Processadores AMD Athlon, Turion, Opteron e Phenom (características, evolução e arquitetura)

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1 Processadores AMD Athlon, Turion, Opteron e Phenom (características, evolução e arquitetura) Caio Hoffman 1, Bruno Capistrano 1, Douglas Germano 1 1 Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) Caixa Postal Campinas SP Brasil caiohoffman@gmail.com, seraphic.fate@gmail.com, dogermano@gmail.com Abstract: A brief description about the actual AMD's processors which are available in the commerce. Examining superficially the features and architecture of each generation of those processors. Describing some changes from a generation to another. Moreover, we cover a little bit the AMD's historic throughout the evolutions of the its processors. Resumo: Uma descrição sucinta sobre os atuais processadores da AMD disponíveis no mercado. Examinando superficialmente as características e a arquitetura de cada geração desses processadores. Descrevendo algumas mudanças de uma geração para outra. Além disso, cobrimos um pouco do histórico da AMD através da evolução de seus processadores. 1. Introdução 1.1. História da AMD A AMD (Advanced Micro Devices) foi fundada em primeiro de maio de mil novecentos e sessenta e nove, pelo grupo de executivos formador da Fairchild Semiconductor, incluindo Jerry Sanders III, Ed. Turney, John Carey, Sven Simonsen, Jack Gifford e três membros do time de Gifford, Frank Botte, Jim Giles, e Larry Stenger [1]. Seu capital inicial foi de cem mil dólares. Em seus primeiros anos de funcionamento a AMD atuou como uma fonte alternativa de chips, recebendo produtos de outras companhias como a Fairchild e a National Semiconductor e então os redesenhando para maior velocidade e eficiência. Diferente das outras companhias secundárias, a AMD foi uma das primeiras empresas do Vale do Silício a focar-se na qualidade acima de tudo, desenhando chips que satisfaziam as especificações militares para semicondutores [2]. A clientela respondeu rapidamente a este empenho. E no final do quinto ano de existência, a firma contava com mil e quinhentos funcionários fabricando mais de duzentos produtos diferentes muitos deles proprietários -, que geraram um volume de vendas anuais de quase vinte e seis milhões e meio de dólares [3]. Em mil novecentos e setenta e três a AMD construiu a primeira base de fabricação internacional em Pennag, Malásia, para produção em larga escala. Dois anos depois lançou seu primeiro chip de RAM (Am9102). Apesar da década de setenta estivesse conturbada com a crise do petróleo, a empresa teve uma taxa média de crescimento anual de mais de sessenta por cento. Ademais, é nesta década o grande passo da empresa até aquele momento da sua história: a engenharia reversa do microprocessador 8080 da Intel.

2 A década de oitenta chega, dominada pelos computadores pessoais. O grande fornecedor destes é a IBM, com seu produto IBM PC, o qual é equipado com o microprocessador Intel 8086 e Como a política da IBM requeria pelo menos duas fontes de chips, a Intel assinou um contrato com a AMD permitindo que ela se tornasse a segunda fonte de manufatura dos microprocessadores 8086 e Sob este acordo a AMD produziu seu chip Am286, equivalente ao Intel Todavia, o contrato foi cancelado pela Intel no ano de oitenta e seis, que refutou dar detalhes tecnológicos da arquitetura do i386. A AMD por sua vez, entrou com uma ação judicial contra a Intel no ano seguinte. A longa ação só findou em mil novecentos e noventa e quatro na Suprema Corte da Califórnia que deu o verídico a favor da AMD. Nesse ínterim a firma lançou seu Am386 - clone do Intel , seguido do Am486 equipou os computadores Compaq da época, e o Am5x Evolução da AMD O primeiro processador x86 completamente sem uso da engenharia reversa de um processador Intel foi o K5, lançado e mil novecentos e noventa e seis. Seu sucessor, e de sucesso absoluto foi o K6, lançado no ano seguinte. Com o preço muito acessível, gerou um novo segmento de mercado: computadores para as massas. Em noventa e oito, a AMD lançou o AMD-K6-II, com a uma tecnologia própria a 3DNow! TM Technology, que visava melhorar o desempenho em aplicações multimídias em geral. O próximo passo, que culminou num sonho da companhia [4], foi o desenvolvimento do K7. A sétima geração dos x86 processadores veio sob os epítetos de Athlon e Duron. O topo da geração K7 veio com o Athlon XP, o que não foi alcançado sem certa ajuda da grande concorrente, a Intel. Com a nomenclatura PR (Performance Rate) [5] a AMD indicava as equivalências entres seus processadores e os da concorrente por exemplo, Athlon XP 2800+, onde é seu PR, era equivalente à um Pentium 4 2,8GHz, a despeito dos clocks dos processadores AMD serem menores do que era indicado no PR, suas performances era iguais ou superiores [5] e dominaram os benchmarks de meados do ano dois mil. O grande benefício disso foi popularizar a quebra do paradigma que clock maior representa maior velocidade. Em seguida veio a geração K8, outro grande trunfo da AMD perante a concorrente. Enquanto a Intel patinava no mercado corporativo com o processador Itanium, a AMD apresentava o Opteron, processador 64bits totalmente compatível com o conjunto de instruções das arquiteturas anteriores, o que proporcionou grande aceitação nesse mesmo mercado. No mercado de desktops os Athlon 64, Athlon 64 X2, e Athlon FX, outros produtos da família K8, continuaram a dominar, até a chegada dos processadores Core 2 da Intel. A AMD em dois mil e sete lançou sua linha de processadores K10, sob o codinome Phenom. Com três e quatro núcleos os processadores, respectivamente Phenom X3 e Phenom X4, ainda não conseguiram travar um embate de igual para igual com os processadores Core 2 da Intel [6] O futuro da AMD O futuro para a AMD se chama Fusion [7]. Em dois mil e seis a empresa adquiriu a ATI Technologies que domina junto a nvidia o mercado de chips gráficos. Com isso, a empresa se tornou forte em dois segmentos: CPU e GPU. O grande gargalo das arquiteturas multicore são os softwares atuais. São poucos softwares que conseguem

3 tirar proveito completo do paralelismo e dobrar o desempenho a cada core adicionado nos processadores. A idéia da AMD é usar, ao invés de vários núcleos de propósito geral, núcleos de propósito específico. Desse modo, os softwares atuais não precisam ser reescritos para arquiteturas multicores. Ao contrário de usarmos vários periféricos em nossos computadores para processar imagem, som, entre outros, usaríamos um só processador que contém núcleos para cada tipo de processamento, além da CPU de propósito geral. O grande ganho de desempenho nessa questão é que não haveria mais a dependência de barramentos externos para a comunicação entre os diferentes processadores. Com uma CPU gerenciando as instruções e distribuindo-as apropriadamente a cada processador específico, a tendência é um aumento de desempenho incrível. A fusão (daí Fusion) de funcionalidades está prevista ser lançada em 2009, há duas soluções: o core Bulldozer com foco em produtos de 10W à 100W e o core Bobcat com foco em produtos de 1W à 10W [1]. Isso tranqüiliza alguns mais céticos que viam na junção de GPU e CPU um grande problema de refrigeração, já que as GPUs da atualidade consomem grande quantidade de energia e, inerentemente, requerem potentes dissipadores de calor. 2. Athlon 2.1. Características e Evolução Os processadores Athlon se distinguem em dois grandes grupos, a geração K7 e a K8. A grande diferença de uma para outra é que a K7 são 32bits e K8 é 64bits. O Athlon (geração K7) é um processador RISC, que decodifica as instruções x86 em tempo de execução [8]. Seu primeiro modelo conhecido como Athlon clássico, foi lançado em mil novecentos e noventa e nove, e utilizava um Slot, denominado A, para ser conectado na placa-mãe. O modelo seguinte dos Athlon K7 foi o Thunderbird (T-Bird). O T-Bird foi o produto de maior sucesso da AMD desde o Am386DX-40 [8]. Como grande mudança, a utilização novamente de Socket que já eram utilizados nos K6, permitindo atingir clocks maiores. Apesar do Slot não ter sido totalmente abandonado, as taxas de clock do processador T-Bird usando Slot ficaram entre 650MHz até 1GHz, enquanto que, com uso do Socket A, ficaram entre 1GHz e 1,4GHz, na versão com FSB 133MHz. O sucessor do T-Bird, o Palomino, veio sobre o codinome de Athlon XP. Os modelos desse processador usavam um número chamado de Perfomance Rate (PR) que indicava a equivalência do processador AMD em comparação a um Pentium 4 [5]. Isso ajudou a desconstruir a idéia de que quanto maior o clock mais rápido é o processador. Já que o PR não tinha relação nenhuma com o clock. Por exemplo, o Athlon XP 2800+, podia ser equiparado a um Pentium 4 de 2,8GHz, mas seu clock real era de 2,25GHz. O Palomino também foi a primeira versão móvel do Athlon, chamado Mobile Athlon 4, sob o codinome de Corvette, ficou conhecido como Athlon MP. O Thoroughbred (T-Bred) sucedeu o Palomino, mantendo o codinome Athlon XP e o PR, a grande evolução sobre o antecessor foi a utilização de um FSB maior, chegando a 166MHz. O Thoroughbred teve duas versões: A e B. A versão A teve

4 problemas de design e calor, e foi substituída pela versão B, que resolveu os problemas da versão anterior e acabou, por sua vez, alcançado clocks maiores. A última evolução da geração K7 foram os núcleos Barton e Thorton. Ambos atingiram 2,2GHz com FSB 200MHz. A diferença entre eles, era que o primeiro trazia uma cache L2 de 512KB e o segundo de 256KB. A geração K8 conhecida também por Hammer veio com o codinome Athlon 64. A AMD assim introduziu o processamento de 64bits para computadores desktops. A AMD com seu conjunto de instruções AMD64 manteve compatibilidade com as instruções x86 de 32bits. Além disso, os processadores Athlon 64 vieram com controlador de memória integrado no processador a tecnologia HyperTransport [9], reduzindo a dependência de um bom chipset para comunicação memória-processador, em outras palavras, eliminando o FSB. A TBL (Translation Lookaside Buffers) [10] também foi aumentada melhorando o Branch Prediction. O Athlon 64 X2, são dois núcleos do Athlon 64, mas ele traz algumas melhoras: até um 1MB de cache L2 por core, e capacidade de decodificar instruções SSE3. O Athlon 64 FX é nada mais que o mesmo processador Athlon 64, mas sem trava no multiplicador, permitindo altas taxas de Overclock. Ou seja, é voltado para Gamers, e entusiastas de desempenho. A partir da versão FX-60 traz processadores Dual Core, sendo que é possível montar uma plataforma de quatro núcleos utilizando dois processadores Athlon FX Dual Core. Uma característica interessante é que todos os processadores Athlon tem cache L1 de tamanho 128KB, divididos em 64KB de dados mais 64KB de instruções Arquitetura Os processadores Athlon tanto da geração K7 quanto da K8 são processadores RISC que decodificam as instruções CISC em tempo de execução. A geração K7 atende as instruções MMX, 3DNow! SSE [8]. Já a geração K8 atende as instruções MMX, Extended 3DNow!, SSE, SSE2, SSE3, AMD64 [11]. Tabela 2.1. Estágios de pipeline da geração K7 e K8. Ciclo de Relócio Arquitetura K7 Arquitetura K8 1 Fetch Fetch 1 2 Scan Fetch 2 3 Align 1 Pick 4 Align 2 Decode 1 5 EDEC Decode 2 6 IDEQ/Rename Pack 7 Schedule Pack/Decode 8 AGU/ALU Dispatch 9 L1 Address Generation Schedule 10 Data Cache AGU/ALU 11 - Data Cache Data Cache 2

5 A Tabela 2.1 mostra alguns estágios de pipeline de ambas gerações [12]. Analisando os estágios percebemos que há uma grande diferença entre os caminhos de dados. Por exemplo, o estágio de Fetch da geração K8 foi quebrado em duas etapas para equilibrar a velocidade do clock e a latência de acesso à cache L1 [12]. Existem nove unidades de execução do pipeline, e dois escalonadores: um para instruções inteiras e outro para instruções de ponto flutuante. São três tipos de pipelines de execução, inteiro, geração de endereços e ponto flutuante [13]. Nos K7 os pipelines de instruções inteiras e geração de endereços são usados para processar as instruções x86 e o pipeline de instruções ponto flutuante processam instruções x87, MMX, 3DNow!, SSE. O Athlon usa a combinação de três técnicas para manipular instruções do tipo Branch e maximizar os hits. São elas: Branch Target Buffer, Global History Counter e Return Address Stack. 3. Turion 3.1. Características e Evolução Previamente introduzido como Mobile Athlon 64 [11], Turion 64 agora é a marca da AMD para processadores 64bits de baixo consumo. Sob o codinome de K8L, os processadores Turion 64 e Turion 64 X2 competem no mercado de soluções móveis com os processadores Core e Core 2 da Intel. São equipados com 512 KB ou 1MB de cache L2, utilizam a tecnologia HyperTransport e possuem a PowerNow!, tecnologia para melhorar o desempenho das baterias dos laptops, dimunindo o clock e tensão do processador quando este está ocioso ou com baixa carga de trabalho. O primeiro Turion 64 (Landcaster) possui características parecidas com o Athlon 64, exceto pela tecnologia PowerNow. Sua evolução, o Richmond, trouxe de novo apenas a AMD Virtualization. Ambos os cores foram fabricados com o processo tecnológico de 90nm. A AMD deu uma nomenclatura para seus processadores móveis da seguinte forma, duas letras seguidas, e separadas por um hífen, de dois números. Por exemplo, ML-30. A primeira letra é M ou T, M para single core e T para dual core. A segunda letra classifica o consumo de energia em ordem decrescente, ou seja, um processador MT-28, consome menos energia que um ML-30, mas como os números indicam o PF do processador, o modelo ML-30 é mais rápido do que o MT-28. O Turion 64 X2 é a solução dual core para laptops da AMD. Em relação ao antecessor ele possui mais tecnologia para um consumo melhor de energia, utiliza memórias do tipo DDR2. Os primeiros modelos são os núcleos Taylor e Trinidad, fabricados com tecnologia de 90nm SOI. O controlador de memória trabalha com memórias DDR2 em dual channel. Sucedendo-os vem o Tyler, fabricado com tecnologia 65nm SOI, seu controlador pode usar memórias DDR2 de 800MHz em dual channel, sendo que tanto o Taylor quanto o Trinidad só aceitavam memória de DDR2 de 667MHz. O membro mais recente da família é o Turion Ultra (Lion), que mesmo sendo lançado após o lançamento da família K10, continua fazendo parte da família K8. Provavelmente para evitar as dificuldades de aumento de clock que a família K10 está tendo. Uma nova característica do Turion Ultra é permitir que um core diminua sua tensão e clock independentemente do outro núcleo Arquitetura

6 Os conjuntos de instruções de todos os modelos são MMX, Extended 3DNow!, SSE, SSE2, SSE3, AMD64. A arquitetura mono núcleo pode ter entre 512KB ou 1MB de cache L2, Enquanto os processadores de duplo núcleo podem ter de 256KB até 1MB de cache L2 por núcleo. Isso é interessante, pois os processadores Core Duo e Core 2 Duo da Intel compartilham a cache L2 entre os núcleos. O Turion assim como o Athlon 64 tem doze estágios de pipeline (sua arquitetura em termos gerais é muito parecida com a do Athlon 64). Suporta memórias DDR2 entre 400 à 800MHz, 40bits de endereços físicos e 48bits de endereços virtuais. Possui dezesseis registradores de inteiros de 64bits, dezesseis registradores de 128bits para instruções SSE/SSE2/SSE3. 4. Opteron 4.1. Características e Evolução O Opteron é um processador designado ao mercado de servidores, combinando duas importantes capacidades em um único chip: execução nativa de instruções 32bits x86 sem perda de velocidade e execução nativa de instruções 64bits x Na linha de processadores para servidores a primeira capacidade é notável, porque, além dele, o único processador 64bits compatível com aplicações x86 é o Intel Itanium, mas com significativa perda de desempenho [17]. O Opteron é Multiprocessador e Multicore, possui a tecnologia HyperTransport, usada para diminuir a latência de acesso a RAM e assim eliminando a necessidade de um chip Northbrigde na placa-mãe. Ademais, esta tecnologia é usada para comunicação entre os Chips de uma mesma placa-mãe através da Direct Connect Architecture. O Opteron não usa um banco de memória compartilhado por cada Chip e sim cada Chip tem sua própria memória, portanto ele é uma arquitetura NUMA (Non-Uniform Memory Access). A primeira geração do Opteron (SledgeHammer) foi o primeiro processador 64bits da AMD. O Athlon 64 é praticamente um clone desse processador, mas voltado para um mercado diferente. Haviam três modelos do SledgeHammer: um para sistemas de único processador, outro para sistemas de dois processadores e o último para sistemas de quatro ou oito processador. A segunda geração, sob os codinomes de Venus, Troy e Athens respectivamente designados para sistemas de um processador, dois processadores e quatro ou oito processadores, teve um acréscimo no conjunto de instruções e aumento no clock tanto do processador (chegando até 3GHz) quanto do HyperTrasnport (até 1GHz). Essa geração teve ainda os primeiros modelos dual core do Opteron: Denmark, Italy, Egypt, respectivamente designados para sistemas de um, dois e quatro ou oito processadores. A terceira geração teve como melhorias o dobramento da cache L2 e o clock atingindo 3,2GHz, além de utilizar memórias DDR2. Os núcleos foram o Santa Ana e Santa Rosa, todos dual core, sendo o primeiro específico para sistemas de um processador e o segundo para outras as outras configurações possíveis. Por fim, a última e atual geração do Opteron são os processadores de quatro núcleos Budapeste e Barcelona, da geração K10, a mesma do Phenom. Portanto, eles possuim 512KB de cache L2 por núcleo além de uma cache L3 compartilhada entre os núcleos. Nessa versão, o HyperTransport chegou até 2,0GHz. Além disso, houve um acréscimo no conjunto de instruções.

7 4.2. Arquitetura Figura 4.1. Estágios do pipeline do Opteron[18]. O Opteron é um processador RISC, super-escalar de três caminhos. Ele pode decodificar, executar e retirar três instruções x86 por ciclo de clock [18]. Essas instruções podem ser operações bem complexas (CISC) envolvendo múltiplas fontes de operandos. Sua primeira geração engloba os conjuntos de instruções MMX, Extended 3DNow!, SSE, SSE2, AMD64. Sendo que a segunda e terceira geração tem o acréscimo do conjunto de instruções SSE3 e a última geração (K10) tem, além de todas as outras, a SSE4a. Como pode-se ver na figura 4.1 o Opteron tem 20 estágios de pipeline, sendo um pipeline de três caminhos [18]. Assim como o Athlon o Opteron usa três técnias de Branch Prediction: Branch Target Buffer, Global History Counter e Return Address Stack. Existem dois mil e quarenta e oito entradas no Branch Target Buffer e doze entradas no Return Address Stack para selecionar o próximo endereço do Program Counter. Uma característica interessante da última geração é o aparecimento da cache L3. Os núcleos dos processadores possuem cache L1 e L2 internamente e externamente a cache L3 é compartilhada entre os quatro núcleos. 5. Phenom 5.1. Características e Evolução Os processadores Phenom pertencem a geração K10 de processadores da AMD. São os concorrentes diretos dos processadores Intel Core 2. A figura 5.1 traz algumas inovações da geração K10 sobre a geração K8. Figura 5.1. Evoluções da geração K10 sobre a geração K8 [19].

8 Os Phenoms trazem três ou quatro núcleos, sob os codinomes de Toliman e Agena, respectivamente Phenom X3 e Phenom X4. Uma grande diferença entre os processadores multicore encontrados no mercado e o Phenom é a presença da cache L3. As caches L1 e L2 se encontram internas no núcleo e a cache L3 compartilhada entre as CPUs. Diferentemente dos processadores Core 2 que compartilham a cache L2 e não possuem cache L3. Os primeiros processadores Phenom lançados trouxeram problemas nas TLB (Translation Lookaside Buffer). Em instâncias onde o software utiliza páginas de memórias aninhadas, o processador sofreria uma race condition [20]. A revisão B3 dos processadores arrumou o erro. E para diferenciar comercialmente dos processadores lançados antes da revisão a AMD adicionou o final 50 na descrições do modelos. Por exemplo, o Phenom 8400 tem o erro na TLB enquanto o Phenom 8450 não o tem. A despeito de todas as tecnologias disponíveis nos processadores Phenom, principalmente a respeito da economia de energia [19, 21], eles não conseguiram se fixar no mercado como uma boa opção para desktops [6]. Embora o desempenho dos Opteron geração K10 terem se mostrados bem melhores que os Xeon s da Intel no ramo de servidores [17]. Espera-se que a chegada dos Phenom s com processo de fabricação 45nm venha revigorar a disputa entre a AMD e a Intel no ramo de desktops Arquitetura Todos os modelos do Phenom lançados até agora possuem, por núcleo, cache L1 de 64KB de dados mais 64KB de instruções e cache L2 de 512KB. Sendo a cache L3 de 2MB. A figura 5.2 é um esquemático do sistema de cache do Phenom X4. O Phenom manteve os doze estágios de pipeline [21] da geração K8 (vide tabela 2.1). Figura 5.2. Esquemático da arquitetura do Phenom. Nenhum processador Phenom ainda conseguiu atingir a transferência limite da tecnologia HyperTransport 3.0. Com a chegada dos núcleos com tecnologia 45nm espera-se que esse limite seja atingindo. Outras novidades de arquitetura esperadas para esse novos Phenom é o aumento da cache L3, e também a ausência da própria em alguns modelos [22]. 6. Referências

9 [1] Advanced Micro Devices. Wikipédia, Disponível em: < Acesso em: 31 de Outubro de [2] Advanced Micro Devices, Inc. Funding Universe. Disponível em: < Company-History.html>. Acesso em: 31 de Outubro de [3] AMD, Histórico da AMD: , Advanced Micro Devices, Disponível em: < Acesso em: 31 de Outubro de [4] AMD, Histórico da AMD: , Advanced Micro Devices, Disponível em: < Acesso em: 31 de Outubro de [5] Torres, Gabriel. Processador Athlon XP vs. Pentium 4 2,8 GHz. Clube do Hardware, Disponível em: < Acesso em: 01 de Novembro de [6] Torres, Gabriel; Lima, Cássio. Core 2 Duo, Core 2 Quad, Phenom X3 e Phenom X4: Quem Vence a Batalha?. Clube do Hardware, Disponível em: < Acesso em: 01 de Novembro de [7] Advanced Micro Devies. The future is fusion: The Industry-Changing Impact of Accelerated Computing. Advanced Micro Devices, Disponível em: < Acesso em: 01 de Novembro de [8] Athlon. Wikipédia, Disponível em: < Acesso em: 02 de Novembro de [9] Torres, Gabriel; Lima, Cássio. Por Dentro da Arquitetura AMD64. Clube do Hardware, Disponível em: < Acesso em: 02 de Novembro de [10] Translation Lookaside Buffer. Wikipédia, Disponível em: < Acesso em: 02 de Novembro de [11] Athlon 64. Wikipédia, Disponível em: < Acesso em: 02 de Novembro de [12] Romano, Gustavo. Arquitetura AMD Athlon 64. Disponível em: < Athlon64_Artigo.pdf>. Acesso em: 02 de Novembro de [12] Romano, Gustavo. Arquitetura AMD Athlon 64. Disponível em: < Athlon64_Artigo.pdf>. Acesso em: 02 de Novembro de 2008.

10 [13] Harrington, Brian. Architecture of AMD Athlon Processors, Disponível em: < Acesso em: 02 de Novembro de [14] Turion 64. Wikipédia, Disponível em: < Acesso em: 02 de Novembro de [15] Turion 64 X2. Wikipédia, Disponível em: < Acesso em: 02 de Novembro de [16] Turion Ultra. Wikipédia, Disponível em: < Acesso em: 02 de Novembro de [17] Opteron. Wikipédia, Disponível em: < Acesso em: 02 de Novembro de [18] de Vries, Hans. Understanding the detailed Architecture of AMD s 64 bit Core. Chip Architecture, Disponível em: < >. Acesso em: 02 de Novembro de [19] Torres, Gabriel; Lima, Cássio. Por Dentro da Arquitetura K10 da AMD. Clube do Hardware, Disponível em: < Acesso em: 02 de Novembro de [20] Kubicki, Kristopher. Understanding AMD s TLB Processor Bug. DailyTech, Disponível em: <httphttp:// e9915.htm>. Acesso em: 02 de Novembro de [21] AMD Phenom quad-core demystified. Hexus. Disponível em: < Acesso em: 02 de Novembro de [22] List of future AMD Phenom microprocessors. Wikipédia, Disponível em: < Acesso em: 03 de Novembro de 2008.