Além da Lei de Moore: como fabricantes estão levando os chips ao próximo nível

(http://pcworld.uol.com.br/noticias/2013/04/17/alem-da-lei-de-moore-como-fabricantes-estao-levando-os-chips-ao-proximo-nivel)
Brad Chacos, PCWorld EUA
Transistores menores, computação paralela e novos materiais são algumas das tecnologias que estão sendo estudadas para que tenhamos processadores cada vez mais rápidos

Não há como negar: os PCs estão ficando mais “lentos” com o passar do tempo. Explico: sim, os computadores atuais são mais rápidos e menores do que nunca, mas o desempenho dos processadores não está avançando na mesma velocidade de antes. Houve um tempo em que ganhos de desempenho de 50% a 60% de um ano para o outro eram comuns, mas agora uma melhoria de 10% a 15% é a norma.

Por sorte, mesmo computadores com cinco anos ou mais de uso ainda conseguem realizar as tarefas do dia-a-dia sem problemas, então a redução nos ganhos de desempenho não é um grande problema. Além disso, é bom não ter de trocar de máquina a cada dois anos, ainda mais nestes tempos bicudos para muitos. Mas a tecnologia não avança mantendo o status quo. O futuro precisa de velocidade!

Os grandes fabricantes de processadores para PCs não estão satisfeitos com a situação atual, e estão trabalhando furiosamente para resolver os problemas causados pela “lentidão” na Lei de Moore e o surgimento da “Power Wall”, um limite prático no consumo de energia dos chips, em um esforço para conseguir ganhos de desempenho cada vez maiores.

E que tipo de truques radicais os fabricantes tem em suas mangas? Vários deles, na verdade, cada um com grande potencial. Vamos dar uma olhadinha atrás das cortinas?

Intel: construindo sobre fundações sólidas

Podemos culpar o pouco ganho de desempenho atual em uma “quebra” da Lei de Moore? Não exatamente. A “lei” geralmente é mal interpretada como sendo sobre o desempenho dos processadores, mas na verdade ela é sobre o número de transistores que pode ser colocado em um circuito, que dobra a cada dois anos.

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Quantidade de transistores em um chip ao longo dos anos
Clique para ampliar. Fonte: Wikimedia Commons

Enquanto outros fabricantes de chips vem lutando para encolher os transistores e colocar mais deles em um chip, a Intel – empresa que tem como co-fundador o próprio Gordon Moore – conseguiu acompanhar o passo da “lei” desde que ela foi proclamada, um feito que pode ser creditado ao verdadeiro exército de engenheiros da empresa. E não são engenheiros quaisquer: são engenheiros muito espertos.

À medida em que os transistores se tornam menores e o número deles em um circuito aumenta, o calor e a eficiência no consumo de energia se tornam grandes desafios. E agora que os transistores estão chegando a tamanhos quase que infinitesimais – cada transistor em um processador da família Ivy Bridge tem 22 nanômetros, ou mil vezes menor que o diâmetro de um fio de cabelo – conquistá-los exige pensamento criativo.

“Sem dúvida está ficando difícil”, disse Chuck Mulloy, um gerente técnico de manufatura na Intel, em uma entrevista por telefone. “Muito, muito difícil. Estamos quase no nível atômico”.

Para manter o ritmo do progresso a Intel fez algumas mudanças significativas no design básico dos transistores ao longo da última década. Em 2002 a empresa anunciou que estava adotando um processo chamado “strained silicon”, que resultava em um ganho de desempenho de 10% a 20% nos chips ao deformar ligeiramente a estrutura dos cristais de silício.

Mas mais desempenho resulta em mais problemas. À medida em que os transistores ficam cada vez menores, sofrem com um “vazamento” cada vez maior de elétrons, o que os torna menos eficientes. Duas mudanças recentes combatem esse vazamento de formas inovadoras.

Sem entrar em muitos detalhes, durante a mudança para um processo de fabricação de chips em 45 nm a Intel substituiu o isolante usado nos transístores, dióxido de silício, por um processo chamado “High-K Metal-Gate” que usa um metal chamado Háfnio. Parece simples, mas foi um grande avanço. A isso se seguiu uma mudança ainda mais monumental, com o lançamento da tecnologia “tri-gate” ou “transistor 3D” usada nos atuais processadores da família Ivy Bridge.

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Um transistor "plano" (à esquerda) e um tri-gate ou "3D" (à direita)

Transistores “planos” tradicionais tem um par de “portas” em cada lado dos canais por onde fluem os elétrons. Os transistores tridimensionais mudam a forma de pensar com a adição de uma terceira porta sobre o canal, conectado as duas portas laterais. Soa simples, mas a produção de transistores tridimensionais requer incrível precisão técnica. No momento, a Intel é a única fabricante de chips comercializando processadores criados com transistores 3D.

E qual é o próximo passo para a Intel? A empresa não diz. Mulloy informa que quaisquer tecnologias que a empresa possa vir a usar – por exemplo, um processo extremo de fabricação com litografia ultravioleta – entra em um “buraco negro” de relações públicas anos antes da Intel lançar os chips, ou seja, nada se fala sobre elas até que estejam prontas para o mercado. Mas Mulloy frisa que as melhorias passadas não param quando são apresentadas ao público.

“As pessoas tendem a pensar que ‘A Intel usou isso, mas agora migrou para outra coisa’, disse Mulloy. E não é assim. “Não deixamos de usar Strained Silicon quando começamos a usar High-K Metal Gate. Assim como High-K Metal Gate não desapareceu quando começamos a usar transistores 3D. Ainda estamos aprimorando estas tecnologias. Estamos na quarta geração de Strained Silicon, a terceira geração de High-K Metal Gate, e nossos futuros chips produzidos em um processo de 14 nm usarão a segunda geração da tecnologia Tri-Gate.”

Em outras palavras, as melhores tecnologias na produção de chips vão ficando cada vez melhores.

Ah, e antes que eu me esqueça: a Intel acredita que a Lei de Moore ainda será válida por pelo menos mais duas gerações de transistores cada vez menores.

AMD: Computação paralela é o caminho

A Intel não é a única fabricante de chips no mercado. Em vez de se preocupar simplesmente com melhorias na tecnologia de transistores, a rival AMD acredita que os ganhos de desempenho futuros dependem de “dar uma folga” às CPUs, transferindo parte da carga de trabalho para outros processadores que possam ser mais adequados a certas tarefas. Processadores gráficos (GPUs), por exemplo, se destacam em tarefas que exigem múltiplos cálculos simultâneos, como a quebra de senhas, mineração de bitcoins e muitos outros usos científicos.

Já ouviu falar de computação paralela? É disso que estamos falando.

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Um chip construído com os conceitos definidos pela HSA. Note que a GPU
é muito maior que os processadores ("Dual Core x86 Module")

“Usar transistores cada vez menores aumenta o desempenho da CPU em 6, 8 ou talvez 10% ao ano”, disse Sasa Marinkovic, um executivo sênio para marketing de tecnologia na AMD. “Mas adicionar uma GPU com capacidade computacional ao sistema leva a ganhos muito maiores. Por exemplo, do IE8 para o IE9 o ganho de desempenho foi de 400% – quatro vezes o da geração anterior, graças à capacidade do IE9 de usar a GPU para acelerar várias tarefas”.

“Podemos ver esse tipo de salto no desempenho mantendo o mesmo consumo de energia atual, ou você pode reduzir significativamente o consumo de energia e manter o mesmo desempenho atual”, diz Marinkovic.

A AMD vem progredindo rumo a uma arquitetura de sistema heterogênea (HSA, “Heterogenous System Architecture”) em suas Unidades de Processamento Acelerado (APU, “Accelerated Processing Unit”), incluido a que será usada no PlayStation 4, da Sony. As APUs combinam os núcleos tradicionais de um processador e uma GPU Radeon em uma única pastilha, popularmente conhecida como “chip”, como mostrado no diagrama acima. A CPU e GPU na próxima geração de APUs da AMD, de codinome Kaveri, irão compartilhar a mesma memória, eliminando ainda mais a diferença entre os chips e oferecendo desempenho ainda melhor.

A AMD não é a unica fabricante de chips apostando na idéia da computação paralela. A empresa é um membro fundador da HSA Foundation, um consórcio de grandes fabricantes de chips – embora sem a participação das rivais AMD e Nvidia – que estão trabalhando juntas para criar padrões que, espera-se, tornem a programação em sistemas paralelos mais fácil no futuro.

É bom que várias empresas líderes na indústria estejam formando a base para a visão da HSA Foundation, porque para que o grande futuro heterogêneo da computação paralela se torne realidade, os aplicativos e sistemas terçao de ser especialmente escritos para tirar vantagem do hardware.

“Software é a chave”, admite Marinkovic. “Quando você olha para APUs que tem total compatibilidade com a HSA e as que não tem, o software terá que mudar. Mare será uma mudança para melhor… Queremos chegar ao ponto em que você pode programar uma vez, e usar o mesmo código em qualquer lugar. Uma vez que você tenha a arquitetura HSA implementada por todas estas diferentes empresas, esperamos que seja capaz de escrever um programa para o PC e rodá-lo num smartphone ou tablet com apenas algumas pequenas modificações e recompilação do código”.

Já é possível encontrar interfaces de programação (APIs) que possibilitam computação paralela usando GPUs, como a plataforma CUDA da Nvidia, a API DirectCompute que é parte do DirectX 11 e o OpenCL, uma solução open source gerenciada pelo Khronos Group.

O suporte à aceleração via hardware também está crescendo entre os desenvolvedores de software, embora a maioria dos programas manipule gráficos de alguma forma. O Internet Explorer e o Flash são dois exemplos. Algumas semanas atrás a Adobe anunciou que estava adicionando suporte a OpenCL na versão Windows do Premiere Pro. De acordo com representantes, usuários com GPUs ou APUs da AMD poderão usá-las para editar vídeos em HD e 4K em tempo real, ou exportar vídeos até 4.3 vezes mais rápido do que usando o mesmo programa sem aceleração.

“Não acredito que hajam dúvidas”, diz Marinkovic. “Arquiteturas hehetrogêneas são o caminho para o futuro”.

OPEL: Adeus Silício! Olá, Arsenieto de Gálio!

Mas será esse futuro baseado em silício, como é hoje? A curto prazo, com certeza. Mas a longo prazo, definitivamente não. Em algum momento no futuro – nem mesmo os especialistas sabem exatamente quando – atingiremos o limite do silício, e a tecnologia não poderá avançar mais. Os fabricantes de chips terão de migrar para outro material.

Este dia ainda está distante, mas os pesquisadores já estão explorando alternativas. O grafeno recebe muita atenção como um potencial sucessor do silício, mas a OPEL Technologies acredita que o futuro está em um composto chamado de Arsenieto de Gálio, também conhecido pela fórmula molecular GaAs.

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Visão lateral de um transistor feito pelo MIT com os metais Índio e Arsenieto de Gálio

A OPEL vem refinando a tecnologia GaAs que é o coração de sua plataforma POET (Planar Opto Electronic Technology) ao longo dos últimos 20 anos, e a empresa vem trabalhando com a BAE Systems, uma multinacional sediada na Inglaterra que produz equipamentos para os segmentos aeroespacial e de defesa, e com o Departamento de Defesa dos EUA (entre outros) para validá-la. Embora investidas passadas em Arsenieto de Gálio tenham resultado em decepção, representantes da OPEL dizem que sua tecnologia proprietária está pronta para uso em grande escala.

A OPEL deixou recentemente o estágio de pesquisa e desenvolvimento e ainda não tentou produzir transistores diminutos como os de 20 nm dos processadores Ivy Bridge, mas diz processadores produzidos com transistores GaAs de 800 nm são mais rápidos que atuais processadores de silício e funcionam com metade da voltagem.

“Se você quiser igualar a velocidade de clock dos atuais processadores de silício, de cerca de 3 GHz, não é necessário descer a 20 ou 30 nanômetros”, disse o Dr. Geoffrey Taylor, cientista-chefe da OPEL. “Provavelmente é possível chegar a isso com 200 nm”. E isso usando transistores planos, e não a tecnologia 3D.

Um dos problemas enfrentados por qualquer alternativa ao silício é que ele é a base da tecnologia mais avançada no mundo, com bilhões investidos na produção de processadores de silício com eficiência máxima. Será difícil convencer a Intel, AMD, ARM ou a HSA Foundation a abandonar tudo isto por um novo material. Mas a OPEL diz que sua tecnologia tem muito em comum com os atuais métodos de produção baseados em silício.

“É escalável, e complementar à tecnologia CMOS atual”, diz Peter Copetti, diretor executivo da empresa. “Isso é muito importante. Em nossas discussões com diferentes fábricas de chips a primeira coisa que nos perguntam é ‘terei de reequipar minha linha de produção?’. O investimento é mínimo porque nosso sistema é complementar ao que já existe por aí”.

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Sala limpa usada pela Agência Espacial Européia (ESA) para a produção de chips

O International Technology Roadmap for Semiconductors, um “mapa” de tecnologias futuras no segmento de semicondutores, identifica o Arsenieto de Gálio como um potencial substituto para o silício em algum momento entre 2018 e 2026. Ainda há muitos testes e transições a fazer antes que o GaAs conquiste o grande mercado de processadores para PCs, mas se mesmo uma fração do que a OPEL diz for verdade, sua tecnologia pode muito bem ser a base para os processadores do futuro.

Bem, pelo menos até que encontremos a chave para tecnologias como transistores moleculares ou computação quântica. Mas isso é assunto para um outro artigo.

Rumo a um futuro incrivelmente rápido

Ufa! Depois de tudo isso você tem uma melhor idéia de para onde o futuro do PC caminha. As iniciativas da Intel, AMD e OPEL enfrentam grandes problemas de formas diferentes, mas isso é uma coisa boa. Afinal, nunca é bom colocar todos os ovos na mesma cesta.

E o melhor de tudo, se todas estas peças do quebra-cabeças forem bem sucedidas, elas poderiam, em teoria, se unir para criat um ultra-poderoso processador tri-gate de Arsenieto de Gálio auxiliado por uma GPU que seria capaz de fazer mesmo o mais poderoso dos processadores Intel Core i7 comer poeira.

A atual curva de crescimento no desempenho dos processadores pode estar menos acentuada, mas o futuro nunca pareceu tão impressionante.

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