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Data: 27.02.2001  :. Em Reformulação!
Assunto: A Evolução dos Processadores
Por: Carlos E. Morimoto
Contato:

 

   A Evolução dos Processadores

Hoje em dia, quando falamos em processadores de 1 GHz dá até sono, de tão comuns que eles já se tornaram. Pouca gente já ouviu falar no 8088, que foi o processador usado no PC XT, a quase 20 anos atrás, e muito menos no Intel 4004, o primeiro microprocessador, lançado em 71.

Semana passada, estreei esta coluna, onde semanalmente falarei sobre a evolução, recursos e novidades do ramo de processadores. Acompanhando esta coluna você irá conhecer detalhes sobre o funcionamento dos processadores, aprender como estes fantásticos aparelhos são fabricados, como se deu sua evolução e o que virá no futuro.

Semana passada falamos sobre a evolução dos supercomputadores, nas próximas semanas falaremos sobre os processadores que utilizamos nos micros de mesa, começando não apartir da década de 70 ou 80, mas no século XIX. Sim, na época dos nossos bisavós os computadores já existiam, apesar de serem extremamente rudimentares. Eram os computadores mecânicos, que realizavam cálculos através de um sistema de engrenagens, acionado por uma manivela ou outro sistema mecânico qualquer. Este tipo de sistema, comum na forma de caixas registradoras era bastante utilizado naquela época.

No final do século XIX surgiu o relê, um dispositivo eletromecânico, formado por um magneto móvel, que se deslocava unindo dois contatos metálicos. O Relê foi muito usado no sistema telefônico, aliás algumas centrais analógicas ainda utilizam estes dispositivos até hoje. Os relês podem ser considerados uma espécie de antepassados dos transístores. Suas limitações eram o fato de serem relativamente caros, grandes demais e ao mesmo tempo muito lentos, um relê demora mais de um milésimo de segundo para fechar um circuito.

Também no final do século XIX, surgiram as primeiras válvulas. As válvulas foram usadas para criar os primeiros computadores eletrônicos, na década de 40, um exemplo é o famoso Eniac.

As válvulas tem seu funcionamento baseado no fluxo de elétrons no vácuo. A idéia é que o filamento metálico da válvula ao ser aquecido, emite elétrons que agitados graças à alta temperatura, conseguem vencer a barreira superficial do metal e fechar o circuito com outro filamento localizado próximo ao primeiro.
As válvulas já eram bem mais rápidas que os relês, atingiam freqüências de alguns Megahertz, o problema é que esquentavam demais, consumiam muita eletricidade e se queimavam com facilidade. Era fácil usar válvulas em rádios, que usavam poucas, mas construir um computador, que usava milhares delas era extremamente complicado, e caro.

Apesar de tudo isso, os primeiros computadores começaram a surgir durante a década de 40, naturalmente com propósitos militares. Os principais usos eram a codificação e decodificação de mensagens e cálculos de artilharia.

Sem dúvida, o computador mais famoso daquela época foi o Eniac (Electronic Numerical Integrator Analyzer and Computer), construído em 1945. O ENIAC era composto por nada menos do que 17,468 válvulas, ocupando um galpão imenso. Porém, apesar do tamanho, o poder de processamento do ENIAC é ridículo para os padrões atuais, suficiente para processar apenas 5,000 adições, 357 multiplicações e 38 divisões por segundo, bem menos até do que uma calculadora de bolso atual, das mais simples.

A idéia era construir um computador para realizar vários tipos de cálculos de artilharia para ajudar as tropas aliadas durante a segunda Guerra mundial. Porém, o ENIAC acabou sendo terminado exatos 3 meses depois do final da Guerra e acabou sendo usado durante a guerra fria, contribuindo por exemplo no projeto da bomba de Hidrogênio.


Parte do galpão que abrigava o Eniac


Se você acha que programar em C ou em assembler é complicado, imagine como era a vida dos programadores daquela época. A programação do ENIAC era feita através de 6.000 chaves manuais. A cada novo cálculo, era preciso reprogramar várias destas chaves. Isso sem falar no resultado, que era dado de forma binária através de um conjunto de luzes :-)

Abaixo está a foto de uma válvula muito usada na década de 40:


Vendo essa foto é fácil imaginar por que as válvulas eram tão problemáticas e caras: elas eram simplesmente complexas demais. Apartir do início da década de 40, vários pesquisadores começaram a pesquisar vários materiais, buscando desenvolver dispositivos mais eficientes.

Várias destas pesquisas tinha como objetivo a pesquisa de novos materiais, tanto condutores, quanto isolantes. Os pesquisadores começaram então a descobrir que alguns materiais não se enquadravam nem em um grupo nem no outro, pois de acordo com a circunstância, podiam atuar tanto quando isolantes quanto como condutores, formando uma espécie de grupo intermediário que foi logo apelidado de grupo dos semicondutores.

Haviam encontrado a chave para desenvolver o transístor. O primeiro projeto surgiu em 16 de Dezembro de 47, onde era usado um pequeno bloco de germânio (que na época era junto com o silício o semicondutor mais pesquisado) e três filamentos de outro. Um filamento era o polo positivo, o outro o polo negativo, enquanto o terceiro tinha a função de controle. Tendo apenas uma carga elétrica no polo positivo, nada acontecia, o germânio atuava como um isolante, bloqueando a corrente. Porém, quando uma certa tensão elétrica era aplicada usando o filamento de controle, uma fenômeno acontecia e a carga elétrica passava a fluir para o polo negativo. Haviam criado um dispositivo que substituía a válvula, sem possuir partes móveis, gastando uma fração da eletricidade gasta por uma e, ao mesmo tempo, muito mais rápido.


O primeiro projeto de transístor

 

Este primeiro transístor era relativamente grande, mas não demorou muito para que este modelo inicial fosse aperfeiçoado. Durante a década de 50, o transístor foi gradualmente dominando a indústria, substituindo rapidamente as problemáticas válvulas. Foram diminuindo de tamanho, caindo de preço e tornando-se mais rápidos. Alguns transístores da época podiam operar a até 100 MHz. Claro que esta era a freqüência que podia ser alcançada por um transístor sozinho. Nos computadores da época, a freqüência de operação era muito menor, já que em cada ciclo de processamento o sinal precisa passar por vários transístores.

Mas, o grande salto foi a substituição do germânio pelo silício. Isto permitiu miniaturizar ainda mais os transístores e baixar seu custo de produção. Os primeiros transístores de junção comerciais foram produzidos partir de 1960 pela Crystalonics.

A idéia do uso do silício para construir transístores é que adicionando certas substâncias em pequenas quantidades era possível alterar as propriedades elétricas do silício. As primeiras experiências usavam fósforo e boro, que transformavam o silício em condutor por cargas negativas ou condutor por cargas positivas, dependendo de qual dos dois materiais fosse usado. Estas substâncias adicionadas ao silício são chamadas de impurezas, e o silício "contaminado" por elas é chamado de silício dopado.

O funcionamento e um transístor é bastante simples, quase elementar. É como naquele velho ditado "as melhores invenções são as mais simples". As válvulas eram muito mais complexas que os transístores e mesmo assim foram rapidamente substituídas por eles.

Um transístor é composto basicamente de três filamentos, chamados de base, emissor e coletor. O emissor é o polo positivo, o coletor o polo negativo, enquanto a base é quem controla o estado do transístor, que como vimos, pode estar ligado ou desligado. Veja como estes três componentes são agrupados num transístor moderno:

 

Quando o transístor está desligado, não existe carga elétrica na base, por isso, não existe corrente elétrica entre o emissor e o coletor. Quanto é aplicada uma certa tensão na base, o circuito é fechado e é estabelecida a corrente entre o emissor e o receptor.

Outro grande salto veio quando os fabricantes deram-se conta que era possível construir vários transístores sobre o mesmo waffer de silício. Havia surgido então o circuito integrado, vários transístores dentro do mesmo encapsulamento. Não demorou muito para surgirem os primeiros microchips.

Na semana que vem você aprenderá sobre os primeiros processadores que foram desenvolvidos e como os processadores são fabricados. See ya :-)

Leia também a Chips & Bits da semana passada:

:. A História e Presente dos Supercomputadores
http://www.guiadohardware.net/colunas/chips_and_bits/supercomputador.asp


 

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