Se tivéssemos que eleger um único componente essencial do seu computador, este seria, sem dúvida, a Unidade Central de Processamento (CPU). Ela atua como o núcleo principal, o verdadeiro “cérebro” da máquina, responsável por executar as instruções provenientes dos programas, do sistema operacional e de todos os outros componentes do seu PC.
O Universo dos 1s e 0s
O progresso contínuo das CPUs, com seu poder de processamento cada vez maior, nos permitiu transcender a simples exibição de imagens na tela. Hoje, desfrutamos de streaming de vídeo em plataformas como a Netflix, realizamos videochamadas, e imergimos em mundos virtuais de jogos com gráficos incrivelmente realistas.
A CPU é uma verdadeira obra-prima da engenharia. No entanto, sua essência reside na interpretação de sinais binários, os famosos 1s e 0s. A grande diferença é que, em vez de ler cartões perfurados ou processar instruções com válvulas eletrônicas, as CPUs modernas utilizam transistores minúsculos para gerar vídeos virais no TikTok ou preencher células em planilhas.
Anatomia Básica de uma CPU
A fabricação de uma CPU é um processo complexo. O ponto crucial é que cada CPU possui um substrato de silício (seja uma única peça ou várias), onde residem bilhões de transistores microscópicos.
Conforme mencionado, esses transistores empregam séries de sinais elétricos (corrente “ligada” e corrente “desligada”) para representar o código binário da máquina, composto por 1s e 0s. A presença massiva desses transistores permite que as CPUs executem tarefas cada vez mais complexas com velocidades cada vez maiores.
É importante notar que a quantidade de transistores não é o único fator determinante para a velocidade de uma CPU. No entanto, ela é um dos motivos fundamentais para que seu smartphone tenha um poder computacional muito superior ao que, possivelmente, todo o planeta possuía quando chegamos à Lua pela primeira vez.
Antes de nos aprofundarmos em conceitos mais complexos sobre CPUs, vamos explorar como uma CPU executa instruções baseadas no código de máquina, também conhecido como “conjunto de instruções”. É importante saber que CPUs de diferentes fabricantes podem ter conjuntos de instruções distintos, embora nem sempre seja esse o caso.
Por exemplo, a maioria dos PCs com Windows e os processadores Mac atuais utilizam o conjunto de instruções x86-64, independentemente de serem CPUs Intel ou AMD. Contudo, os Macs lançados a partir do final de 2020 são equipados com CPUs baseadas em ARM, que empregam um conjunto de instruções diferente. Existe também um número menor de PCs com Windows 10 que utilizam processadores ARM.
Núcleos, Caches e Gráficos
Vamos agora examinar o próprio silício. O diagrama acima ilustra a arquitetura de CPU da Intel, conforme divulgado em um white paper de 2014, para o processador Core i7-4770S. Este é apenas um exemplo de como um processador pode ser visualmente. Outros processadores têm layouts distintos.
Observamos que este é um processador com quatro núcleos. Houve um tempo em que as CPUs tinham apenas um núcleo. A incorporação de múltiplos núcleos permite que as instruções sejam processadas muito mais rapidamente. Além disso, os núcleos podem ter o recurso de hyper-threading ou multi-threading simultâneo (SMT), que faz com que cada núcleo seja tratado como dois pelo PC. Como se pode imaginar, isso acelera ainda mais o tempo de processamento.
Os núcleos neste esquema compartilham um recurso denominado cache L3, um tipo de memória integrada à CPU. Além disso, as CPUs possuem caches L1 e L2 em cada núcleo, bem como registradores, que são formas de memória de baixo nível. Para entender as diferenças entre registradores, caches e RAM do sistema, você pode consultar esta explicação no StackExchange.
A CPU mostrada acima também inclui o agente do sistema, controlador de memória e outros componentes de silício que gerenciam as informações que entram e saem da CPU.
Por último, temos os gráficos integrados do processador, responsáveis por gerar os elementos visuais que você vê na tela. Nem todas as CPUs possuem recursos gráficos integrados. Por exemplo, as CPUs de desktop AMD Zen exigem uma placa gráfica dedicada para exibir imagens na tela. Algumas CPUs de desktop Intel Core também não incluem gráficos integrados.
A CPU na Placa-Mãe
Agora que exploramos o funcionamento interno de uma CPU, vamos analisar como ela se integra ao restante do seu PC. A CPU é posicionada em um soquete na placa-mãe do seu computador.
Uma vez instalada no soquete, as outras partes do computador podem se conectar à CPU por meio de um “barramento”. A RAM, por exemplo, conecta-se à CPU por meio de seu próprio barramento, enquanto muitos componentes utilizam um tipo específico de barramento chamado “PCIe”.
Cada CPU possui um conjunto de “pistas PCIe” que pode usar. As CPUs Zen 2 da AMD, por exemplo, têm 24 pistas que se conectam diretamente à CPU. Os fabricantes de placas-mãe, com orientação da AMD, dividem essas pistas.
Por exemplo, 16 pistas são normalmente designadas para um slot de placa gráfica x16. Há também quatro pistas para armazenamento, como um dispositivo de armazenamento de alta velocidade, como um SSD M.2. Alternativamente, essas quatro faixas podem ser divididas: duas para o SSD M.2 e duas para uma unidade SATA mais lenta, como um disco rígido ou SSD de 2,5 polegadas.
Isso totaliza 20 pistas, com as outras quatro reservadas para o chipset, que atua como o centro de comunicação e controlador de tráfego da placa-mãe. O chipset, por sua vez, possui seu próprio conjunto de conexões de barramento, permitindo que ainda mais componentes sejam adicionados ao PC. Como esperado, os componentes de alto desempenho têm uma conexão mais direta com a CPU.
Como vimos, a CPU é responsável pela maior parte do processamento de instruções e, em alguns casos, até pelo processamento de gráficos (se ela for construída com essa capacidade). No entanto, a CPU não é a única forma de processar instruções. Outros componentes, como a placa gráfica, também possuem recursos de processamento integrados. A GPU utiliza seus próprios recursos de processamento para auxiliar a CPU na execução de jogos e outras tarefas com uso intensivo de gráficos.
A principal distinção é que os processadores de outros componentes são construídos com tarefas específicas em mente. A CPU, por sua vez, é um dispositivo de uso geral capaz de realizar qualquer tarefa computacional solicitada. Por essa razão, a CPU é o componente essencial do seu PC, e todo o restante do sistema depende dela para funcionar.