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Processadores Dual Core

Autor: Laércio Vasconcelos
Data: 20/fev/2007

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Artigo extraído do livro:

HARDWARE NA PRÁTICA 2^a EDIÇÃO

Há pouco mais de um ano e meio foram lançados os promeiros processadores duais para PC: Pentium D e Pentium Extreme Edition. Hoje existem inúmeros modelos duais para servidores e notebooks, além de novos modelos para desktop: Athlon 64 X2, Athlon 64 FX (60 e superiores), Core 2 Duo, Core 2 Extreme e Core 2 Quad.

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Em meados de 2005 foram lançados os primeiros processadores com dois núcleos, o Pentium D e o Pentium Extreme Edition. O Pentium D é formado por dois núcleos de Pentium 4, dentro do mesmo encapsulamento, porém sem a tecnologia HT (Hyper-Threading). O Pentium Extreme Edition é formado por dois núcleos de Pentium 4 HT. Depois vieram outros modelos, tanto da AMD quanto da Intel. No início de 2007, os processadores com mais de um núcleo já formavam uma generosa lisa:

Daremos agora mais detalhes técnicos sobre processadores de múltiplos núcleos.

Placas mãe com dois ou mais processadores são normalmente usadas em servidores e estações de trabalho de alto desempenho. Usam processadores como o XEON e o Itanium (Intel) e o Opteron (AMD). O que os novos processadores duais têm de interessante é o fato de trazerem o multiprocessamento para os micros convencionais (desktop) e e para os notebooks.

Certos sistemas operacionais já oferecem suporte a múltiplos processadores há bastante tempo. Citamos o Windows NT, Windows 2000, Windows XP Professional, Windows 2003, Windows Vista e a maioria das implementações do Linux. Antes de existirem processadores com mais de um núcleo, a única forma de ter processamento dual era usando placas mãe com soquetes para vários processadores. Essas placas são comuns em servidores, há bastante tempo. A figura 26 mostra uma placa mãe com soquetes para dois processadores Intel Xeon, para uso em servidores. O multiprocessamento (uso de mais de um processador) existe em servidores desde meados dos anos 90, com processadores como o Pentium Pro, Pentium II Xeon e Pentium III Xeon, mas sempre com placas mãe para 2 ou 4 processadores.

E para que é preciso usar multiprocessamento nos micros mais simples? Todos os que acompanham a evolução recente dos processadores estão a par das dificuldades dos fabricantes em produzirem modelos com clocks mais elevados. A Intel atingiu a marca de 3 GHz no final de 2002, e no início de 2007 ainda estava em 3,8 GHz. É uma contradição à Lei de Moore, que afirma empiricamente que os processadores tendem a dobrar de desempenho a cada 18 meses. Se aumentar o clock é difícil, por limitações tecnológicas, é menos difícil usar dois processadores iguais e de menor velocidade, aumentando bastante a velocidade de processamento.

Atualmente os usuários executam diversos programas ao mesmo tempo. Com processadores comuns, esses programas são executados em pequenos intervalos de tempo de alguns milésimos de segundo, alternando entre os diversos programas. Esses intervalos são chamados de time slice. O usuário tem a sensação de que realmente o computador executa inúmeros programas ao mesmo tempo mas, na verdade, apenas um programa está sendo executado por vez.

Processadores duais permitem que sejam executados dois processos por vez, aumentando o desempenho global do computador.

No final de 2002 a Intel introduziu a tecnologia Hyper-Threading (HT), que é uma espécie de processamento dual simplificado. O processador Pentium 4 HT tem um só núcleo, mas diversos dos seus circuitos são duplicados, o que permite a execução de dois programas de cada vez. Como na verdade não são dois núcleos, o HT não oferece ganhos expressivos de velocidade, fica entre 10% e 30% com um pouco de sorte, dependendo da aplicação. O mérito nesse caso foi aproveitar seções ociosas do processador para executar programas em paralelo, mesmo sem dobrar a velocidade. Aliás, de uma forma geral, computadores com dois processadores não têm desempenho dobrado. Em média o aumento de desempenho para a maioria das aplicações fica em torno de 70% a 90% com o uso do segundo processador.

Nem todos os programas são beneficiados pela presença de dois núcleos. Por exemplo, a maioria dos jogos atuais ainda não faz uso deste recurso. Já os programas que tratam som, vídeo e fotos são muito beneficiados pela existência de dois núcleos. Em linhas gerais, este tipo de arquivo pode ser facilmente dividido em partes iguais e independentes (por exemplo, as duas metades de uma fotografia). Cada núcleo processará a metade do arquivo, e o tempo para terminar o trabalho tenderá a ser menor.

Apesar do HT não oferecer dois processadores verdadeiros, o processador é “visto” pelo sistema operacional como sendo dois processadores virtuais. Isso abriu caminho para que novos softwares fossem otimizados para processamento dual.

Dois núcleos significa duas vezes mais aquecimento. Apesar dos recentes melhoramentos que possibilitaram a redução do consumo elétrico dos processadores, o aquecimento ainda é muito grande. A maioria dos processadores duais dissipam mais de 100 watts. A tabela abaixo mostra alguns exemplos:

Desde o lançamento do Pentium 4 Prescott, a Intel recomenda o uso de gabinetes com duto lateral para permitir a entrada de ar mais frio para resfriar o processador (figura 28). Sem duto lateral, o processador é refrigerado com ar na temperatura interna do gabinete, que é sempre mais elevada que a temperatura externa. Por exemplo, o ambiente pode estar a 25°C mas o interior do computador estar a 35°C. Sem duto lateral, o ar que é ventilado sobre o cooler do processador está com a temperatura de 35°C. Com o duto lateral, o ventilador do cooler do processador puxa o ar externo ao gabinete, que estaria no exemplo com apenas 25°C. Assim o processador é resfriado com mais facilidade.

Portanto para montar um computador com um processador de dois ou mais núcleos, é altamente recomendável que o gabinete tenha um duto lateral. Esse duto não precisa ter ventilador próprio, que às vezes pode até atrapalhar. O próprio cooler do processador, estando alinhado com o duto, provocará a entrada de ar.

O Pentium D possui dual core (dois processadores reais) ao invés da tecnologia HT (dois processadores virtuais). Já o Pentium Extreme Edition (não confundir com o modelo antigo, chamado Pentium 4 Extreme Edition) tem dois núcleos, cada um deles operando com HT. Este processador é visto então pelos programas como quatro processadores.

Esses foram os primeiros processadores dual core lançados pela Intel, em meados de 2005, e ainda à venda no início de 2007, mesmo depois do lançamento dos novos processadores com arquitetura Core. São como dois processadores independentes, dentro do mesmo encapsulamento. No início esses processadores eram muito caros, mas seus preços diminuíram bastante desde o seu lançamento. O Pentium D de 2.8 GHz já era vendido no início de 2007 por menos de 300 reais.

Imagine um processador Pentium 4 de 3.2 GHz e cache L2 de 1 MB. Agora imagine dois processadores iguais a este, dentro de um único chip. Este é processador Intel Pentium D. São dois processadores totalmente independentes, possibilitando a construção de um computador que até então só era possível com o uso de placas mãe “biprocessadas”, ou seja, com soquetes para dois processadores. A figura 33 mostra os dois núcleos do processador Pentium D. São mais de 200 milhões de transistores, formando dois núcleos iguais.

O outro modelo de processador Intel com dual core é o Pentium Extreme Edition (não confundir com o Pentium 4 Extreme Edition). Tanto o Pentium D como o Pentium Extreme Edition usam o encapsulamento LGA 775.

A tabela abaixo mostra os modelos disponíveis do Pentium D e do Pentium Extreme Edition, até o início de 2007. Uma tabela atualizada pode sempre ser obtida em:

Todos os modelos de Pentium D e Pentium Extreme Edition usam o Socket LGA 775. O tamanho da cache L2 pode variar: duas seções de 1 MB ou duas seções de 2 MB. O processo de fabricação era inicialmente o de 90 nm, mas depois foram lançados modelos de 65 nm.

Ao comprar qualquer processador, temos que verificar além do preço e do clock interno, dois outros fatores muito importantes:

Um processador com cache de 4 MB, por exemplo, tende a levar vantagem sobre outro com 2 MB. A questão da potência elétrica dissipada é muito importante. É difícil manter um processador que dissipa 130 watts operando em uma temperatura segura. É preciso usar um cooler especial e um gabinete muito bem ventilado. Já um processador que dissipa 95 watts é mais fácil de manter a uma temperatura segura. Observe por exemplo o Pentium D de 3.2 GHz, modelo 940. Vemos que existem dois tipos, um que dissipa 95 watts e um que dissipa 130 watts. Esses processadores são iguais em todas as características, exceto na dissipação de calor. Portanto é preferível comprar o modelo que dissipa 95 watts. Em caso como este, indicamos na tabela o S-Spec number (SL95W, SL94Q, etc). Esse número está estampado na face superior do processador, e também pode ser localizado no código impresso na caixa do produto.

O S-Spec# é um código de 5 dígitos, sempre começando com “S”. Na caixa do processador, faz parte do código do produto. Na figura 36 temos:

Os cinco últimos dígitos indicam o S-Spec#, no exemplo é SL7PW. Você pode usar essa informação para decidir sobre uma compra, “desempatando” entre modelos com características mais desejáveis, como a menor dissipação de potência elétrica.

Para usar esses processadores é preciso ter uma placa mãe com um chipset que os suporte. Este é o caso dos novos chipsets Intel 955X, 945P e 945G. Isto significa que se você tem uma placa mãe com soquete LGA 775, mas baseada na primeira geração de chips com este formato (915 e 925), não poderá instalar os novos processadores duais, pois é preciso comprar uma nova placa mãe com um dos novos chipsets. Chipsets Intel de gerações mais novas, como os das séries 965 e 975 também suportam o Pentium D e o Pentium Extreme Edition. Seja qual for o caso, é preciso consultar os sites dos fabricantes de placas mãe para saber exatamente quais são os processadores suportados por uma placa mãe. As informações do manual não são suficientes, pois a placa pode suportar novos processadores que não existiam na época em que foi impresso o seu manual. Em alguns casos pode ser necessário fazer uma atualização de BIOS para garantir o suporte a novos processadores.

Processadores Pentium D e Pentium Extreme Edition eram baseados no “velho” núcleo do Pentium 4, lançado em 2000. Esse núcleo usava a arquitetura chamada Intel Netburst. Apesar dos clocks serem elevados, essa arquitetura era menos eficiente que as usadas de outros processadores contemporâneos, como o Athlon e o Pentium M (plataforma Centrino, para notebooks). Por isso um Pentium 4 precisava operar com clock muito elevado para ter bom desempenho. Um Pentium 4 de 3.2 GHz tinha um desempenho próximo do de um Athlon 64 3200, que opera com apenas 2.0 GHz.

Em 2006 a Intel criou a nova arquitetura Core, baseada no núcleo do Pentium M, para substituir a arquitetura Netburst, que já completava seis anos. O Pentium D e o Pentium Extreme Edition usavam núcleos Netburst. Os novos processadores Core 2 Duo, Core 2 Quad e Core 2 Extreme usam a nova arquitetura Core, muito mais eficiente que a NetBurst.

O Pentium D e o Pentium Extreme Edition são na verdade formados por dois núcleos de Pentium 4, interligados e encapsulados juntos. A figura 37 ilustra um waffer de silício, no qual são fabricadas as pastilhas (die) que formam os núcleos dos processadores. Duas pastilhas, normalmente do mesmo waffer, são reunidas em um só processador.

O ponto mais interessante dos processadores duais de arquitetura Core é que foram projetados duais desde o início. Cada pastilha (die) independente já é uma dupla de núcleos, interligados a uma cache L2 compartilhada. Cada núcleo usa a princípio a metade da cache L2, mas um núcleo pode usar parte da cache do outro núcleo. O resultado é um melhor aproveitamento da cache, e maior desempenho.

Cada pastilha de silício do Core 2 Duo (figura 38) integra dois núcleos. Processadores de quatro núcleos (Core 2 Quad e Core 2 Extreme) são formados por duas dessas pastilhas integradas no mesmo chip, formando quatro núcleos (figura 39).

Os processadores multicore da Intel, baseados na arquitetura Core, foram projetados levando em conta a redução do consumo de energia, usando técnicas antes empregadas em processadores para notebooks. Por exemplo, circuitos internos do processador que estão momentaneamente sem uso são desligados, e ligados rapidamente quando são solicitados.

Processador	Potência
Pentium D, 2.8 GHz	95 watts
Pentium D, 3.0 GHz	130 watts
Pentium D, 3.2 GHz	130 watts
Pentium Extreme Edition 3.2 GHz	130 watts

Identificação	Clock interno	Clock externo	Cache L2	Processo	Potência
805	2.66 GHz	533 MHz	2 x 1 MB	90 nm	95 watts
920	2.8 GHz	800 MHz	2 x 2 MB	65 nm	95 watts
820	2.8 GHz	800 MHz	2 x 1 MB	90 nm	95 watts
915	2.8 GHz	800 MHz	2 x 2 MB	65 nm	95 watts
930	3.0 GHz	800 MHz	2 x 2 MB	65 nm	95 watts
925	3.0 GHz	800 MHz	2 x 2 MB	65 nm	95 watts
830	3.0 GHz	800 MHz	2 x 1 MB	90 nm	130 watts
935	3.2 GHz	800 MHz	2 x 2 MB	65 nm	95 watts
940 (SL94Q)	3.2 GHz	800 MHz	2 x 2 MB	65 nm	130 watts
940 (SL95W)	3.2 GHz	800 MHz	2 x 2 MB	65 nm	95 watts
840	3.2 GHz	800 MHz	2 x 1 MB	90 nm	130 watts
945	3.4 GHz	800 MHz	2 x 2 MB	65 nm	95 watts
940 (SL9K8, SL95V)	3.4 GHz	800 MHz	2 x 2 MB	65 nm	95 watts
940 (SL94P)	3.4 GHz	800 MHz	2 x 2 MB	65 nm	130 watts
960 (SL9K7)	3.6 GHz	800 MHz	2 x 2 MB	65 nm	95 watts
960 (SL9AP)	3.6 GHz	800 MHz	2 x 2 MB	65 nm	130 watts

Identificação	Clock interno	Clock externo	Cache L2	Processo	Potência
840	3.20 GHz	800 MHz	2 x 1 MB	90 nm	130 watts
955	3.46 GHz	1066 MHz	2 x 2 MB	65 nm	130 watts
965	3.73 GHz	1066 MHz	2 x 2 MB	65 nm	130 watts

Modelo	Clock interno	FSB	Cache L2	Processo	Potência
Core 2 Duo E4300	1.80 GHz	800 MHz	2 x 1 MB	65 nm	65 watts
Core 2 Duo E6300	1.86 GHz	1066 MHz	2 x 1 MB	65 nm	65 watts
Core 2 Duo E6400	2.13 GHz	1066 MHz