O que eram wait states e por que eles "freavam" o desempenho do PC?

Nos primórdios da computação, ainda nos anos de 1980, existiam tecnologias específicas para o funcionamento harmonioso dos componentes dos PCs da época. O "wait state" é um deles e todo seu conceito é relativamente simples: frear o desempenho do processador quando a memória RAM não acompanhava sua velocidade.

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Há 40 anos, quando a maioria dos brasileiros nem sonhava em ter um computador, a realidade da computação era extremamente diferente do que temos hoje e a limitação era um sinal de um período em que tudo ainda estava sendo descoberto.

Diferente dos PCs com CPUs Intel 386 e outros da época, hoje em dia não temos esse tipo de limitação e tudo é "plug and play" — ou seja, conectou, rodou. Para você valorizar ainda mais a facilidade que tem hoje, abordamos aqui o motivo que levou à existência do wait state, como ele funcionava na prática, configurações afetadas e como isso acontece atualmente.

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Por que os wait states existiam?

Durante a década de 1980 e meados do começo dos anos 1990, houve uma evolução significativa no desempenho dos processadores. Essa evolução foi tamanha que a memória RAM não conseguiu acompanhar o cérebro do PC. E uma das coisas mais fundamentais da computação é a comunicação entre esses dois componentes.

Essa comunicação é constante e bilateral, ou seja, cada um tem sua vez de se comunicar ou transferir um dado. Com o processador mais rápido, era necessário um grande tempo de espera para que a memória respondesse. A partir dessa resposta, que demorava mais, a CPU entrava em uma espécie de modo de espera. Por isso o wait state foi criado.

Pense em qualquer linha de produção em que todas as partes são importantes: se uma delas falha, atrasa todo o processo. É um como chef de cozinha, experiente e ágil, que precisa que seus auxiliares entreguem os ingredientes para a montagem do prato, mas eles são mais devagar, atrasando produção do prato (já jogou Overcooked com alguém inexperiente nos games? Então...).

Como funcionava um wait state na prática?

Nos PCs de décadas atrás, o processador solicitava dados através do barramento. A partir daí, ele esperava pela resposta da memória RAM, que geralmente vinha ciclos de processamento depois, diminuindo o desempenho da CPU. Essa comunicação, ou troca de dados, que acontece de forma veloz e envolvendo outros recursos hoje, não era assim antigamente.

Nesse período de espera, a CPU literalmente desperdiçava desempenho, já que perdia alguns de seus ciclos esperando pelo retorno na comunicação com a memória RAM. Dependendo da tecnologia implementada, o processador poderia pausar sua funcionalidade ou reduzir os clocks enquanto esperava, até levando à economia de energia.

Impacto no desempenho do processador

Não é difícil imaginar que existia uma impacto na performance do processador, já que ele ficava ocioso durante o tempo de espera pela resposta da memória RAM. É bastante difícil quantificar o impacto prático, já que envolve uma tecnologia que não temos mais acesso, instruções por ciclo e o tempo que leva cada instrução. Mas, em geral, o sistema não operava em seu total potencial e o usuário experimentava lentidão.

Quando esse gargalo (isso, sim, era um gargalo) começou a ser eliminado com o avanço das tecnologias envolvendo a memória RAM, criou-se o termo "Zero Wait State", ou seja, zero espera da CPU pela memória. Isso, em teoria, não é bem verdade, já que sempre existe algum desnível na comunicação entre esses componentes.

De qualquer forma, as fabricantes de PCs da época usaram o novo termo vindo do avanço tecnológico como jogada de marketing para atrair os mais entendidos. Já que saber de tudo isso não era algo para o consumidor comum sem conhecimento. Algo muito parecido aconteceu com o botão Turbo nos PCs daquela mesma época.

Quais PCs e CPUs eram afetados pelo wait state?

Como a Intel foi quem abriu a era dos computadores pessoais na década de 1980, eram seus primeiros processadores para PCs os que sofriam com o wait state, como o 8088, 8086, 286 e 386.

Além disso, esse atraso na performance da CPU por conta do atraso na comunicação não acontecia somente com a memória RAM, embora esse componente fosse o principal. Placas de som, de vídeo e outros componentes, que usavam o barramento padrão ISA, também causavam gargalo nesse sentido.

Wait states ainda existem nos PCs atuais?

Como dito antes, esse atraso na comunicação ainda existe em algum nível. Acontece que hoje, com inúmeras tecnologias, é possível amenizar essa questão, tornando imperceptível ao usuário comum a perda de desempenho, algo que até se disfarça também em benchmarks mais precisos.

Esses artifícios são a memória cache, componente que usa a tecnologia SRAM bastante veloz, que são integradas dentro do próprio processador, armazenando dados frequentemente requisitados e os fornecendo muito rapidamente, sem a necessidade de buscar essas informações na memória RAM, que é mais lenta.

Esse componente, no entanto, também evoluiu bastante passando pelas diferentes gerações DDR, até chegar na DDR5 atual, sempre aumentando a velocidade e, consequentemente, agilizando a comunicação com a CPU. Além disso, os controladores de memória modernos conseguem gerenciar a RAM de uma forma muito mais eficiente comparado com décadas atrás.

Os engenheiros de hardware e programadores foram adicionando outras técnicas, como pipeline, prefetch, entre outras, que amenizam consideravelmente o efeito do wait state no processador.

Conclusão

O wait state surgiu por conta de uma limitação, o primeiro gargalo significativo da computação em PCs. Isso nos mostra como cada componente é único, com suas próprias tecnologias e características próprias. Muitos anos se passaram desde que o conceito foi introduzido e a evolução tecnológica conseguiu amenizar essa questão.

A busca por cada vez mais desempenho em computadores pessoais, com cada componente evoluindo com tecnologias mais refinadas, moldou a realidade dos PCs modernos. Olhar para eles hoje nos faz esquecer de onde viemos: existiu muita pesquisa e desenvolvimento para os PCs iniciarem em pouquíssimos segundos, renderizar um vídeo pesado de forma veloz, entre tantos outros exemplos.

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