa mesma pastilha.

O CPU tem como função principal unificar todo o sistema, controlar as funções realizadas por cada unidade funcional, e é também responsável pela execução de todos os programas do sistema, que deverão estar armazenados na memória principal.

Componentes de um CPU

• Unidade lógica e aritmética – A Unidade lógica e aritmética (ULA) é a responsável por executar efetivamente as instruções dos programas, como instruções lógicas, matemáticas, desvio, etc.
• Unidade de controle – A Unidade de controle (UC) é responsável pela tarefa de controle das ações a serem realizadas pelo computador, comandando todos os outros componentes.
• Registradores – Os registradores são pequenas memórias velozes que armazenam comandos ou valores que são utilizados no controle e processamento de cada instrução.
  • Os registradores mais importantes são:
    • Apontador de Instruções (PC) – Guarda o endereço da próxima instrução a ser executada;
    • Registrador de Instrução (RI) – Armazena a instrução que está sendo executada;
    • Apontador de Pilha (SP) – Guarda o endereço da pilha de execução do programa.

Processo de Fabricação de uma CPU

Areia

A areia tem em sua constituição 25% de silício, que por sinal é o segundo elemento mais abundante em nosso planeta. E aí é que está o segredo dos processadores. A areia, propriamente dita, não serve para a construção, no entanto o silício é um cristal excelente.

Purificando

A fabricação de uma CPU exige um nível de pureza perfeito, algo em torno de 99,9999999%. Isso quer dizer que a cada 1 bilhão de átomos, somente um não pode ser de silício. O silício é purificado em múltiplas etapas, para garantir que ele atinja a qualidade máxima.  Este processo de purificação é realizado através do derretimento do silício. Após atingir uma temperatura de altíssimo nível (superior ao nível de fusão), as impurezas deixam o silício isolado, de modo que o material esteja em sua forma mais natural. Ao realizar esta etapa, as fabricantes costumam criar um grande lingote (uma espécie de cilindro).

Wafers

Um lingote costuma pesar em média 100 kg, no entanto este cilindro não tem utilidade com o tamanho avantajado. Sendo assim, é preciso cortar o lingote em fatias, de modo que se obtenham pequenos discos de espessura reduzida (algo em torno de 1 mm). Estes discos também são conhecidos como wafers. Eles possuem uma estrutura química perfeita e é onde os transistores serão encaixados posteriormente. Apesar de serem muito finos, eles não são muito pequenos. O tamanho varia conforme a fabricante, a Intel, por exemplo, utiliza wafers com 30 cm de diâmetro. A estratégia de utilizar discos maiores é útil para reduzir os custos de produção. Até porque, as duas maiores fabricantes de processadores (AMD e Intel) compram os wafers prontos. Após o corte dos wafers é necessário polir a superfície para obter faces tão brilhosas quanto um espelho.

Salas limpas

As fabricantes não podem deixar que nenhuma partícula de poeira chegue perto deles. Para isto é preciso ter um ambiente com higienização perfeita. Conhecidos como “salas limpas”, os laboratórios para fabricação de processadores são até 10 mil vezes mais limpos do que uma sala de cirurgia.

Queimando o wafer

Agora que os discos de silício estão em um ambiente apropriado, é necessário aplicar o processo foto-litográfico. Este processo é que vai determinar o “desenho” principal do processador. Para a realização deste passo, as fabricantes aplicam um material foto-resistente ao wafer.

Depois é aplicado luz ultravioleta para realizar a transferência do diagrama de circuitos para o wafer. A luz incide sobre o circuito (em tamanho grande), o qual reflete o desenho em uma lente. Esta lente vai diminuir o tamanho do circuito, possibilitando que a escala seja reduzida com perfeição para o tamanho necessário. Por fim, a luz refletida pela lente sobre o wafer fica gravada e pode-se dar continuidade ao processo.

As partes que foram expostas a luz ficam maleáveis e então são removidas por um fluído. As instruções transferidas podem ser usadas como um molde. As estruturas agora podem receber todos os minúsculos transistores.

Dopagem

Depois que os wafers foram preparados, eles vão para um estágio onde as propriedades elétricas básicas dos transistores serão inseridas. Aproveitando a característica de semicondutor do silício, as fabricantes alteram a condutividade do elemento através da dopagem. Assim que os átomos estão dopados, eles podem ser “jogados” na estrutura do wafer. Inicialmente, os átomos (carregados negativamente e positivamente, também conhecidos como íons) são distribuídos de maneira desordenada. No entanto, ao aplicar altas temperaturas, os átomos dopados ficam flexíveis e então adotam uma posição fixa na estrutura atômica.

Ligação

Algumas partículas de poeira podem ficar sobre o processador. Sendo assim, antes de proceder é preciso limpar a sujeira depositada sobre o circuito. Agora passamos ao próximo estágio da fabricação, em que o cobre é introduzido no processador. No entanto, antes de aplicar este elemento, uma camada de proteção é adicionada (a qual previne curtos-circuitos). Agora sim o cobre pode ser adicionado na estrutura do processador. Ele servirá para ligar bilhões de transistores. O cobre vai preencher os espaços que ficaram sobrando no wafer. Depois que tudo está devidamente ligado, temos circuitos integrados que vão agir em conjunto. Como a quantidade de cobre é adicionada em excesso, é preciso removê-la para que o wafer continue com a mesma espessura.

 

Desde o começo da fabricação até a etapa atual, todas as etapas são acompanhadas com o auxílio de um microscópio de alta qualidade. Assim, os engenheiros visualizam as mínimas partes de cada transistor individualmente, o que garante a perfeição nos componentes internos do processador.

O processo para a criação de um wafer leva cerca de dois meses. No entanto, como um wafer comporta muitos chips, as fabricantes conseguem milhares de processadores em cada remessa de produção.

Embalando

Finalmente, um número absurdo de contatos é adicionado a parte contrária do wafer. O wafer será cortado em diversas partes para gerar vários processadores. No entanto, cada pedaço do wafer não é uma CPU, mas apenas um die – nome dado ao circuito principal.

O die é “colado” sobre uma base metálica, também conhecida como substrate. O substrate é a parte de baixo do processador e será a responsável por interligar os circuitos internos da CPU com os componentes da placa-mãe. Esta ligação é realizadas através de pinos metálicos – os quais serão encaixados no socket.

Outro componente semelhante a uma chapa metálica é colocado em cima do die. Este item é conhecido como heatspreader (espalhador de calor) e servirá como um dissipador. É no heatspreader que serão adicionados a logo da fabricante, o modelo do processador e futuramente será o local para aplicação da pasta térmica.

Abaixo alguns vídeos que ajudarão a fixar os conceitos vistos aqui:

 

Principais Caracterisiticas de um Processador

Fabricante
A “marca” do processador é a primeira escolha que você deve fazer. Afinal, sem antes definir a fabricante que você prefere, não haverá como optar entre as demais especificações. Como você já deve saber, atualmente existem duas empresas que comercializam CPUs para o mercado doméstico, são elas: AMD e Intel.

Comparar os dois fabricantes é uma tarefa complicada pois os modelos tem propriedades muito diversas. Uma ótima forma e comparar pelo preço. O site Clube do Hardware fez um ótimo trabalho compilando a tabela abaixo que coloca os processadores dos dois fabricantes em ordem descendente de preço. Não temos nesta tabela o perfil Server.

 

Série
A segunda especificação que deve ser observada é a série da CPU. Atualmente, as fabricantes dividem as linhas de processadores em baixo, médio e alto desempenho. Mas nesta disciplina devemos desenvolver a competência de identificar os perfis dos componentes de acordo com a classificação Desktop, Workstation, Server e Mobile.

Soquete
Como estamos considerando uma montagem completa do computador, observar o soquete do processador é muito importante. Caso sua lista de componentes tenha começado pela placa-mãe, por exemplo, você deverá encontrar um processador adequado para ela.

Arquitetura
A arquitetura dos processadores nem sempre é uma especificação que vai determinar a escolha do processador que o usuário vai adquirir. Cada modelo já tem uma arquitetura interna e não há como obter outro modelo idêntico com arquitetura diferente. Sendo assim, pesquisar sobre a arquitetura pode ser interessante para saber sobre as tecnologias compatíveis com o processador, o tipo de memória adequado e outros detalhes.

Clock speed
Velocidade do clock refere-se a quantos ciclos de processamento o processador conclui por segundo.

Núcleos 
O número de núcleos físicos que a CPU possui. Mais núcleos significam mais poder de processamento. Instruções por segundo: quantos milhões de instruções o processador pode manipular?

Cache.
Grandes caches de CPU permitem o armazenamento de informações acessadas com freqüência.

Barramento Frontal.
O barramento frontal permite que a CPU se comunique com o resto do seu sistema e precisa rodar a uma velocidade similar.

TDP
A especificação de TDP raramente é observada, visto que muitos usuários pensam que isso tem relação apenas com a quantidade de energia gasta. Apesar de estar diretamente relacionado, o TDP também serve para que o usuário fique atento na hora de escolher um cooler para refrigerar o processador.

Solução do Exercicio de Casa

Durante a aula foi passado uma tarefa para levantar todos os itens de uma especificação técnica de um processador Intel de última geração. Segue abaixo a solução:

Data de introdução -Data em que o produto foi introduzido pela primeira vez.
Litografia – Litografia refere-se à tecnologia de semicondutor usada para fabricar um circuito integrado e é expressa em nanômetro (nm), que indica o tamanho dos recursos integrados ao semicondutor.
Preço recomendado para o cliente – O RCP (Recommended Customer Price, preço recomendado) é o guia de preços somente para produtos Intel. Os preços são para clientes diretos da Intel, representam geralmente as quantidades de compra de 1.000 unidades, e estão sujeitas a alterações sem aviso prévio. Os preços podem variar para outros tipos de pacotes e quantidades de envio. Se a venda for por atacado, os preços mostrados são por unidade. Listar os índices RCP não constitui uma oferta oficial da Intel.
Número de núcleos – Núcleo é um termo de hardware que descreve o número de unidades de processamento central independentes em um único componente de computação (matriz ou chip).
Nº de threads – Um thread, ou thread de execução, é um termo de software para a sequência básica ordenada de instruções que pode ser passada ou processada por um único núcleo de CPU.
Frequência baseada em processador – A frequência baseada em processador descreve a frequência com que os transistores de um processador abrem e fecham. A frequência baseada em processador é o ponto operacional em que o TDP é definido. A frequência é medida em gigahertz (GHz), ou bilhões de ciclos por segundo.
Frequência turbo max – Frequência turbo máxima é a frequência máxima de núcleo único, à qual o processador pode funcionar, usando a Tecnologia Intel® Turbo Boost e, se presente, Intel® Thermal Velocity Boost. A frequência é medida em gigahertz (GHz), ou bilhões de ciclos por segundo.
Cache – O cache de CPU é uma área de memória rápida localizada no processador. Cache inteligente Intel® refere-se à arquitetura que permite que todos os núcleos compartilhem dinamicamente o acesso ao cache de último nível.
Velocidade do barramento – Um barramento é um subsistema que transfere dados entre os componentes do computador ou entre computadores. Os tipos englobam o barramento frontal (FSB), que transfere dados entre a CPU e o hub da controladora de memória; a direct media interface (DMI), que é uma interconexão ponto a ponto entre uma controladora de memória integrada Intel e um hub de controladora de E/S Intel na motherboard do computador; e a Quick Path Interconnect (QPI), que é uma interconexão ponto a ponto entre a CPU e a controladora de memória integrada.
Nº de links de QPI – Links de QPI (Quick Path Interconnect) são um barramento de interconexão de ponto a ponto e de alta velocidade entre o processador e o chipset.
Frequência da Tecnologia Intel® Turbo Boost Max 3.0 – A Tecnologia Intel® Turbo Boost Max 3.0 identifica o(s) núcleo(s) de melhor desempenho num processador e providencia desempenho aprimorado naqueles núcleos através do aumento de frequência conforme necessário, aproveitando a potência e a capacidade de reserva térmica A frequencia baseada na tecnologia Intel® Turbo Boost Max 3.0 é a frequencia do clock da CPU ao executar neste modo.
TDP – A potência de design térmico (TDP) representa o consumo médio de energia, em watts, dissipada pelo processador quando o mesmo funciona em uma Frequência de base com todos os núcleos ativos de acordo com uma carga de trabalho de alta complexidade definida pela Intel. Consulte a Ficha técnica para obter requisitos da solução termal.
Opções integradas disponíveis – As Opções embarcadas disponíveis indicam produtos que oferecem disponibilidade de compra estendida para sistemas inteligentes e soluções integradas. Os formulários de certificação de produto e de condições de uso podem ser encontrados no relatório de PRQ (Qualificação para versão de produção). Consulte seu representante Intel para obter mais informações.
Tamanho máximo de memória (de acordo com o tipo de memória) – O termo “tamanho máximo da memória” está relacionado à capacidade máxima de memória (em GB) suportada pelo processador
Tipos de memória – Os processadores Intel® estão disponíveis em 4 tipos diferentes: Canal Único, Canal Duplo, Canal Triplo, e Modo Flexível.
Nº máximo de canais de memória – O número de canais de memória tem a ver com a operação da largura de banda na aplicação real.
Compatibilidade com memória ECC – Suporte para memória ECC indica o suporte do processador à memória de código de correção de erros (ECC). A memória ECC é um tipo de memória do sistema capaz de detectar e corrigir tipos comuns de danos em dados internos. Vale ressaltar que o suporte para memória de ECC requer o suporte para o processador e para o chipset.
Revisão de PCI Express – Revisão de PCI Express é a versão suportada pelo processador. PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) é um padrão de barramento serial de expansão de computador de alta velocidade para conectar aparelhos de hardware a um computador. As diferentes versões de PCI Express suportam diferentes taxas de dados.
Nº máximo de linhas PCI Express –A via de PCI Express (PCIe) consiste em dois pares de sinalização diferencial, um para receber dados e outro para transmitir dados, e é a unidade básica do barramento PCIe: Nº de vias de PCI Express é o número total suportado pelo processador.
Soquetes suportados – Soquete é o componente que proporciona as conexões mecânicas e elétricas entre o processador e a motherboard.
Especificação de solução térmica – Especificação do dissipador de calor de referência da Intel para operação correta deste SKU.
TJUNCTION – Temperatura de junção é a temperatura máxima permitida na matriz do processador.
Memória Intel® Optane™ suportada – A memória Intel® Optane™ é uma nova e revolucionária classe de memória não volátil que fica entre a memória de sistema e o armazenamento para aumentar o desempenho e melhorar a responsividade do sistema. Quando combinada com o driver da Tecnologia de armazenamento Intel® Rapid, ela gerencia de modo transparente múltiplas camadas de armazenamento, mostrando uma única unidade virtual para o sistema operacional e garantindo que os dados que são usados com mais frequência estejam na camada mais rápida do armazenamento. A memória Intel® Optane™ precisa de uma configuração específica de hardware e software. Visite o site www.intel.com/OptaneMemory para ver os requisitos de configuração.
Tecnologia Intel® Turbo Boost Max 3.0 – A Tecnologia Intel® Turbo Boost Max 3.0 identifica o(s) núcleo(s) de melhor desempenho num processador e providencia desempenho aprimorado naqueles núcleos através do aumento de frequência conforme necessário, aproveitando a potência e a capacidade de reserva térmica
Tecnologia Intel® Turbo Boost – A tecnologia Intel® Turbo Boost aumenta dinamicamente a frequência do processador conforme necessário ao desfrutar de expansão térmica e de energia para fornecer um aumento de velocidade quando necessário, além de mais eficiência de energia quando você não precisa.
Tecnologia Hyper-Threading Intel® – Tecnologia Hyper-Threading Intel® (Tecnologia Intel® HT) oferece dois segmentos de processamento por núcleo físico. Aplicativos altamente segmentados podem fazer trabalhos adicionais paralelamente, concluindo as tarefas mais rapidamente.
Tecnologia de virtualização Intel® (VT-x) – A Tecnologia de virtualização Intel® (VT-x) permite que uma plataforma de hardware funcione como várias plataformas “virtuais”. Ela oferece mais capacidade de gerenciamento ao limitar o tempo de paralisação e manter a produtividade dos funcionários, ao isolar as atividades de computação em partições separadas.
Tecnologia de virtualização Intel® para E/S direcionada (VT-d) – A Tecnologia de virtualização Intel® para E/S direcionado (VT-d) continua do suporte existente para IA-32 (VT-x) e a virtualização do processador Itanium® (VT-i), agregando novo suporte para a virtualização de aparelhos de E/S. A Intel VT-d pode ajudar os usuários finais a aumentar a segurança e a confiabilidade dos sistemas e a melhorar também o desempenho dos aparelhos de E/S em ambientes virtualizados.
Intel® 64 – A arquitetura Intel® 64 permite computação de 64 bits em plataformas de servidor, workstation, desktop e portáteis, quando aliadas a software de apoio.¹ Para melhorar o desempenho, a arquitetura Intel 64 permite que os sistemas enderecem mais de 4 GB de memória virtual e física.
Conjunto de instruções – Um conjunto de instruções recorre ao conjunto básico de comandos e instruções que um microprocessador reconhece e pode executar. O valor apresentado representa o conjunto de instruções da Intel com o qual este processador da Intel é compatível.
Extensões do conjunto de instruções – Extensões do conjunto de instruções são instruções adicionais que podem aumentar o desempenho quando as mesmas operações são realizadas em vários objetos de dados. Podem incluir SSE (Streaming SIMD Extensions) e AVX (Advanced Vector Extensions).
Nº de unidades de FMA de AVX-512 – Intel® Advanced Vector Extensions 512 (AVX-512), novas extensões para um conjunto de instruções, que oferecem recursos ultra-amplos para operações de vetor (512 bits), com até 2 FMAs (Fused Multiply Add instructions — Combinação de Instruções de Multiplicação-Adição), para acelerar o desempenho em suas tarefas mais sofisticadas de informática.
Tecnologia Enhanced Intel SpeedStep® – A Enhanced Intel SpeedStep® Technology é um meio avançado de proporcionar alto desempenho, além de atender às necessidades de economia de energia dos sistemas portáteis. A Tecnologia Intel SpeedStep convencional alterna tanto a tensão quanto a frequência, de acordo com os níveis alto e baixo, em resposta à carga do processador. A tecnologia Enhanced Intel SpeedStep® baseia-se na arquitetura usando estratégias de design, como Separação entre alterações de voltagem e frequência, e Particionamento e recuperação de clock.
Novas instruções Intel® AES – As Intel® AES-NI (Intel® Advanced Encryption Standard New Instructions) são um conjunto de instruções que permitem a criptografia e descriptografia de dados de forma rápida e segura. AES-NI são importantes para uma variedade de aplicativos criptográficos, por exemplo: aplicativos que executam criptografia/descriptografia em volume, autenticação, criação de números aleatórios e criptografia autenticada.
Bit de desativação de execução  – Bit de desativação de execução é um recurso de segurança baseado no hardware, que pode reduzir a exposição a ataques de vírus e de códigos mal-intencionados, e impedir a execução e propagação de itens de software prejudiciais no servidor ou na rede.