Qual é a diferença entre as arquiteturas RISC e CISC? Saiba o que elas mudam no processador

RISC (Reduced Instruction Set Computer) e CISC (Complex Instruction Set Computer) são os dois tipos principais de arquiteturas de processadores. Eles determinam a quantidade e a complexidade das instruções suportadas por um chip.

O RISC usa um conjunto reduzido de instruções e é mais comum em arquiteturas de processadores para dispositivos móveis, como a Arm. Já as arquiteturas do tipo CISC, como a x86, são mais comuns em CPUs para PCs e servidores. A seguir, descubra as principais diferenças entre as duas filosofias de arquiteturas.

Quais as diferenças entre as arquiteturas RISC e CISC?

O que é arquitetura RISC?

RISC (Reduced Instruction Set Computer) é um tipo de arquitetura de processadores que usa um conjunto de instruções simples, em quantidade reduzida e muito otimizadas.

Arquiteturas do tipo RISC, como a Arm, são projetadas para executar mais instruções em menos tempo. Por isso, softwares compilados para RISC geralmente têm mais linhas de código em linguagem de programação de baixo nível, como o Assembly.

Como as instruções no RISC são mais simples, elas podem ser carregadas de maneira mais eficiente na memória e executadas de forma mais previsível. O objetivo do RISC é executar cada instrução em um único ciclo de clock.

Em geral, arquiteturas do tipo RISC resultam em processadores com maior eficiência energética, mas às custas de um menor desempenho em operações complexas.

Quais arquiteturas são do tipo RISC?

• Arm: criada pela Acorn Computers em 1983 e hoje de propriedade da Arm Ltd., é a mais popular em dispositivos móveis, wearables e sistemas embarcados. É conhecida pela eficiência energética e versatilidade para funcionar em equipamentos de todos os tamanhos, de fones de ouvido a grandes servidores;
• RISC-V: é uma arquitetura de código aberto que surgiu em 2010 na Universidade da Califórnia, Berkeley. Usada em uma variedade de aplicações, desde microcontroladores até supercomputadores, é livre de royalties e altamente flexível;
• PowerPC: desenvolvido pela aliança AIM (Apple, IBM, Motorola) em 1991. Originalmente usado em Macs da Apple, foi depois adotada em sistemas embarcados e consoles de videogame como Xbox 360 e Nintendo Wii;
• MIPS: foi criada pela MIPS Technologies em 1985 e é utilizada em uma variedade de sistemas, incluindo videogames, roteadores e sistemas embarcados. É conhecida por sua eficiência, design modular e uso em educação e pesquisa;
• SPARC: desenvolvida pela Sun Microsystems em 1987, foi usada em servidores e workstations devido à alta escalabilidade.

O que é arquitetura CISC?

CISC (Complex Instruction Set Computer) é um tipo de arquitetura de processadores que usa um conjunto de instruções complexas, em quantidade elevada e muito especializadas.

Arquiteturas do tipo CISC, como a x86, são projetadas para executar mais operações com menos linhas de código de baixo nível. Ou seja, enquanto o RISC pode exigir várias instruções para determinada tarefa, o CISC pode fazer o mesmo trabalho com uma única instrução.

Como as instruções no CISC são mais complexas, elas podem realizar várias operações de baixo nível, como acessar a memória, fazer um cálculo e processar uma lógica, de uma só vez. No entanto, uma instrução pode levar vários ciclos de clock até ser concluída.

Em geral, arquiteturas do tipo CISC resultam em processadores com maior desempenho bruto, mas às custas de um maior consumo de energia.

Quais arquiteturas são do tipo CISC?

• x86: criada pela Intel em 1978, no processador Intel 8086 de 16 bits, é usada em desktops, notebooks e servidores. É a arquitetura mais popular em PCs domésticos e evoluiu ao longo das décadas para suportar instruções de 32 e 64 bits;
• x86-64: também conhecida como amd64, foi criada pela AMD em 1999. É uma extensão da arquitetura x86 que suporta computação de 64 bits, permitindo maior desempenho e capacidade de memória, mantendo a compatibilidade com softwares legados. A implementação da Intel também é conhecida como Intel 64;
• IA-64 (Itanium): foi criada por HP e Intel em 2001 para ser usada em servidores de alto desempenho. Tem como base o conceito de execução explícita em paralelo (EPIC), que aumenta a eficiência da execução de instruções. Por não ser retrocompatível com o x86, não se popularizou em PCs;
• IBM Z: criada pela IBM, é usada principalmente em mainframes. Tem como principal característica a alta confiabilidade e disponibilidade, sendo que o Z se refere a “zero downtime” (tempo fora do ar);
• System/360: foi a primeira família de arquiteturas da IBM a cobrir uma ampla gama de aplicações, criada em 1964. A arquitetura IBM Z é retrocompatível com programas de System/360 até hoje;
• Motorola 68000: arquitetura criada pela Motorola em 1979 e usada em uma série de computadores, incluindo o primeiro Apple Macintosh (Macintosh 128K) e o videogame Sega Mega Drive.

CISC é mais complexo que RISC?

Arquiteturas CISC geralmente são mais complexas que as RISC, porque têm um conjunto de instruções mais especializado e em maior quantidade. Já o RISC costuma ter instruções mais simples, que podem ser executadas em um único ciclo de clock.

Porém, a diferença de complexidade entre CISC e RISC é mais teórica do que prática nos dias de hoje, já que as arquiteturas de ambos os tipos evoluíram significativamente para atender a necessidades específicas.

A arquitetura Arm, que já foi chamada de Advanced RISC Machines, ganhou uma série de extensões para melhorar o desempenho em tarefas específicas, como processamento de multimídia, criptografia e virtualização. Por isso, não é possível afirmar categoricamente que ela seja mais “simples” que arquiteturas do tipo CISC.

RISC consome menos energia que CISC?

Arquiteturas RISC costumam ser mais eficientes em consumo de energia do que as CISC, porque suas operações consomem menos energia por instrução.

Como uma arquitetura do tipo RISC parte de um conjunto de instruções mais simples, é possível projetar chips que consumam menos energia para dispositivos menores com bateria, como celulares e notebooks. Já as CPUs para servidores podem ter extensões na arquitetura para melhorar o desempenho em tarefas específicas.

Também é possível projetar CPUs do tipo CISC com menor TDP, ou seja, que gerem menos calor e consumam menos energia. A Intel, por exemplo, chegou a fabricar processadores Atom com arquitetura x86 para smartphones com Android. No entanto, esse tipo de aplicação costuma ser menos comum no CISC.

RISC é mais lento que CISC?

Não necessariamente, porque o desempenho de um processador é determinado por fatores como a velocidade de frequência (clock), a eficiência do pipeline, a quantidade de cache e o processo de fabricação (nm). Por isso, um processador RISC pode ser mais rápido que um CISC e vice-versa.

Em geral, processadores do tipo RISC são usados em dispositivos menores, que consomem pouca energia e têm menor desempenho. Porém, alguns chips RISC vêm superando a performance seus rivais CISC, como é o caso do Apple Silicon. Em um teste do Tecnoblog, um Apple M1 foi 18,7% superior a um Intel Core i9.

Existem outros tipos além do RISC e CISC?

Embora pouco usadas, há outras classificações para definir o conjunto de instruções de uma arquitetura:

• VLIW (Very Long Instruction Word): é uma arquitetura que permite a execução de várias operações em paralelo, agrupando-as em uma única instrução muito longa. Cada operação dentro da instrução VLIW pode ser executada simultaneamente, melhorando o desempenho. É usada em algumas arquiteturas de DSP (Digital Signal Processor) e também no IA-64, do Itanium;
• MISC (Minimal Instruction Set Computer): tem um conjunto mínimo de instruções e é mais simples que o RISC. O objetivo é minimizar a complexidade do hardware do processador, o que pode diminuir o custo e o consumo de energia. Um exemplo de MISC é o picoJava, um projeto de chip que executa código Java nativamente;
• OISC (One Instruction Set Computer): é uma arquitetura de processador que contém apenas uma instrução. Geralmente é usada para fins educacionais, já que é pouco eficiente. O subleq é o exemplo mais famoso de computador de instrução única;
• ZISC (Zero Instruction Set Computer): trata-se de um tipo de arquitetura que não possui nenhuma instrução e tem funcionamento baseado em reconhecimento de padrões. É usada em chips neuromórficos, inspirados na estrutura de neurônios do cérebro humano.

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