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CPU é a sigla para Central Process Unit, ou Unidade Central de Processamento. Ele é o principal item de hardware do computador, que também é conhecido como processador. A CPU é responsável por calcular e realizar tarefas determinadas pelo usuário e é considerado o cérebro do PC.

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CPU é a sigla para Central Process Unit, ou Unidade Central de Processamento. Ele é o principal item de hardware do computador, que também é conhecido como processador. A CPU é responsável por calcular e realizar tarefas determinadas pelo usuário e é considerado o cérebro do PC. Para explicar melhor sobre esse componente, o Canaltech conversou com Yuri Daglian, Sales Applications Engineer da Intel.

Uma CPU é feita de bilhões de transistores, que são pequenas peças microscópicas que controlam a corrente elétrica do componente. Existe uma teoria chamada de Lei de Moore que diz que a quantidade de transistores de uma CPU dobra a cada dois anos.

A CPU pode ter uma placa de vídeo integrada dentro do seu corpo para gerar e exibir imagens para o usuário. Por questões físicas de espaço, essas GPUs integradas não têm muito desempenho, mas ajudam. Nos computadores de mesa é possível trocar o processador, desde que seja compatível com a placa-mãe. Já nos notebooks, o processador é soldado na placa-mãe e não pode ser trocado.

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Nos computadores, duas empresas fabricam os principais processadores disponíveis: Intel e AMD. Cada uma possui pontos positivos e negativos, bem como tecnologias diferentes para cenários de uso distintos.

Há processadores que trabalham com arquiteturas de 32-bits e 64-bits, mas as versões de 32-bits praticamente não são mais vendidas, uma vez que os modelos de 64-bits permitem que o processador trabalhe com uma quantidade maior de dados por vez, além de suportar mais memória RAM.

Qual é a função da CPU?

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O processador é responsável por interpretar e executar funções para o computador funcionar corretamente. Diferente do que muitas pessoas pensam, uma máquina trabalha a partir da interpretação de números binários, ou seja, as CPUs compreendem apenas 0 ou 1 e calculam os dados para que, posteriormente, eles sejam exibidas na tela como informações.

De forma geral, essa peça serve para processar dados e transformá-los em uma informação. A segunda função, segundo Yuri Daglian, é centralizar o gerenciamento dos processos que acontecem no PC.

"Justamente por serem centrais, são responsáveis por ajudar a coordenar o funcionamento dos outros componentes do computador. Algumas partes da CPU controlam as outras peças para que o PC funcione em harmonia", comenta o especialista da Intel.

Como é dividida a CPU?

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É comum ver um processador como uma peça única. No entanto, a CPU possui divisões importantes que não são mencionadas ao comprar um modelo para o computador ou escolher um notebook. Nesta matéria serão abordadas três estruturas, mas tenha em mente que a CPU tem outras inúmeras partes.

Unidade de Controle (UC)

Como já foi explicado, uma das funções do processador é fazer com que os demais componentes de uma máquina trabalhem em harmonia. A Unidade de Controle (UC) comanda as ações no computador. Ela garante que os processos sejam executados corretamente, utilizando sinais de controle temporizados.

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"Sem a Unidade de Controle, o computador só conseguiria realizar um tipo de função. Ele não teria um uso geral. Então a UC é fundamental para fazer o computador ser multiuso, de uso geral, além de realmente fazer com que todos os componentes interajam entre si da melhor forma possível", ressalta Daglian.

ULA

A Unidade Lógica e Aritmética, conhecida como ULA, é o "pedaço" que realiza os cálculos matemáticos e as operações lógicas na CPU. Ao Canaltech, Yuri explicou ela pode ser entendida como uma espécie de calculadora para operações de adição e subtração.

Registradores

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Assim como a Unidade de Controle, os Registradores têm um nome bem sugestivo. Essa estrutura é uma área de armazenamento que recebe e guarda informações intermediárias específicas. É uma "memória de baixo nível" que armazena poucos dados, mas todos fundamentais para a CPU.

Não confundir Registradores com memória cache, pois ambos são diferentes e têm funções específicas, segundo Daglian.

O que são os núcleos da CPU?

Os núcleos são as estruturas mais conhecidas em uma CPU. Na definição do engenheiro da Intel ouvido pelo Canaltech, os núcleos são unidades de processamento capazes de executar instruções, ou seja, tarefas como jogos, softwares e outras aplicações.

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A quantidade de cores, como também são conhecidos, influencia na capacidade do processador em desempenhar atividades multitarefas. Quanto maior for o número de núcleos, maior é a capacidade do computador em lidar com vários programas abertos ao mesmo tempo. No entanto, a potência de um processador não é medida apenas pela quantidade dessas estruturas, já que outros fatores entram nessa conta.

Hoje, alguns processadores possuem uma arquitetura híbrida. Isso significa que há dois tipos de núcleos presentes na CPU: os de performance e os de eficiência. Os cores de performance são aqueles voltados para tarefas muito pesadas, como jogos, programas de edição e renderização, por exemplo. Já os cores de eficiência trabalham em processos mais simples, como os navegadores, planilhas, softwares mais leves, programas multimídia, etc.

O que são threads?

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Além dos núcleos, é normal ouvir falar que uma CPU tem várias threads. Threads são linhas de instruções que organizam processos para serem executados e finalizados pelos núcleos. De forma geral, quanto mais núcleos um processador tem, mais dessas linhas de instruções existem.

O que é memória cache da CPU e para que ela serve?

A memória cache é uma memória de alta velocidade que armazena dados frequentemente utilizados nas CPUs. O cache é dividido em três níveis: L1, L2 e L3. O L1 é o mais rápido e com menos espaço para armazenamento, já o nível L3 é um pouco mais lento e com mais espaço.

O cache é importante para a CPU. Ele atua como uma ponte entre o processador e a memória RAM. Isso facilita o envio e recebimento de instruções. Lá estão armazenados os dados mais buscados na RAM, economizando o tempo de comunicação dos componentes e aumentando a performance da CPU.

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O que são os ciclos de instrução da CPU?

Os ciclos de instrução são um processo no qual o processador executa as instruções e tarefas que acontecem no computador. Por ser um ciclo, esse é um processo que se repete a todo momento e pode ser definido como uma etapa de funcionamento básico das CPUs.

Esses ciclos são divididos em quatro etapas:

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1. Busca (Fetch): a CPU busca e recebe as instruções através da memória RAM, que são copiadas para a memória cache;

2. Decodificação (Decode): os dados então são decodificados, ou seja, interpretados para que os núcleos e outras unidades consigam entender essas instruções;

3. Execução: é quando as instruções e os dados são realmente executados pelos núcleos;

4. Escrita: etapa em que os resultados das instruções são armazenados de volta na memória RAM.

O que define a velocidade da CPU?

Além do número de núcleos, a velocidade da CPU, medida em Mhz ou Ghz, também afeta a rapidez dos programas. A velocidade descreve o número máximo de cálculos por segundo que o processador pode executar.

Essa frequência é comumente conhecida como "clock do processador" e está relacionada com a taxa que o processador executa os ciclos de instruções. Quanto maior é essa frequência, mais instruções são executadas pelo componente, e por conta disso relacionamos o clock com a velocidade da CPU.

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"A melhor forma de entender o que é o conceito de frequência é fazendo uma analogia, por exemplo, com navios da antiguidade que tinham os seus remadores e tambores. Quando acontecia a batida desse tambor, os remadores sabiam que eles tinham que remar todos em sincronia. E essa batida de tambor é o clock, é a frequência. Então toda vez que eu tenho um nível lógico alto dessa frequência, é um momento onde a CPU sabe que ela precisa executar um ciclo de instrução", explica o engenheiro da Intel.

Determinar se um processador é melhor ou pior que outro apenas pela frequência também é um erro muito comum. No passado isso era algo mais "aceitável", visto que as CPUs era muito parecidas em questão de núcleos e arquitetura, além de termos como o cache, threads e outras tecnologias não serem tão conhecidas, e sobrava o clock para diferenciar os modelos. Hoje essa percepção é totalmente equivocada.

Overclock e undervolt

Muito mencionado por entusiastas, o overclock é uma técnica utilizada para aumentar a frequência dos processadores e, consequentemente, seu desempenho. Antes, esse processo era bem complicado e cheio de nuances, mas atualmente há softwares específicos para facilitar a vida do usuário. Essa técnica pode ser extrema, necessitando de nitrogênio líquido para resfriar o componente, como no vídeo abaixo.

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O undervolt é um procedimento para diminuir a tensão das CPUs, reduzindo a temperatura e, às vezes, melhorando o desempenho.

As duas técnicas, segundo Yuri, podem ser benéficas e gerar bons resultados quando realizadas de maneira correta. No entanto, esses procedimentos alteram características de fábrica dos produtos e podem danificar os processadores permanentemente se feitas por pessoas leigas ou sem experiência.

Qual a diferença entre CPU, processador e gabinete?

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Muitos erram ao confundir a CPU com o que, na verdade, é o gabinete do equipamento. O gabinete é apenas a estrutura de sustentação e proteção dos componentes internos da máquina - basicamente uma carcaça. O processador, por outro lado, é uma das peças internas.

"A gente pode imaginar que isso surgiu mais no início do desenvolvimento da informática, quando os processadores eram, talvez, o principal componente que as pessoas se atentavam. Hoje em dia existem alguns outros componentes bastante relevantes, mas no início, quando a CPU era o único ponto focal, as pessoas muitas vezes utilizavam como sinônimo o CPU e o gabinete. Isso se propagou e se mantém até hoje, principalmente para o público mais leigo. Mas é importante notar que são conceitos e objetos completamente diferentes", finaliza Yuri Daglian.

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CPU é a sigla para Central Process Unit, ou Unidade Central de Processamento. Ele é o principal item de hardware do computador, que também é conhecido como proc

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EP06 Como o computador funciona? Conhecimento básico sobre Hardware e Software!

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A placa-mãe (do inglês motherboard, composto de mother "mãe" e board "placa"; também chamada em inglês de mainboard) é a parte do computador responsável por conectar e interligar todos os componentes, ou seja, processador com memória RAM, disco rígido, placa gráfica, entre outros. Além de permitir o tráfego de informação, a placa também alimenta alguns periféricos com a energia elétrica que recebe da fonte de alimentação.

Tipos de placas-mãe

AT é a sigla para Advanced Technology. Trata-se de um tipo de placa-mãe já antiga. Seu uso foi constante de 1983 até 1996. Um dos fatores que contribuíram para que o padrão AT deixasse de ser usado (e o ATX fosse criado), é o espaço interno reduzido, que com a instalação dos vários cabos do computador ( flat cable, alimentação), dificultavam a circulação de ar, acarretando, em alguns casos danos permanentes à máquina devido ao super aquecimento. Isso exigia grande habilidade do técnico montador para aproveitar o espaço disponível da melhor maneira. Além disso, o conector de alimentação da fonte AT, que é ligado à placa-mãe, é composto por dois plugs semelhantes (cada um com seis pinos), que devem ser encaixados lado a lado, sendo que os fios de cor preta de cada um devem ficar localizados no meio. Caso esses conectores sejam invertidos e a fonte de alimentação seja ligada, a placa-mãe será fatalmente queimada. Com o padrão AT, é necessário desligar o computador pelo sistema operacional, aguardar um aviso de que o computador já pode ser desligado e clicar no botão " Power" presente na parte frontal do gabinete. Somente assim o equipamento é desligado. Isso se deve a uma limitação das fontes AT, que não foram projetadas para fazer uso do recurso de desligamento automático. Os modelos AT geralmente são encontrados com slots ISA, EISA, VESA nos primeiro modelos e, ISA e PCI nos mais novos AT (chamando de baby AT quando a placa-mãe apresenta um tamanho mais reduzido que os dos primeiros modelos AT). Somente um conector "soldado" na própria placa-mãe, que no caso, é o do teclado que segue o padrão DIN e o mouse utiliza a conexão serial. Posição dos slots de memória RAM e soquete de CPU sempre em uma mesma região na placa-mãe, mesmo quando placas de fabricantes diferentes. Nas placas AT são comuns os slots de memória SIMM ou SDRAM, podendo vir com mais de um dos padrões na mesma placa-mãe.Embora cada um destes tenha de ser utilizado individualmente.

Ver artigo principal: ATX

ATX é a sigla para "Advanced Technology Extended". Pelo nome, é possível notar que trata-se do padrão AT aperfeiçoado. Um dos principais desenvolvedores do ATX foi a Intel. O objetivo do ATX foi de solucionar os problemas do padrão AT (citados anteriormente), o padrão apresenta uma série de melhorias em relação ao anterior. Atualmente a maioria dos computadores novos vêm baseados neste padrão.

Entre as principais características do ATX, estão:

o maior espaço interno, proporcionando uma ventilação adequada,

conectores de teclado e mouse no formato mini-DIN PS/2 (conectores menores)

conectores serial e paralelo ligados diretamente na placa-mãe, sem a necessidade de cabos,

melhor posicionamento do processador, evitando que o mesmo impeça a instalação de placas de expansão por falta de espaço

Quanto à fonte de alimentação, encontramos melhoras significativas. A começar pelo conector de energia ligado à placa-mãe. Ao contrário do padrão AT, não é possível encaixar o plug de forma invertida. Cada orifício do conector possui um formato, que dificulta o encaixe errado.

A posição dos slots de memória RAM e socket de CPU variam a posição conforme o fabricante. Nestas placas serão encontrados slots de memória SDRAM, Rambus, DDR, DDR2 ou DDR3, podendo vir com mais de um dos padrões na mesma placa-mãe. Geralmente os slots de expansão mais encontrados são os PCI, AGP, AMR/CNR e PCI-Express. As placas mais novas vêm com entrada na própria placa-mãe para padrões de disco rígido IDE, Serial ATA ou Serial ATA II. Gerenciamento de energia quando desligado o micro, suporta o uso do comando "shutdown", que permite o desligamento automático do micro sem o uso da chave de desligamento encontrada no gabinete. Se a placa mãe for alimentada por uma fonte com padrão ATX é possível ligar o computador utilizando um sinal externo como, por exemplo, uma chamada telefônica recebida pelo modem instalado.

Como o nome leva a deduzir,é uma versão de tamanho reduzido da placa-mãe padrão AT original. Essa redução foi possível com miniaturização de muitos componentes internos.

É um formato de motherboards criado pela Intel e lançado em 2003 para substituir o formato ATX. O objetivo do BTX foi aperfeiçoar o desempenho do sistema e melhorar a ventilação interna. Atualmente, o desenvolvimento desse padrão está parado.

É um padrão de placa-mãe criado em outubro de 2001 pela VIA Technologies.

Destinada a computadores altamente integrados e compactados, com a filosofia de oferecer não o computador mais rápido do mercado, mas sim o mais barato, já que na maioria das vezes as pessoas usam um computador para poder navegar na Internet e editar textos.

A intenção da placa ITX é ter tudo on-board, ou seja, vídeo, áudio, modem e rede integrados na placa-mãe.

Outra diferença dessa placa-mãe está em sua fonte de alimentação. Como possui menos periféricos, reduzindo assim o consumo de energia, sua fonte de alimentação pode ser fisicamente menor, possibilitando montar um computador mais compacto.

As placas padrão LPX possuem uma característica que as torna facilmente identificáveis: Possui uma placa "em pé" que se encaixa em uma conexão específica da placa principal. Nesta placa é encaixada as demais placas do computador.

Formato de placas-mãe usado por alguns PCs "de marca" como por exemplo Compaq. Seu principal diferencial é não ter slots. Os slots estão localizados em uma placa a parte, também chamada "backplane", que é encaixada à placa-mãe através de um conector especial. Seu tamanho padrão é de 22 cm x 33 cm.

Existe ainda um padrão menor, chamado Mini LPX, que mede 25,4 cm x 21,8 cm.

Esse padrão foi criado para permitir PCs mais "finos", já que as placas de expansão em vez de ficarem perpendiculares à placa-mãe, como é o normal, ficam paralelas.

Após o padrão de placas-mãe ATX ter sido lançado, uma versão do LPX baseada no ATX foi lançada, chamada NLX.

Visualmente falando é fácil diferenciar uma placa-mãe LPX de uma NLX. No padrão LPX o conector para a placa de expansão (backplane) está localizado no centro da placa-mãe e este é um conector parecido com um slot (conector "fêmea"). Já no padrão NLX o conector para a placa de expansão está localizado em uma das laterais da placa, e é um contato de borda contendo 340 pinos, similar ao usado por placas de expansão (ou seja, é um conector "macho").

A placa-mãe NLX foi criada para microcomputadores que usam processadores Pentium III e 4. Este design agrupa os melhores recursos do ATX e do LPX.

Funcionamento

A placa-mãe realiza a interconexão das peças componentes dos microcomputadores. Assim, processador, memória, placa de vídeo, HD, teclado, mouse, etc. estão ligados diretamente à placa-mãe. Ela possui diversos componentes eletrônicos (circuitos integrados, capacitores, resistores, etc) e entradas especiais ( slots) para que seja possível conectar os vários dispositivos.

A manutenção é feita por pessoas treinadas, técnicos e engenheiros da área.

Uma forma de remover algumas sujeiras e oxidação simples, que qualquer pessoa pode fazer é a lavagem com álcool isopropílico. Mas, também se deve ter um conhecimento mínimo de montagem e manutenção de microcomputadores.

Componentes

A placa-mãe pode variar conforme o modelo e fabricante, mas há componentes que se mantêm. Vamos destacar os mais importantes componentes de uma placa mãe:

Conectores

Processador

O processador fica encaixado no soquete devendo observar que uma placa-mãe não aceita qualquer tipo de processador, pois é desenvolvida para soquetes específicos. Cada tipo de processador tem características que o diferenciam de outros modelos, a quantidade de pinos, por exemplo, ou o barramento da ponte norte. Assim sendo, a placa-mãe deve ser desenvolvida para aceitar determinados processadores.

Memória RAM

Ver artigo principal: RAM

As placas-mãe mais antigas trabalhavam com tecnologia conhecida com SDR SDRAM e a DDR[desambiguação necessária ], atualmente o padrão mais usado é o DDR3.

Com relação à capacidade de instalação de memória RAM nas placas-mãe mais antigas chegavam a 32 MiB ou 64 MiB, entretanto hoje não é dificil achar micros com módulos de memória com 1 GiB ou 2 GiB, podendo chegar em algumas placas para servidor a 128 GiB (embora essas placas sejam muito raras, a possibilidade existe).

Ver artigo principal: BIOS

BIOS ( Basic Input Output System) é um tipo de ( Flash-ROM) que contém um pequeno responsável por controlar o uso dos dispositivos e mantém informações de data e hora. O BIOS trabalha junto com o POST ( Power On Self Test), um software que testa os componentes do micro em busca de eventuais erros. Podemos alterar as configurações de através do Setup, uma interface também presente na Flash-ROM.

A bateria interna do tipo Lítio ( bateria de lítio) CR2032 tem a função de manter as informações da Flash-ROM ( EEPROM) armazenadas enquanto o computador está desligado (somente em placas-mãe antigas, nas atuais sua principal função é manter o relógio interno funcionando).

A bateria de lítio tem voltagem de três volts e é para manter funcionando sem atrasar o relógio e outros componentes como as informações gravadas na BIOS.

Chipset é um chip (ou conjunto de chips) responsável pelo controle de diversos dispositivos de entrada e saída como o barramento de comunicação do processador, o acesso à memória, o acesso ao HD, periféricos on-board e off-board, comunicação do processador com a memória RAM e entre outros componentes da placa-mãe. Geralmente, é dividido em southbridge e northbridge.

O northbridge faz a comunicação do processador com as memórias, através do barramento de comunicação externa do processador, e com os barramentos de alta velocidade AGP e PCI Express. Como ele faz o trabalho mais pesado, geralmente requer um dissipador de calor devido ao seu aquecimento elevado.

O southbridge geralmente é responsável pelo controle de dispositivos de entrada ou saída (I/O) como as interfaces IDE que ligam os HDs, os drives de CD-ROM, drives de DVD-ROM ao processador. Controlam também as interfaces Serial ATA. Geralmente cuidam também do controle de dispositivos on-board como o som.

Slots de expansão

Algumas tecnologias foram desenvolvidas para dar maior flexibilidade aos computadores pessoais uma vez que cada cliente pretende utiliza-lo para um fim específico.

O barramento PCI ou ( Peripheral Component Interconnect) é uma tecnologia para conectar diferentes periféricos na Placa-mãe. Veja maiores detalhes no artigo Peripheral Component Interconnect.

As placas-mãe mais antigas dispunham de outras tecnologias leia os artigos para saber mais: barramento ISA, barramento EISA, barramento VESA.

O barramento AGP ou (Accelerated Graphics Port) é uma tecnologia de barramento usada principalmente por placas de vídeo. As placas AGP excedem um pouco em tamanho as placas PCI. A tecnologia AGP já está sendo substituída pelo barramento PCI Express. A tecnologia PCI Express conta com um recurso que permite o uso de uma ou mais conexões seriais. Veja mais no artigo PCI Express.

Controladores

On-board: como o próprio nome diz, o componente on-board vem diretamente conectado aos circuitos da placa mãe, funcionando em sincronia e usando capacidade do processador e memória RAM quando se trata de vídeo, som, modem e rede. Tem como maior objetivo diminuir o preço das placas ou componentes mas, em caso de defeito o dispositivo não será recuperável, no caso de modem AMR, basta trocar a "placa" do modem AMR com defeito por outra funcionando, pois, este é colocado em um slot AMR na placa-mãe. São exemplos de circuitos on-board: vídeo, modem, som e rede.

: são os componentes ou circuitos que funcionam independentemente da placa mãe e por isso, são separados, tendo sua própria forma de trabalhar e não usando o processador, geralmente, quando vídeo, som, modem ou rede, o dispositivo é "ligado" a placa-mãe usando os slots de expansão para isso, têm um preço mais elevado que os dispositivos on-board, sendo quase que totalmente o contrário em todos os aspectos do tipo on-board, ou seja, praticamente todo o processamento é realizado pelo próprio chipset encontrado na placa do dispositivo.

Referências

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A placa-mãe (do inglês motherboard, composto de mother "mãe" e board "placa"; também chamada em inglês de mainboard) é a parte do computador responsável por conectar e interligar todos os componentes, ou seja, processador com memória RAM, disco rígido, placa gráfica, entre outros.

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Os processadores Quânticos parecem ser mesmo o futuro da computação. A arquitetura atual, que consiste em construir processadores usando transístores, fatalmente chegará ao seu limite dentro de poucos anos. Será necessária então uma arquitetura mais eficiente. Por que não substituir os transístores por átomos? Os processadores Quânticos tem potencial para serem eficientes ao ponto de realizarem em poucos segundos o que os processadores atuais não poderiam nem em milhões de anos.
O porquê dos processadores Quânticos
Realmente, os projetistas de microprocessadores vem fazendo um grande trabalho. Nas três últimas décadas, desde o aparecimento do Intel 4004, o primeiro microprocessador do mundo, tivemos um aumento absurdo na velocidade de processamento. Para se ter uma idéia, o i8088, o processador usado no XT, lançado em 79, tinha um poder de processamento estimado em apenas 0.25 megaflop, ou seja, apenas 250.000 operações por segundo. Um Pentium 100 já processa 200 megaflops, 200 milhões de operações, enquanto um Athlon de 1.1 GHz processa quase 10 gigaflops, 40 mil vezes mais rápido que o 8088.

O problema é que todos os processadores atuais tem uma limitação em comum, são compostos por transístores. A solução para produzir chips cada vez mais rápidos tem sido diminuir cada vez mais o tamanho dos transístores que os compõe. Os primeiros transístores, que surgiram na década de 60, eram mais ou menos do tamanho da cabeça de um fósforo, enquanto os atuais medem apenas 0.18 mícron (1 mícron = 0.001 milímetro). Porém, estamos nos aproximando dos limites físicos da matéria, para continuarem avançando, será preciso abandonar o uso de transístores e partir para alguma estrutura mais eficiente. O futuro dos processadores parece depender mesmo dos processadores quânticos.

Até algum tempo atrás, não se acreditava que seria possível produzir transístores medindo menos que 0.15 mícron, que já são realidade. A Intel surpreendeu ao divulgar planos de se produzir chips com transístores de 0.07 mícron até 2005. Pode ser que ainda consigam produzir transístores de 0.05 ou quem sabe 0.03 mícron, mas seria impossível ir além disso. Pra se ter uma idéia, a 0.07 mícron cada gate, ou seja, cada um dos três filamentos que compõe cada transístor tem o equivalente a apenas 3 átomos de ouro de espessura! Seria realmente um milagre conseguir transístores de 0.03, onde cada filamento teria apenas o equivalente a um único átomo de ouro espessura, o que corresponde a alguns poucos átomos de silício, mas seria fisicamente impossível ir muito atém disso.

A tecnologia mais promissora para substituir os transístores ainda são os famosos processadores Quânticos.

A idéia de usar átomos para processar dados não é nova, existem pesquisas neste sentido desde o início da década de 80, mas eram apenas teorias vagas, que apenas atualmente começam a tomar forma.

Num processador quântico, temos átomos ao invés de transístores. Ao invés de bits temos bits quânticos, ou qubits. A idéia fundamental é que num átomo, a rotação de cada elétron corresponde a um pequeno movimento magnético, que pode ser controlado caso o átomo seja colocado sobre uma superfície magnética suficientemente sensível

Uma peculiaridade interessante é que enquanto um transístor permite apenas dois estados, ou seja, ligado ou desligado, cada qubit possui três estados diferentes. Dois estados são determinados pela rotação dos elétrons (horário ou anti-horário), enquanto o terceiro é uma característica bastante peculiar dentro do mundo quântico, onde os elétrons podem girar simultâneamente nos dois sentidos. Sim, parece estranho, e é por isso que existem tantos cientitas pesquisando isso, mas de qualquer forma, combinado com os dois estados anteriores temos um total de 4 estados possíveis, o que permite que cada qubit processe ou armazene dois bits simultaneamente.

Isto permite ampliar exponencialmente a capacidade dos processadores quânticos, já que dois qubis correspondem a 4 bits, 3 qubits correspondem a 8 bits e 5 qubits correspondem a 32 bits. 10 qubits seriam suficientes para 1024 bits, enquanto 20 correspondem a mais de um milhão. Esta pode ser a grande chave para aumentar de forma inimaginável tanto a potência dos processadores quanto a capacidade dos dispositivos de armazenamento de memória. Não estou falando de processadores operando a 100 ou 500 GHz, mas de computadores capazes de resolver em poucos segundos cálculos que um processador atual demoraria milhões de anos para resolver. Seria potência suficiente para construir um mainframe capaz de calcular todas as variáveis possíveis de surgimento de vida em um planeta ao longo de bilhões de anos, por exemplo 🙂

O brutal poder de processamento que pode ser atingido pelos processadores Quânticos seria extremamente útil tanto para pesquisas científicas, onde naturalmente estes ultra-computadores iriam debutar, quanto para aplicações comerciais de realidade virtual e inteligência artificial, que sem dúvida serão as modas deste século. Os jogos poderiam ser suficientemente reais para conter vários personagens que realmente interagissem com o jogador, conversando (ou sabe-se lá o que mais :-), e agindo de acordo com as ações do jogador, como num RPG quase real. Um computador quântico sozinho poderia controlar em tempo real centenas destes personagens. Reconhecimento de voz e gestos já seria algo trivial.

Sem dúvida, teríamos gigantescos avanços em praticamente todos os campos, finalmente poderíamos ter códigos de encriptação realmente seguros, pesquisas em gigantescos bancos de dados usando algoritmos inteligentes e traços de inteligência artificial poderiam ser feitas quase instantaneamente, a transmissão de dados poderia alcançar velocidades da ordem de vários Terabytes (ou Petabytes) por segundo usando fibras ópticas de alta densidade e roteadores quânticos, capazes de lidar com esta quantidade de informação. Seria o suficiente para a Internet transformar-se num mundo virtual, onde as pessoas possam encarnar avatars e se relacionar com voz, gestos e até toque, como no mundo real. Seria uma evolução dos chats atuais.

A grande pergunta é quando. Ninguém sabe com certeza o quão rápido as pesquisas nesta área poderão avançar. Pode demorar cem anos para vermos estas aplicações que descrevi, ou pode demorar apenas duas ou três décadas. Como é um campo muito novo, não se sabem de onde podem surgir as soluções para os enormes problemas que ainda dificultam a vida dos pesquisadores.

Os primeiros computadores quânticos já são realidade, a IBM por exemplo anunciou seu primeiro chip Quântico no início deste ano (2001), na 12º Conferência anual na universidade de Palo Alto. Ainda é um projeto bastante rudimentar, possui apenas 5 qubits, trabalha a apenas 215 Hz, e necessita de um aparato gigantesco de equipamentos para funcionar, mas já mostra que é realmente possível produzir processadores Quânticos. Veja um diagrama do computador na figura abaixo:

Neste diagrama podemos ver que o chip é na verdade uma molécula. Os cinco átomos verde claro são os que realmente tem função, enquanto os demais servem apenas para estabiliza-los. Como vimos anteriormente, cada qubit é capaz de processar 2 bits de dados por vez, 5 qubits correspondem a 32 bits. Sim, com apenas 5 átomos temos um processador de 32 bits funcional.

O primeiro problema nesta experiência, e em todas as experiências com processadores quânticos usados atualmente, é como manter esta molécula estável. A solução usada atualmente é conservá-la numa solução altamente resfriada, numa temperatura próxima do zero absoluto. Este sistema porém é incrivelmente caro. Para tornarem-se viáveis comercialmente, os computadores quânticos teriam que superar esta limitação, com modelos que pudessem operar à temperatura ambiente.

O segundo problema é como manipular os átomos que compõe a molécula. Um átomo pode mudar de estado numa velocidade surpreendente, mas um átomo sozinho não tem como adivinhar quais estados queremos que ele assuma. Para manipular átomos, precisamos usar partículas ainda menores que eles. A solução encontrada pelo projetistas da IBM foi usar radiação, num sistema semelhante à ressonância magnética que temos nos hospitais, porém muito mais preciso. Este sistema possui dois problemas, primeiro é o fato de ser muito caro, um aparelho destes não sai por menos de 5 milhões de dólares. O segundo problema é o fato da técnica ser muito lenta, o que justifica o fato do protótipo da IBM operar a apenas 215 Hz, milhões de vezes mais lentamente que qualquer processador atual, que já estão na casa dos Gigahertz. Mais um obstáculo que precisa ser superando antes dos Quânticos tornarem-se viáveis comercialmente.

Como vimos, os processadores Quânticos experimentais desenvolvidos até agora são incrivelmente lentos, algo normal para uma tecnologia emergente, mas o pior, precisam de equipamentos incrivelmente sofisticados, e caros para funcionar. Nada parecido com um processador Intel ou AMD que pode ser facilmente encapsulado e trabalha à temperatura ambiente, amparado por um simples cooler.

Os protótipos Quânticos atuais utilizam aparelhos de ressonância magnética nucleares para manipular os estados dos átomos e a (ou as) moléculas precisam ser mantidas a temperaturas próximas do zero absoluto para manterem-se estáveis. Apesar de ajudar os cientistas a estudar a mecânica quântica, um sistema assim jamais seria viável economicamente.

Atualmente o desenvolvimento dos processadores quânticos vem ganhando impulso. As primeiras experiências tinham como objetivo manipular os elétrons, isto provou-se muito problemático, pois os elétrons, por sua pequena massa e pela sua exposição, são extremamente susceptíveis a qualquer influência externa. Surgiu então a idéia de manipular os núcleos dos átomos, o que torna o processo bem mais simples, já que o núcleo é maior e está relativamente isolado do meio externo graças à barreira de elétrons em torno dele.

Mas isto foi apenas parte da solução do problema. Pois de qualquer modo ainda resta desenvolver algum tipo de tecnologia que permita manipular núcleos atômicos. A primeira safra de protótipos utiliza ressonância magnética para isto, uma tecnologia extremamente cara, mas já existe gente desenvolvendo meios bem mais simples de fazer isso.

Os cientistas do laboratório nacional de Los Alamos, nos EUA, divulgaram experiências usando um sistema óptico para manipular prótons. A idéia da nova técnica é que os prótons podem ser usados tanto na forma de partículas (a fim de interagir com os átomos que compõe o sistema quântico), quanto na forma de onda, podendo ser transportados através de um sistema óptico.

Usando a nova técnica, os prótons recebem a função de manipular os átomos que compõe o processador quântico. Por ser uma partícula, um próton pode ser "arremessado" contra o qubit, alterando com o impacto seu movimento. Da mesma forma, um próton pode ser arremessado de forma a ricochetear no qubit. Desta forma o próton é que tem sua trajetória alterada.

A grande sacada é que este próton poderia ser recuperado usando um foto detector, que detectaria o próton na forma de onda, e não de partícula. Calculando a trajetória do próton, é possível recuperar o dado gravado no qubit.

Um problema que surgiu durante as experiências foi o fato deste sistema ser susceptível a um grande número de erros. Para isto os pesquisadores vêm trabalhando em algoritmos de correção de erros, o que permitiria tornar este sistema confiável.

Com tudo o que vem sendo feito é possível que os computadores quânticos tornem-se viáveis muito antes do que se vem esperando. A quinze anos os computadores quânticos eram considerados apenas coisa de ficção científica. Hoje já existem alguns protótipos em funcionamento. A pergunta agora é quando estes sistemas irão tornar-se viáveis. Avanços como o que vimos podem ser a resposta 🙂

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O Futuro dos Processadores Quânticos - Hardware.com.br

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Os processadores Quânticos parecem ser mesmo o futuro da computação. A arquitetura atual, que consiste em construir processadores usando transístores, fatalmente chegará ao seu limite dentro de poucos anos. Será necessária então uma arquitetura mais eficiente. Por que não substituir os transístores por átomos? Os processadores Quânticos tem potencial para [...]

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/05/2019
Processador anti-hacker
Uma nova arquitetura de processador de computador desenvolvida na Universidade de Michigan, nos EUA, promete nada menos do que lançar as bases de um futuro no qual os computadores se defendem proativamente contra ameaças, tornando obsoleto o atual modelo de segurança de encontrar bugs e lançar atualizações.

O novo chip, batizado de Morpheus, bloqueia possíveis ataques de hackers criptografando e reorganizando aleatoriamente bits chave de seu próprio código e de seus dados 20 vezes por segundo.

Isso é infinitamente mais rápido do que um hacker humano consegue trabalhar e milhares de vezes mais rápido do que as mais rápidas técnicas de hacking eletrônico.

"A abordagem atual de eliminar erros de segurança um por um é um jogo perdido. As pessoas estão constantemente escrevendo código e, tão logo há um novo código, haverá novos bugs e vulnerabilidades de segurança. Com o Morpheus, mesmo que um hacker encontre um bug, a informação necessária para explorá-lo desaparece 50 milissegundos depois. É talvez a coisa mais próxima de um sistema seguro à prova do que surgir no futuro," disse o professor Todd Austin.
Agitação e semântica indefinida
Em vez de usar software para corrigir vulnerabilidades de códigos conforme elas são descobertas, o processador Morpheus inclui a segurança em seu hardware. A constante aleatorização dos recursos críticos do programa, em um processo chamado "churn" (agitação ou rotatividade), torna as vulnerabilidades virtualmente impossíveis de serem identificadas e exploradas.

Ainda assim, a rotatividade dos dados e sua aleatorização feita pelo processador são transparentes para os desenvolvedores de software e os usuários finais. Isso porque o mecanismo se baseia na aleatorização de bits de dados conhecidos como "semântica indefinida", que se refere aos recantos e fendas obscuras da arquitetura de computação - por exemplo, a localização, formato e conteúdo do código de um programa é uma semântica indefinida.

A semântica indefinida faz parte do maquinário mais básico de um processador. Os programadores legítimos geralmente não interagem com ela, mas os hackers podem fazer engenharia reversa para descobrir vulnerabilidades e iniciar um ataque.

A taxa de "agitações" do chip pode ser ajustada para cima ou para baixo para encontrar o equilíbrio certo entre maximizar a segurança e minimizar o consumo de recursos. O professor Austin conta que a taxa de aleatorização de uma vez a cada 50 milissegundos foi escolhida para o processador de demonstração porque é milhares de vezes mais rápida do que as mais rápidas técnicas de hacking eletrônico, enquanto reduz o desempenho apenas em cerca de 1%. A arquitetura também inclui um detector de ataque que procura ameaças pendentes e aumenta a taxa de aleatorização se perceber que um ataque é iminente.

O chip de demonstração é um processador RISC-V - um design de chip comum, de código aberto, usado frequentemente para pesquisa. A equipe já está tentando comercializar a tecnologia.
Bibliografia:

Artigo: Morpheus: A Vulnerability-Tolerant Secure Architecture Based on Ensembles of Moving Target Defenses with Churn
Autores: Mark Gallagher, Lauren Biernacki, Shibo Chen, Zelalem Birhanu Aweke, Salessawi Ferede Yitbarek, Misiker Tadesse Aga, Austin Harris, Zhixing Xu, Baris Kasikci, Valeria Bertacco, Sharad Malik, Mohit Tiwari, Todd Austin
Revista: Proceedings of the Twenty-Fourth International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems
Vol.: 1 - Pages 469-484
DOI: 10.1145/3297858.3304037

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Processador anti-hacker pára ataque antes que ele comece

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/05/2019 Processador anti-hacker Uma nova arquitetura de processador de computador desenvolvida na Universidade de Michigan, nos EUA, promete nada menos do que lançar as bases de um futuro no qual os computadores se defendem proativamente contra ameaças, tornando obsoleto o atual modelo de segurança de encontrar bugs e lançar atualizações.

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"Essa capacidade dos circuitos de realizar duas funções é semelhante à forma como o cérebro humano funciona, onde os neurônios estão envolvidos tanto no armazenamento de memórias quanto na realização de cálculos mentais," comparou o professor Andras Kis, coordenador da equipe.

"O projeto do nosso circuito tem várias vantagens: Ele pode reduzir a perda de energia associada à transferência de dados entre unidades de memória e processadores, diminuir a quantidade de tempo necessária para operações de computação e diminuir a quantidade de espaço necessária. Isso abre as portas para dispositivos menores, mais potentes e com maior eficiência energética," acrescentou Kis.

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/11/2020
Lógica sobre memória
Um engenheiro brasileiro, atualmente trabalhando na Suíça, liderou uma equipe que desenvolveu um processador de computador que combina duas funções - operações lógicas e armazenamento de dados - em uma única arquitetura.

É um grande avanço para a eletrônica e para a informática, uma vez que a união de computação e armazenamento no mesmo chip - também conhecida como "arquitetura lógica-sobre-memória" - dispensa a troca de dados entre processador e memória, tornando os computadores mais rápidos e com menor consumo de eletricidade.

Essa junção também era longamente esperada por seu potencial impacto no processamento de algoritmos de inteligência artificial.

O avanço histórico foi liderado por Guilherme Migliato Marega, engenheiro eletricista formado pela USP (Universidade de São Paulo), que atualmente trabalha na Escola Politécnica Federal de Lausanne.
Molibdenita
Para quem duvidava que o grafeno estava sendo deixado para trás na corrida rumo a uma era pós-silício, o novo chip é feito de um outro material monocristalino (2D), a molibdenita (MoS ₂).

A molibdenita, um material que consiste em uma única camada com três átomos de espessura, é um excelente semicondutor e já é o componente mais pesquisado no campo da fotônica (processadores que funcionam com luz em vez de eletricidade) e da spintrônica (uma espécie de meio caminho entre a eletrônica e a computação quântica).
Processador e memória juntos
O novo processador lógica-sobre-memória é feito com transistores de efeito de campo (FET) de portas flutuantes (FGFETs).

A vantagem desses transistores é que eles podem reter cargas elétricas por longos períodos - é por isso que eles são usados em memórias flash para câmeras, celulares e computadores.

E as propriedades elétricas exclusivas da molibdenita tornam este semicondutor particularmente sensível a cargas armazenadas em FGFETs, o que permitiu a criação de circuitos que funcionam tanto como células de armazenamento de memória quanto como transistores programáveis.

Ao usar a molibdenita, a equipe conseguiu incorporar várias funções de processamento em um único circuito com memória e alterar ambos conforme desejado.

"Essa capacidade dos circuitos de realizar duas funções é semelhante à forma como o cérebro humano funciona, onde os neurônios estão envolvidos tanto no armazenamento de memórias quanto na realização de cálculos mentais," comparou o professor Andras Kis, coordenador da equipe.

"O projeto do nosso circuito tem várias vantagens: Ele pode reduzir a perda de energia associada à transferência de dados entre unidades de memória e processadores, diminuir a quantidade de tempo necessária para operações de computação e diminuir a quantidade de espaço necessária. Isso abre as portas para dispositivos menores, mais potentes e com maior eficiência energética," acrescentou Kis.

Embora ainda seja um protótipo, a equipe está entusiasmada com a capacidade de levar a nova arquitetura rumo aos aparelhos eletrônicos e computadores vendidos no mercado: " Fizemos nosso primeiro chip há dez anos à mão. Mas, desde então, desenvolvemos um processo de fabricação avançado que nos permite fazer 80 ou mais chips em uma única rodada, com propriedades bem controladas," disse Kis.
Bibliografia:

Artigo: Logic-in-memory based on an atomically thin semiconductor
Autores: Guilherme Migliato Marega, Yanfei Zhao, Ahmet Avsar, Zhenyu Wang, Mukesh Tripathi, Aleksandra Radenovic, Andras Kis
Revista: Nature
Vol.: 587, pages 72-77
DOI: 10.1038/s41586-020-2861-0

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Processador revolucionário reúne cálculo e memória no mesmo chip

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/11/2020 Lógica sobre memória Um engenheiro brasileiro, atualmente trabalhando na Suíça, liderou uma equipe que desenvolveu um processador de computador que combina duas funções - operações lógicas e armazenamento de dados - em uma única arquitetura.

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Pesquisadores da Universidade Nacional de Yokohama, no Japão, desenvolveram um microprocessador usando componentes supercondutores, que se mostraram cerca de 80 vezes mais eficientes em termos de energia do que os componentes semicondutores de última geração usados nos microprocessadores mais modernos.

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/12/2020
Parametron
Pesquisadores da Universidade Nacional de Yokohama, no Japão, desenvolveram um microprocessador usando componentes supercondutores, que se mostraram cerca de 80 vezes mais eficientes em termos de energia do que os componentes semicondutores de última geração usados nos microprocessadores mais modernos.

Não é nenhum segredo que componentes eletrônicos supercondutores são energeticamente mais eficientes, mas o balanço geral quase nunca é positivo, uma vez que se gasta muita energia para resfriar tudo - os supercondutores só funcionam em temperaturas criogênicas.

Para balancear melhor essa equação, Christopher Ayala e seus colegas trabalharam com uma estrutura eletrônica digital supercondutora chamada "parametron de fluxo quântico adiabático".

O parametron, um elemento de circuito lógico inventado por Eiichi Goto, em 1954, é essencialmente um circuito ressonante com um elemento reativo não-linear que oscila na metade da frequência de acionamento - essa oscilação pode representar um dígito binário pela escolha entre duas fases, deslocadas em 180 graus uma da outra. Os parametrons foram usados nos primeiros computadores japoneses, mas foram abandonados com o desenvolvimento do transístor.

Já um parametron de fluxo quântico é uma implementação do circuito usando junções Josephson, um arranjo no qual uma corrente elétrica flui indefinidamente - uma supercorrente - sem a necessidade da aplicação de uma tensão. O termo adiabático refere-se ao fato de que o circuito não troca calor com seu entorno.
Processador supercondutor
Ayala então usou essas junções Josephson supercondutoras para criar circuitos parametron, que por sua vez serviram como blocos de construção para um microprocessador de alto desempenho e que roda com um gasto mínimo de energia.

"Queríamos provar que o AQFP [parametron de fluxo quântico adiabático] é capaz de realizar computação de alta velocidade com eficiência energética e fizemos isso desenvolvendo e demonstrando com sucesso um microprocessador AQFP protótipo de 4 bits chamado MANA (Arquitetura Integrada Monolítica Adiabática), o primeiro microprocessador supercondutor adiabático do mundo," disse Ayala.

Os testes mostraram que o processador supercondutor é versátil, podendo ser usado em funções de processamento e de armazenamento de dados.

"Também mostramos em um chip separado que a parte de processamento de dados do microprocessador pode operar até uma frequência de clock de 2,5 GHz, o que o torna comparável às tecnologias de computação atuais. Esperamos inclusive um aumento para 5 a 10 GHz à medida que fazemos melhorias em nossa metodologia de projeto e configuração experimental," acrescentou Ayala.
Computações neuromórfica e quântica
E o protótipo também não deixou dúvidas quanto à sua eficiência energética geral, quando se leva em conta a energia necessária para manter o circuito supercondutor resfriado a temperaturas bem perto do zero absoluto.

"O AQFP é um dispositivo eletrônico supercondutor, o que significa que precisamos de energia adicional para resfriar nossos chips da temperatura ambiente até 4,2 Kelvin [-268,95 ºC] para permitir que os AQFPs entrem no estado supercondutor. Mas, mesmo levando em consideração esse adicional de resfriamento, o AQFP ainda é cerca de 80 vezes mais eficiente em termos de energia quando comparado aos dispositivos eletrônicos semicondutores de última geração encontrados em chips de computador de alto desempenho disponíveis atualmente," anunciou Ayala.

Agora que a equipe provou o conceito dessa arquitetura de processador supercondutor, eles planejam otimizar o chip e determinar sua escalabilidade e a velocidade de processamento que pode ser alcançada com ele.

E, além de construir microprocessadores, a equipe está interessada em examinar como os AQFPs podem ajudar em outras plataformas de computação, como na computação neuromórfica para inteligência artificial e na computação quântica.
Bibliografia:

Artigo: MANA: A Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture Microprocessor Using 1.4-zJ/op Unshunted Superconductor Josephson Junction Devices
Autores: Christopher L. Ayala, Tomoyuki Tanaka, Ro Saito, Mai Nozoe, Naoki Takeuchi
Revista: IEEE Journal of Solid-State Circuits
DOI: 10.1109/JSSC.2020.3041338

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Primeiro processador supercondutor tem eficiência energética extrema

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