Como o Microprocessador Controla Computadores?

O microprocessador, muitas vezes conhecido apenas como processador, consiste em um circuito integrado encarregado de executar as funções de cálculo e de decisão em um computador. Ele é a base para a operação de todos os computadores e dispositivos eletrônicos, desempenhando um papel vital em suas funções. Por ser responsável por todas estas operações, o processador é frequentemente comparado ao cérebro do computador, pois é ele que confere inteligência à máquina.

O microprocessador engloba as funções de uma unidade central de processamento (CPU) de um computador em apenas um circuito integrado, ou em alguns poucos. Trata-se de um dispositivo programável multifuncional que recebe dados digitais como entrada, os processa conforme as diretrizes armazenadas em sua memória e oferece os resultados como saída.

Microprocessadores operam com números e símbolos representados no sistema binário.

Perspectiva de baixo de um Athlon XP 1800+ com núcleo Palomino, um microprocessador contemporâneo.

O microprocessador constitui-se como um circuito integrado confeccionado a partir de uma camada nomeada de mesa epitaxial de silício, a qual é manipulada de forma a originar um cristal de pureza excepcional. Esta camada é laminada até atingir uma espessura mínima com total precisão, para depois ser meticulosamente encoberta através de um processo fotográfico e ser dopada pela exposição a temperaturas elevadas em fornos que contêm combinações gasosas de impurezas. Este procedimento é reiterado inúmeras vezes, conforme necessário, para a construção da microarquitetura do componente.

O microprocessador, encarregado de executar as instruções em um sistema, é selecionado a partir das opções disponíveis no mercado. Ele estabelece, até certo ponto, a habilidade de processamento do computador e também o conjunto fundamental de instruções que ele entende. O sistema operacional de um computador é edificado com base nesse conjunto.

O microprocessador se desmembra em diversos componentes, operando em frequências elevadas. Na família x86, por exemplo, a ULA (Unidade Lógica Aritmética), encarregada dos cálculos lógicos e aritméticos, juntamente com os registradores, são elementos fundamentais do microprocessador.

Mesmo sendo o núcleo de um computador, o microprocessador, em contraste com o microcontrolador, não é uma máquina completa. Ele requer, para se comunicar com o usuário, elementos como: memória, unidades de entrada e saída, um relógio, controladores, conversores de sinais e mais. Cada um desses circuitos auxiliares interage de maneira única com os programas, contribuindo assim para formar a operação do computador.

História do Processador

A Intel deu vida ao primeiro processador em 1971, que foi implementado inicialmente em calculadoras, apresentando uma capacidade de processamento de 8 BITS. Já naquela época, estabeleceu-se um padrão de design que ainda é amplamente difundido: consolidar vários componentes em um único chip de silício, material essencial na produção desses elementos por sua elevada condutividade. Ao longo do tempo, essa tecnologia só tem se aprimorado, culminando na criação do primeiro Desktop.

O ALTAIR 8800, um equipamento de computação que operava com um processador Intel 8080, foi lançado com a capacidade de alcançar uma velocidade de clock de 2.0 MHz, melhorando sua habilidade de processar milhares de informações por segundo. Este computador funcionava com um sistema operacional fundamentado no VISUAL BASIC, que foi adequado para os primeiros computadores pessoais por Bill Gates e seu colaborador Paul Allen, fundadores da prestigiosa Microsoft.

Desde aquele período, os processadores vêm sofrendo transformações gigantescas, atingindo velocidades extremas e várias tecnologias que estão ao nosso alcance atualmente. Se fizermos um comparativo com os últimos 5 anos, de novo, a situação não foi muito distinta.

Avanços:

Desde a invenção da primeira Unidade Central de Processamento, a centralidade do pensamento era sobre como poderíamos incrementar a velocidade (em GHz) do processador, levando-o a operar em frequências progressivamente elevadas. Após mais de duas décadas aplicando essa estratégia e obtendo ganhos em desempenho, mas sofrendo com o problema de aquecimento excessivo, os engenheiros da Intel começaram a explorar novas abordagens para otimizar a performance dos microchips. Pois, uma maior velocidade implica em um maior consumo de energia para sustentar o alto volume de cálculos por segundo, consequentemente, os processadores alcançavam temperaturas cada vez mais altas e necessitavam de dissipadores de calor mais robustos.

Com essa perspectiva em mente, em 2002, surgiram os primeiros MULTI-CORES, caracterizados por apresentar múltiplos núcleos em um único chip. Essa característica permitiu que todas as tarefas do computador fossem distribuídas pelos vários núcleos, eliminando a necessidade de frequências elevadas para alcançar performance na CPU. Como resultado, houve uma redução na temperatura dos cores e no consumo de energia, bem como um aumento na eficiência da dissipação de calor.

O avanço nas técnicas de produção dos multi-cores resultou em processadores cada vez mais compactos e rápidos. Nesta evolução, houve também um incremento na quantidade de núcleos presentes no mesmo chip.

A Intel obteve um pioneirismo inédito com a família Core ao introduzir a performance multi-núcleo nos computadores, abrangendo tanto os de mesa quanto os portáteis. No entanto, com a introdução dos modelos I3, I5 e o mais robusto de todos, o Core I7, eles conseguiram ultrapassar suas próprias previsões mais uma vez.

Com uma arquitetura de 32 nanômetros e a capacidade de alcançar relógios de até 3,33GHz, o modelo I7 980X pode ter até 6 núcleos físicos. Os cores são equipados com a tecnologia Hyper-Threading, que emula núcleos virtuais para o processador, permitindo atingir uma capacidade máxima de 12 núcleos (6 físicos e outros 6 através do hyper-threading), o que otimiza o seu desempenho em tarefas simultâneas. Todos eles também incorporaram um chip gráfico Intel e um controlador de memória, tornando a CPU responsável pela gestão das memórias RAM e pelo processamento gráfico.

A Intel, desde a introdução de seus modelos em 2008, tem se dedicado a aprimoramentos, refinando a arquitetura e introduzindo tecnologias inovadoras, tornando-os mais velozes e compactos. Atualmente, a 4ª geração de processadores está em uso pelos consumidores, com a arquitetura Haswell, que tem 22 nm de tamanho, opera com 95 watts e atinge clocks efetivos de até 3.5 GHz (modelo I7 4770K). A seguir, apresentamos uma tabela que compara os modelos de processadores ao longo dos anos, fornecendo detalhes sobre desempenho, tamanho (em nm) e quantidade de núcleos:

As pesquisas ao longo dos anos têm consumido tempo e recursos, porém, trouxeram avanços significativos, melhorando o que já era excelente. Com os progressos na nanotecnologia e na miniaturização dos chips, é plausível que os computadores atuais estejam em exposição em museus especializados em algumas décadas, ou até mesmo se tornem obsoletos. A medida que esses componentes diminuem de tamanho e são incorporados a diferentes tecnologias, chegará um ponto em que a fusão entre o ser humano e a máquina não será apenas uma ideia extravagante, mas uma realidade que permitirá uma conexão com o mundo de forma completamente nova.