A saga dos netbooks, parte 2: o Atom

Vendo toda a onda de interesse em torno dos netbooks a Intel se apressou em finalizar o Atom, que chegou ao mercado no segundo semestre de 2008, rapidamente substituindo o Celeron ULV em quase todos os modelos.

Embora o desempenho de um Atom de 1.6 GHz não seja muito diferente do oferecido pelo Celeron ULV de 900 MHz usado na safra anterior (o Atom chega a perder para o Celeron em algumas tarefas, apesar do clock mais alto), o consumo elétrico mais baixo e todo o hype criado em torno da plataforma acabaram fazendo com que ele se tornasse um sucesso instantâneo.

O Celeron ULV de 900 MHz (o ULV vem de ultra-low voltage, indicando que se trata de um processador de baixo consumo) é ainda baseado no core Dothan (o mesmo usado no antigo Pentium-M), produzido usando uma técnica de 0.09 micron:

Ele tem um TDP de 5.5 watts. Não é muito se comparado aos processadores para desktop (que chegam a ultrapassar a marca dos 100 watts), mas corresponde a mais de um terço do consumo total de um netbook.

A idéia básica em torno da arquitetura do Atom é eliminar parte da “gordura” usada em outros processadores x86, incluindo componentes como os circuitos de branch prediction e parte das unidades de execução, que são os componentes mais vorazes em termos de consumo elétrico.

O circuito de branch prediction é o responsável por organizar as instruções de forma a manter as unidades de execução do processador ocupadas. Todos os processadores x86 atuais utilizam várias unidades de execução (o Core 2 Duo com core Conroe, por exemplo, é capaz de processar 3 instruções de inteiros e mais 3 instruções SSE em cada núcleo, por ciclo) o que torna o circuito de branch prediction um componente essencical.

Além de procurar adiante no código por instruções que podem ser “adiantadas”, ele “adivinha” o resultado de operações de tomada de decisão (levando em conta fatores como o resultado de operações similares executadas anteriormente), permitindo que o processador use os ciclos ociosos para adiantar o processamento das instruções seguintes, enquanto o resultado da primeira operação ainda não é conhecido.

Como todo bom adivinho, ele às vezes erra, fazendo com que o processador tenha que descartar todo o trabalho feito. Apesar disso, o ganho é muito grande, pois nos processadores atuais o circuito de branch prediction acerta em mais de 90% dos casos.

Outro circuito importante é o scheduler (agendador), que armazena as instruções a serem processadas nos ciclos seguintes, de acordo com o determinado pelo circuito de branch prediction.

Este trabalho é necessário, pois apesar de todos os avanços na arquitetura dos processadores, a maior parte dos softwares que utilizamos continuam sendo otimizados para processadores i386, que processavam uma instrução de cada vez. O circuito de branch prediction permite (até certo ponto) quebrar esta limitação, permitindo que o processador processe 3 ou mais instruções por ciclo, mas em troca aumenta bastante a complexidade e o consumo elétrico do processador, já que, além de processar as instruções, ele passa a ter o trabalho de ordená-las.

Esse modo de operação é batizado de “out-of-order” (fora de ordem) e é uma das características fundamentais dos processadores atuais. É graças a ele que processadores como o Core 2 Duo e o Phenon são capazes de oferecer um desempenho por clock tão superior ao de processadores antigos.

O grande problema é que o processamento de instruções fora de ordem faz com que eles sejam muito complexos e consumam muita energia, o que levou os projetistas da Intel a abandonarem o conceito e voltarem a utilizar uma arquitetura de processamento em ordem (in-order), de forma muito similar ao que faziam os processadores Pentium 1. Com isso, os circuitos adicionais deixam de ser necessários e o processador deixa de desperdiçar energia pré-processando e ordenando as instruções e pode se concentrar no trabalho principal.

Isso resultou em um processador muito menor, com apenas 47 milhões de transístores (contra 410 milhões do Penryn e 170 milhões do antigo Pentium-M com core Dothan). Ao fabricá-lo usando a mesma técnica de 0.045 micron usada no Penryn, a Intel chegou a um processador com apenas 25 mm², que bastante econômico e barato de produzir. Mesmo com o encapsulamento, o Atom mede apenas 1.4 x 1.3 cm, menor que a maioria das moedas:

A remoção dos circuitos de branch prediction permitiu também que a Intel aumentasse o número de estágios de pipeline, para 16 (o Core 2 Duo possui 14 estágios e o antigo Pentium M com Core Dothan possui 12). Normalmente, aumentar o número de estágios de pipeline reduz consideravelmente o desempenho do processador, já que faz ele perder mais tempo em operações de tomada de decisão.

Entretanto, o fato do Silverthorne processar as instruções em ordem reduz bastante a perda, permitindo que o processador possua mais estágios de pipeline (que permitem que ele opere a freqüências mais altas), sem com isso comprometer de forma considerável a eficiência.

Completando o conjunto, temos o suporte a instruções SSE 3 (assim como o Pentium-M, o Silverthorne conta com uma única unidade SSE), 56KB de cache L1 (32KB para instruções e 24KB para dados), 512 KB de cache L2 e suporte a Hyper Threading, que permite que o processador utilize as duas unidades de execução para processar dois threads diferentes, aumentando levemente o desempenho do processador, sem com isso aumentar muito o consumo elétrico.

O Silverthorne utiliza o mesmo barramento com 4 transferências por clock utilizado nos processadores Core 2 Duo, mas a freqüência de operação é mais baixa (para economizar energia) e é chaveada de forma dinâmica entre 533 e 400 MHz, de forma a economizar energia nos momentos de baixa atividade. Este recurso é muito similar ao “Dynamic Front Side Bus Switching” usado nos notebooks baseados na plataforma Santa Rosa (onde o FSB oscila entre 800 e 400 MHz).

Temos aqui uma foto divulgada pela Intel, que mostra um comparativo de tamanho entre o Atom e o Tukwilla (a versão quad-core do Itanium, anunciada em 2008):

Naturalmente, essa arquitetura simples resulta em um desempenho por ciclo de clock bastante inferior ao de outros processadores atuais. O objetivo é simplesmente oferecer um processador de baixo consumo com um desempenho “bom o bastante” para executar tarefas básicas, sem concorrer diretamente com as versões mobile do Core 2 Duo.

A versão original do Atom (o Silverthorne) combinava o novo processador com o Poulsbo, um chipset de baixo consumo, que combinava os circuitos dos chips ICH e MHC (ou seja, da ponte norte e a ponte sul do chipset), oferecendo uma solução integrada e de baixo consumo. A Intel chama o chipset de SCH (System Controller Hub), enfatizando a combinação dos componentes.

Temos aqui uma foto da dupla (veja que o SHC tem uma área muito maior do que o Atom propriamente dito):

O Silverthorne é usado nos Atoms da série Z, que inclui os seguintes modelos:

Z500: 800 MHz, TDP de 0.65 watts
Z510: 1.1 GHz, TDP de 2.0 watts
Z520: 1.33 GHz, TDP de 2.0 watts
Z530: 1.6 GHz, TDP de 2.0 watts
Z540: 1.86 GHz, TDP de 2.65 watts

Como pode ver, o consumo elétrico de todos os modelos é bastante baixo. Além do gerenciamento de clock, todos oferecem suporte ao C6, um estado de baixo consumo, que permite que o processador consuma apenas 100 miliwatts quando ocioso.

O chipset possui um TDP de 2.5 watts, o que permite que o consumo total do conjunto fique abaixo dos 5 watts, chegando perto dos 2 watts nos momentos de ociosidade.

O grande problema é que quase todos os netbooks atuais são baseados na plataforma Diamondville, que era originalmente destinada aos nettops. Ela é usada nos Atoms da série N, que inclui três modelos:

230: 1.6 GHz, TDP de 4 watts
330: Dual-core, 1.6 GHz, TDP de 4 watts
N270: 1.6 GHz, TDP de 2.5 watts
N280: 1.66 GHz, TDP de 2.5 watts

Por estranho que possa parecer, o 230 é o modelo mais gastador, com um TDP de 4 watts, o dobro do N280, que tem um clock ligeiramente superior. Isso acontece por que a Intel decidiu cobrar pelos processadores com base no consumo, reservando os exemplares mais eficientes para as séries N270 e N280 e vendendo os mais gastadores (que só funcionam estavelmente com tensões mais altas) como Atoms N230.

Isso significa que um netbook baseado no N230 terá exatamente o mesmo desempenho de um baseado no N270 e será um pouco mais barato, mas em compensação trabalhará um pouco mais quente e oferecerá uma autonomia de bateria menor.

Temos também o Atom 330, que é uma versão dual-core do processador, que oferece um desempenho cerca de 70% superior (mas ainda muito fraco se comparado ao de um Core 2 Duo) mas em troca possui um TDP de 8 watts, o que o deixa fora da liga dos netbooks.

Em vez de utilizar o Poulsbo ou outro chipset de baixo consumo, a Intel optou por combinar os processadores da série N com o i945, o mesmo chipset que era usado em conjunto com o Pentium 4 e com o Pentium-M.

A versão destinada netbooks é a dupla 945GSE/ICH7M (o 945GSE inclui o controlador de memória DDR2 e o chipset de vídeo Intel GMA950, enquanto o ICH7M inclui as controladoras SATA e os demais circuitos de I/O), que é uma versão de baixo consumo do chipset.

A principal diferença entre ela e a dupla 945GC/ICH7 (a versão regular, destinada a nettops) é a frequência do chipset de vídeo, que no 945GSE opera a apenas 133 MHz, contra os 400 MHz do 945GC. Isso faz com que os netbooks possuam um desempenho 3D excepcionalmente fraco, mas foi a única solução para manter o consumo elétrico em níveis aceitáveis.

Por serem muito antigos e serem fabricados usando uma obsoleta técnica de 0.13 micron, a Intel vende ambos os chipsets muito barato, o que permite que os fabricantes cortem custos. O grande problema é que isso compromete a autonomia, já que embora o processador seja econômico, a plataforma como um todo (processador e chipset) possui um consumo relativamente alto.

Para ter uma idéia, o chip 945GSE possui um consumo de 6 watts, com mais 3.3 watts para o ICH7M, o que, somado o consumo do processador, eleva o total da plataforma para 11.8 watts.

É justamente devido a isso que a primeira safra de netbooks baseados no Atom não oferece uma melhora muito grande na autonomia em relação aos modelos baseados no Celeron M, já que embora a diferença no consumo do processador seja grande (de 5 watts para 2.5), o consumo total não mudou muito, já que a maior parte da energia é consumida pelo chipset.

No caso dos nettops, a situação é ainda mais complicada, já que um Atom N230 (TDP de 4 watts) combinado com o 945GC e o ICH7 consome nada menos do que 22.2 watts no total. Somando o consumo do HD e dos demais componentes, eles acabam consumindo quase 30 watts (sem contar o monitor), o que é mais do que o gasto por um notebook típico.

Os nettops são uma tentativa dos fabricantes em aproveitarem o marketing em torno do Atom para venderem mais uma classe de produtos, aplicando a arquitetura a uma família de desktops ultra-compactos:

Entretanto, descontado o hype, eles não fazem muito sentido, já que o consumo elétrico não é tão baixo assim (devido à combinação do Atom 230 ou 330 com o 945GC), o desempenho é muito ruim e o pequeno volume de produção faz com que os preços sejam altos.

Pode ser que eventualmente algum fabricante apareça com um modelo de baixo custo, que consiga popularizar a plataforma, mas por enquanto eles são apenas uma forma de ter o desempenho de um netbook pelo preço de um desktop.

A menos que você faça questão de um gabinete apertado, com poucas opções de upgrade, um desktop regular, com um Pentium E5200 (ou outro processador de baixo custo baseado na técnica de 0.045 micron) seria uma opção muito mais equilibrada.

O Atom pode ser encontrado também em placas Mini-ITX e mini-DTX de vários fabricantes. Elas são um pouco mais caras que as placas normais, mas possuem a vantagem de já virem com o processador e o cooler, o que faz com que sejam uma opção para PCs de baixo custo, destinados apenas a tarefas leves: