وحدة المعالجة المركزية (CPU) هي عقل الحاسوب. وهي تتولى مهمة تعيين المهام ومعالجتها، بالإضافة إلى الوظائف التي تجعل الحاسوب يعمل.
لا توجد طريقة للمبالغة في أهمية وحدة المعالجة المركزية للحوسبة. تحتوي جميع أنظمة الكمبيوتر تقريبًا على نوع على الأقل من وحدة المعالجة المركزية الأساسية. بغض النظر عما إذا كانت تستخدم في أجهزة الكمبيوتر الشخصية (PCs) أو أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو الأجهزة اللوحية أو الهواتف الذكية أو حتى في أجهزة الكمبيوتر العملاقة التي يكون إنتاجها قويا جدا بحيث يجب قياسه في عمليات الفاصلة المتحركة في الثانية، فإن وحدات المعالجة المركزية تمثل جزءًا من أجهزة الكمبيوتر لا يمكن التضحية به. وبغض النظر عن التطورات التكنولوجية التي تحدث، تظل الحقيقة قائمة — إذا أزلت وحدة المعالجة المركزية، فلن يكون لديك جهاز كمبيوتر ببساطة.
بالإضافة إلى إدارة نشاط الكمبيوتر، تساعد وحدات المعالجة المركزية على تمكين واستقرار علاقة الدفع والسحب الموجودة بين تخزين البيانات والذاكرة. تعمل وحدة المعالجة المركزية كوسيط، وتتفاعل مع وحدة التخزين الأساسية (أو الذاكرة الرئيسية) عندما تحتاج إلى الوصول إلى البيانات من ذاكرة الوصول العشوائي لنظام التشغيل (RAM). من ناحية أخرى، صُممت ذاكرة القراءة فقط (ROM) لتخزين البيانات الدائم والطويل الأجل عادة.
عادةً ما تحتوي وحدات المعالجة المركزية الحديثة في الحواسيب الإلكترونية على المكونات التالية:
تعمل وحدات المعالجة المركزية باستخدام نوع من دورة الأوامر المتكررة التي تديرها وحدة التحكم بالاقتران مع ساعة الكمبيوتر التي توفر المساعدة في المزامنة.
إن العمل الذي تقوم به وحدة المعالجة المركزية يحدث وفقًا لدورة محددة (تسمى دورة تعليمات وحدة المعالجة المركزية). تحدد دورة تعليمات وحدة المعالجة المركزية عددًا معينًا من التكرارات، وهو عدد المرات التي سيتم فيها تكرار تعليمات الحوسبة الأساسية، حسبما تسمح به قوة معالجة هذا الحاسوب.
تتضمن تعليمات الحوسبة الأساسية ما يلي:
مع بعض التعديلات الأساسية، يمكن التلاعب بساعة الكمبيوتر داخل وحدة المعالجة المركزية للحفاظ على الوقت بشكل أسرع مما ينقضي عادةً. يلجأ بعض المستخدمين إلى ذلك لتشغيل حواسيبهم بسرعات أعلى. ومع ذلك، لا يُنصح بهذه الممارسة («كسر سرعة المعالج») لأنها قد تتسبب في تآكل أجزاء الكمبيوتر في وقت أبكر من المعتاد ويمكن أن تنتهك ضمانات الشركة المصنعة لوحدة المعالجة المركزية.
تخضع أنماط المعالجة أيضًا للتغيير والتبديل. وتتمثل إحدى طرق التعامل مع ذلك في تنفيذ تخطيط التعليمات الذي يسعى إلى غرس التوازي على مستوى التعليمات في معالج واحد. الهدف من تخطيط الأنابيب هو إبقاء كل جزء من أجزاء المعالج مشغولاً من خلال تقسيم تعليمات الحاسوب الواردة وتوزيعها بالتساوي بين وحدات المعالج. يتم تقسيم التعليمات إلى مجموعات أصغر من التعليمات أو الخطوات.
هناك طريقة أخرى لتحقيق موازاة مستوى التعليمات داخل معالج فردي وهي استخدام وحدة معالجة مركزية تسمى المعالج العددي الفائق. في حين أن المعالجات العددية يمكنها تنفيذ تعليمة واحدة كحد أقصى لكل دورة ساعة، فلا يوجد حد فعلي لعدد التعليمات التي يمكن إرسالها بواسطة المعالج العددي الفائق. فهو يرسل تعليمات متعددة إلى مختلف وحدات تنفيذ المعالج، وبالتالي زيادة الإنتاجية.
غالبًا ما يكون للتقنيات المتقدمة أكثر من والد واحد. وكلما كانت تلك التكنولوجيا أكثر تعقيداً وذهولًا كلما زاد عدد الأفراد المسؤولين عادةً عن تلك الولادة.
في حالة وحدة المعالجة المركزية—أحد أهم الاختراعات في التاريخ—نتحدث حقًا عن من اكتشف الحاسوب نفسه.
ويستخدم علماء الأنثروبولوجيا مصطلح ”الاختراع المستقل“ لوصف الحالات التي يتوصل فيها أفراد مختلفون، قد يكونون في بلدان بعيدة عن بعضهم البعض وفي عزلة نسبية، إلى ما يعتبرونه أفكارًا أو اختراعات متشابهة أو متكاملة دون أن يعلموا عن تجارب مماثلة تجري.
في حالة وحدة المعالجة المركزية (أو الحاسوب)، حدث اختراع مستقل بشكل متكرر، مما أدى إلى تحولات تطورية مختلفة خلال تاريخ وحدة المعالجة المركزية.
في حين أن هذا المقال لن يتمكن من تكريم جميع رواد الحوسبة الأوائل، إلا أن هناك شخصين يجب تسليط الضوء على حياتهما وعملهما. فكلاهما لديه اتصال مباشر بالحوسبة ووحدة المعالجة المركزية:
كانت الأمريكية جريس بروستر هوبر (1906-1992) تزن 105 أرطال فقط عندما جندت في البحرية الأمريكية—وكانت أقل من الوزن المطلوب بخمسة عشر رطلاً. وفي أحد أكثر القرارات حكمة في تاريخ البحرية الأمريكية، أعطت البحرية استثناء وعينتها بأي حال.
ما افتقرت إليه Grace Hopper في الحجم الجسدي، عوّضته بالطاقة والبراعة المتنوعة. لقد كانت عالمة رياضيات موهوبة من الطراز الأول: عالمة رياضيات موهوبة حاصلة على شهادتي دكتوراه من جامعة ييل في كل من الرياضيات والفيزياء الرياضية، وأستاذة رياضيات مشهورة في كلية فاسار، وعالمة كمبيوتر رائدة يرجع إليها الفضل في كتابة لغة الكمبيوتر وتأليف أول دليل للكمبيوتر، وقائدة بحرية (في وقت نادراً ما كانت النساء يترقين فيه إلى مناصب إدارية في الجيش).
وبسبب عملها في مشاريع الكمبيوتر الرائدة في عصرها، مثل تطوير الحاسوب الخارق UNIVAC بعد الحرب العالمية الثانية، بدت Hopper دائمًا في خضم الحدث، ودائمًا ما كانت في المكان المناسب في الوقت المناسب. لقد شهدت شخصيًا الكثير من تاريخ الحوسبة الحديث. كانت هي الشخص الذي صاغ في الأصل مصطلح "خطأ الكمبيوتر"، واصفة عثة فعلية أصبحت عالقة داخل قطعة من معدات الحوسبة. (لا تزال العثة الأصلية معروضة في المتحف الوطني للتاريخ الأمريكي التابع لمؤسسة Smithsonian في واشنطن العاصمة).
خلال تجربتها في العمل في مشروع UNIVAC (وتشغيل مشروع UNIVAC لشركة Remington Rand لاحقًا)، شعرت هوبر بالإحباط لعدم وجود لغة برمجة أبسط يمكن استخدامها. لذلك شرعت في كتابة لغة البرمجة الخاصة بها التي اشتهرت باسم COBOL (اختصار COmmon Business-O rientedLanguage) (لغة الأعمال الشائعة).
كان روبرت نويس شخصية مؤثرة بالمعنى التجاري الكلاسيكي—فهو شخص يمكنه أن يبدأ نشاطًا مذهلاً بمجرد أن يظهر.
كان الأمريكي روبرت نويس (1927-1990) مخترعا وطفلاً نابغة. ووجه فضوله الفكري لاحقًا إلى عمله الجامعي، خاصة بعد أن عرض عليه اثنان من الترانزستورات الأصلية التي أنشأتها مختبرات بيل. في سن 26، حصل نويس على درجة الدكتوراه في الفيزياء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT).
في عام 1959، تابع اختراع Jack Kilby في عام 1958 لأول دائرة متكاملة هجينة من خلال إجراء تعديلات جوهرية على التصميم الأصلي. أدت التحسينات التي أدخلها Noyce إلى نوع جديد من الدوائر المتكاملة: الدائرة المتكاملة المتجانسة (وتسمى أيضًا الرقاقة الإلكترونية)، والتي تمت صياغتها باستخدام السيليكون. وسرعان ما أصبحت رقاقة السيليكون بمثابة الوحي الذي غيّر الصناعات وشكّل المجتمع بطرق جديدة.
شارك نويس في تأسيس شركتين ناجحتين نجاحًا ضخمًا من خلال مسيرته التجارية: شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات (1957) وإنتل (1968). كان أول CEO لشركة إنتل التي لا تزال معروفة عالميًا بتصنيع شرائح المعالجة.
كان شريكه في مساعيه هو غوردون مور الذي اشتهر بتنبؤه بشأن صناعة أشباه الموصلات التي أثبتت موثوقيتها لدرجة أنها بدت وكأنها خوارزمية. ووضع ما يطلق عليه "قانون مور" الذي يفترض أن عدد الترانزستورات التي سيتم استخدامها داخل دائرة متكاملة يتضاعف بشكل موثوق كل عامين تقريبًا.
بينما أشرف نويس على إنتل، أنتجت الشركة Intel 4004، التي تُعرف الآن بأنها الشريحة التي أحدثت ثورة في المعالجات الدقيقة في سبعينيات القرن العشرين. تضمن إنشاء Intel 4004 تعاونًا ثلاثيا بين تيد هوف من إنتل، وستانلي مازور، وفيديركو فاجين، وأصبح أول معالج دقيق على الإطلاق يُقدم للاستخدامات التجارية.
وفي أواخر فترة عمله، أنتجت الشركة أيضًا معالج Intel 8080—وهو ثاني معالج دقيق 8 بت للشركة، والذي ظهر لأول مرة في أبريل 1974. في غضون عامين من ذلك، كانت الشركة المصنعة تطرح Intel 8086 ، وهو معالج دقيق 16 بت.
خلال مسيرة نويس المهنية اللامعة، جمع 12 براءة اختراع لابتكارات مختلفة، وكرمه ثلاثة رؤساء أمريكيين مختلفين لعمله في الدوائر المتكاملة والتأثير العالمي الهائل الذي أحدثته.
يبدو الأمر دراميًا أكثر من اللازم، ولكن في عام 1943، كان مصير العالم معلقًا حقًا في الميزان. كانت نتيجة الحرب العالمية الثانية (1939-1945) لا تزال غير محسومة إلى حد كبير، وكانت كل من قوات الحلفاء وقوات المحور تستكشف بفارغ الصبر أي نوع من المزايا التكنولوجية لكسب النفوذ على العدو.
كانت أجهزة الكمبيوتر لا تزال في مهدها عندما أُنشئ مشروع ضخم، مثل مشروع مانهاتن. عيَّنت الحكومة الأمريكية مجموعة من المهندسين من كلية مور للهندسة الكهربائية في جامعة بنسلفانيا. ودعتهم المهمة إلى إنشاء كمبيوتر إلكتروني قادر على حساب كميات الياردات لجداول مدى المدفعية.
قاد المشروع John Mauchly وJ. Presper Eckert الابن بناءً على طلب الجيش. بدأ العمل في المشروع في أوائل عام 1943 ولم ينتهي إلا بعد 3 سنوات.
كان الابتكار الذي أنتجه المشروع—الذي أُطلق عليه اسم ENIAC، والذي يرمز إلى "جهاز التكامل العددي الإلكتروني والحاسوب"—عبارة عن تركيب ضخم يتطلب 1500 قدم مربع من مساحة الأرضية، ناهيك عن 17000 أنبوب فراغ زجاجي، و 70000 مقاوم، و 10000 مكثف، و 6000 مفتاح، و 1500 مرحل. بعملة 2024، كان المشروع سيكلف 6.7 مليون دولار أمريكي.ئ
ويمكنه معالجة ما يصل إلى 5000 معادلة في الثانية (حسب المعادلة)، وهي كمية مذهلة كما يتضح من تلك النقطة التاريخية. نظرًا لحجمه الكبير، كان ENIAC كبيرًا جدًا لدرجة أنه كان بإمكان الأشخاص الوقوف داخل وحدة المعالجة المركزية وبرمجة الآلة عن طريق إعادة توصيل الأسلاك بين الوحدات الوظيفية في الآلة.
تم استخدام جهاز التكامل العددي الإلكتروني والحاسوب (ENIAC) من قِبل الجيش الأمريكي خلال الفترة المتبقية من الحرب العالمية الثانية. ولكن عندما انتهى هذا الصراع، بدأت الحرب الباردة وأعطي إلى ENIAC أوامر جديدة. وهذه المرة، سوف يجري حسابات من شأنها أن تساعد في بناء قنبلة بقوة انفجارية تفوق ألف مرة قوة الأسلحة الذرية التي أنهت الحرب العالمية الثانية: القنبلة الهيدروجينية.
بعد الحرب العالمية الثانية، قرر قائدا مشروع الحاسوب والمكامل الرقمي (ENIAC) إنشاء متجر وإدخال الحوسبة إلى الأعمال الأمريكية. شرعت شركة Eckert-Mauchly Computer Corporation (EMCC) التي أطلق عليها حديثًا اسم Eckert-Mauchly Computer Corporation في إعداد منتجها الرئيسي—وهو إصدار أصغر وأرخص من ENIAC، مزود بتحسينات مختلفة مثل محركات الأشرطة المضافة، ولوحة المفاتيح، وجهاز المحول الذي يقبل استخدام البطاقة المثقوبة.
على الرغم من أنها أكثر أناقة من ENIAC، إلا أن UNIVAC التي تم الكشف عنها للجمهور في عام 1951 كانت لا تزال عملاقة، حيث تزن أكثر من 8 أطنان وتستخدم 125 كيلو واط من الطاقة. وكانت لا تزال باهظة الثمن: حوالي 11.6 مليون دولار أمريكي من أموال اليوم.
بالنسبة لوحدة المعالجة المركزية فيه، فقد احتوى على أول وحدة معالجة مركزية—UNIVAC 1103—وكانت قد أُعدت في نفس الوقت مع بقية المشروع. استخدم جهاز UNIVAC 1103 أنابيب تفريغ زجاجية، ما جعل وحدة المعالجة المركزية كبيرة وغير عملية وبطيئة.
اقتصرت الدفعة الأصلية من أجهزة UNIVAC 1 على 11 جهازًا فقط، مما يعني أن الشركات أو الوكالات الحكومية الأكبر والأفضل تمويلًا والأفضل اتصالًا هي فقط التي يمكنها الحصول على جهاز UNIVAC. وكان نصف هؤلاء تقريبًا من وكالات الدفاع الأمريكية، مثل القوات الجوية الأمريكية ووكالة الاستخبارات المركزية (CIA). تم شراء النموذج الأول من قِبل مكتب الإحصاء الأمريكي.
كان لدى CBS News إحدى الآلات واشتهرت باستخدامها للتنبؤ بشكل صحيح بنتيجة الانتخابات الرئاسية الأمريكية لعام 1952، على الرغم من الاحتمالات البعيدة. لقد كانت حيلة دعائية جريئة قدمت للجمهور الأمريكي العجائب التي يمكن أن تفعلها أجهزة الكمبيوتر.
مع تزايد إدراك الحوسبة والاحتفاء بها، اتضحت نقطة ضعفها الرئيسية. واجهت وحدات المعالجة المركزية مشكلة مستمرة مع أنابيب التفريغ المستخدمة. لقد كانت في الحقيقة مشكلة ميكانيكية: كانت أنابيب التفريغ الزجاجية حساسة للغاية وعرضة للكسر الروتيني.
كانت المشكلة واضحة جدًا لدرجة أن الشركة المصنعة بذلت جهدًا كبيرًا لتوفير حل بديل للعديد من عملائها المنزعجين الذين توقفت حواسيبهم عن العمل دون أنابيب تعمل.
قامت الشركة المصنعة للأنابيب باختبار الأنابيب بانتظام في المصنع، مع تعريض الأنابيب لكميات مختلفة من الاستخدام وإساءة الاستخدام في المصنع، قبل اختيار الأنابيب "الأكثر صلابة" من بين تلك الدفعات للاحتفاظ بها احتياطيًا وتكون جاهزة لطلبات العملاء الطارئة.
تكمن المشكلة الأخرى مع الأنابيب المفرغة في وحدات المعالجة المركزية في حجم آلة الحوسبة نفسها. كانت الأنابيب ضخمة، وكان المصممون يتوقون إلى طريقة للحصول على قوة معالجة الأنبوب من جهاز أصغر بكثير.
بحلول عام 1953، أظهر طالب أبحاث في جامعة مانشستر أنه من الممكن إنشاء حاسوب يعتمد على الترانزستور (يوجد الرابط خارج موقع ibm.com).
كان من الصعب التعامل مع الترانزستورات الأصلية، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى أنها مصنوعة من الجرمانيوم، وهي مادة يصعب تنقيتها ويجب الاحتفاظ بها ضمن نطاق درجة حرارة دقيق.
بدأ علماء مختبر بيل في إجراء تجارب على مواد أخرى في عام 1954، بما في ذلك السيليكون. واصل علماء شركة بيل (Mohamed Italia وDawn Kahng) تحسين استخدامهم للسيليكون، وبحلول عام 1960، توصلوا إلى صيغة ترانزستور الأثر الحقلي للأكاسيد المعدنية لأشباه الموصلات (أو MOSFET، أو ترانزستور MOS)، والذي تم الاحتفال به باعتباره "الجهاز الأكثر تصنيعًا في التاريخ " (الرابط موجود خارج موقع ibm.com) بواسطة متحف تاريخ الكمبيوتر. وقد أشارت التقديرات في عام 2018 إلى أن 13 سكستليون ترانزستور MOS تم تصنيعها.
استمر السعي لتصغير الحجم إلى أن ابتكر علماء الكمبيوتر وحدة معالجة مركزية صغيرة جدًا بحيث يمكن احتواؤها داخل شريحة دائرة متكاملة صغيرة، تسمى 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.
فيما يلي بعض المصطلحات الرئيسية الأخرى المستخدمة فيما يتعلق بالمعالجات الدقيقة:
تقوم العديد من الشركات الآن بإنشاء منتجات تدعم وحدات المعالجة المركزية من خلال خطوط العلامات التجارية المختلفة. ومع ذلك، فقد تغير هذا السوق بشكل كبير، نظرًا لأنه اجتذب سابقًا العديد من اللاعبين، بما في ذلك الكثير من الشركات المصنعة الرئيسية (على سبيل المثال، Motorola). الآن هناك بالفعل اثنين فقط من اللاعبين الرئيسيين: Intel و AMD.
تستخدم بنيات مجموعة تعليمات مختلفة (ISAs). لذلك بينما تأخذ معالجات الأجهزة الدقيقة المتقدمة (AMD) إشاراتها من بنية حاسوب بمجموعة تعليمات مخفضة (RISC)، تتبع معالجات إنتل بنية حاسوب بمجموعة تعليمات معقدة (CISC).
عند التفكير في وحدات المعالجة المركزية، يمكننا التفكير في المكونات المختلفة التي تحتوي عليها وحدات المعالجة المركزية وتستخدمها. يمكننا أيضًا التفكير في كيفية انتقال تصميم وحدة المعالجة المركزية من تجاربها المبكرة فائقة الحجم إلى فترة التصغير الحديثة.
ولكن على الرغم من أي تحولات في أبعادها أو مظهرها، تظل وحدة المعالجة المركزية ثابتة على حالها، ولا تزال تعمل—لأنها جيدة جدًا في وظيفتها الخاصة. أنت تعلم أنه يمكنك الاعتماد عليها للعمل بشكل صحيح، في كل مرة.
تعتمد الحوسبة الذكية على وجود معدات مناسبة يمكنك الاعتماد عليها. تقوم شركة IBM ببناء خوادمها بشكل قوي، لتتمكن من الصمود في وجه أي مشاكل قد تواجهها في مكان العمل الحديث. ابحث عن خوادم IBM التي تحتاجها للحصول على النتائج التي تعتمد عليها مؤسستك.