Uso da mera frequência de clock para comparar o desempenho de microprocessadores
O mito do megahertz, ou, em casos mais recentes, o mito do gigahertz, refere-se ao equívoco de usar apenas a frequência de clock (por exemplo, medida em megahertz ou gigahertz) para comparar o desempenho de diferentes microprocessadores. Embora as frequências de clock sejam uma forma válida de comparar o desempenho de diferentes velocidades do mesmo modelo e tipo de processador, outros fatores, como a quantidade de unidades de execução, a profundidade do pipeline, a hierarquia de cache, a predição de desvio e os conjuntos de instruções, podem afetar enormemente o desempenho ao considerar processadores diferentes. Por exemplo, um processador pode levar dois ciclos de clock para somar dois números e outro ciclo de clock para multiplicar por um terceiro número, enquanto outro processador pode fazer o mesmo cálculo em dois ciclos de clock. Comparações entre diferentes tipos de processadores são difíceis porque o desempenho varia dependendo do tipo de tarefa. Um benchmark é uma forma mais completa de medir e comparar o desempenho do computador.
O mito começou por volta de 1984, ao comparar o Apple II com o IBM PC.[carecede fontes]? O argumento era que o computador IBM era cinco vezes mais rápido que o Apple II, pois seu processador Intel 8088 tinha uma velocidade de clock aproximadamente 4,7 vezes a velocidade de clock do MOS Technology 6502 usado neste último. No entanto, o que realmente importa não é quão finamente divididas são as instruções de uma máquina, mas quanto tempo ela leva para completar uma determinada tarefa. Considere a instrução LDA # (Load Accumulator Immediate). Em um 6502, essa instrução requer dois ciclos de clock, ou 2μs a 1MHz. Embora os ciclos de clock do 8088 de 4,77MHz sejam mais curtos, o LDA # precisa de pelo menos 4 deles, então leva 4 / 4,77MHz = 0,84μs no mínimo. Assim, na melhor das hipóteses, essa instrução roda apenas um pouco mais de 2 vezes mais rápido no IBM PC original do que no Apple II.
História
Processadores da série Pentium 1
A arquitetura de CPUx86 baseada em CISC, que a Intel introduziu em 1978, foi usada no IBM PC de 1981, e sua linhagem ainda domina o mercado de Windows. Uma arquitetura IBM baseada em RISC foi usada para a CPU PowerPC, lançada em 1992. Em 1994, a Apple Computer introduziu computadores Macintosh usando essas CPUs PowerPC. Inicialmente, essa arquitetura correspondeu às expectativas de desempenho, e diferentes faixas de CPUs PowerPC foram desenvolvidas, frequentemente entregando desempenhos diferentes na mesma frequência de clock. Da mesma forma, naquela época o Intel 80486 estava sendo vendido ao lado do Pentium, que entregava quase o dobro do desempenho do 80486 na mesma frequência de clock.
O mito surgiu porque a frequência de clock era comumente tomada como uma medida simples do desempenho do processador, e era promovida em publicidade e por entusiastas sem levar em conta outros fatores. O termo entrou em uso no contexto de comparar computadores Macintosh da Apple baseados em PowerPC com PCs baseados em Intel. O marketing baseado no mito levou a frequência de clock a receber prioridade maior que o desempenho real e levou a AMD a introduzir números de modelo dando uma frequência de clock nocional baseada no desempenho comparativo, para superar uma deficiência percebida em sua frequência de clock real.
Comparações entre PowerPC e Pentium tornaram-se um item básico das apresentações da Apple. Na Macworld Expo de Nova York, em 18 de julho de 2001, Steve Jobs, em sua "Stevenote", descreveu um PowerPC G4 de 867MHz como completando uma tarefa em 45segundos, enquanto um Pentium 4 de 1,7GHz levava 82segundos para a mesma tarefa, dizendo que "o nome que demos a isso é o mito do megahertz". Ele então apresentou o vice-presidente sênior de hardware, Jon Rubinstein, que deu um tutorial descrevendo como pipelines mais curtos davam melhor desempenho na metade da frequência de clock. O desenho online The Joy of Tech subsequentemente apresentou uma série de desenhos inspirados no tutorial de Rubinstein.
Limites de velocidade do processador
Processadores Pentium 4 tinham altas frequências de clock, resultando em altas temperaturas e alto uso de energia
De aproximadamente 1995 a 2005, a Intel anunciava seus processadores mainstream Pentium principalmente com base apenas na velocidade de clock, em comparação com produtos concorrentes da AMD. Artigos de imprensa previram que os processadores de computador poderiam eventualmente funcionar tão rápido quanto 10 a 20 gigahertz nas próximas décadas.
Isso continuou até cerca de 2005, quando o Pentium Extreme Edition estava atingindo limites de dissipação térmica operando a velocidades de quase 4 gigahertz. O processador não podia ir mais rápido sem exigir mudanças complexas no design de refrigeração, como canais de refrigeração por microfluídica embutidos no próprio chip para remover calor rapidamente.
Isso foi seguido pela introdução do processador de desktop Core 2 em 2006, que foi uma grande mudança em relação aos processadores de desktop Intel anteriores, permitindo uma diminuição de quase 50% no clock do processador enquanto mantinha o mesmo desempenho.
O Core 2 teve seus primórdios no processador móvel Pentium M, onde a eficiência energética era mais importante que a potência bruta, e inicialmente oferecia opções de economia de energia não disponíveis no Pentium 4 e no Pentium D.
Frequências mais altas
Nos anos seguintes ao fim da microarquitetura NetBurst e suas CPUs de 3+ GHz, as velocidades de clock dos microprocessadores continuaram a aumentar lentamente após cair inicialmente cerca de 1GHz. Avanços de vários anos em processos de fabricação e gerenciamento de energia (especificamente, a capacidade de definir velocidades de clock por núcleo) permitiram velocidades de clock tão altas ou mais altas que os antigos Pentium 4 e Pentium D do NetBurst, mas com muito maior eficiência e desempenho. Em 2018, muitos microprocessadores Intel são capazes de exceder uma velocidade de clock base de 4GHz (Intel Core i7-7700K e i3-7350K têm uma velocidade de clock base de 4,20GHz, por exemplo).
Em 2011, a AMD foi a primeira a quebrar a barreira dos 4GHz para microprocessadores x86 com a estreia das primeiras CPUs AMD FX baseadas em Bulldozer. Em junho de 2013, a AMD lançou o FX-9590, que pode atingir velocidades de até 5,0GHz, mas problemas semelhantes com uso de energia e produção de calor retornaram.
Nem a Intel nem a AMD produziram o primeiro microprocessador da indústria a quebrar as barreiras de 4GHz e 5GHz. O IBM z10 alcançou 4,4GHz em 2008, e o IBM z196 alcançou 5,2GHz em 2010, seguido pelo z12 alcançando 5,5GHz no outono de 2012.
↑O 8088 tem uma Unidade de Execução (EU) e uma Unidade de Interface de Barramento (BIU) fracamente acopladas, com uma fila de pré-busca; no 8088, para executar a instrução MOV AL,#, funcionalmente semelhante à instrução LDA # do 6502, a EU requer 4 ciclos de clock, mas a BIU requer 8 ciclos de clock. (É uma instrução de 2 bytes, e a BIU requer 4 ciclos de clock para ler ou escrever 1 byte, assumindo nenhum estado de espera.) Portanto, se a instrução já estiver na fila de pré-busca, ela leva 4 ciclos de clock para executar; se a instrução não tiver sido pré-buscada, ela leva 8 ciclos de clock; e se a BIU estiver no processo de pré-buscar a instrução quando a EU começa a executá-la, ela leva de 5 a 7 ciclos de clock. Em contraste, o 6502, que tem um pipeline de busca-execução muito mais simples, sempre leva o mesmo número de ciclos de clock para executar uma determinada instrução em qualquer contexto.
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