المعالج متعدد النواة عبارة عن دائرة متكاملة بها معالجان أو أكثر متصلان بها من أجل معالجة متزامنة أسرع للعديد من المهام، وتقليل استهلاك الطاقة، ولأداء أفضل. بشكل عام، يتكون من معالجين أو أكثر يقرأون تعليمات البرنامج وينفذونها.

بمعنى آخر، على شريحة واحدة، يشتمل المعالج متعدد النواة على العديد من وحدات المعالجة، أو 'النوى'، كل منها لديه القدرة على القيام بمهام متميزة. على سبيل المثال، إذا كنت تؤدي العديد من المهام في وقت واحد، مثل مشاهدة فيلم واستخدام WhatsApp، فسوف يتعامل أحد النواة مع أنشطة مثل مشاهدة فيلم بينما يتولى الآخر مسؤوليات أخرى مثل WhatsApp.

يشبه التكوين ثنائي النواة وجود عدة معالجات مختلفة مثبتة على نفس الكمبيوتر، ولكن الاتصال بينها يكون أسرع لأن وحدتي المعالجة المركزية متصلتان بنفس المقبس. قد يتم تنفيذ العديد من التعليمات بالتوازي بواسطة نوى فردية، مما يعزز سرعة البرامج المصممة للاستفادة من الميزات الفريدة للهندسة المعمارية.

بالمقارنة مع المعالج أحادي النواة، فإن المعالج ثنائي النواة عادة ما يكون أقوى مرتين في الظروف المثالية. في الواقع، من المتوقع أن تصل مكاسب الأداء إلى حوالي 50%: وحدة المعالجة المركزية ثنائية النواة أقوى بحوالي 1.5 مرة من المعالج أحادي النواة.

ما هو المتكلم

مع وصول المعالجات أحادية النواة إلى حدودها المادية من حيث التعقيد والسرعة، أصبحت الحوسبة متعددة النواة أكثر شيوعًا. في العصر الحديث، غالبية الأنظمة متعددة النواة. تشير الأنظمة متعددة النواة أو متعددة النواة بشكل كبير إلى الأنظمة التي تحتوي على عدد كبير من مراكز وحدة المعالجة المركزية، مثل العشرات أو المئات.

في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، أصدرت Intel وAMD أول معالجات متعددة النواة. في العصر الحديث، تأتي وحدات المعالجة المركزية مع اثنين ('ثنائي النواة')، وأربعة ('رباعي النواة')، وستة ('سداسي النواة')، وثمانية ('ثماني النواة') ('ثماني النواة') ). تحتوي المعالجات المستندة إلى FPGA على ما يصل إلى 100 نواة فعلية و1000 نواة مستقلة فعالة (مصفوفات البوابات القابلة للبرمجة الميدانية).

بنية المعالج متعدد النواة

يتيح تصميم المعالج متعدد النواة إمكانية الاتصال بين جميع النوى المتاحة، ويقومون بتقسيم وتعيين جميع واجبات المعالجة بشكل مناسب. يتم إرسال البيانات المعالجة من كل نواة مرة أخرى إلى اللوحة الرئيسية للكمبيوتر (اللوحة الأم) عبر بوابة مشتركة واحدة بمجرد الانتهاء من جميع عمليات المعالجة. تتفوق هذه الطريقة على وحدة المعالجة المركزية أحادية النواة من حيث الأداء الإجمالي.

مزايا المعالج متعدد النواة

تتمتع المعالجات متعددة النواة بعدد من المزايا (الإيجابيات)، بما في ذلك:

حدد ك

أداء

يمكن لوحدة المعالجة المركزية متعددة النواة، بطبيعتها، القيام بالمزيد من العمل مقارنة بالمعالج أحادي النواة. يسمح التباعد بين مراكز الدائرة المتكاملة بمعدلات ساعة أسرع. ونتيجة لذلك، لا تحتاج الإشارات إلى قطع مسافة كبيرة للوصول إلى هدفها، كما أنها مستمرة أيضًا. عند مقارنتها باستخدام معالج منفصل، تكون السرعات أسرع بكثير.

مصداقية

في وحدات المعالجة المركزية متعددة النواة، يتم دائمًا تعيين البرنامج إلى مراكز مختلفة. عندما يفشل أحد البرامج، تظل الأجزاء الأخرى غير متأثرة. كلما ظهر خلل، فإنه يؤثر على نواة واحدة فقط. ونتيجة لذلك، أصبحت وحدات المعالجة المركزية متعددة النواة أكثر قدرة على مقاومة الأخطاء.

تفاعلات البرمجيات

حتى لو كان البرنامج يعمل على عدة مراكز، فإنه سوف يتواصل مع بعضها البعض. العزلة المكانية والزمانية هي عملية يمر بها المعالج متعدد النواة. لا يتم تأخير الخيوط الأساسية أبدًا نتيجة لهذه العمليات.

تعدد المهام

يمكن لنظام التشغيل استخدام وحدة المعالجة المركزية متعددة النواة لتشغيل عمليتين أو أكثر في نفس الوقت، حتى لو كان من الممكن تنفيذ العديد من البرامج في نفس الوقت. على سبيل المثال، يمكن استخدام تطبيق الفوتوشوب لأداء وظيفتين في وقت واحد.

استهلاك الطاقة

من ناحية أخرى، يتطلب تعدد المهام باستخدام وحدة المعالجة المركزية متعددة النواة طاقة أقل. سيتم استخدام جزء وحدة المعالجة المركزية الذي يولد الحرارة فقط. يتم تقليل استهلاك الطاقة في النهاية إلى الحد الأدنى، مما يؤدي إلى تقليل استخدام البطارية. من ناحية أخرى، تحتاج بعض أنظمة التشغيل إلى المزيد من الموارد مقارنة بأنظمة التشغيل الأخرى.

تجنب التقادم

يمكن للمهندسين المعماريين تجنب تقادم التكنولوجيا وزيادة قابلية الصيانة باستخدام وحدات المعالجة المركزية متعددة النواة. يستخدم صانعو الرقائق أحدث التطورات التكنولوجية في وحدات المعالجة المركزية متعددة النواة الخاصة بهم. أصبح الحصول على الرقائق أحادية النواة أمرًا صعبًا بشكل متزايد مع زيادة عدد النوى.

عزل

قد تزيد المعالجات متعددة النواة (لكنها لا تضمن) العزلة الجغرافية والزمنية عند مقارنتها بالأنظمة أحادية النواة. من غير المرجح أن تؤثر البرامج الموجودة على أحد النواة على البرامج الموجودة على الآخر إذا كان كلا المركزين يعملان على نفس المركز الفردي. يحدث هذا الانفصال بسبب العزلة الجغرافية والزمنية (لا تتأخر الخيوط الموجودة على أحد النواة بسبب الخيوط الموجودة على قلب آخر). بمساعدة الحد من تأثير الأخطاء على نواة واحدة، يمكن للمعالجة متعددة النواة أن تزيد من المتانة. عند تنفيذ برامج ذات أهمية مختلطة بشكل منفصل، يكون هذا العزل المعزز مهمًا جدًا (الأمر الحرج للسلامة، والمهمة الحرجة، والحرج للأمان).

int إلى السلسلة في Java

بعض النقاط الرئيسية الأخرى لفوائد المعالج متعدد النواة:

• عند مقارنتها بالمعالجات أحادية النواة، يتمتع المعالج متعدد النواة بإمكانية القيام بمزيد من المهام.
• انخفاض استهلاك الطاقة عند القيام بالعديد من الأنشطة في وقت واحد.
• تستغرق البيانات وقتًا أقل للوصول إلى وجهتها نظرًا لدمج كلا النواتين في شريحة واحدة.
• مع استخدام دائرة صغيرة، يمكن زيادة السرعة.
• يعد اكتشاف الإصابات باستخدام برامج مكافحة الفيروسات أثناء ممارسة إحدى الألعاب مثالاً على تعدد المهام.
• مع استخدام التردد المنخفض، يمكن إنجاز العديد من المهام في نفس الوقت.
• بالمقارنة مع المعالج أحادي النواة، فهو قادر على معالجة كميات كبيرة من البيانات.

عيوب المعالجات متعددة النواة

سنتناول بعض القيود (العيوب) للمعالج متعدد النواة، بما في ذلك:

سرعة التطبيق

على الرغم من أن وحدة المعالجة المركزية متعددة النواة مصممة لتعدد المهام، إلا أن أدائها غير كافٍ. يميل إلى الارتداد من مركز إلى آخر في كل مرة تتم فيها معالجة التطبيق. ونتيجة لذلك، تمتلئ ذاكرة التخزين المؤقت، مما يزيد من سرعتها.

تقطع

يتطور المزيد من التداخل مع زيادة عدد النوى في وحدة المعالجة المركزية متعددة النواة، مما يؤدي إلى توتر مفرط. ونتيجة لذلك، قد يتأثر أداء برنامج نظام التشغيل الخاص بك، وقد تحدث أعطال متكررة. لن يتمكن المستخدم من التعامل مع الارتعاش إلا عن طريق استخدام المزامنة المناسبة والنوية الدقيقة.

تحليل

عندما تقوم بشيئين أو أكثر في وقت واحد، ستحتاج إلى استخدام نماذج ذاكرة إضافية. وفي جهاز متعدد النواة، فإن هذا يجعل التحليل صعبًا. ومن الصعب تحديد القيود الزمنية، على وجه الخصوص، وقد تكون غير دقيقة.

علاوة على ذلك، يصبح تحليل التداخل أكثر تعقيدًا مع زيادة عدد النوى. وبالتالي، لن يتمكن نظام التشغيل/الخدمة من تحقيق النتائج الموعودة.

تقاسم الموارد

يشترك المعالج متعدد النواة في مجموعة متنوعة من الموارد، الداخلية والخارجية. تعد الشبكات وحافلات النظام والذاكرة الرئيسية من بين هذه الموارد. وبالتالي، فإن أي برنامج يعمل على نفس النواة سيكون لديه فرصة أكبر للمقاطعة. يمكن أن تحدث العزلة الجغرافية والزمنية في هذا الشكل من التدخل.

تدخل البرمجيات

بسبب تقاسم الموارد، يمكن أن يسبب تدخل البرامج مشاكل في العزل المكاني والزماني. إذا كان هناك نوى إضافية، فإن هذه الفرصة تزيد أكثر. وجود عدد أكبر من النوى يعني وجود عدد أكبر من مسارات التداخل. يكاد يكون من المستحيل فحص جميع مسارات التداخل المحتملة.

بعض النقاط الرئيسية الأخرى لقيود المعالج متعدد النواة:

تحويل شار إلى سلسلة

• وعلى الرغم من احتوائه على عدة معالجات، إلا أنه ليس أسرع بمرتين من المعالج البسيط.
• تعد مهمة الإدارة أكثر تعقيدًا مقارنة بإدارة وحدة المعالجة المركزية أحادية النواة.
• يعتمد أداء المعالج متعدد النواة بشكل كامل على المهام التي ينفذها المستخدمون.
• إذا كانت المعالجات الأخرى تتطلب معالجة خطية/تسلسلية، فإن المعالجات متعددة النواة تستغرق وقتًا أطول للمعالجة.
• تستنزف البطارية بسرعة أكبر.
• استهلاكه للطاقة مرتفع جدًا مقارنة بمعالج أبسط.
• علاوة على ذلك، بالمقارنة مع المعالج أحادي النواة، فهو أكثر تكلفة.

لماذا يتم استخدام المعالج متعدد النواة؟

التكوين مشابه لمعالج ثنائي النواة. يتم تصنيف المعالجات متعددة النواة حسب عدد النوى وأنواع النوى. هدف وحدة المعالجة المركزية متعددة النواة هو الحصول على أداء رائع. لقد تم تصميمه لتجاوز القيود المادية لوحدة المعالجة المركزية أحادية النواة.

تشمل أنظمة التشغيل الداعمة للمعالج متعدد النواة ما يلي:

• لينكس
• مايكروسوفت ويندوز (ويندوز XP أو أعلى)
• معظم الأنظمة المعتمدة على BSD
• سولاريس
• ماك أو إس إكس

تاريخ موجز للمعالجات متعددة النواة

نظرًا لأن الشركات التي قامت بإنشاء المعالجات الأولية المعتمدة على الرقائق يمكنها وضع معالج واحد فقط على شريحة واحدة، فيمكنها تركيب معالج واحد فقط على شريحة واحدة. تمكن صانعو الرقائق من بناء شرائح تحتوي على المزيد من الدوائر مع تقدم تكنولوجيا صناعة الرقائق، وأخيرًا، تمكن صانعو الرقائق من صنع شرائح بأكثر من معالج، مما أدى إلى ظهور الشريحة متعددة النواة.

في عام 1998، تم اختراع أول معالج متعدد النواة من قبل كونلي أولوكوتون، أستاذ الهندسة الكهربائية في جامعة ستانفورد، وطلابه. تم الوصول إلى الرقائق متعددة النواة تجاريًا لأول مرة في عام 2005 من شركة Advanced Micro Devices (AMD) وIntel. بدأ كل صانع للرقائق تقريبًا منذ ذلك الحين في إنشاء معالجات متعددة النواة.

إدخال سلسلة في جافا

أين يتم استخدام المعالجات متعددة النواة؟

في العصر الحديث، توجد المعالجات متعددة النواة في غالبية الأجهزة مثل الأجهزة اللوحية وأجهزة الكمبيوتر المكتبية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف الذكية وأنظمة الألعاب.

يوضح الخياران الأساسيان المقدمان كيف أن نموذج المعالج لا يروي القصة بأكملها فيما يتعلق بالأداء. بالمقارنة مع معالج i5 ثنائي النواة، فإن أداء معالج i5 رباعي النواة يتفوق بشكل كبير، وسيعكس سعر الكمبيوتر ذلك. جميع طرازات أجهزة الكمبيوتر المحمول الحالية لطراز i5 هي ثنائية النواة، في حين أن جميع نماذج سطح المكتب هي رباعية النواة حتى كتابة هذه السطور. نظرًا لأن إصدارات الكمبيوتر المحمول ثنائية النواة وليست رباعية النواة، فإن أداء معالج i5 في الكمبيوتر المحمول سيكون أضعف من أداء i5 على سطح المكتب. يعتبر النوع ثنائي النواة أكثر ملاءمة لأجهزة الكمبيوتر المحمولة التي تتطلب عمرًا أطول للبطارية وتستهلك طاقة أقل، لكن الكمبيوتر المكتبي يستخدم وحدة المعالجة المركزية التي تستخدم المزيد من الطاقة، مثل الطراز رباعي النواة، لأنه لا يتطلب عمرًا للبطارية. بعض تطبيقات المعالج متعدد النواة هي كما يلي:

• الألعاب ذات الجرافيك العالي مثل Overwatch وStar Wars Battlefront، بالإضافة إلى الألعاب ثلاثية الأبعاد.
• يعد المعالج متعدد النواة أكثر ملاءمة في Adobe Premiere وAdobe Photoshop وiMovie وبرامج تحرير الفيديو الأخرى.
• برنامج Solidworks مع التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD).
• ارتفاع حركة مرور الشبكة وخوادم قواعد البيانات.
• فالروبوتات الصناعية، على سبيل المثال، هي أنظمة مدمجة.