Porque é que não usamos os processadores mais rápidos em todos os dispositivos

• É incrível a rapidez com que os processadores mais rápidos executam instruções, por isso, porque não usamos sempre o mais rápido?
• Enumeramos as razões pelas quais a utilização da melhor e mais avançada tecnologia raramente faz sentido.
• Algumas razões já conheces (finanças), mas outras podem ter-te passado despercebidas.

Imagina isto: o teu frigorífico, o teu relógio, até a tua torradeira - tudo a funcionar com o processador mais rápido de sempre.

Parece incrível, não achas? Como algo saído de um filme de ficção científica. Mas quando comecei a investigar porque é que nós não o faças Na verdade, ao fazer isto, apercebi-me que é muito mais complicado (e interessante!) do que apenas "mais rápido é melhor".

Compreender o desempenho do processador (CPU)

No fundo, a função de um processador é executar instruções da forma mais eficiente possível. Em teoria, um processador mais rápido, com uma velocidade de relógio superior e mais núcleos, parece ser o componente ideal para alimentar todos os nossos dispositivos. No entanto, a velocidade bruta é apenas uma peça do puzzle. O desempenho é medido não apenas pelo número de operações por segundo que podem ser realizadas, mas também pela eficiência com que essas operações são realizadas em condições reais.

Por exemplo, um processador concebido para computadores de secretária topo de gama pode ser excelente em multitarefas pesadas e aplicações intensivas. Mas se trocares esse processador por um dispositivo móvel, poderás encontrar problemas que ultrapassam as suas vantagens de desempenho.

A diferença entre as velocidades máximas teóricas e o desempenho pragmático e sustentável é colmatada por factores como a eficiência energética, a geração de calor e os requisitos de carga de trabalho. Essa abordagem diferenciada do design ajuda a explicar por que os processadores mais rápidos não são uma solução única para todos. E isso é bom.

A tirania da física: calor e potência

No centro da física dos semicondutores encontra-se um compromisso fundamental: velocidade de relógio vs. dissipação de calor. Sempre que um transístor comuta, consome energia e gera calor. Aumenta a frequência do relógio e a energia necessária cresce aproximadamente com o quadrado dessa frequência.

Numa torre de secretária com espaço para dissipadores de calor gigantes e várias ventoinhas, podes lidar com dezenas, até centenas de watts de saída térmica.

Mas tenta colocar esse tipo de orçamento térmico num smartphone com apenas alguns milímetros de espessura, e acabarás por segurar um tijolo literalmente quente. Pior ainda, o calor excessivo não só torna os dispositivos desconfortáveis ao toque, como também acelera o desgaste do próprio silício, encurtando o seu tempo de vida útil.

Na maioria das vezes, os projectistas de produtos e chips têm de escolher processadores cuja potência de conceção térmica (TDP) se enquadre em envelopes térmicos apertados, equilibrando o desempenho com uma dissipação de calor fiável.

Demasiado calor não só prejudica o desempenho, como também pode reduzir o tempo de vida de um componente e comprometer a segurança do utilizador. Por conseguinte, os projectistas optam frequentemente por processadores que proporcionam um desempenho "suficientemente bom" sem gerar calor excessivo.

Isto significa que, embora os processadores mais rápidos possam existir em laboratórios (lê isto como concursos de overclocking), nem sempre são os mais adequados para dispositivos onde o espaço é escasso e a gestão térmica é um desafio crítico. A compensação aqui é um ato de equilíbrio, optimizando o desempenho enquanto assegura que o dispositivo permanece fresco, seguro e confortável de utilizar.

Os fabricantes desenvolveram arquitecturas especiais, como Configuração big.LITTLEE da ARMO sistema de computação de alto desempenho é um sistema de computação de alto desempenho, em que núcleos de alta potência são combinados com núcleos de baixo consumo de energia. O sistema alterna inteligentemente entre esses núcleos com base nas exigências de computação, proporcionando um equilíbrio entre o alto desempenho quando necessário e a conservação da vida útil da bateria quando as tarefas são menos intensivas. Este tipo de gestão dinâmica da energia é fundamental para a computação móvel moderna.

A duração da bateria é o mais importante quando se trata de dispositivos portáteis

A duração da bateria está diretamente relacionada com as restrições térmicas. Os utilizadores modernos esperam que os smartphones durem todo o dia com um único carregamento, que os computadores portáteis durem oito horas ou mais e que os wearables funcionem durante dias ou semanas.

Os processadores de alta velocidade consomem muita energia, muitas vezes centenas de watts quando funcionam perto do seu relógio máximo. Em contrapartida, um SoC móvel bem concebido consome normalmente menos de 5 W em utilização intensiva para cumprir a promessa de "todo o dia", consumindo muitas vezes apenas alguns milivolts em cenários de utilização típicos e menos extenuantes.

Sem esses compromissos, o teu telemóvel morreria numa hora ou precisaria de uma bateria com metade da espessura e do peso da atual. Não é uma solução vantajosa. A engenharia de processadores potentes e eficientes não é uma tarefa fácil.

Rendimentos decrescentes: o custo de cada megahertz adicional

Imagina que estás num stand de automóveis e que os preços sobem abruptamente à medida que aumentas a velocidade máxima em 1 mph. A analogia é válida para o silício: aumentar a velocidade de relógio de 4,0 GHz para 4,5 GHz pode custar apenas uma pequena alteração no fabrico, mas passar de 5,0 GHz para 5,5 GHz requer muitas vezes alterações significativas no design, silício de qualidade superior (binning para chips que podem suportar mais tensão e calor) e testes mais rigorosos.

Cada megahertz adicional para além de um determinado ponto produz aumentos de velocidade menores no mundo real, especialmente em aplicações que não podem utilizar totalmente o desempenho bruto de um único thread. Entretanto, o risco adicional de engenharia, as taxas de defeitos mais elevadas e o aumento dos custos de fabrico corroem as margens do fabricante e os preços para o utilizador final.

Todos queremos o CPU mais rápido *Que possamos pagar. E esse asterisco faz uma grande diferença.

Restrições do fator de forma: tamanho, peso e materiais

Para além do próprio silício, o chassis do teu dispositivo, os materiais dos dissipadores de calor e as soluções de arrefecimento impõem limites. Um smartphone usa dissipadores de calor finos de cobre e depende parcialmente da estrutura metálica e da parte traseira de vidro para irradiar o calor. Um portátil para jogos pode incluir câmaras de vapor e ventoinhas, mas ainda não consegue igualar a capacidade de arrefecimento de uma caixa optimizada para fluxo de ar de um computador de secretária.

Os wearables e os dispositivos IoT encolhem ainda mais o envelope: muitas vezes não há espaço para arrefecimento ativo. Os designers têm de fazer cedências entre o músculo computacional bruto e as realidades físicas da forma, peso e materiais de construção do dispositivo.

Na maioria das vezes, o tamanho e o peso de um dispositivo determinam quais os CPUs que podes utilizar. E usar algo mais robusto não é corajoso, mas mais frequentemente uma má decisão de design.

Processadores especializados vs. processadores de uso geral

Em muitos domínios, a vantagem em termos de "velocidade" advém da especialização. As GPUs, por exemplo, dedicam centenas ou milhares de núcleos mais pequenos, além de unidades SIMD amplas e memória de elevada largura de banda, a tarefas como a renderização de gráficos ou a computação científica. As TPUs da Google e outros aceleradores de IA adicionam motores de multiplicação de matrizes para acelerar as cargas de trabalho de aprendizagem profunda.

Mas essas arquitecturas estão optimizadas para tarefas limitadas e muito específicas, são excelentes em matemática paralela de vírgula flutuante, mas não são tão flexíveis para a computação geral.

Incorporar um silício tão especializado em cada dispositivo seria um exagero (e um desperdício) para tarefas quotidianas como a navegação na Web ou o correio eletrónico. Em vez disso, os dispositivos utilizam processadores "just right" que equilibram a capacidade de uso geral com aceleradores específicos de tarefas (por exemplo, descodificação de vídeo, inferência de IA) para aumentar a eficiência onde é importante.

Software e realidades de carga de trabalho

A velocidade bruta do relógio é apenas uma parte da história do desempenho. Os processadores modernos dependem fortemente de hierarquias de cache, previsão de ramificação, execução fora de ordem e multi-threading para manter os pipelines alimentados com dados.

Em muitas aplicações do mundo real, particularmente aquelas com muita perseguição de ponteiros, acesso irregular à memória ou E/S pesada, taxas de relógio mais elevadas proporcionam apenas ganhos modestos.

Os programadores e arquitectos de sistemas descobrem frequentemente que otimizar o software para a localidade de dados, paralelismo e eficiência algorítmica produz retornos muito melhores do que perseguir cada centena de megahertz extra de velocidade de hardware. De facto, muitos dispositivos limitam o desempenho da CPU onde a "curva do software" começa a ficar plana, optando por afinar os compiladores, as bibliotecas e os sistemas de tempo de execução.

Por isso, sim, também importa como defines "mais rápido", porque dependendo do volume de trabalho podes estar a olhar para coisas completamente diferentes.

A fiabilidade e a longevidade aumentam se não fores demasiado longe com os chips

Os servidores e os sistemas de missão crítica utilizam por vezes processadores que funcionam com clocks ligeiramente mais baixos do que a sua capacidade máxima, precisamente para melhorar a fiabilidade. A execução de chips em pontos de tensão/frequência reduzidos (uma técnica chamada undervolting/underclocking) pode reduzir significativamente as correntes de fuga e o stress térmico, prolongando a vida útil dos componentes e reduzindo a probabilidade de corrupção silenciosa de dados ou falhas súbitas.

As empresas de eletrónica de consumo preocupam-se muito com as taxas de devolução, os custos da garantia e a reputação da marca. Muitas vezes, é preferível garantir que cada unidade sobreviverá ao abuso típico do utilizador, a sessões de jogo prolongadas, a temperaturas ambiente quentes e à exposição ao pó, do que levar cada chip ao seu limite absoluto.

Considerações regulamentares e ambientais

À medida que cresce a preocupação do público com o consumo de energia e o lixo eletrónico, as entidades reguladoras e os consórcios da indústria pressionam cada vez mais no sentido de uma eletrónica mais ecológica. Organismos de normalização, como o Energy Star, estabelecem padrões de eficiência energética para os dispositivos, incentivando os fabricantes a atingirem valores mais baixos de consumo de energia em inatividade e em carga. Os objectivos de sustentabilidade das empresas incentivam ainda mais os designs que minimizam a pegada de carbono durante o ciclo de vida do dispositivo.

Neste contexto, utilizar o processador mais rápido possível em todos os dispositivos, independentemente de esse desempenho ser realmente necessário, vai contra objectivos ambientais mais amplos. Um silício melhor e mais eficiente, uma gestão de energia adaptável e uma vida útil mais longa dos dispositivos têm prioridade sobre a velocidade de relógio máxima.

O imperativo da experiência do utilizador

Em última análise, a maioria dos consumidores preocupa-se menos com a velocidade de relógio bruta da CPU e mais com a capacidade de resposta, a duração da bateria, o calor, o ruído e a sensação geral. Um telemóvel que seja ligeiramente mais lento nas pontuações de benchmark, mas que se mantenha frio e dure 16 horas de utilização intensa, parecerá muito mais premium do que um que passe rapidamente nos testes, mas que se desligue ao fim de duas horas ou que se torne um aquecedor de bolso desconfortavelmente quente.

Os fabricantes passam inúmeras horas em testes UX, equilibrando a velocidade da CPU, o desempenho da GPU e as optimizações ao nível do sistema para proporcionar uma experiência consistentemente suave em condições reais.

Muitas vezes, isso significa reduzir a velocidade máxima de relógio do processador para atingir um ponto ideal em que o desempenho seja rápido, as temperaturas se mantenham controladas e a duração da bateria exceda as expectativas.

As CPUs suficientemente rápidas são frequentemente preferidas aos processadores "mais rápidos"

A boa notícia é que "rápido o suficiente" hoje muitas vezes parece "muito rápido" amanhã. Os criadores de chips estão cada vez mais a recorrer a arquitecturas heterogéneas, combinando núcleos grandes e que consomem muita energia com núcleos mais pequenos e eficientes, além de motores dedicados de IA, gráficos e vídeo, para combinar o hardware certo com a tarefa certa.

Isto permite que os dispositivos aumentem o desempenho quando necessário e que se mantenham a uma potência ultra-baixa quando estão inactivos. O hardware adaptável que se reconfigura dinamicamente em tempo real, a fotónica de silício para interligações e os chiplets empilhados em 3D prometem uma flexibilidade ainda maior.

Em vez de um processador monolítico "mais rápido", os dispositivos do futuro podem combinar uma infinidade de motores especializados, cada um excelente no seu nicho, proporcionando um desempenho global que ultrapassa qualquer "grande núcleo" único.

Queres saber o que significa para ti o mais rápido? Lê os nossos artigos sobre quantos núcleos de CPU precisas para jogar hoje em dia e para executar aplicações que consomem muita energia.

Resumindo

Então, porque é que não enchemos todos os dispositivos com os processadores mais rápidos possíveis? Porque "mais rápido" significa muitas vezes mais quente, que consome muita energia, mais caro, de vida mais curta e menos amigo do ambiente, caraterísticas que colidem com as necessidades reais da eletrónica móvel, incorporada e de consumo.

Em vez disso, a indústria procura o equilíbrio: combinar as capacidades do silício com os casos de utilização, otimizar o software e inovar na embalagem e na gestão da energia para proporcionar a melhor experiência global.

No final, o objetivo não é uma corrida inútil aos megahertz, mas sim criar dispositivos que encantem os utilizadores com um desempenho suave, uma longa duração da bateria, temperaturas confortáveis e preços acessíveis. E é por isso que as CPUs "maiores" e "mais rápidas" são gloriosas em supercomputadores e computadores de secretária emblemáticos, mas desnecessárias (e indesejáveis) no teu dia a dia.

Ionuț-Alexandru Popa

Sou escritor e editor-chefe do BinaryFork. Sou apaixonado por tecnologia, ciência, exploração espacial e cinema. Comecei a escrever sobre tecnologia há mais de 20 anos, depois de me ter licenciado em Ciências Informáticas.