CPU e GPU de computadores

Se você já montou ou pelo menos configurou um PC na vida, provavelmente tem essa imagem na cabeça:

• CPU: aquela parte pequena e quadrada, onde se encaixa direto na placa-mãe, no soquete, coloca pasta térmica e prende o cooler em cima.

• GPU: uma placa de vídeo, cheia de componentes, que vai enfiada de lado no slot PCI Express (PCIe) da placa-mãe.

À primeira vista, parece que CPU e GPU são coisas totalmente diferentes em termos de instalação, uma é “chip no soquete”, a outra é “placa separada”. Mas, por baixo das camadas, elas são bem mais parecidas do que parece.

Neste texto, a ideia é justamente desmistificar essa diferença e mostrar como CPU e GPU se parecem no nível de chip, por que no PC doméstico a GPU costuma vir em forma de “placa de vídeo”, o que são essas GPUs em formato SXM que aparecem em servidores e se faz sentido imaginar “GPU top de linha soldada na placa-mãe” para usuários comuns.

Por trás da placa de vídeo: GPU é um chip, assim como a CPU

Quando olhamos para uma placa de vídeo vemos são conector PCIe, conectores de energia, saídas HDMI/DisplayPort, um monte de componentes, um cooler enorme. Dá a impressão de que “a GPU é aquela placa inteira”. Na prática, não é bem assim, ela é formada em si como, um chip de silício (o die), encapsulado em um substrato, que é soldado na placa de vídeo. Ou seja, em estrutura básica, ela é muito parecida com uma CPU moderna, ambas são circuitos integrados complexos, com bilhões de transistores, montadas em uma peça que depois é conectada a uma placa (seja placa-mãe, seja placa de vídeo, seja módulo específico).

A placa de vídeo é, digamos, o “ecossistema” ao redor da GPU como, VRAM (memória dedicada), fases de alimentação, reguladores de tensão, trilhas de comunicação, conectores físicos, sistema de resfriamento. A CPU passa por algo semelhante: ela também é um chip de silício num encapsulamento, só que encaixado em um soquete específico. A diferença é mais de fator de forma (como isso chega até você) do que de “natureza física”.

No mundo do PC doméstico, praticamente toda GPU dedicada vem na forma de placa PCIe. Mas, em servidores e data centers, isso não é uma regra.

Para cargas de trabalho como inteligência artificial, machine learning, simulação científica, renderização em escala, a NVIDIA, por exemplo, oferece GPUs em formatos diferentes de uma placa de vídeo “tradicional”. É aí que entram os módulos SXM (como SXM2, SXM3, SXM4, usados em famílias como Tesla/V100, A100, H100, etc.). O que muda? Em vez de vir como uma placa PCIe comprida que você enfia num slot da placa-mãe, a GPU vem em um módulo próprio, que é acoplado em uma baseboard ou placa mãe específica, tem conectores e interface otimizados, permite alimentação elétrica mais robusta, e usa interconexões de altíssima velocidade como NVLink para conversar com outras GPUs.

Você não vai encontrar isso numa máquina gamer de escritório. Esse tipo de hardware aparece em servidores em rack para IA e HPC, em sistemas prontos (como NVIDIA DGX, HGX e afins), ou máquinas que custam dezenas de milhares de dólares.

CPU e GPU: consumo, calor e forma física

Outro ponto importante é que tanto CPUs quanto GPUs altamente potentes, ambas consomem muita energia (centenas de watts, nos modelos topo de linha), geram bastante calor, dependem de sistemas de refrigeração elaborados.Isso vale para uma CPU de alto desempenho num desktop, ou também uma GPU de jogo de última geração, ou uma GPU de data center em formato SXM ou PCIe e também uma CPU/GPU de notebook (com TDP reduzido, mas mesmo princípio). A diferença é a forma como isso tudo é organizado fisicamente. No PC gamer, a CPU em soquete + placa de vídeo PCIe com seu próprio cooler. Em notebook gamer ou console, a CPU e GPU muitas vezes são chips soldados diretamente na placa, com um sistema de dissipadores e heatpipes compartilhado.

Em servidor com SXM, como módulos de GPU encaixados numa base, com um sistema de ventilação forçada pensado para fluxo de ar em rack. Nada disso muda o fato de que, lá dentro, estamos falando de chips de lógica complexa que precisam de energia e refrigeração. A “embalagem” varia conforme o uso.

Gráficos integrados: quando CPU e GPU moram (quase) juntos

No mundo do consumidor, a gente também convive com outro tipo de GPU: a integrada. É o caso de de processadores Intel com gráficos integrados (UHD Graphics, Iris Xe etc.), APUs da AMD (linha Ryzen com gráficos integrados) e SoCs de celulares, consoles, smart TVs.

Nesse cenário, as CPU e GPU estão no mesmo chip ou no mesmo pacote físico, a placa-mãe oferece as portas de vídeo (HDMI, DisplayPort, etc.), você não precisa instalar uma placa de vídeo dedicada para ter imagem na tela. Isso é suficiente para navegar, trabalhar, estudar, consumo de mídia, jogar títulos leves ou bem otimizados, vários usos de dia a dia.

Mas, em geral, a GPU integrada não atinge o desempenho de uma placa de vídeo dedicada de alto nível, porque compartilha o orçamento de energia com a CPU, muitas vezes usa a memória RAM do sistema em vez de ter VRAM dedicada, o foco é eficiência e custo, não máximo desempenho gráfico possível.

Faz sentido imaginar uma GPU high-end soldada direto na placa-mãe para o usuário comum?

Essa é a parte que gera mais curiosidade: se já existem GPUs em formato SXM para servidor e GPUs soldadas em notebooks, faria sentido ter, no desktop comum, uma GPU topo de linha diretamente na placa-mãe, em vez de uma placa de vídeo PCIe?

Do ponto de vista técnico, é possível. Do ponto de vista prático e de mercado, hoje não faz muito sentido. Por quê?No PC de mesa, o formato “GPU como placa PCIe” dá muita flexibilidade porque você pode trocar só a placa de vídeo e manter o resto do sistema, pode vender a antiga com facilidade, fabricantes podem lançar novas linhas de GPUs sem precisar redesenhar todas as placas-mãe.

Se a GPU estivesse soldada na placa, fazer upgrade seria bem mais caro (trocaria a placa-mãe inteira), o produto ficaria mais “fechado”, menos atraente para quem gosta de montar e atualizar o próprio PC, o estoque e a logística para fabricantes também ficariam mais complicados.

2. O SXM é otimizado para outro cenário

O formato SXM brilha nas situações em que você tem, várias GPUs trabalhando juntas, interconexão de alta capacidade (NVLink) entre elas, cargas de trabalho massivas (IA, simulação, processamento paralelo intenso), servidores com dezenas ou centenas de GPUs. Ou seja, é um formato pensado para clusters de computação, não para um desktop com uma única GPU dedicada para jogos ou edição de vídeo.

Para quem vai usar uma GPU só, conectada a um monitor, jogando ou trabalhando com criação de conteúdo, o formato placa PCIe modular continua sendo o mais prático.

E no futuro?

Nunca dá para dizer “nunca” em tecnologia. Consoles e notebooks já mostram que faz sentido, em alguns casos, integrar CPU e GPU de forma muito mais rígida, sacrificando a modularidade em troca de tamanho compacto, custo ou consumo menor. Desktops “tudo em um” e mini PCs também seguem um pouco essa lógica. Mas, para o público que compra peças separadas, gosta de montar a própria máquina, quer flexibilidade de upgrade, o modelo CPU em soquete + GPU em placa PCIe continua muito forte, exatamente porque ele equilibra bem desempenho, custo, facilidade de manutenção, liberdade de escolha.