أساسيات وحدة المعالجة المركزية: ما هي النوى وخيوط المعالجة المتعددة ووحدات المعالجة المركزية المتعددة؟

تقوم وحدة المعالجة المركزية (CPU) في جهاز الكمبيوتر الخاص بك بالعمل الحسابي - تشغيل البرامج بشكل أساسي. لكن وحدات المعالجة المركزية الحديثة تقدم ميزات مثل النوى المتعددة والترابط الفائق. حتى أن بعض أجهزة الكمبيوتر تستخدم وحدات معالجة مركزية متعددة. سنشرح الاختلافات وكيف تعمل.

ما هي خيوط المعالجة المتعددة والتعدد المتزامن؟

تتيح ميزة Multithreading المتزامنة (تسمى Hyper-Threading بواسطة Intel) لوحدة معالجة مركزية واحدة تشغيل مهام متعددة في وقت واحد بدلاً من تشغيلها بالتتابع ، مما يحسن الأداء في معظم المواقف.

كان Hyper-threading أول محاولة من Intel لإعادة الحوسبة المتوازية لأجهزة الكمبيوتر الشخصية للمستهلكين في عام 2002. كان Pentium 4 في اليوم يحتوي على نواة واحدة فقط لوحدة المعالجة المركزية ، لذلك يمكنه أداء مهمة واحدة فقط في كل مرة - حتى لو كان قادرًا على التبديل بين بسرعة كافية بحيث بدت وكأنها تعدد المهام. حاول Hyper-Threading - المسمى بـ multithreading المتزامن (SMT) على AMD والمعالجات الأخرى بخلاف Intel - تعويض ذلك.

ملاحظة: بالمعنى الدقيق للكلمة ، فقط معالجات Intel لها خيوط المعالجة الفائقة ، ومع ذلك ، يستخدم المصطلح أحيانًا بالعامية للإشارة إلى أي نوع من أنواع تعدد مؤشرات الترابط المتزامن.

يظهر نواة وحدة معالجة مركزية فعلية واحدة مع خيوط المعالجة الفائقة أو متعددة مؤشرات الترابط في وقت واحد كوحدتي CPU منطقيتين لنظام التشغيل. لا تزال وحدة المعالجة المركزية وحدة معالجة مركزية واحدة ، لذا فهي نوع من الغش. بينما يرى نظام التشغيل وحدتي CPU لكل نواة ، فإن أجهزة وحدة المعالجة المركزية الفعلية لديها فقط مجموعة واحدة من موارد التنفيذ لكل نواة. تدعي وحدة المعالجة المركزية أن لديها نوى أكثر مما لديها ، وتستخدم منطقها الخاص لتسريع تنفيذ البرنامج. بمعنى آخر ، يتم خداع نظام التشغيل لرؤية وحدتي CPU لكل نواة فعلية لوحدة المعالجة المركزية.

يسمح الترابط التشعبي لنواة وحدة المعالجة المركزية المنطقية بمشاركة موارد التنفيذ المادية. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تسريع الأمور إلى حد ما - إذا توقفت وحدة المعالجة المركزية الافتراضية وانتظرت ، يمكن لوحدة المعالجة المركزية الافتراضية الأخرى استعارة موارد التنفيذ الخاصة بها. يمكن أن يؤدي Hyper-threading إلى تسريع النظام الخاص بك ، لكنه ليس قريبًا من وجود نوى إضافية فعلية.

لحسن الحظ ، أصبح الترابط المفرط الآن مجرد مكافأة. في حين أن معالجات المستهلك الأصلية ذات الترابط الفائق تحتوي فقط على نواة واحدة تتنكر في شكل نوى متعددة ، فإن وحدات المعالجة المركزية الحديثة لديها الآن نوى متعددة وخيوط المعالجة الفائقة أو تقنية SMT. تظهر وحدة المعالجة المركزية سداسية النواة الخاصة بك ذات الترابط الفائق على شكل 12 نواة لنظام التشغيل الخاص بك ، بينما تظهر وحدة المعالجة المركزية الثماني النواة الخاصة بك مع خيوط المعالجة الفائقة على شكل 16 نواة. لا يعتبر Hyper-threading بديلاً عن النوى الإضافية ، ولكن يجب أن تؤدي وحدة المعالجة المركزية ثنائية النواة ذات الترابط المفرط أداءً أفضل من وحدة المعالجة المركزية ثنائية النواة دون الترابط المفرط.

ما هي أنوية وحدة المعالجة المركزية؟

في الأصل ، كان لدى وحدات المعالجة المركزية نواة واحدة. هذا يعني أن وحدة المعالجة المركزية الفعلية بها وحدة معالجة مركزية واحدة. لزيادة الأداء ، أضاف المصنعون "مراكز" أو وحدات معالجة مركزية إضافية. تحتوي وحدة المعالجة المركزية ثنائية النواة على وحدتي معالجة مركزيتين ، لذا فهي تظهر لنظام التشغيل كوحدتي CPU. يمكن لوحدة المعالجة المركزية ذات النوى ، على سبيل المثال ، تشغيل عمليتين مختلفتين في نفس الوقت. يؤدي هذا إلى تسريع نظامك لأن جهاز الكمبيوتر الخاص بك يمكنه القيام بأشياء متعددة في وقت واحد.

على عكس الترابط الفائق ، لا توجد حيل هنا - تحتوي وحدة المعالجة المركزية ثنائية النواة حرفيًا على وحدتي معالجة مركزيتين على شريحة وحدة المعالجة المركزية. تحتوي وحدة المعالجة المركزية رباعية النواة على أربع وحدات معالجة مركزية ، وتحتوي وحدة المعالجة المركزية ثماني النواة على ثماني وحدات معالجة مركزية ، وما إلى ذلك.

يساعد هذا في تحسين الأداء بشكل كبير مع الحفاظ على وحدة وحدة المعالجة المركزية الفعلية صغيرة بما يكفي لتناسب مقبس واحد. لا يلزم سوى أن يكون هناك مقبس واحد لوحدة المعالجة المركزية مع إدخال وحدة CPU واحدة فيه - وليس أربعة مآخذ مختلفة لوحدة المعالجة المركزية مع أربعة وحدات معالجة مركزية مختلفة ، كل منها يحتاج إلى الطاقة الخاصة به ، والتبريد ، والأجهزة الأخرى. هناك زمن انتقال أقل لأن النوى يمكن أن تتواصل بشكل أسرع ، حيث أنها كلها على نفس الشريحة.

يوضح مدير مهام Windows هذا جيدًا إلى حد ما. هنا ، على سبيل المثال ، يمكنك أن ترى أن هذا النظام يحتوي على وحدة معالجة مركزية (مقبس) فعلية و 8 مراكز. يجعل تعدد العمليات في وقت واحد كل نواة تبدو مثل وحدتي CPU لنظام التشغيل ، لذا فهي تعرض 16 معالجًا منطقيًا.

هل جميع تكوينات وحدة المعالجة المركزية متعددة النواة متماثلة؟

لا ، ليست كل تكوينات وحدة المعالجة المركزية متعددة النواة متماثلة. هناك نوعان من فلسفات التصميم المتميزة التي ستواجهها عند النظر إلى وحدات المعالجة المركزية متعددة النواة.

يستخدم نوع واحد من التكوين - وهو النوع الذي كان شائعًا في أجهزة الكمبيوتر الاستهلاكية لسنوات - عدة نوى متطابقة. في هذه الإعدادات ، إذا كان لديك نظام ثماني النواة ، فإن جميع هذه المعالجات الثمانية عبارة عن وحدات معالجة مركزية عالية الأداء ، وجميعها مُحسّنة بنفس الطريقة.

الآخر يستخدم مزيجًا من النوى المختلفة (تسمى أحيانًا بنية أساسية غير متجانسة). عادةً ما تستخدم هذه الإعدادات نوعين متميزين: نوى الأداء ونواة الكفاءة.

يختلف مخطط التسمية الدقيق قليلاً بين الشركات والتطبيقات ، لكن الفكرة الأساسية هي نفسها. تم تخصيص نوى الكفاءة للمهام الخلفية والمهام منخفضة الطلب. هذه النوى تستهلك طاقة أقل. نوى الأداء هي عكس ذلك تمامًا. إنها تستهلك قدرًا أكبر من الطاقة بشكل كبير ولكنها توفر أداءً أفضل بكثير في المهام الصعبة ، مثل الألعاب. ينتج عن المزيج الأداء عندما تحتاج إليه ، ولكن يقلل من استخدام الطاقة في الخلفية.

ذات صلة: ما هو التعثر على وحدة معالجة الرسومات أو وحدة المعالجة المركزية ، ومتى يجب عليك القيام بذلك؟

أصبح هذا الإعداد متعدد النواة غير المتجانس (المسمى big.LITTLE بواسطة ARM) شائعًا لأول مرة مع الهواتف المحمولة والأجهزة المحمولة الأخرى بسبب توفير الطاقة الذي قدموه. عندما تحتاج إلى استمرار تشغيل هاتفك طوال اليوم ، فليس من المنطقي استنزاف البطارية دون داعٍ من خلال تشغيل نواة عالية الطاقة طوال الوقت. قدمت Intel أيضًا الفكرة في وحدات المعالجة المركزية لسطح المكتب السائدة ، بدءًا من معالجات Alder Lake.

ماذا عن وحدات المعالجة المركزية المتعددة؟

تحتوي معظم أجهزة الكمبيوتر على وحدة معالجة مركزية واحدة فقط. قد تحتوي وحدة المعالجة المركزية الفردية هذه على أنوية متعددة أو تقنية خيوط المعالجة الفائقة - لكنها لا تزال وحدة معالجة مركزية فعلية واحدة يتم إدخالها في مقبس وحدة معالجة مركزية واحد على اللوحة الأم.

ذات صلة: لماذا لا يمكنك استخدام سرعة ساعة وحدة المعالجة المركزية لمقارنة أداء الكمبيوتر

قبل ظهور وحدات المعالجة المركزية (CPU) متعددة النوى والخيوط ، حاول الأشخاص إضافة قوة معالجة إضافية إلى أجهزة الكمبيوتر عن طريق إضافة وحدات معالجة مركزية إضافية. هذا يتطلب لوحة أم مع مآخذ متعددة لوحدة المعالجة المركزية. تحتاج اللوحة الأم أيضًا إلى أجهزة إضافية لتوصيل مآخذ وحدة المعالجة المركزية هذه بذاكرة الوصول العشوائي والموارد الأخرى. هناك الكثير من النفقات العامة في هذا النوع من الإعداد. هناك زمن انتقال إضافي إذا احتاجت وحدات المعالجة المركزية (CPU) إلى التواصل مع بعضها البعض ، وتستهلك الأنظمة ذات وحدات المعالجة المركزية المتعددة مزيدًا من الطاقة ، وتحتاج اللوحة الأم إلى المزيد من المقابس والأجهزة.

الأنظمة ذات وحدات المعالجة المركزية المتعددة ليست شائعة جدًا بين أجهزة الكمبيوتر الشخصية المستخدمة في المنزل اليوم. حتى سطح مكتب الألعاب عالي الطاقة المزود ببطاقات رسومات متعددة سيحتوي بشكل عام على وحدة معالجة مركزية واحدة فقط. ستجد العديد من أنظمة وحدة المعالجة المركزية بين أجهزة الكمبيوتر العملاقة ، والخوادم ، وبعض محطات العمل ، والأنظمة المتطورة المماثلة التي تحتاج إلى أكبر قدر ممكن من قوة معالجة الأرقام.

كلما زاد عدد وحدات المعالجة المركزية أو النوى في الكمبيوتر ، زادت الأشياء التي يمكنه القيام بها في وقت واحد ، مما يساعد على تحسين الأداء في معظم المهام. تحتوي معظم أجهزة الكمبيوتر الآن على وحدات معالجة مركزية متعددة النوى - وهو الخيار الأكثر فعالية الذي ناقشناه. ستجد أيضًا وحدات المعالجة المركزية (CPU) ذات النوى المتعددة على الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية الحديثة.

كانت سرعة الساعة لوحدة المعالجة المركزية و IPC الخاصة بها (تعليمات لكل دورة) كافية عند مقارنة الأداء. لم تعد الأمور بهذه البساطة. قد تؤدي وحدة المعالجة المركزية التي توفر نوى متعددة وخيوط المعالجة الفائقة أداءً أفضل بكثير من وحدة المعالجة المركزية بنفس السرعة التي لا تتميز بميزة الترابط المفرط. ويمكن أن تتمتع أجهزة الكمبيوتر المزودة بوحدات معالجة مركزية متعددة بميزة أكبر. تم تصميم كل هذه الميزات للسماح لأجهزة الكمبيوتر بتشغيل عمليات متعددة بسهولة أكبر في نفس الوقت - مما يؤدي إلى زيادة الأداء عند القيام بمهام متعددة أو في ظل متطلبات التطبيقات القوية مثل برامج تشفير الفيديو والألعاب الحديثة.

بالطبع ، العدد الأساسي الأعلى ليس مهمًا في كل موقف. تعد أنظمة التشغيل الحديثة ذكية جدًا في تقسيم مهامها بين نوى متعددة ، ولكن ليست كل البرامج مُحسَّنة جيدًا. في كثير من الحالات (خاصة الألعاب) يكون الأداء مقيدًا بشكل أساسي بالسرعة القصوى للنواة الفردية بدلاً من عدد النوى الإجمالي لديك. لذلك لا تتسرع في شراء وحدة المعالجة المركزية Threadripper ذات 64 نواة معتقدًا أنها ستحصل على مليار إطار في الثانية في Call of Duty - لن تفعل ذلك.