O que é uma CPU? A CPU ou Unidade Central de Processamentoé o cérebro de processamento de números de um computador. Tudo o que um computador faz, de reproduzir videogames a ajudá-lo a escrever um ensaio, é dividido em um conjunto de instruções matemáticas. A CPU pega essas instruções e as executa.
Os detalhes de como isso é feito, é claro, são muito mais complicados do que essa simples explicação. A coisa mais importante que você precisa saber é que a CPU é o principal mecanismo matemático de um computador.
O (extremamente) breve histórico das CPUs
A história da computação é longa e complexa. Ele também remonta à história do que a tecnologia digital, a eletrônica ou até a eletricidade. Um ábaco é uma espécie de processador. O mesmo acontece com as calculadoras mecânicas. A grande diferença é que essas máquinas podem executar apenas uma ou algumas tarefas matemáticas. Eles não são processadores de uso geral, dos quais a CPU moderna é um exemplo.
O que faz de uma CPU um dispositivo de cálculo de uso geral é o uso da lógica. Em 1903, Nikola Tesla patenteou circuitos elétricos conhecidos como portões e interruptores. Usando esses circuitos, você pode construir dispositivos que executam operações lógicas, onde você pode fazer com que a máquina atue em determinadas condições.
Em meados do final da década de 1940, William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain inventaram e patentearam um dispositivo chamado transistor, enquanto trabalhavam nos Laboratórios Bell. O transistor é o componente básico de uma CPU. Transistores são componentes de computador relativamente pequenos. O transistor é uma invenção tão importante que os três inventores receberam um Prêmio Nobel por isso.
No final dos anos 50, Robert Noyce e Jack Kilby deram um grande passo adiante e criaram o primeiro circuito integrado em funcionamento. Um circuito integrado é um conjunto de circuitos eletrônicos integrados em uma única peça de material semicondutor. Na maioria dos casos, esse material é silício. É isso que as pessoas querem dizer quando dizem "microchip".
In_content_1 all: [300x250] / dfp: [640x360]->Uma CPU consiste em um ou mais microchips. Esta é uma invenção importante porque bilhões de transistores podem ser empacotados em uma única CPU. Isso cria mecanismos matemáticos incrivelmente poderosos.
Usando as invenções de portas lógicas, transistores e circuitos integrados, o mundo inteiro mudou. Atualmente, os microchips estão em tudo, não apenas no seu computador. E as CPUs são os microchips de uso geral mais avançados que podemos fabricar.
Como as CPUs funcionam?
Todo o princípio de uma CPU é baseado no código binário. Os seres humanos tendem a representar números usando um sistema chamado base 10ou o sistema decimal. Os valores dos locais de cada dígito em um número aumentam em um fator de dez. Portanto, "111" contém cento, dez e um.
Os computadores e suas CPUs não conseguem entender a base 10. Os transistores trabalham com o princípio de estar ligado ou desligado. O que significa que as portas lógicas que você constrói a partir delas também podem funcionar apenas com esses dois estados. É por isso que, fundamentalmente, as CPUs são executadas no código binário. Este sistema numérico possui diferentes valores de local. Em vez disso, se 1, 10, 100, 1000 e assim por diante, os valores dos locais são 1,2,4,8,16,32,64,128 e assim por diante.
Assim, no binário "111" seria 7 em números decimais. Desde que você adicione 1,2 e 4 juntos. Se algum dos números for zero, basta pular e adicionar o valor da posição do próximo 1. Dessa forma, você pode expressar qualquer valor decimal. Observe que os números binários costumam ser lidos da direita para a esquerda, para que o valor da posição "1" fique na extrema direita.
Vamos colocá-lo em uma tabela para deixar claro:
Você consegue ver por que soma o número 7 em decimal? Vamos fazer o número 23:
Então 111 é "7", mas "11101" é 23 porque o valor do quinto lugar no binário é 16. Muito legal, certo? Você pode expressar qualquer número possível que possa ser escrito em decimal dessa maneira. O que significa que os computadores construídos a partir de transistores também podem funcionar com qualquer número.
Como são feitas as CPUs?
O processo de produção das CPUs modernas também é, como seria de esperar, bastante complexo . O processo básico envolve o crescimento de grandes cilindros de cristal de silício. Suas propriedades de semicondutores o tornam ideal para a construção de um circuito integrado binário.
Esses cristais grandes são cortados em bolachas finas. As bolachas são então dopadas com outro produto químico para afinar suas propriedades. O circuito em nanoescala é gravado na superfície da bolacha usando a luz usando um processo conhecido como fotolitografia.
Design e desempenho da CPU
As CPUs não são todas feito igual. O primeiro ancestral adequado da CPU moderna, o Intel 8086, tinha cerca de 29.000 transistores em seu circuito integrado. Hoje, um processador como o Intel i99900K possui pouco mais de 1,7 bilhão de transistores. Quanto mais densos os circuitos lógicos de uma CPU, mais complexo e maior o número de instruções que ele pode executar por ciclo de clock.
Espere, "ciclo do relógio"? Sim, esse é o outro componente principal do desempenho da CPU. Uma CPU é executada em uma frequência específica, com cada pulso do relógio da CPU, um ciclo de cálculos é feito. Se você pegar a mesma CPU e dobrar a velocidade do relógio, então (em teoria), ela deve executar duas vezes mais rápido.
Esse Intel 8086 de 1978 funcionava a 5Mhz quando foi lançado. São cinco milhões de ciclos de relógio por segundo. O Intel i9-9900K? começaem 3,6 Ghz. São 3600 Mhz, com a opção de aumentar as coisas em até 5000 Mhz quando possível.
Para adicionar mais uma ruga no desempenho da CPU, CPUs modernas, na verdade, contêm vários "núcleos". Cada núcleo é realmente uma própria CPU independente. É comum ter pelo menos quatro desses núcleos hoje em dia, mas ultimamente a norma é que os computadores comuns tenham seis ou oito núcleos. Computadores profissionais de última geração podem ter na região de 100 núcleos de CPU.
Ter múltiplos núcleos significa que a CPU pode executar vários conjuntos de instruções em paralelo. O que significa que nossos computadores podem fazer muitas coisas ao mesmo tempo sem problemas. Algumas CPUs possuem núcleos "multithread". Esses núcleos podem lidar com duas tarefas separadas cada. Nas CPUs Intel, isso é marcado como "hyperthreading ".
Portanto, o desempenho total de uma CPU se resume a uma combinação de:
Há, é claro, mais do que esses quatro pontos principais. No entanto, essas são as quatro principais considerações para que a CPU tenha um bom desempenho.
O papel da CPU no seu computador
A última coisa que precisamos cobrir é o que trabalho que a CPU executa no seu computador. Afinal, não é o único microchip de circuito integrado no seu computador. Por exemplo, as GPUs (unidades de processamento gráfico) costumam ser mais densas em transistores do que uma CPU.
Eles precisam de refrigeração e fonte de alimentação, além de memória. É como um pequeno computador extra! O mesmo pode ser dito para os chips que controlam o tráfego de som, USB e disco rígido. Então, por que a CPU é especial? Estes são os principais motivos:
Em resumo, a CPU é a finalidade geral mais importante componente de desempenho no seu computador. Não tome como garantido!