انواع CPU و نسل های مختلف آن

CPU چیست؟
واحد پردازش مرکزی (CPU) یک جزء سخت افزاری است که واحد محاسباتی هسته در یک سرور است. سرورها و سایر دستگاه های هوشمند داده ها را به سیگنال های دیجیتال تبدیل می کنند و عملیات ریاضی را روی آنها انجام می دهند. CPU جزء اصلی است که سیگنال ها را پردازش می کند و محاسبات را ممکن می کند. به عنوان مغز هر دستگاه محاسباتی عمل می کند. دستورالعمل ها را از حافظه واکشی می کند، وظایف مورد نیاز را انجام می دهد و خروجی را به حافظه می فرستد. تمام وظایف محاسباتی مورد نیاز برای اجرای سیستم عامل و برنامه ها را انجام می دهد.

چگونه فناوری CPU در طول زمان پیشرفت کرد؟
اولین کامپیوترها از لوله های خلاء برای پردازش استفاده می کردند. ماشین هایی مانند ENIAC و UNIVAC بزرگ و حجیم بودند و انرژی زیادی مصرف می کردند و گرمای قابل توجهی تولید می کردند. اختراع ترانزیستورها در اواخر دهه 1940 تکنولوژی CPU را متحول کرد. ترانزیستورها جایگزین لوله‌های خلاء شدند و رایانه‌ها را کوچک‌تر، قابل اعتمادتر و کارآمدتر کردند. در اواسط دهه 1960، مدارهای مجتمع (ICs) توسعه یافتند که چندین ترانزیستور و سایر اجزا را در یک تراشه کامپیوتری ترکیب می کردند. پردازنده‌ها حتی کوچک‌تر و سریع‌تر شدند که منجر به پیدایش ریزپردازنده‌ها شد.

درباره تراشه های کامپیوتر بخوانید »

ریزپردازنده ها
ریزپردازنده ها کل CPU را روی یک تراشه IC ترکیب کردند که باعث دسترسی بیشتر کامپیوترها شد و منجر به توسعه کامپیوترهای شخصی شد. در ابتدا، CPU ها می توانستند 16 تا 32 بیت داده را در یک زمان مدیریت کنند. در اوایل دهه 2000، CPUهای 64 بیتی ظهور کردند که امکان آدرس دهی حافظه بزرگتر و پشتیبانی از پردازش داده های گسترده تری را فراهم کردند.

با افزایش تراکم ترانزیستور، افزایش بیشتر عملکرد CPU تک هسته ای چالش برانگیز شد. در عوض، سازندگان CPU شروع به استفاده از معماری پردازنده های چند هسته ای برای ادغام چندین هسته روی یک تراشه کردند.

پردازنده های امروزی
با ظهور دستگاه های تلفن همراه، بهره وری انرژی بسیار مهم شده است. سازندگان CPU اکنون CPUهای کم مصرف و کم مصرف را برای دستگاه های قابل حمل مدرن مانند گوشی های هوشمند و تبلت ها توسعه می دهند.

از آنجایی که هوش مصنوعی (AI) و وظایف گرافیکی رایج‌تر شدند، CPUهای تخصصی مانند واحدهای پردازش گرافیکی (GPU) و شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی اکنون برای مدیریت بارهای کاری استفاده می‌شوند.

ادامه تحقیق و توسعه در نانوتکنولوژی و علم مواد، راه را برای ترانزیستورهای میکروسکوپی و CPUهای قدرتمندتر هموار کرده است. محاسبات کوانتومی و سایر فناوری‌های نوظهور پتانسیل توسعه بیشتر فناوری پردازنده‌های رایانه را دارند.

اجزای یک CPU چیست؟
CPU یک مدار الکترونیکی پیچیده است که شامل چندین جزء کلیدی است که داده ها را پردازش کرده و دستورالعمل ها را اجرا می کند. اجزای اصلی یک CPU در ادامه آورده شده است.

واحد کنترل
واحد کنترل پردازش دستورالعمل ها را مدیریت می کند و جریان داده ها را در CPU و بین سایر اجزای کامپیوتر هماهنگ می کند. دارای یک جزء رمزگشای دستورالعمل است که دستورالعمل های دریافت شده از حافظه را تفسیر می کند و آنها را به عملیات میکرو تبدیل می کند که CPU می تواند اجرا کند. واحد کنترل سایر اجزای CPU را برای انجام عملیات مورد نیاز هدایت می کند.

ثبت می کند
ثبات ها مکان های ذخیره سازی حافظه کوچک و پرسرعت در CPU هستند. آنها داده هایی را نگهداری می کنند که CPU در حال حاضر روی آنها کار می کند و دسترسی سریع به داده ها را تسهیل می کند. CPU ها چندین نوع ثبات دارند، مانند موارد زیر:

رجیسترهای همه منظوره که داده های عملیاتی را نگهداری می کنند
رجیسترهای دستورالعمل که دستورالعمل فعلی در حال پردازش را نگه می دارند
یک شمارنده برنامه که آدرس حافظه دستورالعمل بعدی را که قرار است واکشی شود را نگه می دارد
ثبات‌ها زمان دسترسی سریع‌تری نسبت به سایر سطوح حافظه مانند RAM یا حافظه پنهان ارائه می‌دهند.

ALU
واحد منطق حسابی (ALU) عملیات حسابی پایه (جمع، تفریق، ضرب و تقسیم) و عملیات منطقی (AND، OR و NOT) را روی داده ها انجام می دهد. داده‌ها را از رجیسترهای داخل CPU دریافت می‌کند، آن‌ها را بر اساس دستورالعمل‌های واحد کنترل پردازش می‌کند و نتیجه را تولید می‌کند.

واحد مدیریت حافظه
بسته به معماری CPU، ممکن است یک واحد رابط اتوبوس جداگانه یا واحد مدیریت حافظه وجود داشته باشد. این اجزا وظایف مربوط به حافظه مانند مدیریت تعامل CPU و RAM را انجام می دهند. همچنین حافظه نهان – یک واحد حافظه کوچک و سریع که در داخل CPU قرار دارد – و حافظه مجازی که CPU برای پردازش داده به آن نیاز دارد، کنترل می کند.

ساعت
CPU برای همگام سازی عملیات داخلی خود به سیگنال ساعت متکی است. ساعت یک پالس ثابت در یک فرکانس خاص تولید می کند و این چرخه های ساعت، عملیات CPU را هماهنگ می کنند. سرعت کلاک بر حسب هرتز (هرتز) اندازه گیری می شود و تعیین می کند که CPU در هر ثانیه چند دستور را می تواند اجرا کند. CPU های مدرن دارای سرعت ساعت متغیر هستند که بر اساس حجم کاری تنظیم می شوند تا عملکرد و مصرف انرژی را متعادل کنند.

CPU چگونه کار می کند؟
پردازشگرهای رایانه با سایر اجزای سخت افزاری و برنامه های نرم افزاری برای پردازش داده ها و مدیریت جریان اطلاعات در دستگاه های الکترونیکی کار می کنند. آنها معمولاً در چرخه هایی کار می کنند که هر چرخه دستورالعمل نشان دهنده سه مرحله اصلی است.

CPU دستورالعمل ها را از حافظه واکشی می کند. دستورالعمل ها کدهای باینری هستند که وظایف یا عملیات خاصی را برای CPU نشان می دهند. واحد کنترل دستورالعمل را تفسیر می کند و عملیاتی که باید انجام شود را تعیین می کند. همچنین اجزای CPU خاص مورد نیاز برای کار را شناسایی می کند.

پردازش دستورالعمل
CPU عملیات مشخص شده را روی داده های واکشی شده انجام می دهد. محاسبات ریاضی، مقایسه های منطقی، دستکاری داده ها یا انتقال داده ها بین ثبات ها یا مکان های حافظه را انجام می دهد.

ذخیره سازی نتیجه
پس از اجرای دستورالعمل ها، CPU ممکن است نیاز به ذخیره نتایج در حافظه یا به روز رسانی ثبات های خاص با داده های جدید داشته باشد. شمارنده برنامه (PC) برای اشاره به آدرس دستورالعمل بعدی که باید واکشی شود به روز می شود. CPU چرخه را تکرار می کند و دستورالعمل ها را به صورت متوالی واکشی، رمزگشایی و اجرا می کند.

عملکردهای اضافی پردازنده
CPU همچنین می‌تواند دستورالعمل‌های کنترل جریان مانند پرش‌ها و شاخه‌ها را همراه با وقفه‌ها، سیگنال‌های تولید شده توسط دستگاه‌های خارجی یا رویدادهایی که نیاز به توجه فوری دارند، انجام دهد. هنگامی که یک وقفه رخ می دهد، CPU به طور موقت کار فعلی را به حالت تعلیق در می آورد، وضعیت آن را ذخیره می کند و به یک روال سرویس وقفه می پرد. پس از پردازش وقفه، CPU کار قبلی را از سر می گیرد.

CPU های مدرن اغلب از تکنیک هایی مانند موازی سازی و خط لوله سازی دستورالعمل ها برای افزایش عملکرد استفاده می کنند. دستورالعمل های متعدد می توانند به طور همزمان در مراحل مختلف چرخه باشند، که امکان استفاده کارآمدتر از منابع CPU را فراهم می کند.

برخی از ویژگی های پیشرفته CPU چیست؟
بهترین CPU از نظر عملکرد، کارایی و انعطاف‌پذیری عالی است و به آن اجازه می‌دهد تا به طور موثر طیف وسیعی از وظایف محاسباتی را انجام دهد. در ادامه برخی از ویژگی های پیشرفته را ارائه می دهیم.

هسته ها
در حالی که در گذشته یک پردازنده تک هسته ای استاندارد بود، امروزه همه CPU ها دارای چندین هسته فیزیکی هستند. هسته یک واحد پردازش جداگانه در یک CPU است. هسته های بیشتر به CPU اجازه می دهد تا چندین رشته (توالی از دستورالعمل ها) را به طور موازی مدیریت کند و عملکرد کلی را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. برنامه ها می توانند با تقسیم وظایف به وظایف فرعی کوچکتر که می توانند به طور همزمان تکمیل شوند از طراحی چند هسته ای بهره ببرند.

Hyperthreading
Hyper-threading یک پیاده سازی چند رشته ای همزمان است که توسط اینتل توسعه یافته است که به هر هسته CPU اجازه می دهد تا چندین رشته را به طور همزمان اجرا کند. این اجازه می دهد تا هر هسته فیزیکی به عنوان دو هسته مجازی در سیستم عامل ظاهر شود. این نرم افزار از منابع سخت افزاری موجود به طور موثرتری استفاده می کند.

مجموعه دستورالعمل های پیشرفته
CPU های مدرن همچنین دارای مجموعه دستورالعمل های پیشرفته و فناوری هایی هستند که برای سرعت بخشیدن به وظایف خاص طراحی شده اند. این مجموعه دستورالعمل‌ها فراتر از عملیات‌های اساسی حسابی و منطقی هستند و قابلیت‌های اضافی را برای انجام محاسبات پیچیده‌تر با کارآمدتر فراهم می‌کنند.

به عنوان مثال، CPU ها ممکن است شامل مجموعه های دستورالعمل به طور خاص برای این وظایف باشند:

وظایف چند رسانه ای، مانند رمزگشایی ویدیو، رمزگذاری صدا و پردازش تصویر.
الگوریتم های رمزگذاری و رمزگشایی، مانند استاندارد رمزگذاری پیشرفته (AES) و الگوریتم هش ایمن (SHA).
تک دستورالعمل، وظایف چندگانه داده (SIMD) که به CPU نیاز دارد تا به طور همزمان عملیات مشابهی را روی مجموعه داده های بزرگ انجام دهد. اینها کارهایی مانند رندر گرافیکی، شبیه سازی علمی و پردازش سیگنال دیجیتال هستند.
مجازی سازی، به ماشین های مجازی (VM) اجازه می دهد کارآمدتر کار کنند.
بار کاری هوش مصنوعی مانند عملیات شبکه عصبی.