Por Dentro da Arquitetura do Atom

Introdução

O Atom é um processador de baixo consumo da Intel que dissipa pouco calor (menos de 3 W), voltado para os mercados de notebooks e de dispositivos móveis com acesso à internet – chamados MIDs pela Intel, ou Mobile Internet Devices. Neste tutorial nós exploraremos a arquitetura usada neste processador.

É importante saber que há duas versões do processador Atom. O Atom das séries 2xx e N2xx (até o momento apenas os modelos 230 e N270 estão disponíveis) – codinome “Diamondville” – é voltado para o mercado de notebooks (já que eles usam chipsets Intel da série 945, que são maiores e usam dois chips), enquanto que o Atom série Z5xx – codinome “Silverthorne” – é voltado para o mercado de dispositivos móveis com acesso à internet, não apenas porque ele usa um novo chipset chamado US15W, que é muito menor e usa apenas um chip, mas também porque os processadores Atom Z5xx são fisicamente menores do que os processadores Atom anteriores (14 x 13 mm contra 22 x 22 mm).

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Figura 1: Processador Atom 230.

Você também pode ouvir referências à plataforma Atom Centrino (codinome “Menlow”). Esta plataforma consiste de um processador Atom, o novo chipset US15W (codinome “Poulsbo”) e capacidade de rádio (WiFi, Bluetooth, etc).

Falando em codinomes, nós temos também o “Moorestown”, que será a próxima versão da plataforma Atom Centrino, esperada para chegar ao mercado em 2009 ou 2010 e terá um processador Atom codinome “Lincroft”, um chipset codinome “Langwell” e um chip de rádio codinome “Evans Peak”.

As principais características do processador Atom são as seguintes:

Compatibilidade total com o conjunto de instruções x86, o que significa que ele pode rodar diretamente programas e sistemas operacionais para PCs. Vários outros processadores voltados para o mercado de dispositivos móveis têm conjunto de instruções proprietário.
Baixíssima dissipação térmica (TDP): 4 W para o modelo 230, 2,5 W para o modelo N270 e entre 2 W e 2,64 W para os modelos Z5xx.
Tecnologia Hyper-Threading.
Tecnologia de Virtualização.
Execute Disable.
Conjunto de instruções SSE3
Clock externo de 400 MHz ou 533 MHz (100 MHz ou 133 MHz transferindo quatro dados por pulso de clock).
Caminho de dados interno de 128 bits (“Digital Media Boost”).
32 KB de cache L1 de instruções e 24 KB de cache L1 de dados.
512 KB de cache L2.
Tamanho de cache dinâmico: capacidade de desligar porções do cache de memória quando o processador entra nos modos de economia de energia C4 ou C4E (não disponível nos modelos Atom 2xx).
Pipeline de 16 estágios.
Fabricado com tecnologia de 45 nm.
Pode trabalha em conjunto com um chipset móvel da classe Intel 945 (Atom modelos 2xx e Nxxx) ou com um chipset Intel US15W (“Poulsbo”), Atom modelos Z5xx. Os modelos 2xx e Nxxx são voltados para o mercado de notebooks, enquanto que os modelos Z5xx são voltados para o mercado de dispositivos móveis com acesso à internet.
437 pinos (modelos “Diamondville”, ou seja, 2xx e Nxxx) ou 441 pinos (modelos “Silverthorne”, ou seja, Z5xx).

Agora vamos dar uma olhada mais detalhada nas principais características do processador Atom.

Microarquitetura

O Atom é baseado em uma nova microarquitetura contendo o mesmo conjunto de instruções x86 presentes nos processadores baseados na microarquitetura Core (Core 2 Duo, por exemplo). Uma das principais diferenças entre a microarquitetura do Atom em relação aos processadores atualmente usados em PCs é que ela executa microinstruções em ordem, tal como era até o primeiro Pentium, e não fora de ordem, como ocorre do Pentium Pro, Pentium II e superiores. Isto foi feito com o intuito de reduzir o consumo do processador, já que os componentes necessários para enviar e controlar as microinstruções a serem executadas puderam ser removidos. O Atom é capaz de decodificar duas instruções por pulso de clock.

O pipeline é uma lista de estágios que uma instrução precisa percorrer de modo a ser totalmente executada. Para uma maior explicação sobre este assunto leia nosso tutorial Como os Processadores Funcionam.

O Atom tem um pipeline de 16 estágios, que é mais longo do que o dos atuais processadores Core 2. Isto foi feito por algumas razões. Primeiro para permitir uma maior eficiência energética. Mais estágios significam mais unidades que podem ser espalhadas pelo chip e consequentemente a produção de calor é melhor distribuída, em vez de ter poucas unidades concentrando o calor em um único ponto. Com mais unidades a probabilidade de ter algumas delas ociosas é maior se comparado com um processador que tenha menos unidades, o que significa que elas podem ser desligadas para economizar energia. Outra vantagem de um pipeline maior é que a microarquitetura pode obter clocks mais elevados. A razão para isso é que cada unidade terá menos transistores, o que facilita o aumento do clock.

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Figura 2: Pipeline do Atom.

Outro recurso encontrado no Atom é um caminho de dados verdadeiramente de 128 bits, recurso introduzido com os processadores baseados na microarquitetura Core (por exemplo, Core 2 Duo). Nos processadores anteriores o caminho de dados interno era de apenas 64 bits. Isto era um problema com instruções SSE, já que os registradores SSE, chamados XMM, são de 128 bits. Portanto, na hora de executar uma instrução que manipulava dados de 128 bits esta operação tinha que ser quebrada em duas operações de 64 bits. O caminho de dados interno de 128 bits faz com que o Atom seja mais rápido para processar instruções SSE que manipulam dados de 128 bits. A Intel chama este recurso de “Digital Media Boost”.

Como mencionamos, os processadores Atom têm 32 KB de cache L1 de instruções, 24 KB de cache L1 de dados e um cache L2 de 512 KB. Eles não têm um controlador de memória integrado, e por essa razão os tipos e capacidades de memória são definidos pelo chipset e não pelo processador.

O processador Atom também suporta a tecnologia Hyper-Threading, que é a capacidade de usar unidades ociosas do processador para formar um segundo processador virtual, fazendo com que o sistema operacional veja cada núcleo do processador como sendo dois processadores (duas “threads”, no jargão da indústria) apesar de apenas um núcleo estar fisicamente presente. Claro que esta técnica é menos eficiente do que ter dois núcleos de processamento verdadeiros, mas este “núcleo” extra – e consequentemente o desempenho extra – você ganha de graça.

Modos de Economia de Energia

Nem todos os processadores Atom são iguais e a diferença mais importante entre eles está nos modos de economia de energia suportados. Para uma explicação detalhada de todos os modos de economia de energia leia nosso tutorial Tudo o Que Você Precisa Saber Sobre os Modos de Economia de Energia (Estados C) do Processador.

O Atom 2xx (até o momento apenas o Atom 230 está disponível) suporta apenas o modo C1 (Parar), introduzindo um novo sub-modo C1, chamado MWAIT, que é acionado mediante a execução de uma instrução chamada “MWAIT”, e, portanto, é similar ao tradicional modo C1, que é ativado com a execução de uma instrução “HALT”. A diferença, no entanto, é que enquanto o processador só pode sair do estado Parar (Halt) quando uma interrupção é dada, no estado MWAIT outros eventos podem colocar o processador de volta em seu estado operacional.

O Atom Nxxx (até o momento apenas o Atom N270 está disponível) suporta os modos C1, C1E, C2, C2E, C3, C4 e C4E.

O Atom Z5xx suporta todos os modos mencionamos acima, além do modo C6.

Nesses processadores os estados C1, C2 e C4 podem ser utilizados em cada processador virtual (“thread” individual). Como o Atom suporta a tecnologia Hyper-Threading, cada núcleo do processador é reconhecido como dois processadores pelo sistema operacional; portanto um processador de um único núcleo é reconhecido como sendo dois processadores ou “duas threads” usando o jargão da indústria. O Atom pode colocar qualquer “thread” em qualquer estado C1, C2 ou C4.

O processador Atom pode desabilita um porção do seu cache L2 quando entrar nos estágios C4 ou C4E, recurso chamado “Tamanho de Cache Dinâmico” (O processador Atom 2xx não suporta o modo C4 e por isto ele não tem este recurso). Normalmente quando o processador entra no estado C4 o cache de memória está totalmente ligado e no estágio C4E o cache de memória está totalmente desligado.

Outro tradicional recurso de economia de energia disponível nos processadores Atom (apenas no modelo N270) é a tecnologia SpeedStep. Esta tecnologia faz com que o processador trabalhe com um clock mais baixo e com tensões de alimentação menores quando você está rodando um programa que não demande grande poder de processamento.

Chipset

Dependendo do modelo, o Atom pode trabalhar em conjunto com um chipset da classe Intel 945 (Atom 2xx e N2xx) ou como o novo Intel US15W (Atom Z5xx), também conhecido como “Intel System Controller Hub” ou “Hub Controlador do Sistema” ou simplesmente SCH. É interessante notar que a Intel concedeu uma licença a SiS para desenvolver chipsets para os processadores Atom, portanto você poderá ver no futuro processadores Atom usando chipsets deste fabricante.

Como os chipsets Intel 945 usam dois chips relativamente grandes, os processadores usando esses chipsets são voltados apenas para notebooks, já que eles não podem encaixar no pequeno espaço físico requerido por aplicações menores. Em teoria qualquer chipset Intel 945 pode ser usado, mas a Intel recomenda a versão móvel e você provavelmente verá produtos com o Intel 945GSE, que é o chipset recomendado para a plataforma “NetBook’08” da Intel. Todos os recursos de memória e de entrada/saída para um pequeno notebook baseado no processador Atom dependerão do chipset usado.

O novo chipset US15W, por outro lado, é uma solução com apenas um chip permitindo que os processadores Atom sejam usados em dispositivos móveis com acesso à internet. Ele usa um projeto completamente novo e algumas das suas principais características são:

Motor gráfico com decodificador de vídeo de alta definição baseado em hardware (suportando decodificadores H.264, MPEG2, MPEG4, VC1 e WMV9) e capacidade de gráfico 3D, rodando a 200 MHz (Intel Graphics Media Accelerator 500, que é um motor DirectX 9.0c/Shader 3.0).
Suporte para duas saídas de vídeo, uma interna para o dispositivo e outra externa. Elas podem funcionar como saídas independentes ou podem exibir a mesma imagem ao mesmo tempo. A conexão entre o chipset e o monitor LCD interno é feita através de uma interface LVDS (Low-Voltage Signaling Interface) suportando cores de 18 ou 24 bits, enquanto que a conexão entre o chipset e o monitor de vídeo externo é feita através de um barramento SDVO (Serial Digital Video Out); esta ligação pode ser facilmente convertida para qualquer tipo de saída de vídeo (VGA, S-Video, DVI, HDMI, etc) através de um chip externo.
Suporte para memórias DDR2-400 ou DDR2-533 até 1 GB, único canal (o slide da Figura 3 mostra a capacidade de memória máxima errada).
Controlador de áudio de alta definição com resolução de 32 bits e taxa de amostragem de até 192 kHz. A qualidade do áudio dependerá do codec de áudio usado.
Oito portas USB 2.0.
Duas conexões PCI Express x1.
Uma porta ATA-100.
Três portas SDIO.

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Figura 3: Principais características do chipset Intel US15W.

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Figura 4: Diagrama em blocos do chipset Intel US15W.

Uma coisa muito interessante a se notar é que este chipset não possui portas SATA. Isto foi feito de propósito, já que de acordo com a Intel quando eles estavam desenvolvendo este chipset os discos rígidos de 1,8” estavam disponíveis apenas com interface ATA (PATA), não SATA. Eles também acham que dispositivos móveis para internet usarão SSD (Discos de Estado Sólido) em um futuro próximo, e não discos rígidos.

O Futuro: Plataforma Moorestown

Como mencionamos anteriormente, “Moorestown” é o codinome da próxima versão da plataforma Atom Centrino, esperada para chegar ao mercado em 2009 ou 2010. Ela usará um processador Atom codinome “Lincroft”, um chipset codinome “Langwell” e um chip de rádio codinome “Evans Peak”. Como você pode ver na Figura 5, a Intel adicionará um codificador de vídeo no processador Atom codinome “Lincroft”, além de um controlador de disco de estado sólido (SSD) no chipset codinome “Langwell” e possivelmente o suporte para telefonia celular 3G no chip de rádio “Evans Peak”.

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Figura 5: Plataforma Moorestown.

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