Trabalho de Arquitetura de Computadores Modernos - Supercomputadores - Processador - 2024

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O que é um supercomputador?
Um supercomputador ou computador de alto desempenho são máquinas que possuem extrema capacidade de processamento de dados cujo desempenho supera em milhares de vezes a de um computador doméstico (comum). A memória de um supercomputador comparada a de um computador doméstico é absurdamente superior para que seja possível a grande quantidade de processamento de dados com alta velocidade e desempenho, também é conhecido por seu processamento paralelo, sendo capaz de realizar cálculos extremamente ágeis. Geralmente, esses níveis de performance são mensurados na quantidade de operações de pontos flutuantes por segundo, ou FLOPS, em vez da quantidade de instruções por segundos.
Um supercomputador, segundo a empresa alemã de desenvolvimento de softwares, Suse, “supercomputadores são máquinas que contém milhares de processadores e podem realizar bilhões ou trilhões de cálculos computacionais por segundo.”
Os supercomputadores modernos incorporam componentes essenciais para seu alto desempenho:
Processadores: Utilizam processadores de alto desempenho (RISC, x86, Itanium), com tendência crescente de incluir aceleradores como FPGAs e GPUs.
Memória: Grande capacidade de RAM, variando de gigabytes a terabytes.
Interconexão: Mecanismos de alta velocidade para comunicação eficiente entre processadores.
Arquitetura de Memória: Memória compartilhada ou distribuída, dependendo do design.
Sistemas de Refrigeração: Necessários para manter temperaturas operacionais seguras devido à alta densidade de processadores.
Os supercomputadores combinam diversos componentes (processadores, memória, controladores de memória, caches, unidades de ponto flutuante, barramentos de comunicação, aceleradores de computação) para executar cálculos complexos e processar grandes volumes de dados em paralelo, aproveitando ao máximo sua capacidade de processamento.
O que é um processamento paralelo?
O processamento paralelo é uma técnica de computação na qual várias operações são realizadas simultaneamente, dividindo tarefas complexas em pequenas tarefas menores (ou subtarefas) que podem ser processadas ao mesmo tempo. 
Isso é fundamental para o funcionamento de supercomputadores, permitindo a resolução de problemas ou cálculos que seriam extremamente complexos de calcular normalmente por processadores de uso comum ou demorariam um tempo impraticável para serem resolvidos por um único processador.
Processadores
Um processador, também conhecido como unidade central de processamento (CPU: Central Processing Unit – Em inglês), é o “cérebro” de um dispositivo eletrônico. Ele é um chip semicondutor que executa instruções e realiza cálculos para realizar tarefas específicas. Os processadores estão presentes em uma ampla variedade de dispositivos, desde computadores e smartphones até consoles de videogame e sistemas embutidos em eletrodomésticos.
Os principais fatores a serem levados em conta para os processadores são sua quantidade, número de núcleos cada, frequência de operação, consumo, dissipação de calor e custo. A velocidade de processamento de um supercomputador é medida em FLOPS (Floating Point Operations Per Second), ou seja, quantidade de operações de ponto flutuante por segundo. Os supercomputadores atuais atingem a grandeza dos petaflops (PFLOPS), o que equivale a quatrilhões de cálculos por segundo. 
Curiosidade: Um computador pessoal chega aos 100 gigaflops (Core i7 980x Intel), cerca de 10 mil vezes menor.
Quando se usa muitos processadores e núcleos, é consumida muita energia e há grande dissipação de calor, sendo necessário que as salas em que os supercomputadores são mantidos devem conter sistemas de refrigeração especiais. Devido ao seu alto número de processadores e dispositivos, eles chegam a ocupar salas inteiras.
1. Busca de Instruções
O processador busca a próxima instrução a ser executada na memória principal. Essas instruções são armazenadas em um formato binário compreensível pelo processador.
2. Decodificação de Instruções
O processador decodifica a instrução, determinando qual operação deve ser realizada e quais dados são necessários.
3. Execução
A instrução é executada, o que pode envolver cálculos matemáticos, manipulação de dados ou outras operações.
4. Armazenamento de Resultados
Os resultados da instrução são armazenados na memória principal ou registradores internos para uso futuro.
5. Ciclo Repetido
Esse ciclo de busca, decodificação, execução e armazenamento é repetido milhões de vezes por segundo, permitindo que o processador realize uma ampla gama de tarefas.
Diferenças de um processador comum e de supercomputador
A diferença entre processadores comuns e processadores de supercomputadores se dá em vários aspectos técnicos e funcionais, tais quais, podemos citar:
1. Desempenho e Potência de Processamento:
· Processadores Comuns: Equilibram desempenho e eficiência energética para tarefas gerais, como navegação na web e edição de documentos (ex.: Intel Core i5/i7, AMD Ryzen).
· Processadores de Supercomputadores: Focados no máximo desempenho para tarefas que requerem grande poder de processamento paralelo (ex.: Intel Xeon, AMD EPYC, GPUs da NVIDIA).
2. Arquitetura e Design:
· Processadores Comuns: Têm arquiteturas otimizadas para eficiência energética e desempenho em aplicações típicas de consumidores, com 4 a 16 núcleos.
· Processadores de Supercomputadores: Possuem dezenas ou centenas de núcleos, projetados para operações de ponto flutuante e processamento paralelo, frequentemente incluindo GPUs e outras unidades especializadas.
3. Eficiência e Consumo de Energia:
· Processadores Comuns: Equilibram consumo de energia e desempenho, focando na eficiência para dispositivos móveis e redução de custos operacionais.
· Processadores de Supercomputadores: Priorizam o desempenho máximo, consumindo mais energia e necessitando de sistemas de resfriamento avançados.
4. Escalabilidade:
· Processadores Comuns: Limitados em escalabilidade para computação intensiva, adequados para tarefas com menor necessidade de paralelismo.
· Processadores de Supercomputadores: Altamente escaláveis, projetados para funcionar em clusters com milhares de processadores interconectados para resolver problemas complexos.
5. Uso de Memória e Cache:
· Processadores Comuns: Possuem quantidades moderadas de cache e suporte para um número limitado de canais de memória.
· Processadores de Supercomputadores: Equipados com grandes quantidades de cache e suporte para múltiplos canais de memória, utilizando tecnologias avançadas de interconexão para eficiência.
6. Aplicações e Propósito:
· Processadores Comuns: Versáteis, destinados a tarefas diárias, como jogos e produtividade.
· Processadores de Supercomputadores: Especializados para aplicações de alta performance, como simulações científicas, modelagem climática, pesquisa genômica e inteligência artificial.
Em resumo, enquanto processadores comuns são otimizados para uso diário, os processadores de supercomputadores são especializados para fornecer desempenho extremo em tarefas que exigem processamento massivamente paralelo e alta capacidade de cálculo.
Bibliografia
https://deinfo.uepg.br/~alunoso/2017/SUPERCOMPUTADORES/
https://bioinfo.imd.ufrn.br/transcricaoemdia/noticias/rn-021
https://www.hardware.com.br/artigos/o-que-e-um-supercomputador/
https://www.tecmundo.com.br/produto/241677-entenda-funciona-processador-pc.htm
https://sagitech.com.br/o-que-e-um-processador-e-qual-a-sua-funcao/