وحدة المعالجة المركزية (CPU) هي عقل الكمبيوتر، والمسؤولة عن تعيين المهام ومعالجتها وإدارة الوظائف التشغيلية الأساسية.
انخرطت أجهزة الكمبيوتر بسلاسة في الحياة الحديثة لدرجة أننا في بعض الأحيان لا ندرك حتى عدد وحدات المعالجة المركزية المستخدمة في جميع أنحاء العالم. إنه عدد مذهل – توجد العديد من وحدات المعالجة المركزية بحيث لا يمكن معرفة العدد الفعلي إلا بالتقريب.
تشير التقديرات إلى أنه قد يكون هناك ما يصل إلى 200 مليار نواة وحدة معالجة مركزية (أو أكثر) قيد التشغيل في الوقت الحالي. وكمثال على ما يعنيه هذا الرقم الهائل من منظور مختلف، قالت الشركة المصنعة للشرائح Arm (الرابط ينقلك خارج موقع ibm.com) إنها شحنت 7.3 مليار شريحة خلال ربع واحد من عام 2020، أو ما يقرب من 900 وحدة معالجة مركزية في كل ثانية من ذلك الربع بأكمله. (يصل عدد الثواني في 3 أشهر ما يقرب من 7.8 ملايين ثانية).
هذا يجعل المقارنة مذهلة. تشير توقعات مكتب الإحصاء الأمريكي إلى أن عدد سكان العالم بلغ حوالي 8 مليارات شخص في عام 2024. إذا وُزعت وحدات المعالجة المركزية الموجودة حاليًا وعددها يصل إلى 200 مليار وحدة بالتساوي بين الأشخاص - ولم تُخصص أي منها لتطبيقات الشركات أو الحكومات أو التطبيقات العلمية - فسيكون هناك 25 وحدة معالجة مركزية بالضبط تعمل كعقل الكمبيوتر لكل عقل بشري على هذا الكوكب.
وهذا يطرح سؤالاً رئيسيًا: في ظل وجود العديد من وحدات المعالجة المركزية قيد التشغيل، كيف تُستخدم جميعها؟
بينما نتحدث عن وحدات المعالجة المركزية، نكون بصدد الحديث عن شريحة معالج صغيرة جدًا، ومع ذلك يوجد القليل جدًا من الأشياء لا يتمكن هذا الشيء الصغير جدًا من فعله. يوضح استعراض موجز الصناعات التي تعتمد بشكل كبير على وحدات المعالجة المركزية:
تصنع العديد من الشركات الأكثر ربحية في العالم - مثل Apple - أجهزة ضمن صناعة الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية. أدى تزايد الطلب على منصات الحوسبة الشخصية (مثل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الألعاب) إلى توسع هائل ومستمر في استخدام وحدة المعالجة المركزية. علاوة على ذلك، فإن الأجهزة المنزلية المزودة بتقنية إنترنت الأشياء تعني أن وحدات المعالجة المركزية تُدمج الآن في الثلاجات، والمنظمات الحرارية، والأنظمة الأمنية، وغير ذلك الكثير.
الهدف من تحليلات البيانات هو أخذ البيانات غير المنسقة وتحسينها في سياق مفهوم يتناول أهداف العمل. الجزء الأول من هذه العملية هو تجميع البيانات وتنظيمها. تُعد وحدات المعالجة المركزية مفيدة لهذه الأنشطة، حيث تعمل كوحدات معالجة أساسية للكمبيوتر. بالإضافة إلى ذلك، فإن سرعات التوقيت الفائقة التي تحققها وحدات المعالجة المركزية تجعلها مناسبة تمامًا للتعامل مع عمليات المسح السريع واسترجاع المعلومات التي تتطلبها تحليلات البيانات.
تُشكل وحدة المعالجة المركزية الأساس الحقيقي لأنظمة الدفاع الحديثة. فأي دولة ترغب في أن تكون قوة عظمى ينبغي أن يكون لديها أجهزة كمبيوتر حديثة كجزء من ترسانتها الأمنية. وبالمثل، فإن إنجازات البشرية في استكشاف الفضاء لم تكن لتحدث من دون وجود وحدات المعالجة المركزية للتعامل مع تحديات الحوسبة الهائلة في حساب مسافة وطرق الرحلات الفضائية. يُشكل الفضاء تحديًا فريدًا لأجهزة الكمبيوتر، التي ينبغي أن تكون معززة إشعاعيًا حتى تتمكن من تحمل أشعة الشمس القوية.
ومثل تحليلات البيانات، تعتمد شركات التكنولوجيا المالية على وحدات المعالجة المركزية لتفعيل المعالجة السريعة والفعالة لكميات هائلة من المعلومات المالية. من خلال إجراء تحليلات متقدمة لهذه البيانات ثم تطبيق مجموعة من السيناريوهات المختلفة على تلك البيانات، يمكن لأنظمة إدارة المخاطر التي توفرها وحدات المعالجة المركزية أن تساعد المؤسسات المالية على تقليل الخسائر. كما تعزز وحدات المعالجة المركزية هذه الجهود بطريقة مهمة أخرى — وهي المساعدة على الإبلاغ عن الحالات الشاذة واكتشاف حالات الاحتيال.
تستفيد كل المجالات تقريبًا من السرعات الفائقة التي تحققها وحدات المعالجة المركزية، ولكن لا شيء يضاهي مجال الرعاية الصحية، حيث تكون الحياة حرفيًا على المحك ويكون التوقيت عاملاً حاسمًا. بالإضافة إلى إمكانية نقل معلومات المرضى الحياتية بسرعة بين مقدمي الخدمة، يمكن استخدام وحدات المعالجة المركزية للمساعدة على أتمتة عمليات طلب الأدوية والإمدادات الأخرى وتتبعها. يمكن لأجهزة الكمبيوتر أيضًا إنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد للأعضاء قبل عمليات الجراحة ومساعدة الأطباء على دراسة الأمراض.
أدى استخدام أشباه الموصلات إلى إحداث تغيير جذري في تصنيع ومزامنة مدخلات المواد وتحسين مراقبة الجودة. كما تغيرت عمليات التصنيع تغييرًا جذريًا من خلال التصنيع بمساعدة الكمبيوتر (CAM)، حيث تساعد أنظمة الكمبيوتر المدعومة بوحدة المعالجة المركزية على إدارة عمليات الإنتاج الصناعي. يستخدم التصنيع بمساعدة الكمبيوتر (CAM) الاتصالات المباشرة أو غير المباشرة بين وحدة المعالجة المركزية وعمليات الإنتاج لجدولة نشاط التصنيع والتحكم فيه وإدارته.
يقدم مجال الاتصالات منتجاته الأكثر مبيعًا - أجهزة تكنولوجيا الاتصالات – ولكنه يساعد أيضًا المجالات الأخرى بطرق مهمة. وتشمل حالات الاستخدام هذه تفعيل المعاملات الرقمية (لمجال الخدمات المالية) ومساعدة مجال الرعاية الصحية من خلال دعم العمليات الجراحية بمساعدة الروبوتات بإمكانات دقيقة وتحديثات البيانات. بالإضافة إلى ذلك، تُعد وحدات المعالجة المركزية ضرورية لتشغيل المركبات ذاتية القيادة، والتي تعتمد على إشارات الاتصالات للتوجيه الملاحي.
تحتوي وحدات المعالجة المركزية الحديثة عادةً على العناصر التالية:
لكي تكون ملمًا تمامًا بمصطلحات وحدة المعالجة المركزية، من المفيد فهم المفاهيم التالية:
ذاكرة التخزين المؤقت: أماكن تخزين يسمح موقعها للمستخدمين بالوصول بسرعة إلى البيانات المستخدمة مؤخرًا. تخزن ذاكرة التخزين المؤقت البيانات في الأماكن المضمنة في شريحة معالج وحدة المعالجة المركزية لتحقيق معدل سرعات استرجاع البيانات أسرع مما تحققه ذاكرة الوصول العشوائي (RAM).
سرعة التوقيت: معدل النشاط لكل دورة زمنية من دورات كمبيوتر. تنظم الساعة الداخلية المدمجة في أجهزة الكمبيوتر مدى سرعة عمليات الكمبيوتر وتكرارها. تدير الساعة الدوائر الكهربائية بوحدة المعالجة المركزية من خلال بث النبضات الكهربائية. يُطلق على معدل إرسال هذه النبضات "سرعة التوقيت".
النواة: معالج داخل المعالج. الأنوية هي وحدات معالجة تقرأ تعليمات البرامج المختلفة وتنفذها. تُصنف المعالجات حسب عدد الأنوية المضمنة فيها؛ ومن الأمثلة المعالجات أحادية النواة وثنائية النواة ورباعية النواة. (يُستخدم مصطلح "Intel Core" تجاريًا للتسويق لخط إنتاج وحدات المعالجة المركزية متعددة الأنوية لدى شركة Intel)
المسارات: أقصر تسلسلات التعليمات القابلة للبرمجة التي يمكن أن يديرها مجدول نظام التشغيل ويرسلها إلى وحدة المعالجة المركزية لمعالجتها. من خلال تعدد المسارات، استخدام مسارات متعددة تعمل في وقت واحد، يمكن إجراء عمليات الكمبيوتر بشكل متزامن، وتعزيز تعدد المهام. (مصطلح "المسارات الفائقة" هو مصطلح شركة Intel الخاص بنموذج تعدد المسارات لديها).
الشركتان الكبيرتان اللتان تتنافسان من أجل السيطرة على هذا السوق المربح للغاية هما Intel وAdvanced Micro Devices (AMD):
تُسوّق المعالجات ووحدات المعالجة الدقيقة من خلال أربعة خطوط إنتاجية: Intel® Core® (خط متميز متطور)، وIntel® Xeon® (لاستخدام المكاتب والشركات)، وIntel® Pentium® (أجهزة الكمبيوتر الشخصية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة)، وIntel®Celeron® (لاستخدام الحوسبة الشخصية منخفضة التكلفة والأقل تطورًا).
من الواضح أن شرائح مختلفة تُعد الأنسب لتطبيقات معينة. إن معالج Intel® Core i5-13400F هو معالج سطح مكتب جيد ذو 10 أنوية. ولكن عندما يتعلق الأمر بالتطبيقات كثيفة المعالجة مثل تطبيقات تحرير مقاطع الفيديو، يختار العديد من المستخدمين وحدة المعالجة المركزية Intel® Core i7 14700KF 20-Core, 28-thread.
تبيع نوعين من أنواع المعالجات ووحدات المعالجة الدقيقة: وحدات المعالجة المركزية ووحدات APU (والتي تعني وحدات المعالجة المسرعة). وحدات المعالجة المسرعة (APU) هي وحدات معالجة مركزية مزودة برسومات Radeon® الخاصة. تصنع AMD® معالجات Ryzen® فائقة السرعة وعالية الأداء لسوق ألعاب الفيديو. يتميز معالج Ryzen® 7 5800X3D من شركة AMD®، على سبيل المثال، بتقنية 3D V-Cache التي تساعده على الارتقاء برسومات الألعاب إلى آفاق جديدة.
كانت معالجات Athlon® تُعد سابقًا خط شركة AMD المتطور، لكن شركة AMD تستخدمه الآن كبديل أساسي للحوسبة.
شركة Arm® لا تصنع معدات، ولكن تؤجر تصميمات معالجاتها القيمة و/أو التقنيات الخاصة بها للشركات الأخرى التي تصنع المعدات.
بالنسبة إلى حوسبة الأغراض العامة، مثل تشغيل نظام تشغيل مثل Windows واستخدام برامج الوسائط المتعددة، يمكن لمعظم معالجات AMD Ryzen® أو Intel® Core® التعامل مع أعباء العمل الخاصة بها.
ستواصل العديد من المشكلات العرضية في التأثير في عمليات تطوير وحدة المعالجة المركزية وحالات استخدامها في السنوات القادمة:
زيادة استخدام وحدات معالجة الرسومات: وحدات معالجة الرسومات (GPUs) هي دائرة إلكترونية طُورت لأول مرة للاستخدام في أجهزة الهواتف الذكية وألعاب الفيديو. تُستخدم وحدات معالجة الرسومات لزيادة سرعات المعالجة، لذلك بالإضافة إلى تسريع بطاقات الرسومات، فهي تُستخدم أيضًا في الأغراض التي تتطلب معالجة مكثفة مثل استخراج العملات الرقمية وتدريب الشبكات العصبية.
السعي إلى التصغير: تاريخ أجهزة الكمبيوتر يتلخص في السعي نحو تصغير حجم معالجات الكمبيوتر. تطلبت أجهزة الكمبيوتر الأولية مساحة أرضية واسعة وصمامات مفرغة. بعد ذلك، أصبحت وحدات المعالجة المركزية أصغر حجمًا وأكثر كفاءة مع ظهور أجهزة الترانزستور. وفي وقت لاحق، أنشأ علماء الكمبيوتر وحدة معالجة مركزية تسمى وحدة المعالجة الدقيقة والتي يمكن الاحتفاظ بها داخل شريحة دائرة متكاملة صغيرة. وسيستمر السعي بلا هوادة نحو جعل المعالجات أصغر حجمًا طالما أن هناك مستهلكين وشركات يرغبون في الحصول على قدرة معالجة أكبر وسرعة أعلى.
انتشار الأجهزة الطرفية: تساعد الأجهزة الطرفية على تحسين وظائف الحوسبة وزيادتها. يمكن توصيل الأجهزة الطرفية بالجزء الخارجي من الكمبيوتر ومن هذه الأجهزة لوحات المفاتيح وأجهزة الماوس والماسحات الضوئية والطابعات. توقع رؤية المزيد من الأجهزة الطرفية المصنعة استجابة لطلبات العملاء المستمرة.
قضايا الاستدامة: من الآن فصاعدًا، ستزداد أهمية مسائل استهلاك الطاقة. ستركز الشركات أكثر على الحلول الموفرة للطاقة في ظل ارتفاع تكاليف الطاقة. عندما يزداد استخدام وحدات المعالجة المركزية على نطاق واسع - كما هو الحال في مراكز البيانات الضخمة، إلى جانب وجود الآلاف من أجهزة الكمبيوتر المتصلة التي تعمل على مدار الساعة، فإن الطاقة المستخدمة غالبًا ما تقاس بوحدات جيجا هرتز (GHz) - وهو ما يمكن مقارنته بالاستهلاك الكامل للطاقة في القرى أو المدن الصغيرة.
في توقعاتها لإيرادات المعالجات في الفترة ما بين 2022-2028، قدرت مجموعة المحللين Yole Intelligence إجمالي إيرادات سوق المعالجات في عام 2022 بقيمة 154 مليار دولار. وشمل هذا الرقم الإجمالي وحدات المعالجات التالية وقيمة كل منها:
في توقعاتها لعام 2028، يمكنك أن تلاحظ توقع خبراء Yole لنمو وحدات معينة، وهي الذكاء الاصطناعي ووحدات معالجة البيانات (DPUs). تتوقع Yole زيادة سنوية إجمالية تصل إلى 8%، ما يؤدي إلى وصول القيمة الإجمالية المتوقعة لعام 2028 إلى 242 مليار دولار أمريكي، بناءً على هذه الأرقام:
بالإضافة إلى الزيادة الكبيرة في سوق AI ASICs ووحدات معالجة البيانات، تُظهر توقعات Yole Intelligence زيادة مماثلة تقريبًا في سوق وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات خلال الفترة نفسها، مع توقعات نمو تصل إلى 32 مليار دولار أمريكي و33 مليار دولار أمريكي على التوالي. تُظهر هذه التوقعات أيضًا الدور المركزي المستمر لوحدات المعالجة المركزية، لأن هذه الفئة تتفوق على جميع الفئات الأخرى في الوقت الحالي وستستمر على ذلك في المستقبل، وفقًا لتوقعات Yole Intelligence.
في ظل وجود أكثر من 200 مليار وحدة معالجة مركزية قيد التشغيل في الوقت الحالي، فمن المنطقي أن نستنتج أن وحدات المعالجة المركزية موجودة لتبقى – على الأغلب جزءًا دائمًا من حياة البشر في ظل تطورها. ولكنه أيضًا من المؤكد أن وحدة المعالجة المركزية ستستمر في التطوير والتحسين، للحفاظ على زيادة نفعها للأنظمة عالية الأداء وبرامج الكمبيوتر الجديدة المليئة بالرسومات التي تشغلها.
ولهذا السبب يُعد من الذكاء الاستثمار بحكمة عند شراء المعدات ذات الصلة اللازمة لتحقيق أهداف الحوسبة. من المهم أن يكون لديك أجهزة يمكنها التعامل مع وحدات المعالجة المركزية الحديثة. توفر خوادم IBM المرونة بالإضافة إلى الإمكانات الفائقة، بحيث يمكنك الحصول على قدرة المعالجة التي تحتاجها الآن، إلى جانب وجود فرصة للنمو في المستقبل.
استكشاف المزيد
استكشف خوادم IBM