O Jornalismo em primeira mão!: Athlon64

Por Paulo Couto
23 de Março de 2005

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AMD64

Por FBW

A arquitetura x86 tem sido padrão dos PCs há mais de duas décadas, e nesse período passou dos 16bits para o atual padrão de 32bits, também chamado de IA-32 (Intel Architecture-32). Qualquer processador para PC, independente do fabricante, segue esse padrão, assim como todos os softwares para PC. Com o sucesso do PC, a arquitetura do conjunto de instruções x86, ou x86 ISA (Instruction Set Architecture) se tornou o padrão mais amplamente utilizado. Agora, estamos na transição do x86 para os 64bits, com o AMD64 ISA.

Em 2003, a oitava geração dos processadores AMD entre outras inovações, trouxe o conjunto de instruções 64bits desenvolvido pela AMD, o AMD64 ou AMD64 ISA (previamente chamado de x86-64), que é totalmente compatível com a arquitetura x86 existente. A arquitetura AMD64 permite aos consumidores e empresas proteger seus investimentos, ao continuar usando todos seus softwares de 32 bits até que decidam implementar um software novo de 64 bits.

O termo “x86-64” é uma marca registrada da AMD, e foi como a AMD denominou sua tecnologia 64bits no final dos anos 90 até os primeiros anos da década de 2000, na fase de desenvolvimento e divulgação de sua tecnologia 64bits. Em 2003, quando sua oitava geração de processadores finalmente foi lançada, a AMD substituiu o termo x86-64 por AMD64.

Antes de a AMD lançar em 2003 o Opteron e o Athlon 64, já haviam outros processadores de 64bits que tinham surgido para superar limitações dos 32bits, como o endereçamento máximo de 4GB de memória. Mas esses outros processadores usam conjunto de instruções incompatíveis com o amplamente utilizado padrão x86. Processadores 64bits como o Itanium da HP/Intel, por exemplo, precisam que o mercado se adapte a sua nova arquitetura (IA-64), exigindo o desenvolvimento de sistemas operacionais e aplicativos específicos e incompatíveis com o padrão x86 32bits; e por terem arquitetura completamente diferente, exigem mais trabalho e mais custos no desenvolvimento dos softwares. Com esses outros processadores de 64bits, é até possível executar softwares x86 32bits, mas somente através de emulação com degradação de performance.

Embora quando o conjunto de instruções AMD64 chegou ao mercado em 2003, um executivo da Intel tivesse afirmado que não haveria necessidade de processadores de 64bits para workstations e PCs desktops até o final da década, em 2004 a Intel também adotou essa tecnologia na linha Xeon, e no início de 2005 oficialmente na linha Pentium 4, chamando-a de EM64T, que também ficou conhecida como "iAMD64". Adoção desse conjunto de instruções pela Intel consolidou definitivamente o novo padrão.

A arquitetura AMD64 permite executar todos os softwares e sistemas operacionais de 32bits, nativamente, sem emulação e sem restrições. Essa característica do AMD64 ISA preserva todos os imensos investimentos feitos na vasta infra-estrutura x86 32bits existente. O AMD64 possibilita a adoção de uma só arquitetura para ambientes de 32 e 64 bits. Permitindo uma transição totalmente gradual e flexível. Além disso, o trabalho de reescrever os softwares para o padrão AMD64 é menor do que em uma arquitetura incompatível com o padrão x86.

Todos os sistemas operacionais e aplicativos que você utiliza com os processadores de 32 bits para PC (Athlon XP, Pentium 4 sem EM64T, etc.) você pode utilizar da mesma forma em um processador AMD64 sem restrições, com excelente desempenho. Não há perda de desempenho quando o processador opera em 32bits. Os processadores AMD64 não são processadores de 64bits que simulam 32bits, nem o contrário. São processadores de 64 bits e 32bits, que funcionam em um modo ou em outro, dependendo se os aplicativos e sistemas operacionais forem de 32 ou 64bits. Softwares 32bits apenas não “enxergam” e não podem utilizar os benefícios (registradores mais “largos” e em maior número) do modo de 64 bits do processador.

“Quais os benefícios dos 64Bits?”

Primeiro, vale ressaltar que você só verá diferença entre 32 e 64bits, quando em um sistema operacional 64bits (AMD64), forem utilizados aplicativos escritos para 64bits. O Windows XP 32 bits ou qualquer outro sistema operacional 32bits, e os aplicativos 32bits não utilizam nenhum benefício dos "64bits".

Quando em um sistema operacional AMD64, são utilizados aplicativos 64bits, os processadores AMD64 passam automaticamente a funcionar no modo de 64bits, que oferece os seguintes benefícios:

• Maior endereçamento de memória física e virtual:

No núcleo do processador existem pequenas e extremamente rápidas áreas de memória, chamadas de registradores, onde os dados são temporariamente armazenados antes e após serem utilizados pelo processador. Os registradores estão numa hierarquia acima do cache L1.

O termo “processador de 64bits” refere-se especificamente a um processador cujos Registradores de Uso Geral ou GPRs (General Purpose Registers) têm capacidade de armazenar números de até 64bits (2 elevado à 64ª potência), ou seja, números 4,3 bilhões de vezes maiores que registradores de 32bits podem suportar (2 elevado à 32ª potência).

Para armazenar ou recuperar dados na memória RAM, o processador precisa do "endereço" de cada área na memória. Esses "endereços" são números inteiros armazenados nos GPRs, e representam cada byte da memória. Os processadores de 32bits podem endereçar até 4 GigaBytes de memória (2^32 = 4,3 bilhões). Nas versões do Windows de 32bits, desses 4GB, apenas 2GB estão disponíveis para os aplicativos; os outros 2GB ficam reservados ao sistema operacional. Embora existam artifícios para se utilizar mais de 4GB em sistemas de 32bits, a maneira mais eficiente para superar essa limitação, são os sistemas de 64bits.

Quando os processadores AMD64 operam no modo de 64bits, os GPRs de 32bits são estendidos para 64bits, ou seja, passam a suportar números de até 64bits (2 elevado à 64ª potência). Isso possibilita ao processador endereçar imensas quantidades de memória física e virtual.

Os processadores AMD64 utilizam 40bits para endereçamento de memória física e 48bits para o endereçamento de memória virtual, que possibilitam endereçar até 1 TeraByte (1024 GigaBytes) de memória física, e mais 256 TeraBytes de memória virtual. Os sistemas operacionais AMD64 já suportam grandes quantidades de memória. A versão 64bits do Windows XP, por exemplo, suporta até 128GB de memória RAM, trinta e duas vezes mais que a versão de 32bits. E existem sistemas operacionais AMD64 destinados a servidores, que suportam até centenas de GigaBytes de memória física.

Muitos servidores e workstations já ultrapassaram, ou estão próximos dos limites de memória dos sistemas de 32bits.

• Aumento do poder de processamento:

Além de estender os oito GPRs da arquitetura x86 para 64bits, a AMD adicionou oito novos registradores de uso geral (GPRs) de 64bits, totalizando 16; e mais oito novos registradores SDIM (Single Instruction Multiple Data) que são utilizados para instruções SSE, SSE2 e SSE3 (SSE3 nos processadores a partir da revisão E), que ficam disponíveis no modo de 64bits, como ilustra a figura abaixo:

Assim, no modo de 64bits os programadores tem à disposição quatro vezes mais espaço disponível nos GPRs, e dobro de registradores SDIM, em relação ao modo de 32bits.

“Em PCs desktop e notebooks, que ainda não utilizam mais de 2GB de memória, qual seria a vantagem de se trabalhar em 64bits?”

Os GPRs de 64bits, além permitir endereçar imensas quantidades de memória, diminuem a necessidade de troca de dados entre a o cache e a memória RAM, o que ajuda a melhorar o desempenho; e também possibilitam operações com grandes números inteiros (maiores que 32bits) sem precisar dividi-los entre dois registradores como ocorrem no modo de 32bits, o que melhora o desempenho em diversas aplicações.

Os GPRs com quatro vezes mais espaço, disponíveis no modo de 64bits, permitem manipular números inteiros muito maiores e de maneira mais eficiente, podendo trazer melhor desempenho à diversas aplicações que realizam intensas operações matemáticas com números inteiros maiores que 32bits, como aplicativos científicos, produção de música, edição/codificação de vídeo, compressão de arquivos, jogos 3D, criptografia, CAD CAM CAE (projeto, manufatura e engenharia auxiliados por computador), renderização 3D, estatística, análise financeira, entre outras. Além disso, o dobro do número de registradores disponíveis para instruções SSE, SSE2, e SSE3 também pode auxiliar no melhor desempenho das aplicações em 64bits.

Os GPRs estendidos para 64bits, os oito novos GPRs, e os oito registradores SDIM adicionais, podem proporcionar ganho de desempenho em diversas aplicações de 64bits, mesmo nos PCs desktop e os notebooks, onde atualmente ainda não se utiliza mais de 2GB de memória RAM.

“Qual será o ganho de desempenho?”

Muitos aplicativos não se beneficiarão de uma nova versão em 64bits, e esses não precisam ser reescritos. A flexibilidade da tecnologia AMD64 permite que a indústria de software reescreva para 64bits apenas os softwares que tirem proveito dessa tecnologia. E entre os aplicativos que se beneficiarão da migração para 64bits, o ganho de desempenho pode variar bastante.

Alguns desenvolvedores de jogos afirmam que o desempenho extra no modo de 64bits, pode ser utilizado para incluir mais recursos visuais e melhores efeitos sonoros, mantendo a mesma média de quadros por segundo (ou FPS - frames per second) das versões de 32bits. Foi o que aconteceu na versão 64bits do jogo FarCry, lançada em maio de 2005.

Ainda há poucos softwares 64bits disponíveis para o segmento desktop para serem avaliados. Só saberemos com maior precisão qual será o ganho de cada aplicação em 64bits, quando saírem mais versões 64bits dos aplicativos e jogos atuais, o que deve acontecer de forma gradual a partir de 2006.

Alguns sites de hardware realizaram testes com sistemas operacionais (S.O.) AMD64, e com alguns dos poucos benchmarks 64bits disponíveis.

O website PC Stats realizou um teste com o Athlon 64 3800+, utilizando 1GB de memória RAM, no Windows XP 32bits e no Windows XP x64 beta, e benchmarks de 64bits nos três modos de operação do processador: Legado (S.O. 32bits e aplicativos 32bits), Modo de compatibilidade (S.O. 64bits e aplicativos 32bits), e no Modo de 64bits (S.O. 64bits e aplicativos 64bits) onde o registradores extras são utilizados. Alguns resultados:

O NVIDIA Blobby Dancer simula o desempenho em jogos 3D. “Quadros por segundo”: Mais é melhor.

Abaixo, o tempo de codificação de vídeo:

É interessante observar o desempenho no teste de criptografia. As aplicações de criptografia se baseiam em intensas operações matemáticas, geralmente fatoração e multiplicação de grandes números inteiros. Nesse tipo de situação os GPRs de 64bits, que têm capacidade de armazenas números inteiros muito maiores, e o dobro do número de registradores podem proporcionar uma vantagem de desempenho bastante significativa.

Observe no link a seguir, que quanto mais sofisticado é o método de criptografia, maior é a vantagem do modo de 64bits, mesmo utilizando apenas 1GB de memória RAM: http://www.pcstats.com/articleview.cfm?articleid=1665&page=8

O website Linux Hardware, também fez uma avaliação de desempenho no modo de 64bits, com o sistema operacional Gentoo AMD64 e aplicativos 64bits, utilizando processadores Athlon 64 4000+, Athlon 64 FX-55, Pentium 4 660 e Pentium 4 Extreme Edition 3,73GHz com EM64T: http://www.linuxhardware.org/article.pl?sid=05/02/24/1747228&mode=thread

O website AnandTech publicou um comparativo de servidores com processadores Opteron (modelos single e dual-core), Xeon com EM64T, e Pentium D (dual-core), que inclui avaliação de performance no MySQL 64bits vs 32bits e IBM B2B.

Outro artigo interessante é o 64-bit computing in theory and practice do The Tech Report.

O site PlanetX64 publicou um review com a versão 64bits do LightWave 3D, em Workstations dual, com processadores Opteron 850 (single-core) e Opteron 875 (dual-core), infelizmente as versões 32 e 64bits do LightWave 3D foram utilizadas em sistemas diferentes.