Como mencionei no vídeo Corei3 e Corei5 vx FX 6300, relatei ali o básico do que todos nós julgamos ser o processador. E no vídeo sobre as vulnerabilidades dos processadores da Intel mencionei que resolvi debater com vocês como é a arquitetura de um processador. Porque ficamos limitados a clock, cache, threads e coisas assim. Vamos então olhar um pouco mais a fundo nos processadores.
A arquitetura dos processadores que utilizamos hoje recebe o nome de a arquitetura de Von Neumann (OK. tem uma parte de ser Turing completo também, mas deixa isso para uma outra hora). E porque esse nome? devido ter sido criado pelo judeu húngaro John Von Neumann na década de 40; o mesmo cara que participou do projeto Manhatan na criação de bombas atômicas e até previu a que altura a bomba iria explodir. Esse é o pai dos computadores que utilizamos hoje. Vale a ressalva de que Einstein não é o único judeu talentoso na história (alias, nem considero Einstein tão gênio como muitos o fazem).
Foto de John Von Neumann retirada da Wikipedia
Dentro da arquitetura de Von Neumann temos a ULA (Unidade lógica e aritmética) Que é um circuito digital (ou seja, uma calculadora). Se torna a parte principal por ser quem processa as instruções, recebe instruções de dispositivos de entrada e envia para os dispositivos de saída.
A arquitetura de Von Neumann
E dentro da arquitetura de Von Neumann temos também a UC (Unidade de Controle) que é responsável por armazenar os programas na memória. Bom, e essa é a básica da arquitetura de Von Neumann. A coisa é mais longa, mas é basicamente isso. Mas não dá para limitar toda a arquitetura dos processadores a Von Neumann. Os processadores foram recebendo muitos outros recursos depois disso e que continuaremo no próximo capítulo. Logo abaixo, uma forma mais clara de entender a ULA e a UC:
Há também a arquitetura de Havard que é utilizada geralmente por microcontroladores. A diferença entre a arquitetura de Von Neumann e a arquitetura de Havard é que, na arquitetura de Von Neumann, tanto os programas quanto os dados são armazenados no mesmo tipo de memória. Já na arquitetura de Havard programas e dados são armazenados em diferentes tipos de memórias (por isso alguns microcontroladores utilizarem a arquitetura de Havard. Nesse caso os programas são gravados em ROM enquanto os dados são armazenados em RAM devido a necessidade de serem alterados).
Eu já escrevi uma série chamada "Dando uma olhada na arquitetura dos processadores" onde debato como o processador é constituído internamente (andei até mesmo dando uma atualizada tratando da arquitetura de Havard mostrando em que se difere da arquitetura de Von Neumann e pretendo adicionar mais coisas. Mas vamos deixar isso para o futuro Deus permitindo que eu faça).
O que é arquitetura de processador?
De acordo com o Dicionario de Termos da computação e da Internet (Dictionary of Computer and Internet Terms) arquitetura de processador é um conjunto de instruções que decodificam e executam operações aritméticas e lógicas. Esse conjunto de instruções são denominados ISA (Instruction Set Architecture) e, nas minhas palavras, arquitetura dos processadores é a forma como essas instruções são organizadas. Apesar de popularmente acabarmos tendo contato com apenas com X86, existe uma boa variedade de arquiteturas como CISC, RISC, EPIC e ZISC e Linux é uma fonte abundante para adquirir conhecimento sobre elas.
Dentro das arquiteturas existe uma gama de fabricantes diferentes. Então agora vamos estudar um pouco sobre as arquiteturas, suas variedades e aonde geralmente são aplicadas.
CISC
CISC (Complex Instruction Set Computers) é uma arquitetura construída com muitas instruções de linguagens de máquina diferentes. Tem como objetivo em seu design completar uma tarefa em poucas linhas de código assembly fazendo com que o compilador tenha pouco trabalho para traduzir o código de alto nível. O problema disso é que as suas tarefas acabam exigindo múltiplos ciclos, fazendo com que leve pelo menos duas vezes mais tempo para executá-las.
Ressalva, não confunda CISC com CICS. CICS (Costumer Information Control System) é uma extensão da IBM utilizada no IBM System Z que tem como objetivo tornar fácil escrever programas e permitir usuários entrar, recuperar e atualizar dados através do seu terminal (fortemente utilizado em sistemas de pontos de venda, reservas de hotel e sistemas de cobrança).
Popularmente conhecemos a arquitetura CISC devido aos x86 da Intel, da AMD e da Via (após ter adquirido a antiga Cyrix); mas há outras empresas que também já fabricaram processadores CISC difrentes de x86 como o VAX, o IBM System/370 e o s390 e houve também o Motorola 6800 (também conhecido como m68k ou simplesmente 68k) na década de 80 que foi o primeiro processador de 32 bits amplamente utilizado e foi o processador do vídeo game Mega Drive, do Macintosh (pois é, a migração de PowerPC para Intel e depois de Intel para ARM não são as únicas experiências que a Apple já teve em sua história), dos computadores da HP e da Sun Microsystem. Falando em Sun Microsystem, foi devido o Motorola 6800 que os desenvolvedores de SunOS tornaram o GCC funcional para uso em produção (o que até então, era simplesmente um compilador inviável).
Parece estranho afirmar, mas deve ser dito. Foi o x86 que tornou os PCs interessantes (especificamente o 386 a partir de 1986); mas historicamente o x86 parou de fazer sentido para o mercado há algum tempo. Basta repararmos como exemplo Apple em 2018 que vendeu 217.7 milhões de Iphones e 18.2 milhões de Macs (mais de 10 vezes mais dispositivos ARM, o que a chamou a sua atenção para abandonar o x86).
Abreviação de Reduced Instruction Set Computer (Computador com conjunto de instruções reduzidas) é a arquitetura que realiza processos de forma simplificada e que foi projetada para desempenho. Devido haver poucas instruções a serem escolhidas, ela leva menos tempo para identificá-las tornando os resultados mais eficientes e executando os processos mais rapidamente e alocando somente as instruções necessárias por clock. Foi criada inicialmente na IBM por John Cocke e sua equipe de pesquisadores em 1.974 como controlador de central telefônica (a telefonia sempre tendo importância na computação). Essa arquitetura levou à uma corrida do ouro dos processadores para concorrer contra o CISCI da Intel.
John Cocke e o primeiro protótipo de computador RISC que o garantiu os premios Turing Award em 1987, the US National Medal of Technology em 1991 e o the US National Medal of Science em 1994.
A arquitetura RISC é tão interessante que há um ditado que diz que "O mundo é RISC". E não é de se duvidar já que a arquitetura é utilizada desde Supercomputadores como é o caso do Fugaku da Fujistu a micro controladores como o H8/300 da Hitachi.
Alguns exemplos de processadores RISC são o Dec Alpha (primeiro processador de 64 bits e primeira arquitetura que Linux foi portado em Novembro de 1994); ARM que é muito famoso em dispositivos móveis devido a seu baixo consumo de energia conservando a bateria por mais tempo (diferente do sparc que, apesar de também ser RISC, consome muita energia e não é tão eficiente no uso de memória); Spark da Sun Microsystem (divisão da Oracle) criado para substituir o m68k; o PowerPC que foi desenvolvido pela IBM, Motorola e Apple quando Steve Jobs saiu da Apple e fundou a NeXT e a Pixar no "Project Pink" para competir com a Intel e foi especialmente projetado para emular programas outros tipos de CPU eficientemente. Foi utilizado também no PlayStation 3, no Xbox 360 e consoles da Nintendo como Game Cube, Nintendo Wii e Nintendo Wii U e pelo sistema operacional OS/2); o MIPS, o Cris (utilizado em dispositivos de rede) e até mesmo a série de chips Super FX da empresa britânica Argonaut Games (adquirida pela Synopsy) que foi utilizado em jogos do Super Nintendo como o StarFox e Yoshi's Island possibilitando a renderização de centenas de polígonos 3D simultaneamente e desenhando efeitos em 2D.
Em Mario World 2: Yoshi's Island foi utilizado o chip Super FX 2 que é um Risc customizado e que possibilitou ao jogo ter elementos 3D e 2D (sim, o jogo é 2.5D), polígonos, cores vivas e amplas, efeitos de iluminação, semitransparência e camadas para que objetos possam passar uns pelos outros.
No Japão surgiu o SuperH após a Motorola processar a Hitachi por questões de licenças do m68k. Então, os engenheiros da Hitachi desenvolveram sua própria arquitetura como substituta. Esse processador foi utilizado nos consoles Sega 32x, Sega Saturn, Dreamcast e fliperamas além de também ser utilizado na indústria automotiva no Japão como robôs que montam carros. Durante a crise asiática, as patentes do SuperH foram transferidas para a empresa Renesas. Há um conjunto de instruções do SuperH chamado Thumb que é utilizado até hoje nos smartphones baseados em ARM. Durante um tempo a ARM pagava à Renesas pelo direito de uso desse conjunto de instruções e como a Renesas não renovou suas patentes, eles passaram a ser utilizados gratuitamente.
RISC VS CISC
Ambos possuem vantagens e desvantagens e ambos conseguem executar os mesmos tipos de programa; o que vai diferenciar é como é o código de máquina do programa. A principio da leitura deste artigo, o RISC aparenta ser superior ao CISC, mas nem tudo são as mil maravilha.
RISC tende a ser mais rápido que CISC SE o acesso a memória for muito rápido; do contrário (se o acesso a memória for relativamente lento) o CISC tende a ser mais rápido que RISC. Além do mais, máquinas RISC tendem a buscar mais instruções da memória para realizar o mesmo trabalho que CISC (ou seja, utiliza-se mais RAM que CISC).
RISC híbrido
RISCs puros utilizam uma instrução por ciclo de clock. Foi aí que eu conheci a geração de RISCs hibridos que utilizam correção nas instruções de comprimento de 16 bits com registradores e endereço de espaço de 32 bits. Isso torna mais fácil para os compiladores gerarem melhores códigos RISC e retomam grande parte da densidade de código dos projetos CISC. Mais informações sobre chips híbridos podem ser conferidos clicando nesses dois links da Renesas e da Design & Recue.
A maioria dos fabricantes hoje tentam combinar as vantagens de cada arquitetura dentro dos seus processadores. A Intel por exemplo, introduziu através do Pentium a possibilidade de seu processador traduzir internamente instruções CISC em RISC (podendo executar duas instruções por ciclo assim como o RISC) e o J64 que planejam uma aproximação do x86-64 ao j4 com compatibilidade a 32 bits (seu design foi elaborado no ano passado). Portanto, dificilmente temos CISCs puros quanto RISCs puros assim como dificilmente encontramos kernel totalmente monolítico quanto totalmente micro-kernel.
A AMD também tinha um projeto de ARM chamado K12 focado em eficiência energética
Foi uma arquitetura RISC desenvolvida pela HP tendo uma ideia de arquitetura mais precisa (daí o PA do seu nome que é a silga de Precision Architecture) porém esse processador foi substituído pela arquitetura EPIC.
Abreviação de Explicitly Parallel Instruction Computing (Computação com instrução explicitamente paralela), foi criada em parceria entre a HP e a Intel para a criação da família Itanium (também conhecida como IA-64) para substituir o PA-RISC. Itanium foi desenvolvido como uma arquitetura de alto desempenho extremamente paralela realizando tal tarefa ao passar as instruções para o compilador que reorganiza o código para o máximo de paralelismo possível enquanto que o hardware foca em executar as instruções. E aqui mora o grande problema, nos compiladores que foi mais critico implementar do que a Intel esperava; o que resultou em um hardware muito caro e com baixa quantidade de software disponível para a arquitetura.
ZISC
ZISC (Zero instruction set computer) é uma arquitetura que se baseia nos princípios de correspondência de padrões e ausência de microinstruções. De acordo com documento de patentes do Google sobre circuito neural (ou neurochip ou redes neurais), essa é a arquitetura talvez mais apropriada para as tecnologias neurais devido a forma como trabalha.
DSP
DSP trata-se na verdade de um processador de sinal de digital (daí o seu nome Digital Signal Processor) que é utilizado para processar áudio (até redução de ruído) e vídeo e é fortemente utilizado em mesas de som e instrumentos musicais. Mas também foi utilizado em cartuchos do Super Nintendo para processar jogos como Super Mario Kart.
Talvez você deva estar pensando por que estou falando deste tipo de chip como uma arquitetura. Bom, a minha ideia era falar sobre DSP no mesmo artigo "Dando uma olhada na arquitetura de processadores" porque, assim como FPU que era chip separado e hoje é incorporado aos processadores, o mesmo pode ocorrer com os DSPs podendo o seu processador possuir instruções DSP adicionadas a ele. De acordo com informações do J-Core (que é um processador que eu acompanho bastante o seu desenvolvimento) as instruções DSP podem quebrar a pipeline do estilo do RISC e eles possuem um novo design de DSP em desenvolvimento.
alguns exemplos de DSP que o Linux possui suporte são o Hexagone o C6xda Texas Instrument.
Bom, finalizo este artigo por aqui acreditando já estar bom por enquanto dado uma boa base de estudo para todo mundo. Pode ser que eu venha atualizá-lo no futuro assim como faço com os demais artigos.
Como ando falando muito de arquiteturas (que inclusive pouco falada aqui no Brasil), resolvi publicar esta noticia. E depois tem um vacilão que falar que o único processador que Linux se sai melhor do que o Windows é no Ryzen e em mais nenhum outro processador no mercado (leitorzinho de tutorial é do caramba viu).
A primeira vez que ouvi falar da arquitetura RISC-V foi através do sistema operacional HelenOS quando apresentaram essa arquitetura no FOSDEM. Dois sistemas operacionais que não abro mão são Linux e HelenOS por conta do ganho de conhecimento que ambos me proporcionam, espero que o HelenOS ganhe cada vez mais espaço também pois ele conquistou.
RSICV é um conjunto de instruções de arquitetura de processador com princípios do RISC (que é baseado em um conjunto reduzido de instruções), mas evitando erros e anacronismos possuindo um design limpo.
Existe até mesmo uma distribuição Linux para o RISCV. Esta arquitetura está sob licença BSD ao invés de GPL, possui suporte a modularidade e escalabilidade, suporte nativo a 32 e 64 bits (128 bits no futuro) e não será focado somente em educação e pesquisas. Esta arquitetura (que está sendo financiada pela DARPA, Intel, Microsoft e Google, HP, Lattice, Oracle, lowRISC, Indian Institute, Bluespec e muitas outras empresas e projetos) será usada desde embarcados a grandes computadores.
E o que MIPS tem a ver com isso. É que Loongarch é um conjunto de instruções simplificadas similar a arquitetura MIPS. A arquitetura Loongson é dividia em duas versões; a de 32bit conhecida como LA32 e a de 64 conhecida como LA64. A Loongarch já adaptou código fonte da toolchain (GCC/binutils ou clang), libc, kernel e do qemu. Para quem depende de processadores MIPS, o Loongarch pode ser uma futura alternativa.
uma placa do super computador Titan: 4 Opteron AMD (16 núcleos) + 4 NVIDIA Tesla K20X
Além do que acabamos de falar, existem ainda algumas medidas além dos famosos Hertz (Kilohertz, Megahertz e Gigahertz) que estamos obituadas a ver. Por exemplo existe a medida MIPS (Mega Instructions Per Second) que vale a ressalva, não confunda esse MIPS que estamos falando aqui com a arquitetura MIPS da empresa MIPS Technologies Inc. Nesta arquitetura, MIPS significa Microprocessor without interlocked pipeline stages (microprocessador sem estágios de pipeline intertravados). O MIPS que abordamos aqui trata-se de milhões de instruções por segundo. O SH4 do Dreamcast por exemplo fazia 230 a 360 MIPS a 200MHZ. Já um Corei5 da intel faz em torno de 83 mil MIPS a uns 3.3GHZ. E o um FX da AMD faz muito mais de 90.000 MIPS a mais ou menos 3.5GHZ.
FLOPS (Giga Floating-point Operations Per Second) que é uma medida muito usada em computação cientifica fazendo uso do FPU. O desempenho de um supercomputador é medido em FLOPS, e não em MIPS. Daí os caras medem em:
kiloFLOPS kFLOPS 103
megaFLOPS MFLOPS 106
gigaFLOPS GFLOPS 109
teraFLOPS TFLOPS 1012
petaFLOPS PFLOPS 1015
exaFLOPS EFLOPS 1018
zettaFLOPS ZFLOPS 1021
yottaFLOPS YFLOPS 1024
As informações sobre um processador podem facilmente enganar os olhos e mente se analisado somente baseado em seu clock interno e externo. O SH4 do Dreamcast já citado anteriormente fazia 1.4 GFLOPS em seus 200 MHz. Então pode ser que você se depare com um processador com clock baixo porém que apresenta um alto desempenho e você simplesmente não sabe o porque. E essa pode ser umas das razões.
Mais do Titan, os canos de metal transportam refrigeração para o supercomputador.
MOPS (Mega Operations Per Second) é utilizada inclusive na taxa de reprodução de áudio e vídeo ao invés de TOPS (Tera Operations Per Second) de acordo com o livro Digital Signal Processing for Multimedia Systems.
musl já possui suporte a pelo menos quinze arquiteturas (sendo uma delas, RiscV) e vem sendo adotada cada vez mais pelas distribuições Linux. Há planos por exemplo de portar o Debian para a musl (no passado Debian já havia sido portado para outra biblioteca que, como se tratava de um fork da GlibC que fundiram os dois projetos, por esse motivo o Debian acabou retornando para a GlibC). Uma distribuição não fica atrelada a um único projeto tenda a liberdade de escolher outras ferramentas e até de se desvincular do que já tem.
Mas mesmo tendo suporte à varias arquiteturas, há um trabalho sendo feito para a biblioteca venha a ter suporte a arquitetura RiscV64 vindo de empresas como a Mforney, a cmpwn, a SiFive e até a Google.
Nesta versão a equipe removeu por hora o suporte a riscv32 (já que a ABI de 32 bits ainda não está estável) e portaram a distribuição Alpine Linux para riscv64 sem se depararem com problemas. Atualmente a comunidade Adélie Linux também está envolvida em um trabalho portando musl libc para arquitetura SPARC.
Aqui você pode assistir um vídeo do canal e conhecer um pouco mais sobre a história e características da biblioteca musl:
Publicado no site Reuters no dia 28 de Junho de 2023 que tanto a base de dados da Oracle como seu serviço de nuvem (que tenta competir com a Amazon por exemplo) passará a utilizar processadores baseados na arquitetura ARM. O motivo apresentado por Larry Ellison, fundador da Oracle, é que os antigos processadores X86 da Intel está atingindo seu limite.
As aplicações da Oracle são desenvolvidas sod a arquitetura X86 há várias décadas e o motivo de tal adoção da arquitetura ARM é que, devido a razões regulatórias, alguns data centers da Oracle não pode obter mais energia. Então o único meio para a empresa expandir seu serviço de nuvem é através de mais computação por watt que ela pode ter acesso já que os processadores ARM são famosos por sua eficiência energética e por gerar menos calor (por esse motivo adotado em smartphones e tablets. Leia meu artigo Diferentes arquiteturas de processadores CLICANDO AQUI).
"Temos mais espaço. Simplesmente não temos mais capacidade elétrica. Ao atualizar para Ampere, podemos ocupar esse espaço, dobrar a computação e permanecer dentro do mesmo envelope de energia." disse Ellison, eu particularmente diria mais do que dobrar. Mas quem sou eu na fila do pão?
O fabricante de ARM escolhido pela Oracle foi a Ampere Computing, uma startup fundada por um ex-executivos da Intel.
A Ampere produz famílias de processadores ARM; o Ampere Altra Max e o Ampere One. O Ampere Altra Max, família de processadores Cloud Native possui linhas de 32, 64, 80, 96 e 128 núcleos operando a frequência acima de 3.0 GHz e com núcleos compatíveis com o Armv8.2+, SBSA4; 1MB de cachê L2 por núcleo e recursos nativos para nuvem como Vector Units, Single Threaded Cores, Advanced Power Management, Dynamic Estimation, Voltage droop detection. O Altra Max possui suporte a 8 canais de memória DDR4 (3200 MHz) ECC de 72 bits (até 4TB de RAM).
Outros valores agregados pelos processadores ARM que são enfatizados pela Oracle seriam preço (clientes pagarão somente $0.01 por hora/núcleo) melhorias na parte de segurança, flexibilidade no uso de núcleos e de memória, escalabilidade linear scalability e desempenho previsível, ecossistema de desenvolvimento rico e muito mais.
Ampere A1 Compute
Este será o primeiro servidor com 160-core Arm no mercado com o preço tão acessível. Aproveitando, quero sugerir a leitura sobre o supercomputador Fugaku clicando aqui da Fujitsu que utiliza processadores ARM e que está na lista dos supercomputadores mais poderosos do mercado.
