Blog info ifap: 11/01/2010

Baseado em um projeto totalmente novo, criado para baixo consumo de energia e destinado especificamente a uma nova onda de Dispositivos Móveis para a Internet e PCs simples e de baixo custo, o Atom está conquistando seu espaço.

Eficiência energética, desempenho por watt, são coisas que fazem parte da vida do brasileiro. Eletrodomésticos brasileiros já respeitam as regras do PROCEL (Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica) e colocam nos seus produtos um selo de qualidade, indicativo da eficiência energética de acordo com a sua categoria.

Mas não é só no mundo dos eletrodomésticos que existe essa preocupação. Já há algum tempo estamos ouvindo a respeito de Computação Verde (Green Computing), onde grandes centros de processamento têm trocado seu hardware antigo por modelos que já atendam este novo padrão de qualidade, ou virtualizado servidores no hardware antigo, aumentando o seu rendimento e sua eficiência.

Felizmente, os recursos para economia de energia já estão disponíveis para o grande público. Escritórios de contabilidade, advocacia, turismo, etc, já podem ter máquinas realmente eficientes devido a oferta de computadores com processadores de bom desempenho por watt. Para as empresas que fazem um uso prolongado de computadores, a economia gerada por um hardware eficiente energeticamente representa, no final de um ano, praticamente o dinheiro investido nele.

Há alguns anos, a Intel teve que admitir que este era o caminho, e descontinuou todos os seus produtos baseados na arquitetura Netburst, usada no agora antigo Pentium IV, que tinha uma eficiência baixa frente ao Athlon 64 da AMD, e lançou a nova linha Core, agora verdadeiramente eficiente.

Surge o Atom

O ano de 2008, como já é costume, foi marcado pelo lançamento de centenas de produtos, sendo um deles especial: um novo processador que propõe não apenas ter um bom desempenho por watt, mas ter o menor consumo possível.

O Atom é o menor processador da Intel. São quarenta e sete milhões de transistores empilhados em uma área de 22 mm², ou seja, 70% menor que um processador típico (figura 1). Esta redução se deve a dois principais motivos: a miniaturização no processo de fabricação (45 nm) e a eliminação de algumas unidades de processamento.

O pequeno Atom

Características

O Atom tem muitos segredos que lhe permitem atingir consumo elétrico tão baixo. Não existem diferenças entre um Atom e um Core2Duo em instruções suportadas, com exceção do SSE4.1 suportado nas versões mais novas dos processadores Core. O que muda no Atom é a sua arquitetura, foram feitas melhorias de processo produtivo, e tudo que foi possível explorar para obter algum ganho, foi realizado.

Abaixo, detalharemos alguns deles.

Processamento in-order

Já há algum tempo que os processadores adotam execução out-of-order (fora de ordem), uma forma de aproveitar ciclos computacionais que seriam desperdiçados por algum tipo de latência ou demora de outra unidade.

Enquanto um processador com arquitetura tradicional in-order executa as instruções exatamente na ordem em que elas chegam, processadores mais complexos conseguem reordená-las de forma a obter um aproveitamento melhor, ou seja, são capazes de execução out-of-order.

Imagine o seguinte caso: em uma fila de instruções, a primeira requer um dado da memória. Em uma arquitetura in-order esta instrução vai para a unidade de processamento e fica lá parada, esperando o dado chegar da memória, trancando toda a fila após ela. Se esta arquitetura fosse out-of-order, o processador perceberia que a primeira instrução não tem todos os dados necessários para ser executada, pularia para as próximas (aproveitando ciclos de processador que teriam sido perdidos) e executaria a primeira instrução somente quando o dado finalmente chegasse.

Todos os processadores x86 a partir do Intel Pentium Pro e do AMD K5 são capazes de execução out-of-order (os primeiros Pentium não eram). O problema é que esta técnica aumenta muito a complexidade do processador e, portanto, aumenta os requisitos de energia.

Dessa forma, o número de instruções por ciclo em um Atom é menor que em uma microarquitetura out-of-order. Mas o consumo também é menor.

Cache L1 assimétrico

O Atom tem um cache L1 bastante incomum: são 56 KB de memória, 32 para instruções e 24 para dados.

Esta característica não fazia parte do projeto inicial do processador, é um exemplo perfeito do tipo de concessão que a Intel está disposta a fazer para obter o menor consumo possível.

Cache é muito importante em uma arquitetura in-order pois ameniza a perda de performance ocasionada pela latência de memória. Portanto, era do interesse da Intel adicionar o máximo de cache possível.

A Intel testou algumas diferentes formas de implementar células de memória cache no processador e a que permitiu a maior densidade de memória tinha o inconveniente de exigir um aumento de tensão, algo totalmente inaceitável. Neste caso os projetistas aceitaram reduzir um pouco o cache (que originalmente deveria ser de 64 KB) em prol de utilizar células mais econômicas, que condizem mais com a proposta do projeto.

Arquitetura superescalar

Uma arquitetura superescalar é capaz de executar mais de uma operação simultaneamente.

O Atom pode executar até duas instruções por ciclo de clock. É um número relativamente baixo se comparado com outros processadores atuais, que tipicamente processam três ou quatro (o Pentium foi o primeiro processador x86 superescalar, e desde então todos o são).

Reduzindo o número de unidades de processamento, reduzimos o número de transistores e também o consumo elétrico.

Multi-Threading

Outro caso em que uma técnica antiga é trazida de volta à tona: o Hyper Threading, recurso muito comum nos Pentium 4, volta à cena. O HT permite que duas threads sejam executadas concorrentemente, e este recurso casou muito bem com o Atom.
Em um processador superescalar com execução out-of-order como o Pentium 4 era muito mais fácil encher todas as unidades funcionais com dados de uma única thread, afinal era possível reordenar as instruções para aproveitar o maior número de unidades por ciclo. O Atom não consegue fazer isso.

Dessa forma, o HT ajuda muito na performance deste pequeno processador. Na sua arquitetura in-order, se uma fila de instruções sofrer um cache miss e trancar à espera do dado, a outra fila (com a outra thread) pode continuar normalmente, evitando desperdício de ciclos. Eventualmente, poderá ocorrer das duas filas trancarem, mas a probabilidade disto acontecer é pequena e continua sendo melhor do que ter uma fila só, que acaba parando com muito mais frequência.

Prefetching

Dois prefetchers estão presentes no Atom: um busca os dados do L2 e os traz para o L1, enquanto o outro faz a mesma coisa, mas da memória para o L2.

Um cache miss é sempre indesejável (ocorre quando o dado que o processador precisa não está no cache e precisa ser buscado na memória), mas em uma arquitetura in-order ele é algo extraordinariamente abominável, pois tranca todo o pipeline por um período muito longo de tempo.

Dessa forma, é importante que o prefetch ocorra de forma eficiente, mantendo o grande cache de 512 KB do Atom sempre alimentado.

Aplicações

Como o Atom tem a preocupação de oferecer sempre o menor consumo, este processador pode ser aplicado em vários projetos. Dispositivos móveis com alta capacidade de processamento, handbooks, netbooks, nettops (box 1) podem ser equipados com um processador Atom. Mas como qualquer processador baseado na arquitetura x86, o uso deste fica preso a um conjunto de chips, para coordenar o barramento de comunicação com outros periféricos e o acesso à memória principal. Pensando nessas possibilidades a Intel oferece duas famílias destes processadores, a família N200 e a Z500, cada uma voltada para um público específico.

B1: Netbook e Nettop
Os processadores Atom são normalmente encontrados em netbooks, miniaturizações de notebooks com foco em mobilidade e conectividade. Este processo de miniaturização está migrando para os desktops, onde surgem os nettops, máquinas voltadas para a execução de tarefas cotidianas como navegar na internet, enviar mensagens instantâneas, correio eletrônico, tudo com baixo consumo de energia. Em ambos os casos, o poder de processamento é bem inferior, mas seu consumo e mobilidade compensam esta falta.

Samsung Q1U-XP, um produto que irá se beneficiar de um Atom Z500.

Atom Z500

Mobilidade e autonomia de energia elevados a um novo patamar. Esta é a propaganda da família Z500. Os processadores pertencentes a esta família não suportam as instruções EMT64, e podem vir ou não com suporte a outras instruções como o Execute Disable Bit e o Intel VT. A ideia desta série de processadores é oferecer um produto altamente customizado para aplicações embarcadas, por exemplo, um handbook com tela touchscreen ou um Tablet PC. O TDP (Thermal Design Power) desta série varia de entre 0,65 W a 2,4 W.
Para maior flexibilidade em aplicações embarcadas, a Intel também oferece um novo SCH (System Controller HUB). Este chip unifica as funções do chipset e do southbrigde, oferecendo vídeo, áudio, controlador PATA, controlador de memória DDR2 e para SD cards, duas linhas PCI-E para comunicação com outros dispositivos e oito portas USB. Apesar de não ter todas as funções de um conjunto típico de Northbridge e Southbridge, este SCH tem um consumo de 2,3 W a seu favor, uma economia de 2/3 de energia frente aos chipsets de baixo consumo da Intel voltados para notebooks.
Esta linha de processadores será usada em produtos Ultra Mobile, como os i7210 da TabletKiosk ou os Samsung Q1U-XP que atualmente usam um Celeron ULV (figura 2).

Atom N200

A família N200 é voltada para o grande público. Com um preço muito acessível e baixo consumo de energia (seu TDP varia entre 2,5 W a 4 W), estes produtos prometem invadir o mercado de baixo custo e mobilidade. Isto já está acontecendo com a popularização dos netbooks, mas o campo de aplicação é muito maior.
Este processador é vendido em conjunto com o chipset 945 da Intel e o Southbridge ICH7, opções um tanto antigas, mas que se encaixam no perfil de popularização do produto, porque têm custo de fabricação e venda baixo.
Microcomputadores usados durante horas e horas todos os dias para edição de texto em escritórios em geral, por exemplo, poderiam ser substituídos por unidades equipadas com um Atom sem perdas sensíveis de desempenho. Empresas com infraestrutura baseada em clientes remotos (Terminal Service) não precisam de alto poder de processamento nos terminais, outra situação que se enquadra de maneira perfeita para o que o Atom se propõe.
Outra aplicação plausível é a substituição de servidores com baixo processamento. Servidores de Impressão, NIS, Domínio ou mesmo alguns firewalls e gateways de rede podem ser substituídos por uma máquina baseada em Atom. Muitos destes servidores ficam a maior parte do tempo ociosos, simplesmente aguardando requisições de usuários, e manter uma máquina de alto desempenho nestes papéis é caro, visto que temos o desperdício de processamento e o desperdício de energia elétrica.

Jetway NC91-230-LH

A Jetway nos forneceu um conjunto para IPC (Integrated PC) modelo NC91-230-LH (figura 3). Esta placa-mãe tem a seguinte configuração:

Jetway NC91-230-LH

Atom N230 1.6 GHz

Até 2 GB DDR2 533MHz

Vídeo Integrado Intel GMA950

2 Portas SATA

1 Conector PATA

1 Conector para Floppy

6 conectores USB 2.0

Áudio 5.1 integrado

Interface de rede 10/100 Mbps

Conector PCI para expansão.

Apesar de simples, esta configuração atende de forma satisfatória os micros residenciais e de escritório.
Esta placa já traz o Atom N230 embutido, ou seja, só é necessário adicionar memória e um HD para se ter um sistema completo. No nosso caso, foram usados 1GB DDR2 Corsair e um SSD de 32 GB Patriot Warp II, tudo rodando sob o sistema operacional Windows XP SP3.

Conhecendo o Desempenho
No primeiro teste de CPU, usamos o software de compactação 7Zip, que nos informa a quantidade de informação processada em MIPs (milhões de instruções processadas por segundo), com esta informação conseguimos comparar um Atom com outros processadores.
A tabela 1 mostra o resultado do Atom, junto com uma pequena biblioteca de processadores, muito usados hoje em dia tanto no ambiente de trabalho quanto em servidores.
Inserir o Hyper Threading neste processador foi uma escolha acertada. Alguns softwares que conseguem ter o seu processamento paralelizado tem um ganho de desempenho nítido. Notamos que neste teste o Atom obteve um excelente resultado, se comparado com processadores mais antigos. Com um consumo máximo de 4 W conseguimos ter um desempenho próximo a um antigo Pentium IV de 2,66 GHz, que consome muito mais energia.
Mas destacamos que o Atom não se encaixa no mercado de alto desempenho, como notamos na tabela, o desempenho deste processador não faz frente aos processadores de maior desempenho da Intel. Apesar de ter um consumo muito inferior, o seu desempenho nestes casos também é inferior.
Um outro teste utilizado foi o benchmark SuperPI, que já foi muito usado por overclockers. O Atom não é otimizado para este tipo de aplicação, que depende principalmente das unidades aritméticas do processador. A figura 4 apresenta o resultado com o tempo em segundos. O Atom fez o cálculo do PI com um milhão de casas decimais em 91 segundos. Um Core2Duo T5300 de 1,73 GHz faz o mesmo teste em 32 segundos.
Resultado do SuperPI, um benchmark que não usufrui das características do Atom.

A tabela 2 nos mostra o consumo em repouso e em estresse do processador. Como já destacado, o projeto do Atom prioriza sempre o menor consumo de energia. Isto é claramente notado nesta tabela, a diferença entre a menor potência requerida e a maior é de apenas 4 W, isto contando o consumo de todo o sistema da placa mãe.

Apesar do processador Core2Duo ser aproximadamente nove vezes mais potente do que um Atom em potência bruta de cálculo, ele consome mais de dez vezes de energia. O Atom consegue ser cerca de 60% mais eficiente por watt do que esse processador.
Este é um ponto que muitas vezes causa confusão: além da velocidade de cálculo, os processadores têm eficiências energéticas diferentes. Por exemplo, como visto na tabela 3, o Core2Duo termina a operação em instantes, porém nestes poucos instantes de processamento ele gasta muita energia. O Atom, ao contrário, leva mais tempo para concluir a mesma tarefa, porém gasta muito pouca energia a cada instante. Mesmo considerando que ele levou mais tempo, se somarmos o total de energia gasto no final, veremos que ainda assim foi menor que o do Core2Duo. Ou seja: o Atom executa mais instruções por menos watts, e independente do tempo que ele levar, ele gastará menos energia ao final do processo.
Este resultado mostra ao que o Atom veio, mesmo nas linhas mais acessíveis, ele se mostra muito econômico.

Conclusão
O processador Atom se mostrou muito eficiente. Mesmo que seu propósito seja o de ter sempre o menor consumo de energia possível, ele consegue ainda assim obter um bom desempenho por watt.
O kit fornecido pela Jetway agradou muito, já que é voltado para o mercado de baixo custo. Com menos de R$500,00 é possível comprar o kit com o Atom N230, um módulo de memória DDR2 de 1 GB ou 2 GB e um HD de capacidade razoável. Empresas e universidades sequer precisam do disco, pois podem implementar BOOT por PXE.
O custo de um gabinete específico para o formato da placa-mãe é alto, infelizmente faltam opções no mercado. Mas a boa notícia é que a placa formato Mini-ITX é compatível com qualquer gabinete comum.
Para microcomputadores que não necessitam de muito desempenho, mas ficam muitas horas ligados por dia, adquirir um Atom se mostra uma excelente escolha. A economia de energia gerada a longo prazo irá pagar o investimento feito.

http://www.revistapcecia.com.br/index.php/artigos/40-hardware/325-intel-atom.html

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Intel Aton