ما هي أنوية وحدة المعالجة المركزية؟

يعد نواة وحدة المعالجة المركزية جزءًا أساسيًا من أي جهاز كمبيوتر. تعد نوى وحدة المعالجة المركزية جزءًا من أي معالج CPU. عادةً ما تحتوي وحدات المعالجة المركزية الحديثة لسطح المكتب على ما بين نواة و 16 مركزًا ، يمكن لكل منها القيام بمهمة واحدة محددة في كل مرة. يعد عدد النوى المتاح أحد المؤشرات المهمة على مدى قوة وسرعة جهاز الكمبيوتر في ذروة الأداء.

تجدر الإشارة إلى أن النوى ليست مستقلة تمامًا عن بعضها البعض. اعتمادًا على تصميم وحدة المعالجة المركزية المعين ، يمكن أن تكون النوى مرتبطة ارتباطًا وثيقًا إلى حد ما. يمكنهم مشاركة ذاكرات التخزين المؤقت ، واستخدام بعضهم البعض لتمرير الرسائل ، أو حتى مشاركة أنواع أخرى من عمليات الاتصال. في كثير من الأحيان ، سيتم توصيل النوى عبر الحافلات. هناك أيضًا تمييز بين وحدات المعالجة المركزية التي تحتوي على نوى متطابقة فقط وتلك التي تجمع بين نوى مختلفة.

تصميم وحدة المعالجة المركزية

استخدم التصميم التاريخي لوحدة المعالجة المركزية متعددة النواة بشكل عام طوبولوجيا وحدة معالجة مركزية متجانسة. أي أن جميع النوى متطابقة. هذا له ميزة أنه يتطلب فقط جهود التطوير لبنية أساسية واحدة يمكن نسخها ولصقها كلما دعت الحاجة. كما أنه يجعل جدولة المهام أسهل حيث يمكن لجميع النوى أداء جميع المهام بنفس السرعة والكفاءة.

يمكن العثور على نهج أكثر دقة للتصميم الأساسي لوحدة المعالجة المركزية باستخدام هيكل وحدة المعالجة المركزية غير المتجانسة. في هذه الحالة ، يحتوي قالب واحد لوحدة المعالجة المركزية على أنواع متعددة من النواة ، يتم تحسينها عادةً للأداء أو كفاءة الطاقة ، وأحيانًا تكون أرضية وسطية. هذا الإعداد مفيد بشكل خاص في الأجهزة المحمولة ، حيث توفر العديد من النوى الفعالة أداءً جيدًا مع الحد الأدنى من استنزاف البطارية. يمكن أيضًا توفير أداء الذروة عند الحاجة من خلال النوى المحسّنة ذات الأداء الأكثر قوة ولكن على حساب زيادة سحب الطاقة وإنتاج الحرارة.

تاريخياً ، بدأت وحدات المعالجة المركزية (CPU) بنواة واحدة فقط ويمكنها التعامل مع مهمة واحدة فقط في كل مرة. بمرور الوقت ، مع زيادة الطلب على الأجهزة ، لم يعد ذلك كافيًا. تم تطوير وحدات المعالجة المركزية الأحدث والأكثر حداثة والتخلص منها تدريجياً من تلك التي تحتوي على عدد نوى أقل. كان الاستثناء هو أجهزة الكمبيوتر المحمولة - نظرًا لقيود المساحة والتبريد ، فقد تخلفت وحدات المعالجة المركزية للكمبيوتر المحمول تاريخياً عن أجهزة الكمبيوتر المكتبية في التهم الأساسية لوحدة المعالجة المركزية. يمكن لأجهزة الكمبيوتر المحمولة الحديثة أن تتطابق مع الأعداد الأساسية مع أجهزة الكمبيوتر المكتبية ، ولكن غالبًا ما تعمل وحدات المعالجة المركزية بمستويات طاقة وسرعات أقل لإدارة درجات الحرارة.

نصيحة: إذا كنت تحاول بناء جهاز كمبيوتر واختيار وحدة المعالجة المركزية الخاصة بك ، فإن الحد الأدنى المطلق من النوى التي يجب أن تستهدفها هو أربعة.

تعدد

تستخدم معظم المعالجات الحديثة خيوط المعالجة المتعددة أو المفرطة لزيادة عدد النوى المتاحة. تقسم هذه العملية نواة واحدة إلى عدة أنوية افتراضية. على وجه التحديد ، يعمل كل جوهر مادي كخيطين. لذلك ، يمكن لوحدات المعالجة المركزية التي تحتوي على أربعة أنوية أن تعمل مع ثمانية خيوط ، مما يعني أنها تعمل مثل وحدة المعالجة المركزية ثمانية النواة.

ملاحظة: يمكن أن تقدم بعض وحدات المعالجة المركزية المتخصصة أكثر من خيطين لكل نواة من وحدات المعالجة المركزية. ومع ذلك ، فإن جميع هذه المنتجات حصرية لأسواق الحوسبة الفائقة (HPC ) وأسواق الحوسبة الفائقة. يمكن أن تقوم نوى وحدة المعالجة المركزية لسطح المكتب إما بتشغيل مؤشر ترابط واحد أو اثنين.

ومع ذلك ، فإن تعدد مؤشرات الترابط ليس تكرارًا مطلقًا لقوة وحدة المعالجة المركزية. لا يؤدي Hyperthreading إلى مضاعفة أداء نواة وحدة المعالجة المركزية. تشير الأبحاث التي أجرتها شركة Intel إلى أنها تقدم أداءً محسّنًا بنسبة 30٪ تقريبًا ، على الرغم من أن هذا قد يختلف بشكل كبير ، وفي حالات نادرة ، قد يؤدي إلى انخفاض الأداء بشكل طفيف. تعمل بعض التطبيقات والبرامج معها بشكل أفضل من غيرها. ألعاب الفيديو ، على سبيل المثال ، لا تستفيد دائمًا من المزيد من النوى ، وغالبًا ما تكون أكثر حساسية لسرعة الساعة. تعمل البرامج الأخرى ، وخاصة تحرير الفيديو والرسوم المتحركة ، على مسافة أبعد مع النوى والخيوط الإضافية.

بالطبع ، من المستحيل اختراع نوى إضافية - لذلك يجب أن تشارك الخيوط المحاكاة الموارد المادية المتاحة من جوهرها الأساسي. يمكن أن يعني هذا أن الخيوط لديها أداء أقل بشكل فردي ، ولكن يمكن أن يعني أيضًا أن الموارد يتم توزيعها بشكل أكثر فعالية. يمكن استخدامها من قبل أي موضوع يحتاج إليها أكثر.

مستقبل الأجهزة

يتجه الاتجاه في تطوير نواة وحدة المعالجة المركزية بالتأكيد نحو تنفيذ المزيد والمزيد من النوى في وحدات المعالجة المركزية. من الناحية النظرية ، سيكون من الممكن بناء وحدات المعالجة المركزية بمئات أو حتى آلاف النوى. هذا ليس واقعًا تجاريًا بعد ، حيث تحتوي وحدات المعالجة المركزية AMDs Threadripper و EPYC على 64 مركزًا. في الوقت الحالي ، على الرغم من ذلك ، فإن التركيز الأكثر واقعية هو تحسين الأداء لكل واط. بمعنى آخر - لخفض سحب الطاقة لوحدات المعالجة المركزية. هذا يفيد في المقام الأول أجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة الأخرى التي تعمل بالبطارية.

تعد إدارة استهلاك الطاقة أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق زيادات كبيرة في الأداء. ضاعف قانون مور أداء وحدة المعالجة المركزية بشكل عام كل عامين تقريبًا لعقود. ومع ذلك ، كان هذا يعتمد بشكل أساسي على تقلص العقدة ، أي مدى صغر العناصر في وحدة المعالجة المركزية.

عُقد وحدة المعالجة المركزية الحديثة صغيرة جدًا لدرجة أنها قريبة جدًا من الحدود المادية لتخفيضات الحجم. وبالتالي ، فإن زيادة الأداء تعني سحب طاقة أعلى وإخراج حرارة أعلى. في المستقبل القريب ، قد تنتج وحدات المعالجة المركزية للحواسيب العملاقة قدرًا كبيرًا من الحرارة في مثل هذه المساحة الصغيرة بحيث يستحيل تبريدها بالهواء ، الأمر الذي يتطلب تبريدًا سائلًا.

بطبيعة الحال ، هناك دائمًا أنواع جديدة من وحدات المعالجة المركزية التي يتم تطويرها. تضم أكبر علامتين تجاريتين هنا ، Intel و AMD ، أنواعًا مختلفة من تصميمات وحدة المعالجة المركزية. يذهب هذا إلى حد أن وحدات المعالجة المركزية الخاصة بها مناسبة بشكل أفضل لبعض الاستخدامات من غيرها. بالطبع ، تقدم وحدات المعالجة المركزية المصممة حديثًا حالات استخدام وتخصصات جديدة بالإضافة إلى التخصصات الموجودة.

تعد بنية وحدة المعالجة المركزية موضوعًا معقدًا. مع تزايد كل من التقنيات المتاحة والطلب على أداء أعلى ، تزداد كذلك القوة التي توفرها وحدات المعالجة المركزية ومجموعة متنوعة من التكوينات المتاحة. مثل سوق وحدة معالجة الرسومات (GPU) ، يُظهر سوق وحدة المعالجة المركزية علامات التحول نحو مسرعات أجهزة محددة. يمكن أن يسمح هذا بمزيد من الأداء وكفاءة أكبر في مهام معينة ولكنه يزيد من التعقيد.

خاتمة

نواة وحدة المعالجة المركزية هي جزء محدد أو أكثر من قالب وحدة المعالجة المركزية الذي يؤدي المعالجة الفعلية. وعادة ما يتم تقديمها وتحيط بها السجلات والمخابئ. تقدم الغالبية العظمى من وحدات المعالجة المركزية الحديثة أنوية متعددة في قالب واحد لوحدة المعالجة المركزية. قد تكون نوى وحدة المعالجة المركزية متطابقة أو محسّنة لمراحل مختلفة على منحنى الأداء / الكفاءة.

عادةً ما تكون نوى وحدة المعالجة المركزية للأغراض العامة ، وقادرة على تنفيذ أي معالجة قد تحتاجها وحدة المعالجة المركزية. قد تسمى وحدة المعالجة غير العامة على قالب وحدة المعالجة المركزية مسرع أو قلب معالجة X. يتم استبدال X بغرض محدد ، مثل نوى المعالجة العصبية والمسرعات العصبية لمعالجة الذكاء الاصطناعي.