تعد وحدة المعالجة المركزية (CPU) المكون الوظيفي الأساسي للكمبيوتر. تُعد وحدة المعالجة المركزية مجموعة من الدوائر الإلكترونية التي تشغل نظام تشغيل الكمبيوتر وتطبيقاته وتدير مجموعة متنوعة من عمليات الكمبيوتر الأخرى.
وحدة المعالجة المركزية عبارة عن الدماغ النشط للكمبيوتر. تُعد وحدة المعالجة المركزية (CPU) هي المدير الخفي داخل الكمبيوتر حيث يتم تحويل مدخلات البيانات إلى مخرجات معلومات. حيث إنها تخزن تعليمات البرنامج وتنفذها من خلال شبكات دوائرها الكهربائية الكبيرة.
يمكن لوحدة المعالجة المركزية القيام بمهام متعددة، مثل الدماغ البشري. وهو ما يعني أنها تمثل أيضًا جزءًا من الكمبيوتر الذي ينظم الوظائف الداخلية للكمبيوتر، ويشرف على استهلاك الطاقة، ويخصص موارد الحوسبة، ويتفاعل مع مختلف التطبيقات، والبرامج، والشبكات.
إذا كنت لا تزال غير مقتنع بمدى أهمية وحدات المعالجة المركزية في الحوسبة، فتذكَّر ما يلي: إن وحدة المعالجة المركزية هي الجزء الوحيد الموجود في كل حاسوب، بغض النظر عن حجم هذا الحاسوب أو استخدامه. إذا كنت تقرأ هذا على هاتف ذكي أو كمبيوتر محمول أو كمبيوتر شخصي، فأنت تستخدم وحدة معالجة مركزية حالاً الآن.
ورغم أن مصطلح "وحدة المعالجة المركزية" يبدو وكأننا نتحدث عن قطعة واحدة من المعدات، إلا إن الأمر ليس كذلك. تُعد وحدة المعالجة المركزية في الواقع مجموعة من عناصر الكمبيوتر المختلفة التي تعمل معًا بطريقة منظمة جدًا.
قبل مناقشة الأجزاء الفريدة لوحدة المعالجة المركزية وكيفية تفاعلها، من المهم أن نتعرف أولًا على مفهومَين أساسيَّين يقودان الحوسبة: تخزين البيانات والذاكرة.
ومجددًا، تتشابه وحدة المعالجة المركزية مع دماغ الإنسان في أن كليهما يتميزان بذاكرة قصيرة المدى وأخرى طويلة المدى. تخزّن ذاكرة التشغيل القياسية لوحدة المعالجة المركزية بيانات ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) "في الوقت الحالي" فقط—على غرار الذاكرة قصيرة المدى للشخص— قبل أن يتم مسحها بشكل دوري من ذاكرة التخزين المؤقت للكمبيوتر.
يشبه التخزين الثانوي الذاكرة طويلة الأجل لدى البشر، ويتضمن الاحتفاظ بالبيانات بشكل دائم أو طويل الأجل من خلال أرشفتها على أجهزة تخزين ثانوية، مثل محركات الأقراص الصلبة. توفر أجهزة الإخراج مثل محركات الأقراص الصلبة تخزينًا دائمًا. ينطوي التخزين الدائم على ذاكرة للقراءة فقط (ROM)، ما يعني أنه يمكن الوصول إلى البيانات لكن لا يمكن التحكم فيها أو تغييرها.
فيما يلي المكونات الأساسية الثلاثة التالية داخل وحدة المعالجة المركزية.
تحتوي وحدة التحكم في وحدة المعالجة المركزية على دوائر توجه نظام الكمبيوتر من خلال نظام من النبضات الكهربائية وتخطره بتنفيذ تعليمات الكمبيوتر عالية المستوى. وبالرغم من اسمها، فإن وحدة التحكم نفسها لا تتحكم في التطبيقات أو البرامج الفردية، بل تقوم بتعيين تلك المهام كما يقوم المدير البشري بتعيين وظائف معينة لعمال مختلفين.
تتولى الوحدة الحسابية/المنطقية (ALU) جميع العمليات الحسابية والعمليات المنطقية. تستند وظيفتها الحسابية إلى أربعة أنواع من العمليات الحسابية (الجمع، والطرح، والضرب، والقسمة). تتضمن العمليات المنطقية عادةً نوعًا ما من المقارنة (مثل المقارنة بين الأحرف، أو الأرقام، أو الأحرف الخاصة) المرتبطة بإجراء معين على الحاسوب.
تتولى وحدة الذاكرة العديد من الوظائف الرئيسية المتعلقة باستخدام الذاكرة، بدءًا من إدارة تدفق البيانات التي تحدث بين ذاكرة الوصول العشوائي ووحدة المعالجة المركزية إلى الإشراف على العمل المهم لذاكرة التخزين المؤقت. تحتوي وحدات الذاكرة على جميع أنواع البيانات والتعليمات اللازمة لمعالجة البيانات وتوفر ضمانات لحماية الذاكرة.
كما تعد مكونات وحدة المعالجة المركزية التالية ضرورية كذلك:
يجري التعامل مع وظيفة وحدة المعالجة المركزية بواسطة وحدة التحكم، مع مساعدة المزامنة التي توفرها ساعة الكمبيوتر. يجري عمل وحدة المعالجة المركزية وفقًا لدورة محددة—تُعرف باسم دورة تعليمات وحدة المعالجة المركزية—والتي تستدعي عددًا معينًا من التكرارات لتعليمات الحوسبة الأساسية التالية، وفقًا لما تسمح به قوة المعالجة الخاصة بالكمبيوتر:
تجدر الإشارة إلى أنه مع بعض التعديلات الأساسية، يمكن تعديل ساعة الحاسوب داخل وحدة المعالجة المركزية للحفاظ على استمرار تسريع الوقت بدرجة أكبر مما يسير بها عادةً. يلجأ بعض المستخدمين إلى ذلك لتشغيل حواسيبهم بسرعات أعلى. بيد أن هذه الممارسة لا يُنصح بها؛ لأنها قد تتسبب في تلف أجزاء الكمبيوتر قبل الوقت الطبيعي وقد تنتهك ضمانات الشركة المصنعة لوحدة المعالجة المركزية.
من المعلوم الآن أن أجهزة الكمبيوتر أصبحت جزءًا أساسيًّا من الحياة المعاصرة بحيث يبدو الأمر وكأنها كانت معنا دائمًا من زمن. لكن بالطبع، الأمر ليس كذلك.
لقد قيل إن كل التقنية ترتكز على أكتاف العمالقة. فعلى سبيل المثال، في تاريخ الحوسبة كان هناك أصحاب الرؤى الأوائل الذين ساعدت تجاربهم وكتاباتهم المختلفة في تشكيل الجيل التالي من المفكرين الذين طرحوا بعد ذلك أفكارًا أخرى حول إمكانات الحوسبة، وما إلى ذلك.
في العصر الحديث، بدأت قصة الحوسبة أثناء صراعات وحروب. فقد كانت الحرب العالمية الثانية مشتعلة عندما تعاقدت الحكومة الأمريكية مع مجموعة من مدرسة مور للهندسة الكهربائية في جامعة بنسلفانيا. تمثلت مهمتهم في بناء كمبيوتر إلكتروني بالكامل يمكنه حساب مقدار المسافة بدقة لجداول مدى المدفعية. وتحت إشراف الفيزيائي جون ماوتشلي والمهندس ج. بريسبر إيكرت الابن، بدأ العمل في أوائل عام 1943.
وأطلقوا على الآلة الحاسبة التي انتهوا منها في أوائل عام 1946 اسم جهاز التكامل العددي الإلكتروني والكمبيوتر (ENIAC)— وكانت تطورًا هائلًا بالمعنى الحرفي.
بلغت تكلفة جهاز التكامل العددي الإلكتروني والكمبيوتر (ENIAC) 400,000 دولار أمريكي (أي ما يعادل 6.7 ملايين دولار أمريكي تقريبًا في عام 2024، بحساب المكافئ ومراعاة التضخم). تم بناؤه في الطابق السفلي لمدرسة مور، حيث شغل مساحة ضخمة تبلغ 1,500 قدم مربعة من المساحة الأرضية. وقد تطلَّب الأمر عددًا هائلًا من عناصر الكمبيوتر، بما في ذلك أكثر من 17,000 أنبوب مفرغ من الهواء، و70,000 مقاومة، و10,000 مكثف، و6,000 مفتاح، و1,500 مُرحِّل. في إشارة إلى أن الأنابيب المفرغة من الهواء أنتجت الكثير من الحرارة لدرجة أن جهاز التكامل العددي الإلكتروني والكمبيوتر (ENIAC) تطلَّب نظام تكييف هواء خاصًّا به.
بالرغم من وجود وحدة معالجة مركزية بدائية، فقد كان جهاز التكامل العددي الإلكتروني والكمبيوتر (ENIAC) معجزة بالنسبة إلى وقته وعصره، وكان بإمكانه معالجة ما يصل إلى 5000 معادلة في الثانية. عندما انتهت الحرب العالمية الثانية، تم إدخال جهاز التكامل العددي الإلكتروني والكمبيوتر (ENIAC) على الفور في الحرب الباردة الناشئة على الجانب الأمريكي. كانت مهمته الأولى إجراء حسابات تتعلق بصنع سلاح جديد—هو القنبلة الهيدروجينية التي تحمل تأثيرًا متفجرًا أقوى ألف مرة من القنابل الذرية.
لقد أظهر جهاز التكامل العددي الإلكتروني والكمبيوتر (ENIAC) ما يمكن أن يفعله الكمبيوتر عسكريًّا. فسرعان ما أنشأ نفس الفريق المكون من إيكرت وماوتشلي شركتهما الخاصة ليظهرا للعالم كيف يمكن للكمبيوتر أن يؤثر إيجابيًّا في عالم الأعمال.
كان الابتكار الرئيسي لشركة إيكيرت-موشلي للكمبيوتر (EMCC)، وهو UNIVAC 1 (يشار إليه عادةً باسم " الحاسوب الآلي المركزي (UNIVAC)" فقط)، نسخة أصغر وأرخص من جهاز التكامل العددي الإلكتروني والكمبيوتر (ENIAC) مع تحسينات مختلفة تعكس التقنية المتغيرة في ذلك الوقت.
في البداية، جعل إدخال البيانات أسهل وأكثر تعبيرًا من خلال تضمين أجهزة إدخال/إخراج مثل لوحة مفاتيح من آلة كاتبة كهربائية، وما يصل إلى 10 محركات أشرطة UNISERVO لتخزين البيانات، ومحول من شريط إلى بطاقة، وهو ما يسمح للشركات باستخدام البطاقات المثقوبة، بالإضافة إلى شريط التخزين المغناطيسي.
ومثله مثل سابقه، ما زال الحاسوب الآلي المركزي (UNIVAC) يتطلب استخدام مساحة أرضية كبيرة (382 قدمًا مربعًا)، ولكن هذا كان تقليصًا كبيرًا في الحجم مقارنةً بجهاز التكامل العددي الإلكتروني والكمبيوتر (ENIAC). ومع ذلك، فقد كانت تكلفة الحاسوب الآلي المركزي (UNIVAC)، مع أجراسه وصفاراته الإضافية، أعلى بكثير من جهاز التكامل العددي الإلكتروني والكمبيوتر (ENIAC)، حيث بلغ سعره حوالي 1.5 مليون دولار أمريكي (حوالي 11.6 مليون دولار أمريكي الآن).
ومع ذلك، مقابل هذا المبلغ، كان الحاسوب الآلي المركزي (UNIVAC) قادرًا على أداء مهام مذهلة. وعلى الأخص، استخدمته شبكة CBS News للتنبؤ بالانتخابات الرئاسية الأمريكية لعام 1952 بدقة. كانت استطلاعات الرأي التقليدية لمؤسسة غالوب قد تنبأت بانتخابات متقاربة، لكن أذهل الحاسوب الآلي المركزي (UNIVAC) جميع الصحفيين بإعلانه فوز دوايت أيزنهاور في وقت مبكر بفوز ساحق وهو ما حدث بالضبط. فلم يتوقع أحد حدوث ذلك، باستثناء الحاسوب الآلي المركزي (UNIVAC). وأذهل الحدث الجمهور، الذي اكتسب بين عشية وضحاها تقديرًا للتحليلات والتنبؤات المذهلة التي يمكن أن تنشئها أجهزة الكمبيوتر.
وبالرغم من مظهره الأكثر انسيابية، إلا إن الحاسوب الآلي المركزي (UNIVAC) كان لا يزال ضخمًا، حيث كان وزنه يزيد قليلًا عن 8 أطنان ويتطلب 125 كيلوواط من الطاقة. تم الكشف عن جهاز الحاسوب الآلي المركزي (UNIVAC1) في عام 1951، حيث تم شراء أول نموذج من قبل مكتب الإحصاء الأمريكي. ولسوء الحظ، كان استخدام الحاسوب الآلي المركزي (UNIVAC) معقدًا بسبب عيب خطير في التصميم، حيث كان لا يزال يعتمد على أنابيب تفريغ زجاجية كانت عرضة لأنواع مختلفة من الكسر وتنتج كميات كبيرة من الحرارة الزائدة.
ولحسن الحظ، ظهرت ثورة في وحدات المعالجة المركزية لتعالج هذه المشكلة مباشرةً.
وقد واجه مبتكرو كل من جهاز التكامل العددي الإلكتروني والكمبيوتر (ENIAC) والحاسوب الآلي المركزي (UNIVAC) صعوبة في التعامل مع مع الأنابيب المفرغة من الهواء لعدم وجود بديل قابل للتطبيق في ذلك الوقت. تغير كل هذا في عام 1953 عندما أظهر طالب باحث في جامعة مانشستر أنه وجد طريقة لبناء جهاز كمبيوتر قائم على الترانزستور بالكامل. كان ابتكار Richard Grimsdale عبارة عن آلة ذات 48 بت تحتوي على 92 ترانزستورًا، و550 صمامًا ثنائيًّا—و0 أنابيب تفريغ زجاجية.
وبدأ إنتاج الترانزستورات بكميات كبيرة في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي، لكن استخدامها كان معقدًا في الأصل بسبب المادة المستخدمة؛ وهي الجرمانيوم، والتي كان من الصعب تنقيتها وكان يجب أن تبقى ضمن نطاق درجة حرارة دقيقة.
وبحلول أوائل عام 1954، بدأ العلماء في مختبرات بيل في إجراء التجارب على السيليكون، والذي سيتم اعتماده في نهاية المطاف لإنتاج شرائح الكمبيوتر. إلا إن الأمور لم تنطلق بالفعل حتى قام مهندس "محمد أتاليا" ومهندس "دوون كاهنغ" من مختبرات بيل بتحسين استخدام السيليكون وابتكار ترانزستور ذي تأثير ميداني من أكسيد الفلزات وشبه الموصلات (أو MOSFET، أو ترانزستور MOS).
كان المهندسان قد صنعا نموذجًا أوليًّا عمليًّا في أواخر عام 1959، وبحلول أوائل عام 1960 تم الكشف عنه للعالم، معلنَين بذلك بداية عصر الترانزستور مع بداية العقد الجديد. وبحلول نهاية ذلك العقد، كان الترانزستور مستخدمًا على نطاق واسع في كل مكان.
في الواقع، أصبح جهاز MOSFET شائعًا للغاية ومقبولًا عالميًا على مدار العقود الماضية لدرجة أنه تم الاحتفاء به منذ ذلك الحين "باعتباره الجهاز الأكثر تصنيعًا على نطاق واسع في التاريخ" من قبل متحف تاريخ الكمبيوتر. وقد أشارت التقديرات في عام 2018 إلى أنه تم تصنيع 13 سيكستليون ترانزستور MOS.
وبالنسبة إلى تصميم وحدة المعالجة المركزية، كانت الترانزستورات تغييرًا حقيقيًّا في قواعد اللعبة؛ إذ حررت الحوسبة من بداياتها الضخمة ذات الحجم الكبير، وسمحت بإنشاء أجهزة كمبيوتر أكثر انسيابية في التصميم، لا تتطلب سوى مساحة قليلة وتعمل بكفاءة أكبر.
كان الحاسوب الآلي المركزي (UNIVAC) اكتشافًا رائعًا في عصره، على الرغم من عيوبه وحجمه الهائل. ثم جاءت مرحلة تم فيها إنشاء لوحات أم أصغر حجمًا واستخدمت فيها بعض أنواع شرائح الكمبيوتر المتنوعة. وقد أدى ذلك في النهاية إلى تطوير مجموعة الشرائح، وهي شريحة واحدة ذات استخدامات متعددة. وفي الوقت الحالي، تم تصغير وحدات المعالجة المركزية الحديثة بشكل جيد لدرجة أن وحدة المعالجة المركزية كلها موجودة داخل شريحة دائرة متكاملة صغيرة، تُعرف باسم المعالج الدقيق.
تُحدد المعالجات الدقيقة بعدد النوى التي تدعمها. تُعد نواة وحدة المعالجة المركزية هي "الدماغ داخل العقل"، وهي بمثابة وحدة المعالجة المادية داخل وحدة المعالجة المركزية. ويمكن أن تحتوي المعالجات الدقيقة على معالجات متعددة. وفي الوقت نفسه، فإن النواة المادية هي وحدة معالجة مركزية مدمجة في شريحة، لكنها تشغل مقبسًا واحدًا فقط، ما يتيح للنوى المادية الأخرى الاستفادة من نفس بيئة الحوسبة.
وتجدر الإشارة إلى أنه لا ينبغي الخلط بين مصطلح "المعالج الدقيق" و"المتحكم الدقيق". المتحكم الدقيق هو كمبيوتر صغير جدًا موجود على دائرة متكاملة واحدة. وعادةً ما تحتوي المتحكمات الدقيقة على وحدة معالجة مركزية واحدة على الأقل، إلى جانب ذاكرة ذات صلة وبيانات الإدخال/الإخراج القابلة للبرمجة.
فيما يلي بعض المصطلحات الرئيسية الأخرى المستخدمة فيما يتعلق بالمعالجات الدقيقة:
يمكن اعتبار المسارات على أنها تسلسلات افتراضية من التعليمات يتم إصدارها إلى وحدة المعالجة المركزية. فهي في المقام الأول وسيلة لتقسيم أعباء العمل ومشاركة تلك المسؤوليات بين معالجات مختلفة.
وثمة مصطلحان مرتبطان هما تعدد مؤشرات الترابط ومؤشرات الترابط الفائق. في الحالة الأولى، تُقسم المهام إلى مسارات ترابط مختلفة ويتم تشغيلها بالتوازي. وتساعد تقنية مؤشرات الترابط الفائق على تحقيق مزايا أداء أكبر لأن المعالجات تُستخدم لتنفيذ مسارين مترابطين في الوقت نفسه.
صُممت وحدات معالجة الرسوميات (GPU) لتسريع وتحسين رسومات الكمبيوتر والصور المعالجة. توجد وحدة معالجة الرسوميات كدائرة إلكترونية خاصة يمكن استخدامها في اللوحات الأم، وكذلك في أجهزة الكمبيوتر ووحدات التحكم في الألعاب.
يُعتقد في بعض الأحيان أنه بما أن تقنية وحدة المعالجة المركزية راسخة في وحدة المعالجة المركزية، فلا بد أنها ثابتة غير متحركة. ومع ذلك، يوجد دليل كبير على استمرار الابتكار مع استمرار ظهور منتجات جديدة، وجميعها تحاول تقديم أفضل وحدة معالجة مركزية ممكنة (أو معالج دقيق). تُبرز الشركات التالية بشكل متكرر هذا الجهد: