Finalmente foi lançado o novo Pentium 4 com núcleo Prescott, inaugurando o processo de fabricação de 90 nanometros. Além de possibilitar a criação de chips ainda mais velozes, chegando provavelmente a 4 GHz ainda este ano, o novo processo traz esses processadores para os micros de custo moderado. Logo serão comuns os PCs com processadores de 3 GHz.

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Os tipos de Pentium 4

Processadores são formados por milhões de minúsculos transistores. Normalmente a cada dois anos, os principais fabricantes adotam uma nova tecnologia que permite produzir transistores 30% menores que os da geração anteriores, o que é mesmo que dizer que, a cada quatro anos, os transistores têm seu tamanho reduzido à metade. O tamanho desses transitores é medido em microns (1 micron = 0,001 mm), ou em nanometros (1 nm = 0,000001 mm). A Intel acaba de inaugurar seu processo de 90 nm nos seus novos processadores Pentium 4. Esta é a terceira geração de processadores Pentium 4, seu núcleo é denominado Prescott. A tabela abaixo mostra as três gerações presentes até agora.

A adoção do processo de 130 nm permitiu o aumento da cache L2, que passou de 256 kB para 512 kB. Posteriormente foram introduzidos outros melhoramentos, como a tecnologia HT (Hyper-Threading) e FSB de 533 e 800 MHz. Com o novo processo de 90 nm, novos melhoramentos foram feitos, entre eles o mais significativo, o aumento da cache L2, passando de 512 kB para 1 MB, o que resulta em um bom aumento no desempenho do processador, sobretudo quando são executados programas grandes e quando são executados múltiplos programas simultaneamente. Até pouco tempo atrás, caches de 1 MB eram encontradas apenas em processadores utilizados em servidores de alto desempenho.

O Pentium 4 com núcleo Prescott está sendo lançado com clocks de 2.8, 3.0, 3.2 e 3.4 GHz, todos com Hyper-Threading Technology (exceto o modelo 2.80A), cache L2 de 1 MB e FSB de 800 MHz. O modelo 2.80A está disponível com FSB de 533 MHz e sem HT, para upgrade em placas de CPU que não operam com 800 MHz e/ou não suportam HT. Além desses processadores, estão sendo também lançados outros dois modelos de alto desempenho, ainda baseados no processo de 130 nm (núcleo Northwood). São eles o Pentium 4 HT de 3.4 GHz (FSB 800 MHz, cache L2 de 512 kB e HT) e o Pentium 4 Extreme Edition (FSB 800 MHz, cache L2 de 512 kB, cache L3 de 2 MB e HT). 

A tabela que se segue resume as características dos modelos que estão sendo lançados:

Compatibilidade com placas de CPU

As placas de CPU equipadas com chipsets 865 e 875, muito vendidas ao longo de 2003 e encontradas com facilidade no comércio brasileiro, suportam esses novos processadores Pentium 4. Entretanto é preciso checar a compatibilidade para ter certeza absoluta. Fabricantes de placas de CPU normalmente recebem amostras de novos processadores muito antes do seu lançamento, para avaliação e compatibilização. Os novos processadores Pentium 4 possuem características de FSB e voltagens similares às dos modelos lançados ao longo de 2003, portanto a compatibilidade é quase automática. Ainda assim cheque a compatibilidade usando o link abaixo. 

http://www.intel.com/go/boards  

Basta indicar o processador desejado, o fabricante da placa e outras características, se quiser restringir a busca. Serão listadas as placas existentes e as suas características. É bom verificar no site do fabricante da placa de CPU em questão se é necessário  realizar alguma atualização de BIOS. A lista será aumentada à medida em que os fabricantes realizam novos testes com suas placas e os processadores recém lançados. Também é possível checar a compatibilidade diretamente no site do fabricante da placa mãe. Note que esses testes podem demorar algumas semanas a ficarem totalmente prontos, portanto você poderá ficar algum tempo sem saber se a sua atual placa de CPU é compatível com os novos processadores. Mas a probabilidade de existir compatibilidade é muito grande, já que as características de voltagem e clock externo dos novos processadores são compatíveis com as dos existentes em 2003. 

Os chipsets que suportam os novos processadores são o 875P e todos os da família 865. Veja o artigo publicado neste site sobre esses chipsets. 

Transistores e potência

Os processadores Pentium 4 HT até então existentes tinham 55 milhões de transistores. O Prescott tem 125 milhões de transistores, devido à sua cache L2 com 1 MB, contra 512 MB da geração anterior. Portanto o número de transistores mais que dobrou, e mesmo com a redução no tamanho desses transtores, temos um aquecimento maior no processador. Este aquecimento poderá reduzir em novas versões lançadas nos próximos dois anos com a redução da voltagem de alimentação e o aperfeiçoamento do processo de produção, mas por enquanto a realidade é que tanto o Prescott quanto o Extreme Edition são chips mais quentes que os modelos anteriores do Pentium 4. Gabinetes de bom tamanho (midi torre), com sistema de ventilação auxiliar (dois exaustores traseiros, sendo um deles na fonte de alimentação e um instalado no gabiente) e cabos organizados no interior para não atrapalhar o fluxo de ar), provavelmente dissiparão este calor adicional sem problemas. A tabela abaixo mostra a potência máxima dissipada por cada um dos chips novos e dos modelos da geração anterior. Os novos modelos Prescott estão indicados em azul, o novo modelo de 3.40 HT Northwood está indicado em verde, e o novo modelo Extreme Edition está indicado em vermelho.

Os novos modelos Prescott dissipam cerca de 25% mais calor que os anteriores, por conta da sua cache L2 de 1 MB. Os modelos de 2.8 e 3 GHz exigem operar com uma temperatura máxima sensivelmente menor que as dos seus antecessores. Portanto os cuidados com a refrigeração do gabinete e do processador devem ser redobrados. Um sistema mal projetado termicamente pode resultar em superaquecimento. 

Em função dos maiores cuiados com o aquecimento, duas modificações foram feitas para permitir o bom funcionamento dos novos processadores:

a) Os coolers para Pentium 4 têm agora uma nova constituição que melhora a dissipação de calor (ver figura abaixo)

b) A temperatura máxima para o interior dos gabientes, que era padronizada em 42°C, foi reduzida para 38°C. 

Note que um sistema termicamente mal projetado chega facilmente a temperaturas acima de 50°C. São os casos de micros montados em gabientes pequenos (mini-torre), tipicamente os que têm a fonte de alimentação obstruindo o processador, sem exaustor traseiro adicional e com cabos flat desorganizados no seu interior, dificultando a circulação do ar e retardando a expulsão do calor. À medida em que aumenta a temperatura do interior do gabinete, a temperatura do processador pode facilmente chegar a valores extermos, ultrapassando o máximo permitido. Um bom projeto térmico garantirá uma temperatura máxima de 38°C no gabinete, permitindo ao processador operar em uma temperatura mais baixa. 

É altamente recomendável que o gabinete possua um duto lateral para a coleta de ar frio externo, direcionado para o processador. A figura abaixo mostra este duto, presente em muitos gabinetes atuais. Não é necessário que exista um ventilador instalado neste duto, mas se constatarmos que a temperatura ainda está alta, devemos instalar um ventilador neste duto, puxando o ar frio de fora do gabiente para dentro, direcionando o ar sobre o processador. 

Melhoramentos na microeletrônica

O principal melhoramento introduzido no Prescott foi a redução do tamanho dos transistores, de 130 nm para 90 nm. A figura abaixo mostra os dois casos. Note que os transistores de 130 nm da geração anterior possuem um canal interno com 70 nm, enquanto os novos, de 90 nm, possuem um canal interno com 50 nm. 

Reduzir o tamanho dos transistores não é apenas uma questão de miniaturização. É preciso levar em conta outros efeitos, e utilizar novos materiais. São conceitos e novas técnicas de física e química empregados na fabricação de chips. Um novo recurso é o "esticamento" da estrutura molucular dos cristais de silício, permitindo uma melhor mobilidade dos elétrons, o que resulta em resistência menor, e em conseqüência, menor aquecimento. 

A figura acima mostra a técnica. O cristal de silício normal possui ligações qúimicas simétricas nas direções X, Y e Z. O esticamento (strain) consiste em modificar a estrutura para permitir um movimento mais rápido nas direções X e Z, em detrimento da redução da mobilidade na direção Y. Como nos minúsculos transistores, a corrente elétrica trafega mesmo nas direções X e Z, temos uma sensível redução na resistência e no calor gerado. Na figura abaixo vemos a região onde trafega a corrente elétrica do transistor, formada pelo silício esticado. 

Os transistores que formam os chips são construídos de três materiais: metal, óxido e semicondutor. O metal é o cobre, o semicondutor é o silício, e o óxido é o isolante que separa o metal do semicondutor. A Intel desenvolveu um processo para sobstituir o óxido de silício (SiO2) por um óxido dopado de carbono (CDO) que possui baixa permeabilidade elétrica (low-k). Com este material é possível controlar a corrente principal do transistor sem apresentar fuga de corrente na porta de controle (gate), o que reduz o aquecimento. 

Melhoramentos na arquitetura interna

Juntamente com a miniaturização, o núcleo Prescott sofreu vários melhoramentos na sua arquitetura interna. O simples aumento de clock produz aumento de desempenho, mas melhoramentos na arquitetura interna também produzem um efeito positivo. Veja quais foram as modificações introduzidas no Prescott:

Cache L2 com 1 MB - A cache L2 ocupa uma boa parte da área do chip, bem como a cache L3, quando existente, como no caso do Pentium 4 Extreme Edition. A maior parte do aumento no número de transistores, de 55 milhões para 125 milhões, fica por conta do aumento nesta cache L2. A cache L2 maior beneficia processamentos em que vários programas são executados ao mesmo tempo, ou em que os programas em execução são muito grandes. O aumento da cache por si só não traz aumento de desempenho, mas permite que o aumento seja proporcional à elevação do clock. Lembre-se que mesmo quando o clock interno do processador aumenta, a velocidade da memória externa permanece constante, o que contribuiria para reduzir o aumento de desmpenho. As caches L1 e L2 contribuem para anular esta queda. 

Cache L1 passou para 16 kB de dados - O uso da tecnologia Hyper-Threading consiste em permitir a entrada de instruções de dois programas simultâneos no processador. O fluxo de instruções e de dados tende a ser duas vezes maior, por isso o aumento das caches é oportuno. O Pentium 4 tinha então a cache L1 formada por duas seções: uma para dados, com 8 kB, e uma para instruções (programas), com capacidade para 12.000 micro-operações. Esta cache L1 para instruções foi mantida, mas a cache L1 para dados teve seu tamanho dobrado, de 8 kB para 16 kB. 

13 novas instruções SSE (SSE3) - As extensões do conjunto de instruções dos processadores Intel começaram com o MMX (Pentium MMX, em 1997), seguidas pelo SSE (Pentium III, 1999) e pelo SSE2 (Pentium 4, em 2000). O novo Pentium 4 de núcleo Prescott oferece mas 13 novas instruções (SSE3) para processamento de áudio e vídeo, permitindo que os criadores de software otimizem seus programas, passando a realizar operações complexas, como compressão e descompressão de vídeo, de forma mais rápida. 

Melhoramentos no HT - Pequenas alterações na arquitetura do processador permitiram o uso mais eficiente da tecnologia Hyper-Threading. Na implementação original, certas situações não permitiam a execução simultânea dos dois programas. Dois programas entravam no processador, mas se um programa utilizasse um recurso único, não duplicado, o outro programa teria que esperar a sua vez. Essas esperas são de cerca de bilionésimos de segundo, mas ao longo do tempo resultavam em pequena queda de desempenho. O HT não dobra o desempenho do processador, pois na verdade não existem dois processadores. Este segundo "processador virtual" é conseguido na verdade com o aproveitamento do tempo ocioso no interior do processador. Otimizações no processo permitiram o uso mais eficiente do HT, reduzindo as situações em que um processo precisa esperar pelos recursos do processador. O ganho de desempenho conseguido com essas otimizações foi de cerca de 8 a 9%, em comparação com um Pentium 4 anterior, de mesmo clock, usando o HT original. 

FPU melhorada - Melhoramentos na unidade de ponto flutuante foram feitos, permitindo a realização de cálculos complexos mais rapidamente, o que beneficia aplicações como compressão de áudio e vídeo, bem como a geração de imagens 3D. Processamento de imagem e todas as aplicações que fazem o uso intenso de cálculos complexos são sensivelmente beneficiadas. 

Extreme Edition

Com este lançamento, passam a existir duas versões do Pentium 4 Extreme Edition: 3.2 GHz e 3.4 GHz. Esta versão é voltada para PCs de altíssimo desempenho, seu custo é superior ao dos modelos Prescott. As características do Extreme Edition são:

Processo de 0,13µ
Núcleo Northwood
Hyper-Threading
FSB de 800 MHz
Cache L2 de 512 kB
Cache L3 de 2 MB

É preciso tomar cuidado ainda maior na escolha da fonte e do gabinete. Os dois modelos de Pentium 4 Extreme Edition dissipam 92 e 103 watts, respectivamente, e para que funcionem bem é preciso ter uma boa ventilação. Não tem sentido adquirir um processador caro e utilizar um gabinete de 100 reais. 

Note que o custo dos processadores Extreme Edition é elevado para o grande público. Sua fatia de mercado é formada pelos PCs topo de linha. Seu mérito entretanto é o de todo processador campeão de velocidade: a certeza de que algum tempo depois, seu patamar de desempenho será atingido pelos processadores médios e de custo inferior. 

90 nm na evolução dos chips

A redução do tamanho dos transistores é um processo natural na evolução dos chips. A cada dois anos é inaugurado um novo processo de fabricação. A Intel segue à frente neste processo pois realiza pesquisas na área de microeletrônica. As técnicas desenvolvidas são depois de algum tempo (normalmente um ano), implementadas por outros fabricantes. A tabela que se segue mostra o tamanho dos transistores empregados nos chips Intel nos últimos anos, bem como a previsão dos novos processos para os próximos anos.  

O processo de 90 nm acaba de entrar em escala industrial, mas os processos seguintes já estão em estágios avançados de pesquisa. Em 2001, nos laboratórios da Intel, já foram produzidos transistores experimentais com 15 nm, entretanto é preciso aperfeiçoar o processo para permitir a produção em escala industrial, o que demora muitos anos. Não sabemos as datas exatas para lançamento, nem que nomes terão os novos processadores, mas uma coisa é certa: eles serão produzidos. As pesquisas apontam para, por volta de 2009, a chegada dos processadores com clocks de 15 a 20 GHz. 

A figura abaixo mostra os núcleos dos processadores Pentium 4 Willamette e Northwood. Note que o núcleo do Northwood é menor, por conta da redução do tamanho dos transistores, de 0,18µ para 0,13µ. Observe entretanto na parte direita de ambos os núcleos, os circuitos que formam a cache L2. O Northwood tem 512 kB, contra 256 kB do Willamette. 

Pentium 4, núcleo Willamette, 0,18µ

Pentium 4, núcleo Northwood, 0,13µ

Na figura abaixo vemos novamente o núcleo Northwood e o novo núcleo Prescott. O tamanho dos transistores foi reduzido, entretanto o seu número passou de 55 milhões para 125 milhões, principalmente por conta da cache L2, que tem agora 1 MB. Observe esta cache maior na parte direita do núcleo Prescott. Outros melhoramentos introduzidos no Prescott também resultaram em aumento do seu núcleo. 

Pentium 4, núcleo Northwood, 0,13µ

Pentium 4, núcleo Prescott, 0,09µ