CPUs, GPUs e NPUs são tipos de processadores usados em eletrônicos de consumo, como celulares; entenda quais são as principais arquiteturas e demais atributos destes componentes
Processadores servem para controlar funções e executar operações em smartphones, PCs, câmeras e outros eletrônicos. Chips especializados, como GPUs e NPUs, podem realizar cálculos, processar gráficos, treinar inteligências artificiais, entre outras tarefas, enquanto uma CPU é um processador de uso geral.
Os processadores são definidos por suas propriedades, incluindo litografia, quantidade de núcleos, velocidade do clock, arquitetura e conjunto de instruções. A seguir, entenda mais sobre os principais tipos de processadores presentes em eletrônicos de consumo, os atributos em comum e suas respectivas funções.
CPU (Unidade Central de Processamento), GPU (Unidade de Processamento Gráfico), NPU (Unidade de Processamento Neural) e ISP (Processador de Sinal de Imagem) são alguns dos principais tipos de processadores encontrados em celulares, câmeras e computadores.
A CPU serve para executar instruções gerais de programas, funcionando como o “cérebro” do computador. Ela é dividida em três componentes principais: a Unidade Lógica Aritmética (ULA), a Unidade de Controle (UC) e os Registradores. Por ser a unidade central de processamento, é muitas vezes chamada apenas de “processador”.
A GPU serve para processar gráficos de forma eficiente, sendo fundamental para renderização de jogos, edição de vídeo e outras aplicações visuais. Baseia-se no processamento paralelo para executar múltiplas operações gráficas simultaneamente e pode ter centenas ou milhares de núcleos de processamento independentes.
A NPU serve para acelerar tarefas relacionadas à inteligência artificial, como deep learning, redes neurais e visão computacional em celulares e computadores. Também chamada de Unidade de Processamento Inteligente (IPU), pode melhorar a qualidade de imagens em Smart TVs por meio de uma técnica conhecida como upscaling.
Um DSP serve para processar sinais digitais, como áudio e vídeo, em tempo real. É útil em aplicações como codificação e decodificação de vídeos de alta resolução, cancelamento ativo de ruído (ANC) em fones de ouvido e filtros de melhoria de qualidade de imagem.
Um ISP serve para processar as imagens capturadas por câmeras. Trabalha em conjunto com outros processadores do SoC (System-on-a-chip), como o DSP e a CPU, para gerenciar as cores, reduzir o ruído e melhorar a nitidez das cenas fotografadas e filmadas pelo celular, notebook, câmera digital e outros eletrônicos com sensores de imagem.
Litografia é a tecnologia de fabricação usada na produção de um semicondutor, como um processador de silício. Ela afeta diretamente fatores como a densidade de transistores, a velocidade de processamento, a eficiência energética e o gerenciamento de calor do chip.
A litografia de um processador é expressa em nanômetros (nm). Quanto menor o valor em nanômetros, maior tende a ser o número de transistores dentro do processador em uma mesma área física.
Transistores são componentes semicondutores, normalmente feitos de silício, que controlam a corrente elétrica. Em um processador, transistores agem como interruptores, controlando o fluxo de eletricidade e, consequentemente, a execução das instruções e dos cálculos.
A arquitetura de um processador se refere ao projeto do chip e à forma como ele processa os dados. Há dois tipos de arquiteturas: a von Neumann, mais comum em processadores modernos, e a Harvard.
O conjunto de instruções se refere às operações que o processador é capaz de executar. Pode ser do tipo RISC (Reduced Instruction Set Computer), que se baseia em instruções simplificadas e em menor quantidade, ou CISC (Complex Instruction Set Computing), que traz instruções mais complexas para aplicações específicas.
O conjunto de instruções é uma parte da arquitetura que especifica quais operações um processador pode executar. Uma instrução pode ser uma operação de soma, subtração, multiplicação e divisão, ou um comando para carregar e armazenar dados.
A arquitetura do conjunto de instruções (ISA) serve como ponte entre o hardware e o software do computador. Um programa deve ser escrito de acordo com as especificações da ISA para que seja executado de maneira nativa, com a maior eficiência possível, sem necessidade de técnicas como emulação ou virtualização.
A microarquitetura é a forma como a ISA é implantada no processador. Chips diferentes podem ter a mesma ISA e entender o mesmo conjunto de instruções. No entanto, se tiverem microarquiteturas diferentes, eles executarão as instruções de maneiras diferentes, o que interferirá no desempenho e na eficiência energética.
A diferença entre RISC e CISC está na abordagem do conjunto de instruções:
Ou seja, RISC é um tipo de arquitetura de processador com um conjunto menor e mais simples de instruções, enquanto o CISC possui um conjunto maior e mais complexo de instruções.
A diferença entre Arm e x86 é o conjunto de instruções. Processadores Arm são facilmente encontrados em dispositivos móveis e são projetados com ênfase em eficiência energética, enquanto os modelos x86 são comuns em desktops e servidores, nos quais o desempenho bruto é mais importante.
A diferença entre processadores de 64 bits e 32 bits está no endereçamento de memória e no processamento de dados. Um chip de 32 bits pode endereçar até 4 GB (232 bytes) de memória e processar dados em pedaços de 32 bits. Já um chip de 64 bits pode endereçar até 18,4 EB (264 bytes) de memória e processar dados em pedaços de 64 bits, o que permite maior desempenho em operações complexas.
O clock do processador estabelece o número de ciclos que o chip executa em um segundo. É medido em Hertz (Hz), geralmente na escala de megahertz (MHz) ou gigahertz (GHz). Quanto maior a frequência, mais operações um processador pode executar a cada segundo, o que tende a aumentar seu desempenho.
Overclock é a prática de aumentar o clock de um processador além do limite pré-estabelecido pela fabricante. Quando uma CPU com clock base de 3 GHz é configurada pelo usuário para operar a 4 GHz, dizemos que foi realizado um overclock.
O overclock pode elevar o consumo de energia e a temperatura do processador. Se o sistema de resfriamento for insuficiente para atender à frequência mais alta, o chip pode ser danificado permanentemente.
O núcleo do processador, também chamado de “core”, é responsável por executar as operações e cálculos em um computador. Cada núcleo físico ou virtual de um chip pode operar de maneira independente, o que permite executar múltiplas tarefas simultaneamente e melhora o desempenho.
A tecnologia multicore permite que um processador tenha múltiplos núcleos. São exemplos os processadores quad-core (4 núcleos) e octa-core (8 núcleos), comuns em dispositivos como smartphones e notebooks. O objetivo do multicore é aumentar a velocidade de processamento ao executar mais de uma operação ao mesmo tempo.
Threads de um processador são sequências de instruções que fazem parte de um processo principal. Um programa é organizado em processos, e cada processo é dividido em threads. Quando um processador suporta multithreading, ele pode executar dois ou mais threads simultaneamente, o que melhora o desempenho.
Hyper-Threading (HT) é a tecnologia de multithreading simultâneo da Intel que aumenta a eficiência ao permitir que cada núcleo físico da CPU execute dois threads ao mesmo tempo. Foi lançado pela primeira vez em um processador doméstico em novembro de 2002, no Pentium 4 HT de microarquitetura Northwood.
O nome Hyper-Threading é de propriedade da Intel, mas há outras fabricantes que usam tecnologias similares, como o AMD Simultaneous Multi-Threading (SMT), presente na família de microarquiteturas Zen.
TDP (Thermal Design Power) representa a quantidade máxima de calor que um processador gera em condições normais. É expresso em watts (W) e serve para entender as necessidades de resfriamento de um chip, como uma CPU em um notebook ou uma GPU em uma placa de vídeo. Saber o TDP é importante para evitar o superaquecimento do chip.
Microprocessador é um circuito integrado compacto que executa operações lógicas e cálculos matemáticos. O nome é comumente usado para se referir à Unidade Central de Processamento (CPU), que é o principal responsável por executar programas em um computador.
O primeiro microprocessador, Intel 4004, foi inventado por uma equipe de engenheiros da Intel composta por Ted Hoff, Federico Faggin e Stanley Mazor.
O Intel 4004 foi anunciado em 15 de novembro de 1971. Ele foi o primeiro microprocessador vendido ao público, por US$ 60 em valores da época.
O Intel 4004 tinha clock de 740 a 750 kHz (kilohertz) e arquitetura BCD de 4 bits. Era fabricado em um processo de 10 micrômetros, ou 10.000 nanômetros, e tinha 2.300 transistores mais finos que um fio de cabelo. Processadores modernos podem ter bilhões de transistores com 5 nanômetros ou menos.
O chip foi usado na calculadora Busicom 141-PF, que tinha memória, 4 funções (soma, subtração, multiplicação e divisão) e impressão de resultados com até 15 dígitos.
A Lei de Moore é uma observação feita por Gordon E. Moore, cofundador da Intel, em 1965. A versão mais atualizada da previsão dizia que o número de transistores em um processador dobraria a cada 2 anos, ou seja, o desempenho dos chips evoluiria de forma exponencial.
A previsão está sendo desafiada nos últimos anos porque a miniaturização dos transistores está se aproximando dos limites físicos. À medida que se eles se tornam tão pequenos quanto átomos, surgem problemas técnicos que dificultam a continuidade da miniaturização no mesmo ritmo das últimas décadas.
Não, pois processadores de notebooks geralmente são soldados diretamente na placa-mãe e têm soquete diferente das CPUs para desktops, que são especificamente projetadas para serem removíveis e substituíveis.
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