Pa-rumão: A história dos processadores

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Descubra a evolução dos processadores desde o início até os dias de hoje.

27 de Maio de 2009

O processador é o principal componente do computador, visto que todos os programas são executados através dele. Fazendo uma analogia, a CPU é como se fosse o coração da máquina, pois se ela parar de funcionar, todo o resto para junto. Toda a tecnologia existente nos novos processadores não foi criada do nada, mas sim desenvolvida durante várias décadas. Em outras palavras, muitos recursos existentes na CPU do seu PC já eram utilizados dez, vinte anos atrás.

Por esse motivo, neste artigo vamos fazer uma viagem pelo tempo, observando a evolução dos processadores desde sua origem até os dias de hoje. Começando, vamos abordar o período que não existiam processadores propriamente ditos como conhecemos hoje.

Período anterior ao processador

Como o conceito de processadores somente surgiu em 1970, os computadores das décadas anteriores (40, 50 e 60) utilizavam formas primitivas de processamento comparadas com as atuais Por exemplo, em uma máquina como o Eniac (lançado em 1945), que possuía quilômetros de fios e cabos espalhados por todo lado, os programas não eram executados em um mesmo local. Na verdade, para executar operações diferentes, era necessário trocar cabos manualmente entre conectores distintos. Grande parte do processamento era executado por válvulas e transistores muito primitivos.

No ano de 1960, a IBM lançou o seu “IBM 7030 Stretch”, considerado como o primeiro computador totalmente processado através de transístores, no lugar das válvulas. Seguindo a tecnologia "Batch", seu usuário poderia incorporar funcionalidades “prontas” ao processador, por meio de circuitos impressos específicos. Por isso ,era muito comum que unidades de processamento fossem compostas de vários componentes físicos.

Com o IBM 360, em 1964, os processadores passaram a usar o conceito de “circuito integrado”, interligando várias operações em um mesmo circuito. Entretanto, eles ainda eram compostos por várias peças distintas, mas em um número muito menor comparado com o 7030 Stretch.

Processadores Modernos

Nos modelos apresentados acima, os processadores ainda não eram compostos por uma unidade central, mas por módulos interconectados entre si. Foi só no início da década de 70 que surgiram as CPUs desenvolvidas totalmente em circuitos integrados em um único chip de silício.

Geração Pré-x86

O Intel 4004 foi o primeiro processador lançado um único chip de silício. Ele trabalhava com 4 bits, sendo desenvolvido para o uso em calculadoras, operando com o clock máximo de 0.78 Mhz. Esta CPU calculava até 92.000 instruções por segundo ( ou seja, cada instrução gastava 11 microssegundos) . Já em 1974, o 4040 foi lançado também pela Intel, sucedendo o 4004. Em valores absolutos, como o clock e o número de instruções calculadas, ambos modelos possuíam desempenhos semelhantes, contudo, o 4040 incorporou novas tecnologias, como Interrupção de Hardware, aumento significativo do conjunto de instruções e do número de registradores.

Com o sucesso do 4004, a mesma empresa desenvolveu o processador 8008 no ano de 1972, semelhante ao modelo anterior, mas que agora trabalhava com instruções de 8 bits. Seu clock trabalhava na frequência de 0.8 Mhz. Em 1974, a Intel lançou o 8080, que trabalhava com operações de 16 bits usando instruções de 8 bits, com o clock em 2 Mhz, valor bastante alto para época.

A arquitetura x86

A arquitetura x86, lançada em meados da década de 70, ainda serve como base para uma boa parte dos computadores atuais. O primeiro processador que aproveitou todo o seu potencial foi o Intel 8086, de 1978. Pela primeira vez, a velocidade do clock alcançou 5 Mhz, utilizando instruções reais de 16 bits, o dobro que suas versões concorrentes.

Pouco tempo depois, o 8088 foi lançado, possuindo o barramento externo com 8 bits, ao contrário dos 16 bits do 8086, assim, tornando-o mais barato. Nos anos seguintes, a Intel desenvolveu os modelos 80186 e 80188, utilizados em software embarcado. Em 1982, o capacidade de processamento chegou ao patamar de 8 Mhz, através do Intel 80286, que posteriormente atingiu 25 Mhz em modelos similares da AMD, causando um fenômeno na época.

Versão X86-32

Como seu nome sugere, x86-32 é arquitetura x86 para 32 bits, utilizada até hoje nos computadores. Em outras palavras, todo processador de 32 bits vendido atualmente roda sobre a arquitetura x86-32 (os de 64 bits rodam sobre a x86-64).

Os famosos 386 e 486

As CPUs 80386 e 80486, lançadas entre o meio e o fim da década de 80, trabalhavam com 40 Mhz e 100 Mhz, respectivamente. O 80386 permitiu que vários programas utilizassem o processador de forma cooperativa, através do escalonamento de tarefas. Já o 80486 foi o primeiro a usar o mecanismo de pipeline, permitindo que mais de uma instrução seja executada ao mesmo tempo no PC.

Para o 80486, existiram diversas versões, sendo que cada uma delas possuiam pequenas diferenças entre si. Por exemplo, o 486DX era o top de linha da época enquanto o 486SX era uma versão baixo custo.

A guerra entre Intel e AMD

A série de processadores Intel e AMD marcaram época no mundo da informática, através de suas diferentes versões. O primeiro Pentium (Intel), lançado em 1993, apresentava várias melhorias sobre o 80486, principalmente por uso da super escalabilidade, ou seja, a replicação de hardware para que mais instruções fossem executadas ao mesmo tempo. Seu clock inicial era de 100 Mhz, o qual chegou a atingir 200 Mhz com o tempo.

Em 1995, a Intel lançava o Pentium Pro, que possuía uma série de melhoramentos em relação ao seu antecessor. Paralelamente, a AMD começava a ganhar mercado com modelos similares, principalmente como o AMD K5, forte concorrente do Pentium original.

Dois anos depois, o Pentium II foi lançado, atingindo a marca de 450 Mhz. Nesta mesma época, a AMD desenvolveu CPUs que batiam de frente com a Intel, como o AMD K6. Por esse motivo ambas empresas travaram uma espécie de “corrida armamentista”, como o objetivo de ver quem conseguia o maior desempenho e valor de clock.

A corrida por desempenho a lei de Moore

Em 1965, Gordon Moore, um dos fundadores da Intel, afirmou que o clock dos processadores dobrava a cada 18 meses. Tal afirmação foi conhecida como a Lei de Moore, a qual foi verdadeira durante anos, principalmente no final da década de 90. Sempre que uma empresa lançava um modelo, meses depois a outra lançava outro que o superava. Isso ficou bastante evidente nos anos de 1999 e 2000, quando o Pentium 3 e o AMD Atlhon (K7) estavam guerreando pelo maior clock. Por um período de tempo, a AMD liderou a disputa, pois o Atlhon, que trabalhava com frequências maiores que 1 Ghz, superou o Pentium 3.

A reviravolta da Intel veio com o lançamento do Pentium 4 em 2001, que trabalhava com até com 2 Ghz, voltando ao topo do mercado. As versões de baixo custo dessas CPUs, Celeron (Intel) e Duron (AMD) também disputavam fortemente o lugar mais alto no ranking do processador B mais vendido.

A era multi-core e o fim da lei de Moore

Conforme a tecnologia dos processadores foi progredindo, o tamanho de seus transistores foram diminuindo de forma significativa. Contudo, após o lançamento do Pentium 4, eles já estavam tão pequenos (0.13 micrometros) e numerosos (120 milhões) que tornou-se muito difícil aumentar o clock por limitações físicas, principalmente pelo superaquecimento gerado.

A principal solução para este problema veio com o uso de mais de um núcleo ao mesmo tempo, através da tecnologia multicore. Assim, cada núcleo não precisa trabalhar numa frequência tão alta. Se o esquema de escalonamento de tarefas funcionar de maneira eficiente, é possível trabalhar com quase o dobro do clock. Por exemplo, um processador dual core 1.5 Ghz poderia ter um desempenho semelhante a um single-core de 3 Ghz. Existe um componente chamado escalonador, que determina em qual dos núcleos uma tarefa qualquer será executada. Como o escalonador demora um certo tempo nesta decisão, é quase impossível atingir o dobro de desempenho na prática.

Com o advento do multicore, a lei de Moore caiu por água abaixo, visto que já não era mais possível aumentar a frequência do processador como antes.

O Advento 64 bits

No começo desta década, ficou claro que o uso de 32 bits não seria mais eficiente, visto que somente 4 GB de memória RAM poderiam ser endereçados com essa quantidade de dígitos. Logo, a solução mais natural foi o desenvolvimento de novas arquiteturas que passassem a trabalhar com 64 bits ao invés de 32.

Ambas empresas desenvolveram suas próprias arquiteturas 64 bits, contudo, somente o projeto da AMD (x86-64 AMD64) foi vitorioso, enquanto que o desenvolvido pela Intel (IA-64) foi mal sucedido. O principal fato para isso ter acontecido foi porque a AMD evoluiu o AMD 64 diretamente do x86-32, enquanto que a Intel tentou criar o projeto direto do zero.

Visto esse acontecimento, as empresas em questão criaram um acordo no uso destas arquiteturas, onde a AMD licenciou a Intel para o uso do x86-64. Por outro lado, a Intel também tornou legal o uso da arquitetura x86-32 pela AMD. Logo, todos os modelos de processadores 64 bits comerciais atuais rodam sobre o x86-64. O AMD Athlon 64 (imagem acima) foi um dos maiores representantes desta arquitetura.

Modelos Multi-core atuais

Finalizando esta matéria, a nossa equipe desenvolveu dois artigos específicos sobre os modelos atuais da Intel e da AMD. Para mais informações, acesse os seguintes links:

Processadores Intel: Quais as diferenças entre os modelos vendidos atualmente?

Processadores AMD: descubra quais os modelos vendidos na atualidade e suas principais aplicações