ما المقصود بوحدة المعالجة المركزية (CPU)؟
وحدة المعالجة المركزية (CPU) هي أحد مكونات الأجهزة التي تمثل الوحدة الحسابية الأساسية في الخادم. تقوم الخوادم والأجهزة الذكية الأخرى بتحويل البيانات إلى إشارات رقمية وإجراء عمليات حسابية عليها. وحدة المعالجة المركزية (CPU) هي المكون الأساسي الذي يعالج الإشارات ويجعل الحوسبة ممكنة. إنها تعمل كدماغ لأي جهاز كمبيوتر. تقوم بجلب التعليمات من الذاكرة وتنفيذ المهام المطلوبة وإرسال المخرجات مرة أخرى إلى الذاكرة. وهي تعالج جميع مهام الحوسبة المطلوبة لتشغيل نظام التشغيل والتطبيقات.
ما هي مراحل تقدّم تقنية وحدة المعالجة المركزية بمرور الوقت؟
استخدمت أجهزة الكمبيوتر الأولى الأنابيب المفرغة للمعالجة. كانت آلات المعالجة ضخمة، مثل ENIAC وUNIVAC، واستهلكت الكثير من الطاقة وأصدرت حرارة كبيرة. أحدثَ اختراع الترانزستورات في أواخر الأربعينيات ثورةً في تقنية وحدة المعالجة المركزية. استبدلت الترانزستورات الأنابيب المفرغة، ما جعل أجهزة الكمبيوتر أصغر حجمًا وأكثر موثوقية وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة. في منتصف الستينيات، تم تطوير الدوائر المتكاملة (IC)، التي جمعت العديد من الترانزستورات والمكونات الأخرى على شريحة كمبيوتر واحدة. أصبحت وحدات المعالجة المركزية أصغر وأسرع، ما أدى إلى ظهور المعالجات الدقيقة.
المعالجات الدقيقة
دمجت المعالجات الدقيقة وحدة المعالجة المركزية بأكملها على شريحة IC واحدة، ما جعل الوصول إلى أجهزة الكمبيوتر أكثر سهولة وأدى إلى تطوير أجهزة الكمبيوتر الشخصية. في البداية، يمكن لوحدات المعالجة المركزية معالجة بين 16 و32 بت من البيانات في المرة الواحدة. في أوائل عام 2000، ظهرت وحدات المعالجة المركزية 64 بت، ما سمح بعناوين ذاكرة أكبر وأتاح معالجة أكثر شمولاً للبيانات.
مع زيادة كثافة الترانزستور، أصبح من الصعب تعزيز أداء وحدة المعالجة المركزية الأحادية النواة بشكل أكبر. بدلاً من ذلك، بدأت الشركات المصنعة لوحدة المعالجة المركزية في استخدام بنيات المعالجات متعددة النواة لدمج أنوية متعددة في شريحة واحدة.
معالجات حديثة
مع ظهور الأجهزة المحمولة، أصبحت كفاءة الطاقة مسألة بالغة الأهمية. يطوّر مصنعو وحدات المعالجة المركزية الآن وحدات معالجة مركزية منخفضة الطاقة وموفرة للطاقة للأجهزة المحمولة الحديثة، مثل الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية.
نظرًا لأن الذكاء الاصطناعي (AI) والمهام كثيفة الرسومات أصبحت أكثر انتشارًا، يتم الآن استخدام وحدات المعالجة المركزية المتخصصة، مثل وحدات معالجة الرسومات (GPU) ومسرّعات الذكاء الاصطناعي، للتعامل مع أعباء العمل.
إنّ البحث والتطوير المستمران في تقنية النانو وعلوم المواد مهّدا الطريق للترانزستورات المجهرية ووحدات المعالجة المركزية الأكثر قوة. تتمتع الحوسبة الكمية والتقنيات الناشئة الأخرى بالقدرة على تطوير تقنية معالج الكمبيوتر بشكل أكبر.
ما مكونات وحدة المعالجة المركزية (CPU)؟
وحدة المعالجة المركزية هي دائرة إلكترونية معقدة تضم العديد من المكونات الرئيسية التي تعالج البيانات وتدير التعليمات. يتم إعطاء المكونات الرئيسية لوحدة المعالجة المركزية بعد ذلك.
وحدة التحكم
تقوم وحدة التحكم بإدارة معالجة التعليمات وتنسيق تدفق البيانات داخل وحدة المعالجة المركزية وبين مكونات الكمبيوتر الأخرى. تحتوي على مكون وحدة فك ترميز التعليمات الذي يفسر التعليمات التي يتم جلبها من الذاكرة ويحولها إلى عمليات مصغّرة يمكن لوحدة المعالجة المركزية تشغيلها. تقوم وحدة التحكم بتوجيه مكونات وحدة المعالجة المركزية الأخرى لتنفيذ العمليات المطلوبة.
السجلات
السجلات هي مواقع تخزين ذاكرة صغيرة عالية السرعة داخل وحدة المعالجة المركزية. فهي تحتفظ بالبيانات التي تعمل عليها وحدة المعالجة المركزية حاليًا وتسهل الوصول السريع إلى البيانات. تحتوي وحدات المعالجة المركزية (CPU) على عدة أنواع من السجلات، مثل هذه:
- سجلات الأغراض العامة التي تحتوي على بيانات تشغيلية
- سجلات التعليمات التي تحتوي على التعليمات الحالية التي تتم معالجتها
- عداد البرامج الذي يحتوي على عنوان الذاكرة الخاص بالتعليمات التالية التي سيتم جلبها
توفر السجلات أوقات وصول أسرع من مستويات الذاكرة الأخرى مثل ذاكرة الوصول العشوائي أو ذاكرة التخزين المؤقت.
وحدة المنطق الحسابي ALU
تقوم وحدة المنطق الحسابي (ALU) بإجراء العمليات الحسابية الأساسية (الجمع والطرح والضرب والقسمة) والعمليات المنطقية (و، أو، ولا) على البيانات. يتلقى البيانات من السجلات داخل وحدة المعالجة المركزية، ويعالجها بناءً على تعليمات وحدة التحكم، وينتج النتيجة.
وحدة إدارة الذاكرة
وفقًا لبنية وحدة المعالجة المركزية (CPU)، قد تكون هناك وحدة واجهة ناقل منفصلة أو وحدة إدارة ذاكرة. تتناول هذه المكونات المهام المتعلقة بالذاكرة، مثل إدارة تفاعل وحدة المعالجة المركزية وذاكرة الوصول العشوائي. كما أنها تتعامل مع ذاكرة التخزين المؤقت - وهي وحدة ذاكرة صغيرة وسريعة تقع داخل وحدة المعالجة المركزية - والذاكرة الافتراضية التي تتطلبها وحدة المعالجة المركزية لمعالجة البيانات.
ساعة
تعتمد وحدة المعالجة المركزية على إشارة الساعة لمزامنة عملياتها الداخلية. تولد الساعة نبضًا ثابتًا بتردد معين، وتقوم دورات الساعة هذه بتنسيق عمليات وحدة المعالجة المركزية. يتم قياس سرعة الساعة بالهرتز (Hz) وتحدد عدد التعليمات التي يمكن لوحدة المعالجة المركزية تنفيذها في الثانية. تتميز وحدات المعالجة المركزية الحديثة بسرعات متغيرة على مدار الساعة، والتي يتم ضبطها بناءً على عبء العمل لموازنة الأداء واستهلاك الطاقة.
ما طريقة عمل وحدة المعالجة المركزية؟
تعمل معالجات الكمبيوتر مع مكونات الأجهزة والبرامج الأخرى لمعالجة البيانات وإدارة تدفق المعلومات داخل الأجهزة الإلكترونية. وعادةً ما تعمل في دورات، حيث تمثل كل دورة تعليمية ثلاث خطوات رئيسية.
دورة معالج نواة
نقدّم في ما يلي الخطوات الأساسية في دورة التعليمات.
جلب التعليمات
تجلب وحدة المعالجة المركزية التعليمات من الذاكرة. التعليمات عبارة عن رموز ثنائية تمثل مهام أو عمليات محددة لوحدة المعالجة المركزية. تفسّر وحدة التحكم التعليمات وتحدّد العملية التي سيتم تنفيذها. كما أنها تحدد مكونات وحدة المعالجة المركزية المحددة المطلوبة للمهمة.
معالجة التعليمات
تنفّذ وحدة المعالجة المركزية العملية المحددة على البيانات التي تم جلبها. وتجري العمليات الحسابية أو المقارنات المنطقية أو معالجة البيانات أو نقل البيانات بين السجلات أو مواقع الذاكرة.
تخزين النتائج
بعد تنفيذ التعليمات، قد تحتاج وحدة المعالجة المركزية إلى تخزين النتائج في الذاكرة أو تحديث سجلات محددة من خلال إدخال البيانات الجديدة. يتم تحديث عداد البرنامج (PC) للإشارة إلى عنوان التعليمات التالية التي سيتم جلبها. تكرّر وحدة المعالجة المركزية الدورة وتجلب التعليمات وتفك تشفيرها وتنفّذها بالتتابع.
وظائف المعالج الإضافية
يمكن لوحدة المعالجة المركزية أيضًا التعامل مع تعليمات تدفق التحكم، مثل تغيرات المواقع والفروع، إضافةً إلى حالات الانقطاع أو الإشارات الناتجة عن الأجهزة الخارجية أو الأحداث التي تتطلب اهتمامًا فوريًا. عند حدوث انقطاع، تعلّق وحدة المعالجة المركزية المهمة الحالية مؤقتًا وتحفظ حالتها وتنتقل إلى روتين خدمة الانقطاع. بعد معالجة الانقطاع، تستأنف وحدة المعالجة المركزية المهمة السابقة.
غالبًا ما تستخدم وحدات المعالجة المركزية الحديثة تقنيات مثل التوازي ومسارات التعليمات لتحسين الأداء. يمكن أن تكون التعليمات المتعددة في مراحل دورة مختلفة في الوقت نفسه، ما يسمح باستخدام موارد وحدة المعالجة المركزية بكفاءة أكبر.
ما هي بعض ميزات وحدة المعالجة المركزية المتقدمة؟
تتفوق أفضل وحدة معالجة مركزية (CPU) في الأداء والكفاءة والمرونة، ما يسمح لها بالتعامل بفعالية مع مجموعة واسعة من مهام الحوسبة. نقدم في ما يلي بعض الميزات المتقدمة.
الأنوية
مع أنّ المعالج أحادي النواة كان قياسيًا في الماضي، فإنّ جميع وحدات المعالجة المركزية لديها أنوية مادية متعددة اليوم. النواة هي وحدة معالجة فردية داخل وحدة المعالجة المركزية. تسمح المزيد من النوى لوحدة المعالجة المركزية بمعالجة خيوط متعددة (تسلسلات التعليمات) بالتوازي، ما يؤدي إلى تحسين الأداء العام بشكل كبير. يمكن للتطبيقات الاستفادة من التصميم متعدد النواة من خلال تقسيم المهام إلى مهام فرعية أصغر يمكن إكمالها في الوقت نفسه.
تقنية خيوط المعالجة الفائقة (Hyperthreading)
هذه التقنية عبارة عن تطبيق متزامن متعدد خيوط المعالجة من إنشاء شركة Intel، وهو يسمح لكل نواة من وحدات المعالجة المركزية بتشغيل سلاسل عمليات متعددة في الوقت نفسه. فهي تسمح لكل نواة مادية بالظهور كنواة افتراضية في نظام التشغيل. يستخدم البرنامج موارد الأجهزة المتاحة بكفاءة أكبر.
مجموعات التعليمات المتقدمة
تتميز وحدات المعالجة المركزية الحديثة أيضًا بمجموعات تعليمات وتقنيات متقدمة مصممة لتسريع مهام محددة. تتجاوز مجموعات التعليمات هذه العمليات الحسابية والمنطقية الأساسية، ما يوفر إمكانات إضافية للتعامل مع عمليات الحوسبة المعقدة بكفاءة أكبر.
على سبيل المثال، قد تتضمن وحدات المعالجة المركزية مجموعات تعليمات خاصة بهذه المهام:
- مهام الوسائط المتعددة، مثل فك تشفير الفيديو وترميز الصوت ومعالجة الصور.
- خوارزميات التشفير وفك التشفير، مثل معيار التشفير المتقدم (AES) وخوارزمية التجزئة الآمنة (SHA).
- مهام تعليمات واحدة على بيانات متعددة (SIMD) التي تتطلب من وحدة المعالجة المركزية إجراء نفس العملية في الوقت نفسه على مجموعات البيانات الكبيرة. وهي مهام مثل عرض الرسومات، والمحاكاة العلمية، ومعالجة الإشارات الرقمية.
- المحاكاة الافتراضية التي تسمح للآلات الافتراضية (VM) بالعمل بكفاءة أكبر.
- أعباء عمل الذكاء الاصطناعي، مثل عمليات الشبكة العصبونية.
كيف يمكن لـ AWS دعم متطلبات المعالج الخاصة بك؟
تقدم Amazon Web Services (AWS) عروضًا لدعم متطلبات المعالج الخاص بك.
تقدم سحابة الحوسبة المرنة لـ Amazon (Amazon EC2) منصة الحوسبة الأوسع والأكثر عمقًا. فهي تضم أكثر من 600 مثيل ومجموعة مختارة من أحدث المعالجات ووحدات التخزين والشبكات ونظام التشغيل ونموذج الشراء لمساعدتك على تلبية احتياجات عبء العمل على أفضل وجه. نحن أول مزود سحابي رئيسي يدعم معالجات Intel وAMD وArm، بالإضافة إلى السحابة الوحيدة التي تحتوي على مثيلات EC2 Mac عند الطلب.
عند استخدام Amazon EC2، تحصل على هذه المزايا على الفور:
- احصل على أفضل أداء سعري للتدريب على تعلم الآلة وأقل تكلفة لكل مثيل من مثيلات الاستدلال في السحابة
- اختر أفضل مزيج من وحدة المعالجة المركزية والذاكرة والتخزين وموارد الشبكة لتطبيقاتك
- حدد Amazon Machine Image (AMI) التي تم تكوينها مسبقًا وقالبها لبدء التشغيل على الفور
ابدأ باستخدام المثيلات والمعالجات المخصصة على AWS من خلال إنشاء حساب اليوم.
