Chips sem clock no horizonte

O sinal de clock é quase tão antigo quanto os processadores. Em qualquer placa mãe, você encontrará um cristal de Quartzo (um cilindro prateado, com cerca de 1 cm de comprimento) que é responsável por sincronizar todos os componentes do computador, inclusive o processador.

O sinal começa na placa mãe e se propaga para a memória, placas PCI e AGP, processador, etc. Como nem todos os dispositivos trabalham na mesma frequência, são usados divisores e multiplicadores de clock.

Por exemplo, numa placa mãe para Athlon que trabalha a 133 MHz, apenas a memória RAM trabalha na mesma frequência da placa. A placa de vídeo AGP trabalha a apenas metade desta frequência, meros 66 MHz, enquanto as placas PCI (rede, modem, som, etc.) trabalham a apenas um quarto da frequência, 33 MHz.

O processador por sua vez é o componente mais rápido, que multiplica o clock da placa mãe para obter sua frequência de operação. Um Athlon de 1.33 GHz multiplica por 10 os 133 MHz da placa.

Veja na tabela abaixo o clock de cada um dos componentes:

O sinal de clock torna o funcionamento do computador mais previsível e mais seguro. É o jeito mais fácil de construir chips.

Lembre-se que dentro do computador, todos os dados são processados na forma de impulsos elétricos. Cada transístor funciona como uma chave que permite ou bloqueia a passagem dos impulsos que chegam até ele. Ao barrar um impulso, o transístor fechará vários transístores mais adiante, que abrirão ou fecharão outros, e assim por diante.

Um processador é como um emaranhado de filamentos e chaves. Todos sabemos que não existe um condutor perfeito, a cada vez que um impulso elétrico percorre o processador, parte da energia se perde na forma de calor. É por isso que quanto mais alta é a frequência de operação de um processador, mais energia ele consome e mais calor é gerado. Compare um Pentium ou mesmo um 486 com um Athlon ou Pentium 4 atual.

O problema é que o sinal de clock está sempre ativo. Mesmo que o processador não tenha nada a processar, os impulsos elétricos continuam sendo enviados. O processador gasta energia e se aquece desnecessariamente.

Hoje em dia existem vários sistemas que visam minimizar este desperdício. Desde o Pentium I, todos os processadores suportam o uso de instruções HLT, que permitem desligar partes do processador via software quando não estão em uso. É isto o que fazem programas como o CPU-Cool, Rain, etc.

Os processadores destinados a notebooks, onde o problema do consumo elétrico é mais crítico, possuem até mesmo sistemas de gerenciamento de energia que baixam a freqüência de operação do processador quando ele está ocioso. Os campeões nesta categoria são os chips Crusoé da Transmeta, que são capazes de ajustar sua freqüência de operação ao volume de processamento exigido.

Fora alguns servidores e computadores usados em aplicações científicas, um percentual muito pequeno dos computadores do mundo trabalha continuamente usando todo seu poder. Os nossos desktops são um bom exemplo, muitos pilotam computadores com muito mais poder de processamento que os supercomputadores de alguns anos atrás, que ficam exibindo páginas web e e-mails na maior parte do tempo, mas que consomem energia como se estivessem trabalhando a todo vapor. Você pode rodar os mesmos aplicativos que o seu vizinho no seu Athlon de 1.4 GHz, mas o Celeron 600 dele sempre gastará muito menos energia. Esta é a ironia do avanço dos processadores.

Outro problema é que o sinal de clock limita o desempenho do processador, pois é necessário que o impulso gerado a cada ciclo percorra todo o processador antes de ser gerado o próximo. A necessidade de manter todos os componente sincronizados acaba fazendo com que partes do processador que são mais rápidas tenham de esperar as mais lentas terminarem seu ciclo de processamento antes de iniciar o próximo.

Como estes problemas tendem a se acentuar conforme os processadores atingirem frequências de operação cada vez mais altas, alguns projetistas vem propondo uma nova maneira de construir processadores, sem usar o sinal de clock.

Estes novos chips vem sendo chamados de chips assíncronos, pois são capazes de processar dados conforme a necessidade, sem necessariamente haver sincronismo entre os diferentes componentes do processador.

A economia de energia neste caso é muito grande, pois o chip só funciona quando há dados para processar. Também existe a possibilidade de haver grandes ganhos de desempenho, pois os componentes internos do processador poderão trabalhar isoladamente à sua capacidade máxima, sem serem retardados por componentes mais lentos.

Esta é uma idéia que parece maravilhosa no papel, mas é bem mais complicada de colocar em prática. Em primeiro lugar, como não existe mais o farol do sinal de clock, é preciso projetar o processador com muito mais cuidado, planejando a forma como os dados trafegarão dentro do chip, colocar buffers nos locais certos, para que dados não sejam perdidos pela diferença de velocidade entre os componentes, etc. Enfim, é um mundo novo a ser explorado.

Os chips sem clock também oferecem vantagens nos campos de encriptação de dados e de inteligência artificial, pois não existe mais um sinal regular, as coisas podem acontecer de forma muito mais imprevisível. Os computadores continuam computando apenas uns e zeros, mas o fator tempo passa a atuar de forma diferente.

Várias das principais empresas desenvolvedores de chips, como a IBM, Intel e até mesmo a Sun vem formando equipes de desenvolvimento para explorar esta nova fronteira. Algumas universidades também vem abrindo espaço para o ensino dos novos conceitos.

A Philips já chegou a divulgar alguns protótipos de chips assíncronos, todos destinados a portáteis, incluindo um chip capaz de realizar reconhecimento de voz. Segundo o divulgado no press release, os chips assíncronos tem um consumo elétrico de três a dez vezes mais baixo que chips síncronos executando as mesmas funções. Nada mal para alguns protótipos 🙂

Enfim, pode demorar mais alguns anos, ou até mesmo mais uma década inteira até que os chips assíncronos façam sua estréia nos PCs, mas eles são mais uma fronteira a ser explorada para tornar os processadores mais eficientes. O mais interessante é que esta técnica se soma à miniaturização dos transístores e outras melhorias que vem sendo desenvolvidas. Ainda é muito cedo para dizer que os chips assíncronos são o futuro, mas com certeza eles desempenharão um papel importante nos próximos anos.

Desde que escrevi o artigo, consegui reunir mais algumas informações interessantes sobre os projetos de chips síncronos em desenvolvimento.

A Intel mantém uma divisão especial para pesquisa e desenvolvimento de chips assíncronos, que em 1997 conseguiu desenvolver um projeto de um processador compatível com o Pentium que era seis vezes mais eficiente que o Pentium que foi vendido comercialmente. Seis vezes mais eficiente neste caso significa que o projeto assíncrono era capaz de processar três vezes mais dados consumindo apenas metade da energia.

Este protótipo jamais chegou a ser produzido comercialmente, mas o trabalho feito pela divisão de chips assíncronos ajudou no desenvolvimento do Pentium 4, que utiliza alguns componentes baseados na tecnologia assíncrona a fim de diminuir o consumo elétrico do processador. O chip em sí trabalha da forma convencional, utilizando um sinal de clock, mas alguns de seus componentes trocam dados de forma assíncrona. Esta é uma novidade que não foi divulgada nos datasheets oficiais do Pentium 4.

Outra notícia é que duas instituições de ensino dos EUA (a Universidade de Manchester e o Instituto de Tecnologia da Califórnia) mantém unidades de pesquisa de chips assíncronos a alguns anos.

Já existem inclusive algumas empresas desenvolvendo projetos de chips assíncronos comerciais, como a Asynchronous Digital Design e a England-based Self-Timed Solutions. A idéia inicial parece ser utilizar chips assíncronos em smart cards, onde eles trariam a vantagem de serem muito mais difíceis de serem crackeados que os chips convencionais, onde o sinal de clock permite ao cracker ver a forma como os dados trafegam dentro do chip. Como nos assíncronos, não existe sinal de clock, é muito mais complicado conseguir entender a forma como o chip trabalha e descobrir alguma forma de burlar o sistema de segurança.

Outro campo promissor é o dos portáteis, onde chips assíncronos teriam a vantagem de consumir menos energia e graças a isto permitir o desenvolvimento de aparelhos menores e mais leves, já que seria possível diminuir o tamanho da bateria mantendo a mesma autonomia.

O grande problema enfrentado pelos desenvolvedores é a carência de ferramentas de desenvolvimento, que existem em abundância no mundo dos chips tradicionais. A Philips por exemplo, só conseguiu desenvolver seu chip assíncrono para pagers por que desenvolveu suas próprias ferramentas.

Com cada vez mais projetos bem sucedidos, parece que inevitável que os chips assíncronos comecem a ganhar cada vez mais destaque daqui para frente. Porém, ainda deve demorar anos até vejamos um processador para PCs, ou algum outro produto importante baseado nesta tecnologia. Os desenvolvedores interessados simplesmente estão tendo que começar do zero.