أنواع وحدات المعالجة المركزية (CPUs)

وحدة المعالجة المركزية (CPU) هي عقل أجهزة الكمبيوتر. وهي تتولى مهمة أداء المهام ومعالجتها وإدارة الوظائف التشغيلية التي تستخدمها جميع أنواع أجهزة الكمبيوتر.

تُصنف أنواع وحدة المعالجة المركزية وفقًا لنوع الشريحة التي تستخدمها لمعالجة البيانات. توجد مجموعة متنوعة من المعالجات ووحدات المعالجة الدقيقة المتوفرة، إلى جانب وجود معالجات فائقة جديدة قيد التطوير دائمًا. تُمكن قدرة المعالجة التي توفرها وحدات المعالجة المركزية أجهزة الكمبيوتر من التعامل مع الأنشطة ذات المهام المتعددة. قبل مناقشة أنواع وحدات المعالجة المركزية المتوفرة، علينا أن نوضح بعض المصطلحات الأساسية اللازمة لفهم أنواع وحدة المعالجة المركزية.

توجد العديد من العناصر داخل وحدة المعالجة المركزية، ولكن هذه الجوانب مهمة بشكل خاص لتشغيل وحدة المعالجة المركزية ولفهم كيفية عملها:

• ذاكرة التخزين المؤقت: عندما يتعلق الأمر باسترجاع المعلومات، لا غنى عن ذاكرة التخزين المؤقت. ذاكرات التخزين المؤقت هي أماكن تخزين يسمح موقعها للمستخدمين بالوصول بسرعة إلى البيانات المستخدمة مؤخرًا. تخزن ذاكرة التخزين المؤقت البيانات في أماكن من الذاكرة المدمجة في شريحة معالج الوحدة المركزية لتحقيق معدل سرعات استرجاع البيانات أسرع مما تحققه ذاكرة الوصول العشوائي (RAM). يمكن إنشاء ذاكرات التخزين المؤقت من خلال تطوير البرامج أو عناصر الأجهزة.

• سرعة الساعة: جميع أجهزة الكمبيوتر مزودة بساعة داخلية تنظم سرعة عمليات الكمبيوتر ومعدل تكرارها. تدير الساعة الدوائر الكهربائية بوحدة المعالجة المركزية من خلال بث النبضات الكهربائية. يُطلق على معدل إرسال هذه النبضات سرعة التوقيت وتقاس بالهرتز (Hz) أو ميجاهرتز (MHz). عادةً ما كانت إحدى طرق زيادة سرعة المعالجة هي ضبط الساعة بحيث تعمل بشكل أسرع من المعتاد.

• النواة: تعمل الأنوية كمعالج داخل المعالج. الأنوية هي وحدات معالجة تقرأ تعليمات البرامج المختلفة وتنفذها. تُصنف المعالجات وفقًا لعدد الأنوية المدمجة فيها. يمكن لوحدات المعالجة المركزية متعددة الأنوية معالجة التعليمات بشكل أسرع بكثير من المعالجات أحادية النواة. (ملاحظة: يُستخدم مصطلح "Intel® Core™" تجاريًا للتسويق لخط إنتاج وحدات المعالجة المركزية متعددة الأنوية لدى شركة Intel).

• المسارات: المسارات هي أقصر تسلسلات التعليمات القابلة للبرمجة التي يمكن أن يديرها مجدول نظام التشغيل بشكل مستقل ويرسلها إلى وحدة المعالجة المركزية لمعالجتها. من خلال تعدد المسارات - استخدام مسار متعددة تعمل في وقت واحد – يمكن إجراء عمليات الكمبيوتر بشكل متزامن. تشير المسارات الفائقة إلى نموذج Intel الخاص بتعدد المسارات من أجل موازاة عمليات الحوسبة.

العناصر الأخرى لوحدة المعالجة المركزية

بالإضافة إلى العناصر المذكورة أعلاه، تحتوي وحدات المعالجة المركزية الحديثة عادةً على ما يلي:

• الوحدة الحسابية المنطقية (ALU): تنفذ جميع العمليات الحسابية والعمليات المنطقية بما في ذلك المعادلات الحسابية وعمليات المقارنة القائمة على المنطق. كلا النوعين مرتبط بإجراءات حاسوبية محددة.
• الناقلات: تضمن النقل السليم للبيانات وتدفق البيانات بين عناصر نظام الكمبيوتر.
• وحدة التحكم: تحتوي على دوائر كهربائية مكثفة تتحكم في نظام الكمبيوتر من خلال إصدار نظام من النبضات الكهربائية وتوجه النظام لتنفيذ تعليمات الكمبيوتر عالية المستوى.
• سجلات التعليمات ومؤشرها: تعرض أماكن مجموعة التعليمات التالية التي ستنفذها وحدة المعالجة المركزية.
• وحدة الذاكرة: تدير استخدام الذاكرة وتدفق البيانات بين ذاكرة الوصول العشوائي ووحدة المعالجة المركزية. كما تشرف وحدة الذاكرة على معالجة ذاكرة التخزين المؤقت.
• السجلات: توفر ذاكرة دائمة مدمجة لاحتياجات البيانات الثابتة والمتكررة التي يجب معالجتها بشكل منتظم وفوري.

تستخدم وحدات المعالجة المركزية نوعًا من دورة الأوامر المتكررة التي تديرها وحدة التحكم بالاقتران مع ساعة الكمبيوتر، التي توفر المساعدة على المزامنة.

العمل الذي تنفذه وحدة المعالجة المركزية يحدث وفقًا لدورة محددة (تسمى دورة تعليمات وحدة المعالجة المركزية). تحدد دورة تعليمات وحدة المعالجة المركزية عددًا من عمليات التكرار، وهي عدد المرات التي تُكرر فيها تعليمات الحوسبة الأساسية، حسبما تتيح قدرة المعالجة في هذا الحاسوب.

فيما يلي تعليمات الحوسبة الأساسية الثلاثة:

• جلب البيانات: تحدث عمليات الجلب في أي وقت يتم فيه استرجاع البيانات من الذاكرة.
• فك التشفير: تترجم وحدة فك التشفير داخل وحدة المعالجة المركزية التعليمات الثنائية إلى إشارات كهربائية تتفاعل مع أجزاء أخرى من وحدة المعالجة المركزية.
• التنفيذ: يحدث التنفيذ عندما تفسر أجهزة الكمبيوتر وتنفذ مجموعة تعليمات برنامج الكمبيوتر.

أدت المحاولات الأساسية لتحقيق معدل سرعات معالجة أسرع إلى ترك بعض مالكي أجهزة الكمبيوتر الخطوات المعتادة المدرجة ضمن عملية تحقيق أداء فائق السرعة، والتي تتطلب عادةً استخدام المزيد من أنوية الذاكرة. وبدلاً من ذلك، يضبط هؤلاء المستخدمون ساعة الكمبيوتر بحيث تعمل بشكل أسرع على جهازهم (أجهزتهم). تشبه عملية "رفع تردد التشغيل" عملية "اختراق حماية" الهواتف الذكية بحيث يمكن تغيير أدائها. ومع الأسف، قد يكون هذا التغيير ضارًا بالجهاز، مثل اختراق حماية الهواتف الذكية، وترفضه الشركات المصنعة لأجهزة الكمبيوتر رفضًا قاطعًا.

تُصنف وحدات المعالجة المركزية حسب المعالج أو وحدة المعالجة الدقيقة الذي تعمل به:

• المعالج أحادي النواة: المعالج أحادي النواة هو معالج دقيق ذو وحدة معالجة مركزية واحدة في قالبه (المادة السيليكونية التي تتصل بها الشرائح والشرائح الدقيقة). عادةً ما تعمل المعالجات أحادية النواة بشكل أبطأ من المعالجات متعددة النواة، وتعمل على مسار واحد وتنفذ تسلسل دورة التعليمات مرة واحدة فقط في كل مرة. وتُعد الأنسب للحوسبة المخصصة للأغراض العامة.
• المعالج متعدد النواة: ينقسم المعالج متعدد النواة إلى قسمين أو أكثر من الأنشطة، وتنفذ كل نواة التعليمات كما لو كانت جهاز كمبيوتر منفصل تمامًا، على الرغم من أن الأقسام تُنفذ معًا من الناحية التقنية على شريحة واحدة. بالنسبة إلى العديد من برامج الكمبيوتر، يوفر المعالج متعدد النواة مخرجات فائقة وعالية الأداء.
• المعالج المدمج: المعالج المدمج هو معالج دقيق مصمم خصوصًا للاستخدام في الأنظمة المدمجة. الأنظمة المدمجة صغيرة ومصممة لاستهلاك طاقة أقل وتُدمج داخل المعالج من أجل الوصول الفوري إلى البيانات. تتضمن المعالجات المدمجة وحدات المعالجة الدقيقة ووحدات التحكم الدقيقة.
• المعالج ثنائي النواة: المعالج ثنائي النواة هو معالج متعدد النواة يحتوي على معالجين دقيقين يعملان بشكل مستقل عن بعضهما.
• المعالج رباعي النواة: المعالج رباعي النواة هو معالج متعدد النواة يحتوي على أربعة معالجات دقيقة تعمل بشكل مستقل.
• المعالج ثماني النواة: المعالج ثماني النواة هو معالج متعدد النواة يحتوي على ثمانية معالجات دقيقة تعمل بشكل مستقل.
• المعالج عشاري النواة: المعالج عشاري النواة هو دائرة متكاملة تحتوي على 10 أنوية في قالب واحد أو في حزمة واحدة.

على الرغم من أن العديد من الشركات تصنع منتجات أو تطور برامج تدعم وحدات المعالجة المركزية، فإن هذا العدد قد تضاءل إلى عدد قليل من المصنعين الرئيسيين في السنوات الأخيرة.

الشركتان الرئيسيتان في هذا المجال هما Intel وAdvanced Micro Devices (AMD). يستخدم كل منهما نوعًا مختلفًا من بنية مجموعة التعليمات (ISA). تستخدم معالجات Intel بنية المعالج ذو مجموعة التعليمات المعقدة (CISC). تتبع معالجات شركة AMD بنية المعالج ذي مجموعة التعليمات المختصرة (RISC).

• Intel: تسوّق شركة Intel المعالجات ووحدات المعالجة الدقيقة من خلال أربعة خطوط إنتاجية. خطها المتميز والمتطور هو Intel Core. معالجات Xeon® من Intel موجهة للمكاتب والشركات. تُعد خطوط Celeron وIntel Pentium® من Intel أبطأ وأقل إمكانات من خط Core.

• الأجهزة الدقيقة المتقدمة (AMD): تبيع AMD المعالجات ووحدات المعالجة الدقيقة من خلال نوعين من المنتجات: وحدات المعالجة المركزية ووحدات المعالجة المُسرَّعة (APUs). وحدات المعالجة المسرعة هي وحدات المعالجة المركزية المزودة برسومات Radeon™ الخاصة. معالجات Ryzen™ من AMD هي معالجات دقيقة فائقة السرعة وعالية الأداء مخصصة لمجال ألعاب الفيديو. كانت معالجات Athlon™ تُعد سابقًا خط شركة AMD المتطور، لكن شركة AMD تستخدمه الآن كبديل أساسي للحوسبة.

• Arm: على الرغم من أن شركة Arm لا تصنع المعدات حقًا، إلا إنها تؤجر تصميمات المعالجات القيّمة والمتطورة و/أو التقنيات الخاصة بها للشركات الأخرى التي تصنع المعدات. على سبيل المثال، لم تعد شركة Apple تستخدم شرائح Intel في وحدات المعالجة المركزية بأجهزة Mac®، بل تصنع معالجاتها المخصصة بناءً على تصميمات شركة Arm. وتسير شركات أخرى على هذا النظام.

وحدات معالجة الرسومات (GPU)

في حين أن مصطلح "وحدة معالجة الرسومات" يتضمن كلمة "رسومات"، إلا إن هذه الصياغة لا توضح حقًا ما تركز عليه وحدات معالجة الرسومات، وهي السرعة. في هذه الحالة، فإن سرعتها المتزايدة هي سبب تسريع إنشاء رسومات الكمبيوتر.

وحدة معالجة الرسومات (GPU) هي نوع من الدوائر الإلكترونية ذات تطبيقات فورية لأجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية وأجهزة ألعاب الفيديو، وهذا هو استخدامها الأصلي. وفي الوقت الحالي، تخدم وحدات معالجة الرسومات أيضًا أغراضًا لا علاقة لها بتسريع إنشاء الرسومات، مثل استخراج العملات الرقمية وتدريب الشبكات العصبية.

المعالجات الدقيقة

استمر السعي نحو تصغير حجم الكمبيوتر عندما نجح علماء الكمبيوتر في إنشاء وحدة معالجة مركزية صغيرة جدًا بحيث يمكن دمجها داخل شريحة دائرة متكاملة صغيرة تسمى وحدة المعالجة الدقيقة. تُصنف وحدات المعالجة الدقيقة حسب عدد الأنوية التي تدعمها.

تُعد نواة وحدة المعالجة المركزية "عقلاً داخل عقل"، وهي بمثابة وحدة المعالجة المادية داخل وحدة المعالجة المركزية. يمكن أن تحتوي وحدات المعالجة الدقيقة على معالجات متعددة. وفي الوقت نفسه، فإن النواة المادية هي وحدة معالجة مركزية مدمجة مباشرة في الشريحة، ولا تُشغل سوى مقبس واحد، ما يتيح للنواة المادية الأخرى العمل في بيئة الحوسبة نفسها.

أجهزة الإخراج

ستكون الحوسبة نشاطًا محدودًا للغاية من دون وجود أجهزة إخراج لتنفيذ مجموعات التعليمات الخاصة بوحدة المعالجة المركزية. وتشمل هذه الأجهزة الطرفية، التي تُوصل بالجزء الخارجي من الكمبيوتر وتُزيد من وظائفه بشكل كبير.

توفر الأجهزة الطرفية وسيلة لمستخدمي الكمبيوتر للتفاعل مع الكمبيوتر وجعله يعالج التعليمات وفقًا لرغبات مستخدمي الكمبيوتر. وهي تشمل أساسيات سطح المكتب مثل لوحات المفاتيح وأجهزة الماوس والماسحات الضوئية والطابعات.

الأجهزة الطرفية ليست هي المرفقات الوحيدة المشتركة مع أجهزة الكمبيوتر الحديثة. توجد أيضًا أجهزة إدخال / إخراج مستخدمة على نطاق واسع وكلاهما يتلقى المعلومات وينقل المعلومات، مثل كاميرات الفيديو والميكروفونات.

استهلاك الطاقة

تتعلق العديد من المشكلات باستهلاك الطاقة. ومن هذه المشكلات كمية الحرارة التي تنتجها المعالجات متعددة النواة وكيفية إزالة الحرارة الزائدة من هذا الجهاز حتى يظل معالج الكمبيوتر محميًا حراريًا. ولهذا السبب، صُممت مراكز البيانات الضخمة (التي تستضيف آلاف الخوادم وتستخدمها) بأنظمة تكييف وتبريد فائقة.

توجد أيضًا مسائل متعلقة بالاستدامة، حتى لو كنا نتحدث عن عدد قليل من أجهزة الكمبيوتر بدلاً من بضعة آلاف جهاز. كلما زادت إمكانات الكمبيوتر ووحدات المعالجة المركزية به، زادت الحاجة إلى المزيد من الطاقة لدعم تشغيله - وفي بعض الحالات الكبيرة، يمكن أن يعني ذلك جيجاهرتز (GHz) من القدرة الحاسوبية.

الشرائح المتخصصة

يُعد الذكاء الاصطناعي (AI) التطور الأعظم في مجال الحوسبة منذ نشأتها، وهو يؤثر الآن في معظم بيئات الحوسبة، إن لم يكن كلها. إحدى التطورات التي نراها في مجال وحدة المعالجة المركزية هو إنشاء معالجات متخصصة مصممة خصوصًا للتعامل مع أحمال العمل الكبيرة والمتطورة المرتبطة بالذكاء الاصطناعي (أو غيرها من الأغراض المتخصصة):

• وتشمل هذه المعدات معالج Tensor Streaming Processor (TSP)، الذي يعالج مهام التعلم الآلي (ML) بالإضافة إلى تطبيقات الذكاء الاصطناعي. ومن المنتجات الأخرى المناسبة أيضًا لأعمال الذكاء الاصطناعي هي معالج AMD Ryzen Threadripper™ 3990X 64-Core ومعالج Intel Core i9-13900KS Desktop، الذي يستخدم 24 نواة.
• بالنسبة إلى التطبيقات مثل تطبيقات تحرير الفيديو، يُفضل العديد من المستخدمين وحدة المعالجة المركزية Intel Core i7 14700KF 20-Core, 28-thread. ولا يزال البعض الآخر يُفضل Ryzen 9 7900X، الذي يُعد أفضل وحدة معالجة مركزية من شركة AMD مخصصة لأغراض تحرير الفيديو.
• فيما يتعلق بمعالجات ألعاب الفيديو، يتميز معالج Ryzen 7 5800X3D من شركة AMD بتقنية 3D V-Cache التي تساعده على تطوير رسومات الألعاب وتسريع إنشائها.
• بالنسبة إلى حوسبة الأغراض العامة، كتشغيل نظام تشغيل مثل Windows أو تصفح مواقع الوسائط المتعددة، يتعامل أي معالج حديث من شركة AMD أو Intel مع المهام الروتينية بسهولة.

أجهزة الترانزستور

أجهزة الترانزستور مهمة للغاية في مجال الإلكترونيات بشكل عام وفي مجال الحوسبة بشكل خاص. المصطلح مركب من "نقل المقاومة" ويُشير عادةً إلى عنصر مصنوع من أشباه الموصلات المستخدمة للحد و/أو للتحكم في كمية التيار الكهربائي المتدفق عبر الدائرة.

تُعد أجهزة الترانزستور أساسية في مجال الحوسبة. الترانزستور هو وحدة البناء الأساسية وراء إنشاء جميع الشرائح الدقيقة. تساعد أجهزة الترانزستور على تكوين وحدة المعالجة المركزية، وهي ما تشكل اللغة الثنائية 0 و1 التي تستخدمها أجهزة الكمبيوتر لتفسير القيم المنطقية.

يعمل علماء الكمبيوتر دائمًا على زيادة إنتاجية وحدات المعالجة المركزية ووظائفها. فيما يلي بعض التوقعات حول وحدات المعالجة المركزية المستقبلية:

• مواد شرائح جديدة: لطالما كانت شرائح السيليكون الأساس في مجال الحوسبة والإلكترونيات الأخرى. سيستفيد الطور الجديد من المعالجات (الرابط ينقلك خارج موقع ibm.com) من المواد الجديدة للشرائح التي توفر أداءً معززًا. ومن هذه المواد أنابيب الكربون النانوية (التي توفر موصلية حرارية ممتازة من خلال أنابيب كربونية أصغر بمقدار 100000 مرة تقريبًا من عرض شعرة الإنسان)، والجرافين (مادة لها خصائص حرارية وكهربائية متميزة)، وعناصر الإلكترونيات الدورانية (التي تعتمد على دراسة الطريقة التي تدور بها الإلكترونات، والتي يمكن أن تنتج في النهاية جهاز ترانزستور دوارًا).
• القيم الكمية مقابل القيم الثنائية: على الرغم من أن وحدات المعالجة المركزية الحالية تعتمد على استخدام لغة ثنائية، فإن الحوسبة الكمية ستغير ذلك في نهاية المطاف. فبدلاً من اللغة الثنائية، تستمد الحوسبة الكمية مبادئها الأساسية من الميكانيكا الكمية، وهو تخصص أحدث ثورة في مجال دراسة الفيزياء. في الحوسبة الكمية، يمكن أن تتواجد الأرقام الثنائية (1 و0) في بيئات متعددة (بدلاً من بيئتين فقط في الوقت الحالي). ونظرًا إلى أن هذه البيانات ستوجد في أكثر من مكان واحد، ستصبح عمليات جلب البيانات أسهل وأسرع. وستكون النتيجة التي سيراها المستخدم من ذلك هي زيادة ملحوظة في سرعة الحوسبة وتعزيز شامل في قدرة المعالجة.

• الذكاء الاصطناعي في كل مكان: بينما يواصل الذكاء الاصطناعي فرض حضوره القوي - سواء في مجال الحوسبة أو في حياتنا اليومية - سيكون له تأثير مباشر في تصميم وحدة المعالجة المركزية. وبمرور الزمن، توقع أن ترى المزيد من عمليات دمج وظائف الذكاء الاصطناعي مباشرةً في أجهزة الكمبيوتر. وحين يحدث ذلك، سنشهد معالجة الذكاء الاصطناعي الأكثر كفاءة بشكل ملحوظ. علاوة على ذلك، سيلاحظ المستخدمون زيادة في سرعة المعالجة وانتشارًا للأجهزة التي ستتمكن من اتخاذ القرارات بشكل مستقل في الوقت الفعلي. وبينما ننتظر صناعة هذه الأجهزة، كشفت شركة تصنيع الشرائح Cerebras بالفعل عن تصنيعها لمعالج يدعي مصنعوه أنه "أسرع شريحة ذكاء اصطناعي في العالم" (الرابط ينقلك خارج موقع ibm.com). تتمكن شريحة WSE-3 من تدريب نماذج الذكاء الاصطناعي باستخدام ما يصل إلى 24 تريليون معلمة. تحتوي هذه الشريحة الضخمة على أربعة تريليونات جهاز ترانزستور، بالإضافة إلى 900,000 نواة.

تتوقع الشركات الكثير من أجهزة الكمبيوتر التي تستثمر فيها. وفي المقابل، تعتمد أجهزة الكمبيوتر هذه على وجود وحدات معالجة مركزية تتمتع بقدرة معالجة كافية للتعامل مع أعباء العمل الصعبة الموجودة في بيئات الأعمال كثيفة البيانات في الوقت الحالي.

تحتاج المؤسسات إلى حلول عملية يمكنها أن تتغير مع تغير المؤسسات. تعتمد الحوسبة الذكية على وجود معدات تدعم مهمتك باقتدار، حتى في ظل تطور العمل. توفر خوادم IBM الفعالية والمرونة، بحيث يمكنك التركيز على المهمة التي بين يديك. اكتشف خوادم IBM التي تحتاجها للحصول على نتائج تعتمد عليها مؤسستك — في الوقت الحالي وفي المستقبل.