Fusion III: Acrescentando núcleos

Apressando e afinando

Isto porque não adiantaria muito oferecer grande capacidade de transmissão se não houver uma quantidade de dados suficiente para justificá-la. Seria como, em uma grande cidade, construir uma adutora de dois metros de diâmetro para transportar a água de um riacho.

Para encher a adutora e aproveitá-la em plena capacidade, é preciso captar água em um rio de grande porte.

No que toca à transmissão de vídeo, isto significa que pouca serventia terá um barramento PCI-E capaz de transmitir até 8GB/s de dados se não forem gerados dados com a rapidez suficiente para gerar este fluxo.

E estamos falando de uma conexão entre UCP e controladora de vídeo. Portanto, para que a rapidez da conexão seja explorada em toda sua plenitude, é preciso que a UCP tenha uma capacidade de processamento compatível e seja capaz não apenas de dar conta do processamento de dados do sistema como também de gerar as imagens que exibirão na tela os resultados deste processamento, como nos velhos tempos do XT.

Durante décadas o aumento da capacidade de processamento das UCPs vinha se dando de acordo com a Lei de Moore, segundo a qual o número de transistores utilizados em um microprocessador tenderia a dobrar a cada 18 meses. E o número de transistores, juntamente com sua frequência de operação, são indicadores da capacidade de processamento de um microprocessador. Por isto, ao longo dos anos, para satisfazer a demanda do mercado por microprocessadores mais e mais rápidos, os fabricantes vinham aumentando paulatinamente não somente o número de transistores como também sua frequência de operação.

Foi assim que passaram dos menos de 30 mil transistores do 8086, que operavam a cerca de 5 MHz, para os 125 milhões de transistores operando a cerca de 4 GHz do Pentium 4 Extreme Edition, o mais rápido processador de núcleo único fabricado pela Intel para o mercado doméstico. O que corresponde a aumentar mais de quatro mil vezes o número de transistores e oitocentas mil vezes a frequência de operação.

Mas, para fazer valer a Lei de Moore, os fabricantes de processadores tinham que resolver um problema sério. Pois acontece que o que faz um processador funcionar, queiram ou não, é a corrente elétrica que atravessa seus transistores. Ora, para que uma corrente elétrica atravesse um circuito gasta-se certa energia. Que é dissipada para o ambiente sob a forma de energia térmica ou, simplesmente, calor. Uma forma complicada ? mas rigorosamente técnica ? de dizer que processadores “esquentam”.

Energia dissipada na unidade de tempo chama-se potência, que é medida em Watts. A potência dissipada sob a forma de calor por um 8086 mal passava dos 2,5 Watts. A de um P4 Extreme passa dos cem. Um aumento de 40 vezes.

Sendo a frequência de operação um dos três fatores responsáveis pela dissipação de calor de um microprocessador, como se justifica que um aumento de 800.000 vezes na frequência tenha acarretado um aumento de apenas 40 vezes na potência dissipada?

Bem, os fabricantes tiveram que fazer um bocado de ginástica para alcançar este objetivo. Mesmo porque, se não fizessem, o núcleo do processador, literalmente, derreteria.

Pois acontece que, como eu disse, a frequência de operação é apenas um dos fatores responsáveis pela quantidade de calor gerada por um processador. Os outros dois são tensão de alimentação (o de maior influência, já que o aumento da potência dissipada é diretamente proporcional ao quadrado do aumento da tensão) e resistência interna.

Então, para lograr um aumento tão desproporcional entre a frequência de alimentação e a potência dissipada, foi necessário reduzir os outros dois fatores, a tensão de operação e a resistência interna.

E assim foi feito.

A tensão de alimentação dos microprocessadores reduziu-se dos 5 V que alimentavam o 8086/8088 do velho PC XT para algo muito próximo de 1V, tensão adotada nos processadores atuais.

E daí para baixo, ao que parece, não dá mais para prosseguir. Tudo indica que este é o limite. Com menos que isto, não há diferença de potencial elétrico suficiente para “empurrar” os elétrons através dos transistores que formam a estrutura interna da UCP. Portanto, para aumentar o desempenho dos processadores, não dá para reduzir ainda mais a tensão.

A alternativa é reduzir a resistência interna.

A resistência interna oferecida por um microprocessador à passagem da corrente elétrica é diretamente proporcional à espessura da camada de silício na qual são “desenhados” os microscópicos transistores que constituem o circuito.

O 8086/8088, que quando foi lançado causou assombro pela pequena espessura de sua camada de silício que media, imaginem, “apenas” um centésimo de milímetro (10 micra), para os padrões modernos seria considerado, literalmente, um “grosso”, já que as últimas gerações dos processadores ? tanto da Intel quanto da AMD ? apresentam uma espessura de 32 nm (nanômetros, ou milionésimos de milímetro), ou seja, são trezentas vezes mais finos.

A Figura 2 (imagem de divulgação da Intel) mostra a microfotografia de diversos transistores inseridos em modelos de processadores fabricados de 1999 até 2007, com a previsão (cumprida) de fabricação de transistores em camadas de 32 nm para 2009.

Então, combinando-se a redução de cinco vezes da tensão (que deve ser elevada ao quadrado) com a de 300 vezes da espessura da camada de silício, chega-se a uma redução global de 7.500 vezes na capacidade de dissipar calor. Como o aumento da frequência de operação foi da ordem de 800 mil vezes, há uma aparente discrepância da ordem de cem vezes.

Isto quer dizer que, apesar de todas as providências tomadas para não aumentar exageradamente a dissipação de potência, um P4 HT Extreme deve gerar muito mais calor que o gerado por um 8086. Uma quantidade de calor proporcional à discrepância acima apontada, ou seja, de cerca de cem vezes.

E é mesmo. Cansei do botar o dedo sobre processadores de XT e AT (que usava o 80286) para verificar se estavam esquentando durante a montagem (eles não usavam dissipadores de calor nem ventoinha). Hoje alguém se atreveria a fazer o mesmo sobre um processador moderno sem o sistema de arrefecimento (isto, se fosse possível liga-lo sem este sistema)? Pois é…