Gate leakage

Gate leakage é a perda de energia que ocorre a cada chaveamento de um transístor. A melhor explicação prática para o gate leakage é a história do Pentium 4, que foi sua vítima mais famosa.

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.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.

No caso do Pentium 4, a barreira se materializa aproximadamente a partir dos 4 GHz. A partir daí é necessário um aumento cada vez maior no consumo e dissipação térmica, em troca de um aumento cada vez menor na freqüência de operação. O mesmo fenômeno pode ser notado em outros processadores atuais, embora a frequência de operação varie de acordo com a arquitetura.