A plataforma Core

O mercado de processadores é bastante competitivo. Atualmente temos a predominância da Intel e AMD, com uma pequena participação da VIA, mas diversas outras empresas, incluindo a IBM, Texas, Transmeta, Cyrix (que acabou sendo comprada pela VIA) e IDT já tentaram a sorte, sem tanto sucesso. Aqui temos um 486 produzido pela IBM e o Crusoe da Transmeta:

486 produzido pela IBM e o Transmeta Crusoe

O Crusoe foi provavelmente o mais “exótico” entre os chips alternativos. Ele era um processador de baixo consumo, que chegou a ser utilizado em alguns notebooks ultra-compactos e também em alguns modelos de baixo custo, incluindo alguns desknotes fabricados pela ECS.

A principal característica do Crusoe era a de ser um chip VLIW relativamente simples e bastante eficiente, que executava instruções x86 através de um software de tradução, batizado de Code Morphing Software, executado continuamente. Ele tinha a função de converter as instruções x86 enviadas pelos programas nas instruções simples entendidas pelo processador, ordená-las de forma a serem executadas mais rápido e coordenar o uso dos registradores, tarefas que em outros processadores são executadas via hardware.

Graças a isso, o Crusoe podia ser um chip muito menor e consumir menos energia. O TM5420 de 600 MHz, por exemplo, consumia menos de 2 watts operando em full-load, menos do que um 486. O grande problema é que o Code Morphing Software consumia parte dos recursos do processador (que já não era muito rápido, para início de conversa), deixando menos recursos para o processamento de instruções.

Isso fazia com que o Crusoe fosse muito lento se comparado a um Athlon ou Pentium III do mesmo clock, o que reduziu a procura pelo processador a ponto de inviabilizar o projeto.

Fabricar processadores é muito mais complexo e arriscado do que fazer placas-mãe ou telas de LCD, por exemplo, pois os projetos são muito mais complexos e o investimento inicial absurdamente maior. Leva-se pelo menos 5 anos para projetar um novo processador e, para produzi-lo, é necessário investir mais 2 a 4 bilhões de dólares, investimento necessário para montar uma fábrica de ponta.

Mesmo para uma grande empresa, como a Intel, um erro estratégico pode custar muito caro. Investir em uma plataforma ineficiente pode gerar um atraso de vários anos, até que o projeto de um novo processador, mais competitivo, seja concluído e seja possível produzi-lo em quantidade.

Com o lançamento do Pentium 4, em 2001, a Intel fez um movimento arriscado, investindo em um processador com um longo pipeline (a primeira versão do Pentium 4 trabalhava com 20 estágios, contra 10 do Pentium III e 11 das primeiras versões do Athlon). Dobrar o número de estágios no processador é como dobrar o número de funcionários em uma linha de produção, fazendo com que cada um faça metade do trabalho e a esteira corra duas vezes mais rápido.

O plano era simples: com mais estágios, o processador seria capaz de atingir freqüências mais altas. Para manter as unidades de execução abastecidas, o processador contaria com um cache L1 muito rápido, que armazenaria instruções pré-decodificadas, um grande cache L2 e utilizaria um tipo mais rápido de memória RAM, as famosas memórias Rambus.

Entretanto, o tempo mostrou que esse design possuía inconsistências óbvias. Adicionar mais estágios tornou o processador menos eficiente, pois as instruções precisavam do dobro do número de ciclos do processador para serem processadas, fazendo com que o processador perdesse muito tempo em operações de tomada de decisão, em que o processador depende do resultado de uma instrução para processar a próxima.

Possuir o dobro de estágios significa também possuir aproximadamente o dobro de transístores e consumir o dobro da eletricidade. Se isso vem acompanhado de um aumento no clock, chegamos a um processador ineficiente, que consome muito mais energia e dissipa muito mais calor.

Por armazenar instruções decodificadas, o cache L1 do Pentium 4 também se tornou menos eficiente, já que instruções decodificadas ocupam mais espaço. Enquanto o Athlon possuía 64 KB (metade) do cache L1 reservado para armazenar instruções, o cache do Pentium 4 Willamette armazenava o equivalente a apenas 8 KB. Isso tornava o processador mais dependente do cache L2 (que devia ser obrigatoriamente maior, para que o processador mantivesse um bom nível de desempenho) e do barramento com a memória RAM, que deveria ser capaz de alimentar os caches.

O Pentium 4 original (core Willamette) possuía apenas 256 KB de cache L2, por isso era consideravelmente mais lento que um Athlon, ou mesmo um Pentium III do mesmo clock. O core Northwood, lançado em seguida, trouxe 512 KB de cache e o Prescott (lançado em 2004) trouxe 1 MB completo.

Pentium 4 com core Prescott

O cache L2 é um item extremamente caro, pois cada bit de cache adiciona cerca de 6 transístores ao processador. Um cache L2 de 1 MB ocupa pelo menos 60 milhões de transístores, o que é quase o dobro do número de transístores do Athlon Palomino (que possuída 37.5 milhões). Mais transístores tornam o processador proporcionalmente mais caro de se produzir, o que aumenta o preço de venda.

Para completar, existiu o problema das memórias Rambus, um tipo proprietário de memória, que trabalhava a freqüências superiores, porém com tempos de latência mais altos, o que eliminava a maior parte do ganho. O Pentium 4 utilizaria apenas memórias Rambus, obrigando os fabricantes de memória a aderirem à nova tecnologia. A Rambus Inc. receberia royalties dos fabricantes e a Intel ficaria com parte do bolo, na forma de incentivos e descontos.

Felizmente não foi o que aconteceu. As memórias Rambus foram um dos maiores fiascos da história da informática. Na época do lançamento do Pentium 4, um módulo de 64 MB custava US$ 99, enquanto um módulo de memória PC-133 da mesma capacidade custava apenas US$ 45. Isto significava gastar US$ 216 (ao comprar 256 MB) a mais, só de memória, sem contar a diferença de preço do processador Pentium 4 e da placa-mãe, que na época ainda eram consideravelmente mais caros.

Pouca gente comprou as versões iniciais do Pentium 4, e quem se arriscou acabou com um abacaxi nas mãos. Isto obrigou a Intel a modificar a plataforma, passando a utilizar memórias DDR padrão. A demora gerou um vácuo, que permitiu que a AMD aumentasse consideravelmente sua participação no mercado, já que contava com o Athlon Thunderbird, um processador mais barato e mais eficiente.

Com o Pentium 4 Northwood, a Intel voltou a ser competitiva, chegando rapidamente aos 3.4 GHz. Foi introduzido também o Hyper Treading, que visa melhorar a eficiência do processador, dividindo-o em dois processadores lógicos. O plano da Intel, de compensar a baixa eficiência do Pentium 4 com freqüências de clock maiores, parecia estar dando certo. Na época, o roadmap da Intel mostrava processadores Pentium 4 com core Prescott atingindo 5.2 GHz no final de 2004 e planos para o core “Tejas”, que alcançaria impressionantes 10 GHz no final de 2005.

Porém, nada disso aconteceu. Os 3.4 GHz se tornaram uma barreira difícil de transpor. A partir daí, a Intel conseguiu apenas pequenos incrementos de clock, atingindo a muito custo os 3.8 GHz com o Prescott, que além de ser produzido numa técnica de 0.09 micron, teve o pipeline esticado para um total de 31 estágios. Acima de 3.8 GHz, o gate leakage, ou seja, a eletricidade perdida pelos transístores do processador a cada ciclo, tornava o consumo e dissipação térmica altos demais.

Embora seja possível superar a barreira dos 4.0 GHz com o Prescott, via overclock, o resultado é um processador beberrão demais. É como se cada transístor do processador fosse um minúsculo cano, por onde passa água. Quanto menores os transístores, mais finos são os canos e quanto maior o clock, mais forte é a pressão da água.

Os transístores são compostos por filamentos muito finos, o que causa uma pequena perda de energia, chamada de “gate leakage” a cada chaveamento. É como se os canos do exemplo possuíssem pequenos furos por onde vaza uma pequena quantidade de água. Conforme o clock aumenta, a pressão se torna mais forte e cada vez mais água vaza pelos canos, gerando um desperdício cada vez maior. No caso do processador, toda a energia desperdiçada se transforma em calor, o que traz a necessidade de um cooler mais eficiente, gerando um ciclo vicioso. A partir dos 4 GHz (no caso do Pentium 4), é necessário um aumento cada vez maior no consumo e dissipação térmica, em troca de um aumento cada vez menor na freqüência de operação.

A Intel chegou a demonstrar uma versão do Prescott refrigerada com nitrogênio líquido, que trabalhava a 6.0 GHz, porém consumia mais de 300 watts. A equipe do site akiba-pc foi capaz de reproduzir o feito (a página original não está mais no ar), também usando nitrogênio liquido, porém sem estabilidade e por um curto espaço de tempo:

Pentium 4 Prescott a 6 GHz, refrigerado com nitrogênio líquido

O pequeno aumento no clock proporcionado pelo core Prescott serviu mais para encobrir a perda de desempenho causada pelo novo aumento no número de estágios do pipeline do que para realmente aumentar o desempenho, transformando o Prescott em um dos maiores fiascos da história da Intel. Uma versão atualizada do Prescott, com 2 MB de cache, foi lançada no início de 2005 (utilizada no Pentium 4 Extreme Edition), dando um último fôlego à plataforma, porém, novamente sem aumento no clock.

O Cedar Mill, lançado no início de 2006, mais uma vez mostrou a dificuldade em produzir processadores Pentium 4 com clock mais alto. Mesmo produzido numa técnica de 0.065 micron, o Cedar Mill não foi capaz de superar a barreira dos 3.8 GHz. Ao invés disso, a Intel optou por produzir processadores dual core (baseados no core Presler), chegando ao Pentium Extreme Edition 965, que opera a 3.73GHz. Em resumo: em dois anos, a Intel conseguiu apenas ganhos incrementais de desempenho na plataforma Pentium 4. Caminhou bastante, porém para o lado e não para a frente.

Naturalmente, a AMD não ficou parada. Depois do Athlon Palomino e do Thoroughbred, a AMD lançou o Barton, que trouxe pequenas melhorias de projeto e 512 KB de cache L2. Além de ser usado nas versões mais rápidas do Athlon XP, o core Barton foi utilizado nos Semprons 2400+ a 3000+, os últimos processadores lançados para o saudoso soquete A.

A partir daí, temos os Athlon 64, Athlon 64 FX, Athlon 64 X2 e os Semprons para as placas soquete 754, 939 e AM2. Pela primeira vez na história, a AMD tomou a dianteira, produzindo processadores mais rápidos que a Intel e fazendo seu padrão de instruções de 64 bits (o AMD64) prevalecer, obrigando a Intel a desenvolver o EM64T, um conjunto compatível de instruções, incluído no Pentium 4 Prescott, sem muito alarde.

De fato, a participação da AMD no mercado só não cresceu mais neste período devido à sua incapacidade de produzir seus processadores em maior volume. Assim como é demorado desenvolver um novo projeto, também é caro e demorado inaugurar novas fábricas.

Por sorte, a Intel não desistiu inteiramente de produzir um processador mais econômico e com um melhor desempenho por clock, apenas relegou o projeto a segundo plano, dando prioridade ao desenvolvimento do Pentium 4 e da plataforma NetBurst.

O desenvolvimento deste processador de baixo consumo ficou a cargo de um grupo de engenheiros sediados em Israel, que passaram a trabalhar em uma versão aprimorada do antigo Pentium III, um processador com menos estágios e menos transístores, incapaz de atingir freqüências de operação muito altas, mas que, em compensação, oferecia um desempenho por clock muito superior ao do Pentium 4.

A idéia era trabalhar para reforçar os pontos fortes do Pentium III e minimizar seus pontos fracos, produzindo um processador com um desempenho por ciclo ainda melhor, mas que, ao mesmo tempo, consumisse menos energia e fosse capaz de operar a freqüências mais altas.

A primeira encarnação do novo processador foi o core Banias (lançado em 2003), que chegou ao mercado na forma da primeira versão do Pentium-M. Muitos defendem que o Banias recebeu tantas melhorias em relação ao Pentium III, que pode ser considerado um novo projeto em vez de uma evolução deste. Como neste caso os critérios são subjetivos, você pode aderir a qualquer uma das duas linhas, como preferir.

O Banias foi fabricado numa técnica de produção de 0.13 micron, com 64 KB de cache L1 e 1 MB de cache L2 e em versões de até 1.6 GHz. O barramento com o chipset (o principal ponto fraco do Pentium III) foi substituído pelo mesmo barramento de 400 MHz utilizado do Pentium 4, reduzindo o gargalo na conexão com a memória.

O Banias recebeu ainda o reforço das instruções SSE2 e uma versão aprimorada do SpeedStep, que gerencia dinamicamente o clock, tensão e componentes internos do processador, desativando os componentes que não estão em uso e reduzindo a freqüência nos momentos de pouca atividade, reduzindo bastante o consumo do processador. Um Banias de 1.6 GHz consome 24 watts ao operar na freqüência máxima, mas consome pouco mais de 4 watts quando ocioso, operando na freqüência mínima.

Junto com o Banias, veio a marca “Centrino“, uma jogada de marketing da Intel, para vender o pacote completo, com o processador, chipset e placa wireless. Apenas os notebooks com os três componentes podem usar a marca “Centrino”, criando uma certa pressão sobre os fabricantes.

Na foto a seguir temos o interior de um notebook Asus A6V, em que temos (da esquerda para a direita) o processador, chipset e placa wireless assinalados:

Interior de um notebook Asus A6V, baseado na plataforma Centrino

O Banias mostrou ser um processador promissor. Mesmo com o agressivo sistema de gerenciamento de energia (que causava uma pequena diminuição no desempenho, mesmo quando o processador operava na freqüência máxima), o Banias era cerca de 50% mais rápido que um Pentium 4 Northwood do mesmo clock (embora ficasse longe de superá-lo, já que operava a freqüências de clock muito mais baixas).

Em 2004 foi lançado o Pentium-M com core Dothan, equipado com 2 MB de cache L2, melhorias no circuito de branch prediction (que minimiza a perda de tempo com operações de tomada de decisão), um reforço nas unidades de execução de inteiros e melhoria no acesso aos registradores. Combinadas, estas melhorias resultaram num ganho real de cerca de 8% em relação a um Banias do mesmo clock.

O Pentium M com core Dothan atingiu 2.0 GHz (Pentium M 755), com um consumo de apenas 21 watts, menos que o Banias de 1.5 GHz.

Como de praxe, foi lançada também uma versão do Celeron baseada no Dothan, o Celeron-M, que se tornou bastante comum nos notebooks de baixo custo. Ele é castrado de duas formas, a fim de não concorrer diretamente com o Pentium-M: vem com metade do cache e com o suporte ao gerenciamento de energia desativado, fazendo com que o processador trabalhe sempre na freqüência máxima, desperdiçando energia e reduzindo a autonomia das baterias.

Aproveitando o baixo consumo do Dothan, a Intel desenvolveu o Yonah, um processador dual-core para notebooks, produzido usando uma técnica de 0.065 micron. O Yonah original passou a ser vendido sobre a marca “Core Duo”, enquanto uma versão de baixo custo, com um único core assumiu a marca “Core Solo”.

Assim como o Dothan, o Yonah possui 2 MB de cache L2. Entretanto, em vez de ser dividido entre os dois cores (1 MB para cada um), o cache é compartilhado, permitindo que ambos os cores acessem os mesmos dados, evitando assim duplicação de informações e desperdício de espaço. Nos momentos em que o processador está parcialmente ocioso, o segundo core pode ser completamente desligado (para economizar energia), deixando o primeiro core com um cache de 2 MB inteiramente para si.

A desvantagem do cache compartilhado é que ele aumenta o tempo de latência: são necessários 14 ciclos para acessar alguma informação no L2 do Yonah, contra 10 ciclos do Dothan. Apesar disso, o Yonah possui dois núcleos, o que acaba compensando a diferença e proporcionando um bom ganho em relação ao Dothan. Outro pequeno ganho é proporcionado pela inclusão das instruções SSE3.

Um processador dual core melhora bastante a responsividade do sistema ao executar várias tarefas simultaneamente, já que os processos podem ser divididos entre os dois cores, porém faz pouca diferença ao rodar aplicativos leves. Entretanto, hoje em dia é comum deixarmos muitos programas abertos simultaneamente, sem falar nos processos em background, o que faz com que um processador dual-core realmente proporcione uma melhora significativa, embora a maioria dos benchmarks não mostrem isso, já que simulam o uso de um único aplicativo.

O Yonah inclui uma versão atualizada do sistema de gerenciamento de energia introduzido no Banias, que desliga partes do processador ociosas, mantendo apenas um dos cores ativos em momentos de pouca atividade. Isso faz com que o consumo médio de um Core Duo, em tarefas leves, não seja muito diferente de um Core Solo do mesmo clock, o que acaba juntando o melhor dos dois mundos.

Ao executar tarefas pesadas, um Core Duo de 2.0 GHz consome 31 watts, contra 21 watts do Dothan do mesmo clock. Ou seja, mesmo com os dois cores ativos, o consumo aumenta menos de 50%, muito longe de dobrar, como seria de se esperar.

O departamento de marketing da Intel passou então a falar em “eficiência” em vez de freqüências de clock mais altas. Os planos frustrados de lançar um processador de 10 GHz baseado no Pentium 4 foram varridos para debaixo do tapete e a meta passou a ser lançar processadores que executem mais processamento com menos energia, exacerbando os pontos fortes dos processadores Core Solo e Core Duo, baseados no core Yonah.

Este slide do IDF 2006 dá uma amostra do novo discurso. Ele mostra como a eficiência energética (o volume de eletricidade necessária para processar cada instrução) dos processadores vinha caindo desde o Pentium, atingindo seu nível mais baixo com o Pentium 4 Dual Core, até a introdução do Banias, Dothan e Yonah; uma posição pouco honrosa para o Pentium 4, que (segundo a própria Intel) precisa de 5 vezes mais eletricidade para fazer o mesmo trabalho: