CPUs: mais funções, menor consumo de energia

Os microprocessadores na forma em que os conhecemos hoje provavelmente vão sumir daqui a uns dez anos ou mais. Em 2010, temos CPUs com gráficos integrados e outros recursos. Daqui a dez anos, as soluções serão muito mais integradas.

No momento, as CPUs fazem basicamente o mesmo que faziam há décadas, mas nos próximos dez anos elas devem passar por uma transformação dramática. Essa transformação pode se dar de diversas maneiras:

  • As CPUs vão absorver as placas de vídeo, mas em termos lógicos as duas vão continuar sendo coisas separadas, e haverá hardware diferente sendo usado para tarefas diferentes. Isso vai garantir um desempenho muito alto, já que hardware especializado geralmente é capaz de realizar tarefas com mais rapidez do que hardware universal. Basicamente, isso significa que teremos CPUs com algo em torno de 64 núcleos e motor gráfico de funções fixas com dezenas de milhares de processadores de fluxo.

  • As CPUs e GPUs vão se fundir, e suas unidades de FPU que hoje processam dados “seriais” e gráficos “paralelos” serão uma coisa só. Os processadores de vários núcleos estão se desenvolvendo bem rápido: os primeiros chips dual-core surgiram em 2003, e hoje temos microprocessadores da Intel e da AMD com oito ou doze núcleos. Nesse pique, daqui a dez anos, vai fazer muito sentido unificar as unidades de ponto flutuante de CPUs e GPUs em prol de uma melhor utilização de recursos e da máxima programabilidade para aplicativos gráficos. A pergunta é: de quanta capacidade de programação os mecanismos gráficos vão precisar daqui a dez anos?

Naturalmente, as duas abordagens têm seus prós e contras, mas a direção geral está bem clara no momento: os microprocessadores e os processadores gráficos vão se fundir em um único chip. Obviamente, as placas de vídeo independentes vão continuar existindo, assim como as CPUs para tarefas específicas que não são capazes de processar gráficos, mas provavelmente irão incorporar certas capacidades de processamento de fluxo para agilizar algumas operações.

Chip SCC da Intel

Apesar da tendência que aponta para a fusão entre microprocessadores e placas de vídeo, uma coisa naturalmente interessante está acontecendo com as microarquiteturas desses microprocessadores. No momento, a Intel e a AMD estão seguindo por três (dois, no caso da AMD) caminhos diferentes com suas arquiteturas de CPUs:

  • CPUs genéricas com mais de um núcleo e com núcleos “gordos”, capazes de fazer tudo. Esses processadores são bons para sistemas cliente e servidores, já que podem processar tudo sem sacrificar a confiabilidade em prol do consumo de energia;

  • CPUs com muitos núcleos (SCC ou Knights Ferry/Knights Corner), com núcleos relativamente simplistas e que por si só oferecem desempenho e recursos limitados. Esses chips são especialmente bons para aplicações computacionais de alto desempenho e para data centers na nuvem que exijam o maior desempenho possível por watt. Dado o fato de que a transição da computação de 32 bits para a de 64 bits começou há sete anos e ainda não foi concluída, é pouco provável que os chips com muitos núcleos se tornem as CPUs principais de servidores e clientes de modo geral.

  • CPUs Atom de baixo consumo que não contam nem com núcleos x86 “gordos” como os chips de vários núcleos para fins gerais, e nem com um monte de núcleos x86 como os processadores de muitos núcleos. Os chips e sistemas-em-um-chip de suas bases são particularmente bons para dispositivos portáteis.

Levando-se em conta que a Intel provavelmente está tentando substituir a falta de arquiteturas gráficas bem-sucedidas adequadas à computação com sua microarquitetura de muitos núcleos (chamada de MIC), a maior fabricante de chips do mundo deve acabar bolando algum jeito de unir os dois designs em uma coisa só.

O chip Orochi da AMD, baseado na arquitetura Bulldozer

No momento, ninguém sabe direito como serão as CPUs do futuro, e muitas das tendências importantes que poderão se desenvolver até 2020 chegarão com o lançamento dos microprocessadores Haswell em 2013, e com os que virão depois dele. Na verdade, o design da arquitetura Bulldozer da AMD, com processador consistindo de módulos e duas unidades INT compartilhando uma FPU por módulo, mostra que os fabricantes estão tentando incluir mais unidades de execução em seus chips, e que estão mais do que dispostos a cortar algumas outras coisas. De modo geral, a abordagem de núcleo “híbrido” dessa arquitetura pode ser uma prévia do futuro das CPUs a longo prazo.

Os planos de longo prazo oficiais da AMD e da Intel mostram claramente que as duas principais criadoras de processadores vão continuar desenvolvendo arquiteturas de baixo consumo para competir com os designs ARM. No momento, tudo leva a crer que as arquiteturas x86 e ARM vão competir diretamente pelos mesmos mercados, mas os processadores x86 vão atender a sistemas de maior desempenho, enquanto os ARM vão continuar sendo os reis do mercado de baixo consumo.

Vamos tentar resumir nossas previsões:

  • A maioria absoluta das unidades de processamento central de clientes em 2020 trará controladores de memória integrados e núcleos gráficos que serão usados para o processamento de gráficos e para aumentar a velocidade dos aplicativos comuns usados pelos consumidores. Muitos terminais leves vão usar SOCs (sistemas em um chip) baseados na arquitetura ARM.

  • Os processadores para servidores vão continuar oferecendo núcleos x86 “gordos” com alto desempenho para thread única, mas os servidores de computação de alto desempenho certamente vão migrar (ainda que lentamente) para a arquitetura MIC ou para os processadores de computação altamente paralela (FireStream, Tesla e afins), seja na forma de complementos independentes ou de forma integrada.

  • Dispositivos portáteis de baixo consumo usarão microarquiteturas x86 específicas (Atom, Bobcat etc) ou a arquitetura ARM.

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