النقاط الرئيسية
عادةً ما تحتوي وحدة المعالجة المركزية الحديثة الواحدة على عدة أنوية. كل نواة هي معالجها الخاص. تعمل تقنية تعدد العمليات المتزامنة، والتي تسمى Hyper-Threading من Intel، على تقسيم كل نواة مادية إلى معالجين منطقيين. يسمح كل معالج منطقي لنظام التشغيل الخاص بك بتشغيل مهمتين منفصلتين. على سبيل المثال، تظهر وحدة المعالجة المركزية ذات الثمانية أنوية كوحدة معالجة مركزية واحدة بها 8 أنوية و16 معالجًا منطقيًا.
تتولى وحدة المعالجة المركزية (CPU) في جهاز الكمبيوتر الخاص بك العمل الحسابي — تشغيل البرامج، بشكل أساسي. ولكن وحدات المعالجة المركزية الحديثة توفر ميزات مثل النوى المتعددة والترابط المتعدد. حتى أن بعض أجهزة الكمبيوتر تستخدم وحدات معالجة مركزية متعددة. وسنشرح الاختلافات وكيفية عملها.
ما هو Hyper-Threading وMultitural multitude المتزامن؟
تسمح تقنية تعدد العمليات المتزامنة (التي تسمى Hyper-Threading من Intel) لوحدة المعالجة المركزية الواحدة بتشغيل مهام متعددة في وقت واحد بدلاً من التشغيل بشكل متسلسل، مما يحسن الأداء في معظم المواقف.
كانت تقنية Hyper-threading هي المحاولة الأولى لشركة Intel لإدخال الحوسبة المتوازية إلى أجهزة الكمبيوتر الشخصية للمستهلكين في عام 2002. كانت معالجات Pentium 4 في ذلك الوقت تحتوي على نواة وحدة معالجة مركزية واحدة فقط، لذا لم يكن بإمكانها أداء سوى مهمة واحدة في كل مرة — حتى لو كانت قادرة على التبديل بين المهام بسرعة كافية بحيث تبدو وكأنها تعدد مهام. حاولت تقنية Hyper-Threading — والتي تسمى تعدد المهام المتزامن (SMT) على AMD وغيرها من المعالجات غير التابعة لشركة Intel — التعويض عن ذلك.
بالمعنى الدقيق للكلمة، فإن معالجات Intel فقط هي التي تتمتع بتقنية تعدد العمليات، ومع ذلك، يُستخدم المصطلح أحيانًا بشكل عامي للإشارة إلى أي نوع من أنواع تعدد العمليات المتزامنة.
تظهر نواة وحدة المعالجة المركزية المادية المفردة مع تعدد العمليات أو تعدد العمليات المتزامن كوحدتي معالجة مركزية منطقيتين لنظام التشغيل. لا تزال وحدة المعالجة المركزية وحدة معالجة مركزية واحدة، لذا فهي خدعة إلى حد ما. بينما يرى نظام التشغيل وحدتي معالجة مركزية لكل نواة، فإن أجهزة وحدة المعالجة المركزية الفعلية لديها مجموعة واحدة فقط من موارد التنفيذ لكل نواة. تتظاهر وحدة المعالجة المركزية بوجود عدد أكبر من النوى مما هو موجود بالفعل، وتستخدم منطقها الخاص لتسريع تنفيذ البرنامج. بعبارة أخرى، يتم خداع نظام التشغيل لرؤية وحدتي معالجة مركزية لكل نواة وحدة معالجة مركزية فعلية.
يتيح Hyper-threading لنواة وحدة المعالجة المركزية المنطقية مشاركة موارد التنفيذ المادية. يمكن أن يؤدي هذا إلى تسريع الأمور إلى حد ما — إذا توقفت وحدة المعالجة المركزية الافتراضية عن العمل وتنتظر، يمكن لوحدة المعالجة المركزية الافتراضية الأخرى استعارة موارد التنفيذ الخاصة بها. يمكن أن يؤدي Hyper-threading إلى تسريع نظامك، ولكنه ليس جيدًا مثل وجود نوى إضافية فعلية.
لحسن الحظ، أصبحت تقنية المعالجة المتعددة الخيوط الآن مجرد مكافأة. فبينما كانت المعالجات الاستهلاكية الأصلية التي تستخدم تقنية المعالجة المتعددة الخيوط تحتوي على نواة واحدة فقط متخفية في هيئة نوى متعددة، فإن وحدات المعالجة المركزية الحديثة تحتوي الآن على نوى متعددة وتقنية المعالجة المتعددة الخيوط أو تقنية SMT. وتظهر وحدة المعالجة المركزية السداسية النواة التي تستخدم تقنية المعالجة المتعددة الخيوط على هيئة 12 نواة لنظام التشغيل الخاص بك، بينما تظهر وحدة المعالجة المركزية الثمانية النواة التي تستخدم تقنية المعالجة المتعددة الخيوط على هيئة 16 نواة. ولا تعد تقنية المعالجة المتعددة الخيوط بديلاً عن النوى الإضافية، ولكن من المفترض أن تعمل وحدة المعالجة المركزية ثنائية النواة التي تستخدم تقنية المعالجة المتعددة الخيوط بشكل أفضل من وحدة المعالجة المركزية ثنائية النواة التي لا تستخدم تقنية المعالجة المتعددة الخيوط.
ما هي أنوية وحدة المعالجة المركزية؟
في الأصل، كانت وحدات المعالجة المركزية تحتوي على نواة واحدة. وهذا يعني أن وحدة المعالجة المركزية المادية تحتوي على وحدة معالجة مركزية واحدة. ولزيادة الأداء، أضاف المصنعون “نوى” إضافية أو وحدات معالجة مركزية. تحتوي وحدة المعالجة المركزية ثنائية النواة على وحدتي معالجة مركزيتين، لذا تظهر لنظام التشغيل على أنها وحدتا معالجة مركزيتين. على سبيل المثال، يمكن لوحدة المعالجة المركزية ذات النواتين تشغيل عمليتين مختلفتين في نفس الوقت. وهذا يعمل على تسريع نظامك لأن الكمبيوتر الخاص بك يمكنه القيام بأشياء متعددة في وقت واحد.
على عكس تقنية المعالجة المتعددة الخيوط، لا توجد حيل هنا ــ تحتوي وحدة المعالجة المركزية ثنائية النواة حرفيًا على وحدتي معالجة مركزيتين على شريحة وحدة المعالجة المركزية. وتحتوي وحدة المعالجة المركزية رباعية النواة على أربع وحدات معالجة مركزية، وتحتوي وحدة المعالجة المركزية ثمانية النواة على ثماني وحدات معالجة مركزية، وهكذا.
يساعد هذا على تحسين الأداء بشكل كبير مع الحفاظ على وحدة المعالجة المركزية المادية صغيرة بما يكفي لتناسب مقبس واحد. هناك حاجة فقط إلى مقبس وحدة معالجة مركزية واحد مع وحدة معالجة مركزية واحدة مدمجة فيه — وليس أربعة مقابس مختلفة لوحدة المعالجة المركزية مع أربعة وحدات معالجة مركزية مختلفة، كل منها يحتاج إلى الطاقة والتبريد والأجهزة الأخرى الخاصة به. هناك زمن انتقال أقل لأن النوى يمكنها التواصل بشكل أسرع، حيث إنها كلها على نفس الشريحة.
يُظهِر “مدير المهام” في Windows هذا الأمر بشكل جيد إلى حد ما. هنا، على سبيل المثال، يمكنك أن ترى أن هذا النظام يحتوي على وحدة معالجة مركزية واحدة فعلية (مقبس) و8 أنوية. يجعل تعدد العمليات المتزامن كل نواة تبدو وكأنها وحدتا معالجة مركزية لنظام التشغيل، لذا فهو يُظهِر 16 معالجًا منطقيًا.
هل جميع تكوينات وحدة المعالجة المركزية متعددة النواة متماثلة؟
لا، ليست كل تكوينات وحدات المعالجة المركزية متعددة النواة متماثلة. هناك فلسفتان تصميميتان مختلفتان ستواجههما عند النظر إلى وحدات المعالجة المركزية متعددة النواة.
هناك نوع واحد من التكوينات — وهو النوع الذي كان شائعًا في أجهزة الكمبيوتر الشخصية للمستهلكين لسنوات — يستخدم العديد من النوى المتطابقة. في هذه التكوينات، إذا كان لديك نظام ثماني النوى، فإن جميع هذه المعالجات الثمانية هي وحدات معالجة مركزية عالية الأداء، وكلها مُحسَّنة بنفس الطريقة.
يستخدم الآخر مزيجًا من النوى المختلفة (يُطلق عليه أحيانًا بنية نواة غير متجانسة). عادةً، تستخدم هذه الإعدادات نوعين مختلفين: نوى الأداء ونوى الكفاءة.
يختلف نظام التسمية الدقيق قليلاً بين الشركات والتطبيقات، لكن الفكرة الأساسية هي نفسها. يتم حجز أنوية الكفاءة للمهام الخلفية والمهام منخفضة الطلب. تستهلك هذه الأنوية طاقة أقل. أما أنوية الأداء فهي العكس تمامًا. تستهلك طاقة أكبر بكثير ولكنها تقدم أداءً أفضل بكثير في المهام المتطلبة، مثل الألعاب. ينتج عن هذا المزيج أداءً عند الحاجة إليه، ولكن استخدامًا أقل للطاقة في الخلفية.
هذا الإعداد متعدد النواة غير المتجانس (يسمى كبير.صغير أصبحت تقنية ARM شائعة الاستخدام في الهواتف المحمولة والأجهزة المحمولة الأخرى بسبب توفير الطاقة الذي توفره. عندما تحتاج إلى أن يستمر هاتفك طوال اليوم، فليس من المنطقي استنزاف بطاريتك دون داعٍ من خلال تشغيل نواة عالية الطاقة طوال الوقت. قدمت شركة Intel أيضًا الفكرة في وحدات المعالجة المركزية المكتبية السائدة، بدءًا من معالجات Alder Lake.
ماذا عن وحدات المعالجة المركزية المتعددة؟
تحتوي أغلب أجهزة الكمبيوتر على وحدة معالجة مركزية واحدة فقط. وقد تحتوي هذه الوحدة على عدة أنوية أو تقنية المعالجة المتعددة الخيوط — ولكنها لا تزال وحدة معالجة مركزية مادية واحدة يتم إدخالها في مقبس وحدة معالجة مركزية واحد على اللوحة الأم.
قبل ظهور تقنية المعالجة المتعددة الخيوط ووحدات المعالجة المركزية متعددة النواة، حاول الناس إضافة قوة معالجة إضافية إلى أجهزة الكمبيوتر عن طريق إضافة وحدات معالجة مركزية إضافية. ويتطلب هذا وجود لوحة أم بها مقابس متعددة لوحدة المعالجة المركزية. كما تحتاج اللوحة الأم إلى أجهزة إضافية لتوصيل مقابس وحدة المعالجة المركزية هذه بذاكرة الوصول العشوائي والموارد الأخرى. وهناك الكثير من النفقات العامة في هذا النوع من الإعداد. وهناك زمن انتقال إضافي إذا احتاجت وحدات المعالجة المركزية إلى التواصل مع بعضها البعض، وتستهلك الأنظمة ذات وحدات المعالجة المركزية المتعددة المزيد من الطاقة، وتحتاج اللوحة الأم إلى المزيد من المقابس والأجهزة.
لا تعد الأنظمة التي تحتوي على وحدات معالجة مركزية متعددة شائعة جدًا بين أجهزة الكمبيوتر الشخصية للمستخدمين المنزليين اليوم. حتى أجهزة الكمبيوتر المكتبية عالية الطاقة المخصصة للألعاب والتي تحتوي على بطاقات رسومية متعددة لن تحتوي عادةً إلا على وحدة معالجة مركزية واحدة. ستجد أنظمة متعددة الوحدات 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، زاد عدد المهام التي يمكنه القيام بها في وقت واحد، مما يساعد على تحسين الأداء في معظم المهام. تحتوي معظم أجهزة الكمبيوتر الآن على وحدات معالجة مركزية ذات نوى متعددة — الخيار الأكثر كفاءة الذي ناقشناه. ستجد حتى وحدات معالجة مركزية ذات نوى متعددة على الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية الحديثة.
كانت سرعة الساعة لوحدة المعالجة المركزية وعدد التعليمات لكل دورة (IPC) الخاصة بها كافية عند مقارنة الأداء. لم تعد الأمور بهذه البساطة بعد الآن. قد تعمل وحدة المعالجة المركزية التي توفر أنوية متعددة وتقنية المعالجة المتعددة الخيوط بشكل أفضل بكثير من وحدة المعالجة المركزية بنفس السرعة التي لا تتميز بتقنية المعالجة المتعددة الخيوط. ويمكن أن تتمتع أجهزة الكمبيوتر التي تحتوي على وحدات معالجة مركزية متعددة بميزة أكبر. تم تصميم كل هذه الميزات للسماح لأجهزة الكمبيوتر بتشغيل عمليات متعددة بسهولة أكبر في نفس الوقت — مما يزيد من أدائك عند تعدد المهام أو تحت متطلبات التطبيقات القوية مثل برامج ترميز الفيديو والألعاب الحديثة.
بالطبع، لا يعد عدد النوى الأعلى مهمًا للغاية في كل المواقف. إن أنظمة التشغيل الحديثة ذكية جدًا في تقسيم مهامها بين نوى متعددة، ولكن ليست كل البرامج مُحسَّنة بشكل جيد. في العديد من الحالات (خاصة في الألعاب)، يكون الأداء محدودًا في المقام الأول بالسرعة القصوى لنواة فردية وليس عدد النوى الإجمالي لديك. لذا لا تتسرع في شراء وحدة معالجة مركزية Threadripper ذات 64 نواة معتقدًا أنها ستمنحك مليار إطار في الثانية في Call of Duty — لن يحدث ذلك.