سی پی یو چیست؛ نگاهی موشکافانه به مغز سیستم

واحد پردازش مرکزی یا CPU جزء لاینفک هر سیستم کامپیوتری مدرن است. پردازنده به عنوان مغز رایانه شما عمل و دستورالعمل‌ها را اجرا می کند، محاسبات را انجام می دهد و داده‌ها را مدیریت می کند تا از عملکرد دستگاه اطمینان حاصل نماید. در این مقاله به سوال سی پی یو چیست؟ پاسخ داده و عمیقاً به دنیای سی پی یو‌ها می پردازیم و تاریخچه، معماری، عملکرد و اهمیت آنها را در قلمرو همیشه در حال تکامل محاسبات بررسی خواهیم کرد.

سی پی یو چیست؟ صفر تا صد مغز رایانه

واحد پردازش مرکزی که به اختصار CPU نامیده می شود، جزء اصلی مسئول اجرای دستورالعمل ها و انجام محاسبات در یک کامپیوتر است. CPU که اغلب به عنوان “مغز” رایانه نامیده می شود، طیف گسترده ای از وظایف، از عملیات ساده حسابی تا پردازش داده های پیچیده را تفسیر و انجام می دهد. بدون CPU، یک کامپیوتر بی اثر خواهد بود و قادر به انجام هیچ عملکرد مفیدی نیست.

تاریخچه CPU ها به اواسط قرن بیستم باز می گردد، زمانی که کامپیوترهای اولیه از لوله های خلاء و مدارهای الکتریکی برای انجام محاسبات استفاده می کردند. این پردازنده‌های اولیه بزرگ، پرقدرت و با استانداردهای امروزی نسبتاً کند بودند. در طول دهه ها، پیشرفت در فناوری نیمه هادی‌ها و میکروالکترونیک، طراحی و قابلیت‌های CPU ها را متحول کرد و منجر به پردازنده های فشرده و قدرتمندی شد که امروزه با نام سی پی یو یا پردازنده می‌شناسیم.

به لطف قانون مور، اصلی که پیش بینی می کند تعداد ترانزیستورها در مدارهای مجتمع تقریباً هر دو سال یکبار دو برابر می شود تکامل CPU ها با رشد تصاعدی در قدرت پردازش آنها در حال انجام است،. این پیشرفت بی وقفه کامپیوترها را قادر می سازد کوچکتر، سریعتر و کارآمدتر شوند و راه را برای نوآوری در زمینه های مختلف از جمله تحقیقات علمی، سرگرمی و تجارت هموار کند.

معماری CPU

با توجه به اهمیت سی پی یوها بد نیست تا نگاهی داشته باشیم به معماری این قطعه ی کوچک اما تاثیر گذار در تاریخ فناوری های تولید شده به دست انسان. معماری سی پی یو به طراحی داخلی و ساختار داخلی یک واحد پردازشی مرکزی در یک کامپیوتر اشاره دارد. این معماری تعیین کننده عملکرد و قابلیت‌های یک پردازنده است. چندین نوع معماری سی پی یو وجود دارد، اما دو معماری اصلی و متداول عبارتند از:

• معماری RISC (Reduced Instruction Set Computer): در این معماری، تعداد دستورات ماشینی (instruction set) به حداقل کاهش می‌یابد. دستورات ساده‌تر و کارآمدتری در این معماری استفاده می‌شوند، که باعث افزایش سرعت عملیات پردازشی می‌شود. پردازنده‌های RISC عمدتاً در کاربردهایی که نیاز به عملیات سریع و انجام محاسبات مکرر دارند، مثل کامپیوترهای شخصی، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• معماری CISC (Complex Instruction Set Computer): در این معماری، تعداد زیادی دستورات ماشینی و دستورات پیچیده تر به پردازنده اضافه می‌شود. این معماری برای پشتیبانی از دستورات گوناگون و کاربردهای متنوع مورد استفاده قرار می‌گیرد. پردازنده‌های CISC به طور عمده در سرورها و کامپیوترهایی با نیاز به پردازش داده‌های پیچیده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

هر دو معماری مزایا و معایب خود را دارند و انتخاب معماری مناسب برای یک پروژه وابسته به نیازها و اهداف خاص آن پروژه است. همچنین، تکنولوژی‌های پیشرفته معماری‌های سی پی یو را به طور مداوم بهبود می‌بخشند و ترکیبی از ویژگی‌های RISC و CISC را در پردازنده‌های مدرن ممکن می‌سازند.

اجزای پردازنده

پردازنده ها یا سی پی یوها از چندین جزء تشکیل شده‌اند که در ادامه به معرفی آن‌ها می‌پردازیم.

•  واحد منطق حسابی (ALU): ALU بخشی از پردازنده است که عملیات ریاضی و منطقی مانند جمع، تفریق، ضرب، تقسیم و مقایسه را انجام می دهد. محاسبات و دستکاری داده ها را انجام می دهد.
•  واحد کنترل: واحد کنترل اجرای دستورالعمل های ذخیره شده در حافظه کامپیوتر را مدیریت می کند. دستورات را از حافظه واکشی می‌کند، آنها را رمزگشایی می‌کند و اقدامات لازم برای اجرای آن دستورالعمل‌ها را هماهنگ می‌کند و اطمینان حاصل می‌کند که آنها به ترتیب صحیح اجرا می‌شوند.
• ثبات ها: رجیسترها مکان های ذخیره سازی کوچک و پرسرعتی در CPU هستند که به طور موقت داده ها و دستورالعمل ها را در حین پردازش نگهداری می کنند. آنها دسترسی سریع به اطلاعات پرکاربرد را فراهم می کنند و برای ذخیره نتایج میانی و آدرس های حافظه استفاده می شوند.
• کش: کش یک نوع حافظه کوچک اما بسیار سریع است که در داخل CPU قرار دارد. به عنوان یک بافر بین پردازنده و حافظه اصلی کامپیوتر (RAM) عمل می کند. حافظه پنهان داده ها و دستورالعمل ها را که اغلب به آنها دسترسی دارند ذخیره می کند و زمان بازیابی آنها از حافظه اصلی کندتر توسط CPU را کاهش می دهد و در نتیجه عملکرد کلی سیستم را بهبود می بخشد.
• ساعت: ساعت که اغلب به عنوان ساعت سیستم از آن یاد می شود، عملیات CPU را با تولید یک پالس ثابت یا سیکل ساعت هماهنگ می کند. هر چرخه ساعت نشان دهنده یک واحد زمان ثابت است که در طی آن پردازنده می تواند وظایفی را انجام دهد. سرعت کلاک بر حسب هرتز (هرتز) اندازه گیری می شود و عامل مهمی در تعیین عملکرد پردازنده است.

این اجزا به طور یکپارچه برای اجرای دستورالعمل ها، دستکاری داده ها و انجام محاسبات با هم کار می کنند و CPU را قادر می سازند تا طیف وسیعی از وظایف را از اجرای برنامه های نرم افزاری گرفته تا مدیریت عملیات سیستم انجام دهد. پیشرفت در طراحی و فناوری پردازنده منجر به پیشرفت های قابل توجهی در قدرت محاسباتی و کارایی در طول سال ها شده است.

بیشتر بخوانید: تفاوت پردازنده اینتل و رایزن؛ رقبای محبوب قدیمی

روش کار سی پی یو

سی پی یو (CPU) به عنوان مغز یا واحد پردازشی مرکزی یک کامپیوتر عمل می‌کند و مسئول اجرای دستورات و انجام محاسبات است. عملیات اصلی یک CPU از چرخه ای به نام چرخه “بازیابی، تفسیر، اجرا” پیروی می کند. در ادامه هر مرحله از این چرخه را توضیح می دهیم که چگونه دستورالعمل ها از حافظه واکشی و رمزگشایی می شوند و توسط CPU اجرا می شوند. روش کار سی پی یو به صورت سیکل‌های ساعتی انجام می‌شود و شامل مراحل زیر می‌شود:

• بازیابی (Fetch): در ابتدا، سی پی یو از حافظه اصلی (RAM) دستورات ماشینی (instruction) را با استفاده از آدرس مرتبط با آن‌ها بازیابی می‌کند.  این آدرس‌ها از مکانی به نام مکان نشانگر دستور (Program Counter) به دست می‌آید که نشانگر محل فعلی اجرای برنامه در حافظه است.
• تفسیر و دیکد (Decode): دستورات بازیابی شده در این مرحله تفسیر و دیکد می‌شوند. این بدان معناست که سی پی یو تشخیص می‌دهد که دستور چه کاری باید انجام دهد و کدام عملیات‌ها را باید اجرا کند.
• اجرا (Execute): در این مرحله، سی پی یو عملیات‌های مورد نیاز برای دستور انجام می‌دهد. این عملیات ممکن است شامل محاسبات ریاضی، عملیات منطقی، و یا دسترسی به حافظه باشد.
• ذخیره نتیجه (Write Back): نتیجه عملیات انجام شده در مرحله قبلی در این مرحله به حافظه اصلی یا به رجیسترهای داخلی سی پی یو ذخیره می‌شود.

این چرخه‌ها به صورت مداوم تکرار می‌شوند، و سرعت سیکل‌های ساعتی توسط ساعت سیستم (system clock) کنترل می‌شود. هر چه سرعت ساعت بیشتر باشد، سی پی یو قادر به انجام عملیات‌های بیشتر در یک زمان کوتاه‌تر خواهد بود، که به عبارت دیگر بهبود عملکرد سیستم را فراهم می‌کند. به طور کلی، سی پی یو این دستورات و مراحل را به سرعت بسیار بالا و به صورت متوالی انجام می‌دهد تا اجرای برنامه‌ها و کارهای مختلف در کامپیوتر را فراهم کند.

بیشتر بخوانید: Core i چیست + معرفی پردازنده‌های اینتل

تولید کنندگان CPU

• اینتل

سی پی یو اینتل پرفروش ترین مدل پردازنده در بازار جهانی است و Intel Corporation یکی از بزرگترین و معتبرترین شرکت‌های تولید کننده پردازنده‌ها در صنعت کامپیوتر به شمار می‌رود. این شرکت آمریکایی با تاریخچه‌ای طولانی در طراحی و تولید پردازنده‌های انواعی مانند سری Core i و Xeon شناخته می‌شود. محصولات Intel به عنوان گزینه‌ای قدرتمند و پایدار در بازار کامپیوترهای شخصی، سرورها و دستگاه‌های تعبیه‌شده شناخته می‌شوند. همچنین، Intel همیشه در پیشرفت تکنولوژی پردازنده‌ها بوده و به وسیله نوآوری‌هایی مانند فناوری Hyper-Threading و Turbo Boost توانسته است عملکرد پردازنده‌ها را بهبود بخشد.

• AMD

Advanced Micro Devices (AMD) یکی دیگر از بازیگران برجسته در بازار CPU است که به دلیل پیشنهادات و نوآوری های رقابتی خود در زمینه تولید انواع سی پی یو ای ام دی شناخته شده است. شرکت AMD یک رقیب قدرتمند برای Intel در صنعت پردازنده‌ ست. این شرکت آمریکایی با معرفی پردازنده‌های Ryzen با عملکرد بالا، مصرف انرژی کم، و قیمت مناسب، توانسته است نفوذ قابل توجهی در بازار کسب کند. همچنین، در حوزه سرورها و مراکز داده، پردازنده‌های AMD EPYC با کارایی بالا و امکانات پیشرفته شناخته می‌شوند. AMD به عنوان یک گزینه متنوع و اقتصادی برای کسانی که به دنبال تنوع در انتخاب پردازنده هستند، شناخته می‌شود و در تلاش برای ایجاد رقابت در بازار پردازنده‌ها به پیشرفتهایی نظیر فناوری مولتی‌کور و فناوری ریزمعماری Zen اعتماد دارد.

• ARM

شرکت ARM Holdings یک شرکت بریتانیایی است که در طراحی پردازنده‌ها و میکروپروسسورهای با مصرف برق کم متخصص است. این شرکت طراحی‌ پردازنده‌های خود را به سایر شرکت‌های تولید کننده پردازنده‌ها (مانند Qualcomm و Apple) ارائه می‌دهند. طراحی‌های ARM به دلیل مصرف انرژی پایین و انعطاف پذیری بالا در دستگاه‌های قابل حمل، تلفن‌های همراه، تلویزیون‌های هوشمند، و دستگاه‌های اینترنت اشیاء (IoT) مورد استفاده قرار می‌گیرند. این شرکت معمولاً به عنوان یک پیشرو در زمینه پردازنده‌های با مصرف برق کم شناخته می‌شود.

• IBM

IBM (International Business Machines Corporation) یکی از شرکت‌های بزرگ و با قدمت زیاد در عالم تکنولوژی و مهندسی می‌باشد. این شرکت آمریکایی در زمینه توسعه و تولید پردازنده‌ها و سیستم‌های پردازش داده‌های بزرگ و مهم فعالیت دارد. پردازنده‌های IBM معمولاً برای سرورهای بزرگ، محاسبات علمی، و تحقیقاتی با نیازهای خاص تولید می‌شوند. شرکت IBM همچنین در زمینه تحقیقات پیشرفته و توسعه فناوری‌های نوآورانه مانند کوانتوم کامپیوتینگ و هوش مصنوعی فعالیت دارد. IBM به عنوان یکی از عوامل اصلی در توسعه تکنولوژی‌های پیشرفته در دنیای تکنولوژی معرفی می‌شود.

بیشتر بخوانید: بررسی جامع تفاوت فن پردازنده 3 پین و 4 پین

انتخاب CPU مناسب

انتخاب CPU مناسب برای نیازهای شما مستلزم در نظر گرفتن فاکتورهای مختلفی مانند میزان استفاده، بودجه و سازگاری است. در اینجا سه نکته کلیدی برای انتخاب سی پی یو مناسب را بررسی می‌کنیم.

• اهداف و کاربردها: اولین قدم در انتخاب سی پی یو مناسب، تعیین اهداف و کاربردهای شماست. اگر برنامه‌های عمومی و کاربردهای روزمره مانند مرور وب و ایمیل استفاده می‌کنید، پردازنده‌های متوسط ​​تا ارزان می‌توانند کافی باشند. اما اگر به کاربردهای مرتبط با گرافیک، بازی‌های سنگین، ویرایش ویدیو یا مدل‌سازی سه‌بعدی نیاز دارید، نیاز به پردازنده‌های قدرتمندتر با قابلیت‌های چند هسته‌ای و فرکانس‌های بالا خواهید داشت.
• سازگاری با سیستم: سی پی یو باید با سیستم شما سازگار باشد. این به معنای بررسی این است که سوکت پردازنده (Socket) و نوع مادربورد شما با سی پی یو انتخابی همخوانی دارد. همچنین، مطمئن شوید که منبع تغذیه (PSU) سیستم شما قدرت کافی را برای تامین نیازهای برقی سی پی یو دارد.
• بودجه: بودجه شما نیز یک عامل مهم در انتخاب سی پی یو است. سی پی یو‌ها با قیمت‌های مختلف در بازار موجود هستند. انتخاب یک سی پی یو با توجه به بودجه مالی شما مهم است. ممکن است بخواهید تعادلی بین کارایی و قیمت بیابید تا نیازهای خود را برآورده کنید.

با توجه به این نکات، باید با دقت انتخاب کنید. همچنین، مطالعه نقدها و مقایسه مشخصات فنی می‌تواند به شما کمک کند تا سی پی یو مناسبتری را برای نیازهای خود پیدا کنید.

بیشتر بخوانید: آموزش اورکلاک کردن پردازنده CPU + معرفی نرم افزار Extreme Tuning Utility

پیشرفت های پیشرو در فناوری CPU

پیشرفت‌ها در زمینه پردازنده‌ها در شکل‌دهی چشم‌انداز محاسباتی مدرن مؤثر بوده است. یکی از مهم ترین پیشرفت ها، پایبندی بی وقفه به قانون مور است که صنعت نیمه هادی را برای دهه ها هدایت کرده است. این اصل که به نام گوردون مور یکی از بنیانگذاران اینتل نامگذاری شد، پیش‌بینی کرد که تعداد ترانزیستورهای روی یک ریزتراشه تقریباً هر دو سال یکبار دو برابر می‌شود و منجر به افزایش تصاعدی در قدرت پردازش می‌شود. این پیش‌بینی درست بوده و منجر به کوچک‌سازی دائمی ترانزیستورها و تولید پردازنده‌های قدرتمندتر و کم مصرف‌تر می‌شود.

یکی دیگر از پیشرفت های قابل توجه، پذیرش گسترده پردازنده های چند هسته ای است. سازندگان به جای تمرکز صرف بر افزایش سرعت ساعت، شروع به ترکیب چندین هسته پردازشی روی یک تراشه کردند. این تغییر امکان پردازش موازی را فراهم کرد که به طور قابل توجهی عملکرد برنامه های چند رشته ای را افزایش داد و کارهایی مانند ویرایش ویدئو، رندر سه بعدی و شبیه سازی های علمی را بسیار سریعتر و کارآمدتر کرد. به‌علاوه، پیشرفت‌ها در طراحی معماری، فرآیندهای تولید و ادغام سخت‌افزارهای تخصصی برای کارهایی مانند هوش مصنوعی و محاسبات کوانتومی همچنان مرزهای آنچه پردازنده‌ها می‌توانند به آن دست یابند، ادامه می‌دهند و تضمین می‌کنند که آنها در خط مقدم نوآوری‌های فناوری باقی می‌مانند.

جمع بندی

در نتیجه، واحد پردازش مرکزی (CPU) سنگ بنای محاسبات مدرن است که امکان اجرای دستورالعمل‌ها، پردازش داده‌ها و پیشرفت‌های بی‌شماری فناوری را فراهم می‌کند. همانطور که در دنیای پیچیده معماری، عملکرد و روندهای CPU سفر می کنیم، درک عمیق تری از نقش حیاتی CPU ها در شکل دادن به چشم انداز دیجیتال ایفا می کنیم. چه از علاقه مندان به فناوری، چه حرفه ای یا صرفاً در مورد عملکرد درونی رایانه ها کنجکاو باشید، درک CPU گامی اساسی در جهت تسلط بر قلمرو همیشه در حال تکامل فناوری است.

شما می‌توانید برای خرید و خواندن مقاله های بیشتر به فروشگاه مقداد آی تی و مجله مقداد آی تی مراجعه کنید.