آشنایی با پردازنده های چند هسته ای

پردازنده ها نقش اساسی در سرعت و کارایی کامپیوتر دارند. مغز اصلی یک کامپیوتر پردازنده آن محسوب میشود. شرکت های تولید کننده پردازنده های کامپیوتر از اولین روز تولید همیشه در صدد بالا بردن توان پردازنده های خود بوده اند.

پردازنده چند هسته‌ای به چه معناست؟ یعنی تعدادی از این هسته‌های پردازشی (Core Processors) روی سطح یک Die قرار گیرند. توجه داشته باشید که سطح یک Die معمولا چیزی حدود 150 تا 180 میلی‌متر مربع است. یعنی به اندازه یک سکه کوچک میباشد.

از حدود سال 1384 تا به امروز، پردازنده‌ها دارای 2 یا تعداد بیشتری هسته پردازشی شدند. دقت داشته باشید که همیشه تعداد هسته‌های پردازشی زوج است، نه فرد!! البته در معدود دفعاتی دیده شده است که شرکت سازنده یکی از پردازنده‌های چهارهسته‌ای خود را خاموش کرده است و به عنوان پردازنده‌ای ‌3 هسته‌ای وارد بازار کرده، اما همیشه یادتان باشد که پردازنده‌ها تعداد هسته‌های زوج دارند.

در پردازنده های نسل قدیم ارتقا سرعت با افزایش فرکانس کاری پردازنده کار نسبتا ساده ای به نظر میرسد. اما این عمل باعث اتلاف زیادی گرما در پردازنده میشد و عمر این قطعه را کم میکرد. از این رو احتیاج به تکنولوژی جدیدی بود که با افزایش کارایی پردازنده از تولید گرمای اضافی در آن ها جلوگیری کند.

برای رفع این مشکل پردازنده های چند هسته ای شروع به شکل گرفتن کردند. به این شکل که در کنار پردازنده یک میکرو پروسسور دیگر نیز با ظرفیت حافظه Cash در سطح 1 و 2 وجود دارد.

حافظه Cash سطح 1 نزدیک به هسته اصلی پردازنده میباشد. و از سرعت بالاتر و ظرفیت کمتری برخوردار است.

حافظه Cash سطح 2 از ظرفیت بزرگتری برخوردار است ولی سرعت کمتری نسبت به حافظه Cash سطح 1 دارد. به عنوان مثال ذخیره کردن یک فایل Word در حافظه بزرگتر انجام میگیرد.

دو شرکت Intel و AMD از تولید کننده های اصلی پردازنده ها هستند. چند هسته کردن پردازنده ها باعث شده که بر مشکلات توان و دما در پردازنده ها بتوانند غلبه کنند. اما منسجم کردن حافظه های Cash سطح 1 و 2 نیز چالش بزرگی برای تولید پردازنده های چند هسته ای به شمار میاید.

اگر برنامه نویسان برنامه های خود را برای کار با این نوع پردازنده ها بهینه سازی نکنند عملا این نوع پردازنده ها کارایی خاصی را نخواهند داشت.

 Intel تعداد زیادی پردازنده چند هسته ای متفاوت تولید میکند. پنتیوم D در کامپیوترهای رومیزی استفاده میشود. Core 2 Due هم در محیط لپ تاپ و هم در رومیزی، پردازنه Xeon در سرویس دهنده‌ ها استفاده میشود.

AMD دارای طیف Althon برای کامپیوترهای رومیزی، Tution برای لپ تاپ‌ها و Opteron برای سرویس دهنده‌ها و ایستگاه‌ های کاری است. اگر چه Core 2 Due و Althon 64x2 هر دو برروی یک پایه‌اند ولی ساختارهای آنها بسیار متفاوت اند.

آشنایی با CPU (قسمت دوم)

شرکت های تولیدکننده پردازنده:
با توجه به این که پردازنده ها دستورهای خاصی را می پذیرند و برنامه های خاصی را اجرا می کنند، طبیعتا پردازنده های گوناگونی وجود دارند. این پردازنده ها توسط شرکت های مختلفی تولید می شوند. بعضی از آن ها مشابه و سازگارند و برخی دیگر ناسازگار. معروف ترین این شرکت ها عبارتنداز:

Cyrix- Motorola- IDT- IIT- NEC- Nexgen- Rise- Metaflow- Chips & Technology-Intel- IBM- AMD

معمولا بر روی هر CPU نام شرکت تولید کننده نوشته می شود، ممکن است شماره آن نیز همراه با حرف اول و یا دو حرف اول تولید کننده نوشته شود.

نسل های پردازنده ها:
مهم ترین عامل شناسایی پردازنده ها، نوع آنها می باشد که با شماره و یا نام اختصاصی مشخص می شود. از بین پردازنده های تولید شده نوع اینتل و موتورولا متداولتر از بقیه هستند. موتورولا پردازنده خود را به صورت 86xxx یا نام اختصاصی و اینتل به صورت 80x86 یا نام اختصاصی خود به بازار معرفی نمودند. بدین صورت x می تواند یک عدد دلخواه یک رقمی باشد که هر چه مقدار آن بیشتر باشد در نتیجه رقم آن بزرگ تر بوده و پردازنده جدید تر، سریعتر و کاراتر می باشد. قبل از پردازنده پنتیوم، پردازنده ها یک شماره 5 رقمی داشتند که دو رقم سمت چپ معمولا نام پردازنده و سه رقم سمت راست نسل پردازنده را مشخص می کنند.

برخی سازندگان دیگر به جای شماره از نام های اختصاصی مانند K5 و K6 استفاده می نمودند.

مدل پردازنده:
هر کدام از نسل های مختلف پردازنده ها دارای انواع متفاوتی می باشند که برای کارهای خاصی ساخته شده اند. به عنوان مثال پردازنده های 80486 داری انواع (SX- SLC- DX- DX2- DX3- DX4- DX5 ) می باشد که در آن DX اولین پردازنده با یک کمک پردازنده است که دارای 8 کیلوبایت حافظه زمان اولیه می باشد و سرعت آن50 برابر 8088 است، در صورتی که SX فاقد کمک پردازنده می باشد. نسل پنجم پردازنده اینتل دارای مدل های کلاسیک (MMX ) می باشد. نسل ششم پردازنده اینتل دارای مدل های (IIT,II ,PRO Celeron ) هستند. نسل هفتم پردازنده های اینتل دارای مدل های (ایتانیوم) 64 بیتی با سرعت یک گیگاهرتز می باشد.

سرعت پردازنده:
یکی از مواردی که مستقیا روی کارآیی پردازنده اثر می گذارد سرعت آن است که معمولا بر روی آن نوشته می شود. هر چه پردازنده سریعتر باشد اطلاعات را سریعتر پردازش می کند. سرعت پردازنده ها بر حسب مگاهرتز بیان می شود و یک مگاهرتز، معادل یک میلیون چرخه در ثانیه است. بعضی تولید کنندگان سرعتی را که بر روی پردازنده می نویسند واقعی نیست، بلکه آنها توانمندی پردازنده در مقابل اینتل را می سنجند و به آن سرعت معادل پنتیوم می گویند. عوامل مؤثر در کارآیی پردازنده، فرکانس ساعت یا سرعت ساعت است که معمولا به دو صورت می باشد:

1- سرعت ساعت داخلی: در این حالت پردازنده عملیات داخلی خود را براساس این ساعت انجام می دهد، این سرعت برابر سرعتی است که بر روی پردازنده ذکر شده است. در هنگام فروش نیز این سرعت را معرفی می کنند.
2- سرعت ساعت خارجی (سرعت گذرگاه سیستم): این سرعت در واقع مدار الکترونیکی است که خارج از تراشه قرار دارد و به پایه های مربوط به ساعت وصل می شود. اطلاعات خارج از پردازنده مانند اطلاعات حافظه اصلی رایانه بر این اساس سنجیده می شود.

ولتاژ پردازنده:
در ابتدای ساخت پردازنده ها، از ولتاژ 5 ولتی به صورت استاندارد استفاده می شد، اما پس از ورود پردازنده های «486 دی ایکس 4» و «پنتیوم» از ولتاژهای پایین تر مانند 8/2 و 3/3 نیز استفاده می شود.

جایگاه پردازنده:
پردازنده معمولا بر روی شبکه ای از سوراخ های کوچک بر روی مادربرد قرار می گیرد. به طور کلی تراشه گیر، محلی برای نصب پردازنده یا هر نوع آی سی است.
نکته: پردازنده معمولا روی مادربرد لحیم نمی شود تا بتوان آن را ارتقا یا تعویض نمود.

گرماگیر پردازنده:
پردازنده ها در زمان کار کردن گرمای زیادی تولید می کنند و اگر این گرما دفع نشود ممکن است پردازنده بسوزد. برای خنک نگه داشتن پردازنده از چند روش استفاده می شود:

1- استفاده از فن یا خنک کننده (Fan ): قرارگیری یک پنکه کوچک بر روی پردازنده باعث حرکت هوا و هدایت گرما به بیرون می شود. معمولا در جعبه اصلی رایانه پنکه ای برای بیرون بردن گرما وجود دارد. با این حال قرار دادن یک پنکه کوچک پردازنده را بهتر خنک می کند و کارآیی رایانه بالا می رود. بعضی از پنکه ها برای اتصال به پردازنده دارای یک گیره می باشد که باید توجه نمود در هنگام نصب نباید به مادربرد برخورد کند.
2- استفاده از گرماگیر: گرماگیر وسیله ای فلزی است که حرارت تولید شده را به وسیله یک قطعه الکتریکی جذب و به بیرون می فرستد. گرماگیر دارای پره های فلزی یا سرامیکی است.
3- استفاده از مواد پرکننده: این مواد بین پردازنده و پنکه قرار می گیرد و باعث خنک شدن پردازنده می شود. این ماده با نام چسب نیز شناخته می شود.

پردازنده های تقلبی:
جهت تشخیص پردازنده های تقلبی از اصل می توان از روش های زیر استفاده نمود:

1- روش چشمی: کج بودن نوشته های روی پردازنده - کم رنگ بودن نوشته ها - وجود خراش - وجود رنگ پریدگی چاپ قبلی - کوچک و بزرگ بودن حروف و عددها
2- شماره سریال: جهت دریافت شماره سریال های واقعی می توانید از برنامه ID CPU استفاده نمایید و یا به سایت پردازنده مربوطه متصل شوید.
3- اطلاعات بایوس.
4- اطلاعات برنامه های عیب یاب.

خرابی پردازنده ها:
یکی از علت های خوب کار نکردن رایانه می تواند خرابی پردازنده باشد که البته در اولویت قرار ندارد یعنی درصد خراب شدن آن بسیار کم می باشد.

● سایر مقالات مرتبط با این موضوع

 تفاوت پردازنده های 32 و 64 بیتی

محدودیتی که در دامنه پردازش های 32 بیتی وجود دارد، همواره باعث کندشدن سرعت انجام عملیات پیچیده و سنگین اطلاعاتی در سیستم های مختلف می گردد. به همین منظور بسیاری از شرکت های سازنده نرم افزار و خصوصا آن هایی که در زمینه سیستم عامل فعالیت دارند از دیرباز رقابتی را برای تحت پوشش قراردادن تعداد زیادتری CPU و مقدار بیشتری حافظه RAM نسبت به یکدیگر آغاز کرده اند.

به عنوان مثال رقابتی که بین ویندوز 2000 سرور با سولاریس یا انواع یونیکس و لینوکس بر سر امکان استفاده از 8 یا 16 تا 32 پردازنده به همراه چند گیگابایت حافظه RAM و امثال آن وجود داشت همواره یکی از جالب ترین و پرسروصداترین زمینه رقابت بین چند سیستم عامل به شمار می رفت. اما همه این عوامل چندی پیش تحت الشعاع واژه جدیدی به نام پردازش 64 بیتی قرار گرفت.

این فناوری جدید که به لطف به بازار آمدن دو محصول جدید از دو شرکت معتبر سازنده پردازنده یعنی اینتل و AMD شکل گرفت، در مدت کوتاهی توانست توجه سازندگان سیستم عامل را به شدت معطوف کارایی بی نظیر خود کند. پردازنده های Xeon و ایتانیوم از سوی اینتل و پردازنده Opteron از طرف AMDدر مدت کوتاهی توجه تمام سازندگان مشهور سرورهای Enterprise و همچنین تولیدکنندگان سیستم عامل را به خود جلب کرد. در این میان مایکروسافت نیز بلافاصله اقدام به طراحی نسخه ای از ویندوز 2003 سرور برمبنای انجام پردازش های 64 بیتی و با استفاده از پردازنده های جدید نمود. این نسخه جدید 64 بیتی از چند نظر بر نسخه پیشین خود برتری داشت.

● اول این که از میزان حافظه فیزیکی و مجازی بیشتری پشتیبانی می کند.
● دوم این که در مقایسه با نسخه 32 بیتی از کارایی و سرعت بالاتری در مدیریت حافظه، رجیسترها و عملیات O/I برخوردار است.
● نکته سوم در مورد امنیت است. نسخه 64 بیتی قابلیت محافظت بیشتری در برابر کدهای مخرب(Malicious Code) از خود نشان می دهد.

طبق پیش بینی های انجام گرفته تا پایان سال 2005 میلادی کلیه کامپیوترهایی که قرار است نقش سرور را در مراکز بزرگ اقتصادی داشته باشند به سمت ریزپردازنده و سیستم عامل 64 بیتی سوق پیدا خواهند کرد. همین پیش بینی حاکی از تمایل شدید کامپیوترهای دسکتاپ به سمت استفاده از تکنولوژی 64 بیتی تا پایان سال 2006 میلادی است. براین اساس به تدریج نه فقط سازندگان سیستم عامل مثل مایکروسافت سیستم عامل 64 بیتی مختص کامپیوترهای دسکتاپ (Windows XP 46 bit) را به بازار عرضه می کنند، بلکه سایر تولیدکنندگان نرم افزارهای مختلف هم با وارد شدن به دنیای پردازش های 64 بیتی، کارایی و سرعت جدیدی را به کاربران خود ارائه می دهند.

● مقایسه:
در یک سیستم عامل 32 بیتی مثل نسخه های 32 بیتی ویندوز 2003 از یک حافظه مجازی (Virtual memory) برای انجام پردازش های مختلف استفاده می شود. این حافظه مجازی که حداکثر 4 گیگابایت می تواند ظرفیت داشته باشد به دو قسمت تقسیم می شود. یک قسمت 2 گیگابایتی آن به وسیله برنامه در حال اجرا اشغال شده و 2 گیگابایت دیگر در اختیار سیستم عامل قرار می گیرد. تا اینجا همه چیز بسیار عادی به نظر می رسد اما مشکل زمانی پیش می آید که 2 گیگابایت سهم برنامه های در حال اجرا به مرز پرشدن نزدیک می شود. به عنوان مثال یک بانک اطلاعاتی SQL Server را در نظر بگیرید که برای اتصال هر کاربر به سرور و انجام عملیات موردنظر وی 20 مگابایت حافظه مجازی را در نظر می گیرد. با رسیدن تعداد کاربران به مرز یکصد نفر، کل حافظه مجازی 2 گیگابایتی در اختیار SQL Server قرار می گیرد و این به معنای نزدیک شدن سیستم به یک نقطه بحرانی در عملیات سرویس دادن به کاربران است.

در نسخه های 32 بیتی یکی از راه هایی که برای این مساله در نظر گرفته می شد، اختصاص 3 گیگابایت از حافظه مجازی به برنامه های درحال اجرا بود. این روش که با استفاده از دستکاری در فایل boot.ini انجام می گرفت، یک گیگابایت از حافظه مجازی در اختیار سیستم عامل را به سهمیه حافظه مجازی برنامه های در حال اجرا واگذار می کرد و تا حدودی مشکل کمبود حافظه مجازی را رفع می کرد. اما خود این عمل هم عوارض جانبی خاص خود را دارد و آن محدود شدن کرنل سیستم عامل به یک گیگابایت حافظه مجازی برای انجام عملیات cache است.

این محدود شدن باعث افت سرعت انتقال اطلاعات از سرور به کلاینت ها می شود. ضمن این که باز هم در نهایت با زیادترشدن تعداد کاربران یا پردازش های موردنظر آنان، این 1 گیگابایت الحاق شده نیز به مرز اشتغال شدن کامل نزدیک می شود و مدیران سیستم را به ناچار مجبور به افزایش تعداد سرورها برای رفع مشکل می کند. با آمدن ویندوز 2003 نسخه 32 بیتی، قدرت آدرس دهی سیستم عامل برای حافظه های فیزیکی (RAM) به 32 گیگابایت برای نسخه Enterprise و 64 گیگابایت در نسخه DataCenter افزایش یافت و این به معنای نیاز کمتر سیستم به استفاده از حافظه مجازی و در نتیجه کمتر شدن مشکل مربوط به محدودیت حافظه های مجازی بود. اما به هر حال استفاده از حافظه مجازی برای پردازش اطلاعات امری گریزناپذیر است و به همین دلیل توجه سازندگان سیستم عامل همواره معطوف به پیدا کردن راه حلی برای عبور از این مشکل بود.

سرانجام با مطرح شدن و تولد سیستم عامل 64 بیتی ویندوز 2003 که با استفاده از قدرت پردازنده های 64 بیتی جدید قادر بود از یک سیستم آدرس دهی 40 بیتی استفاده کند، میزان حافظه مجازی قابل دسترسی سیستم از 4 گیگابایت به 40 2 یعنی 16 ترابایت (هزار گیگابایت) افزایش یافت. بدین ترتیب 8 ترابایت از این ظرفیت در اختیار برنامه های در حال اجرا و 8 ترابایت دیگر در اختیار سیستم عامل قرار گرفت.

مهم ترین سؤالی که در این جا می توانست مطرح شود این است که آیا برنامه های سابق محیط 32 بیتی که برای استفاده از حداکثر 3 گیگابایت حافظه مجازی کامپایل شده اند قادر به بهره بردن از این 8 ترابایت فضای جدید هستند یا خیر. پاسخ این سؤال هم می تواند مثبت باشد و هم منفی. بدین صورت که برخی برنامه های کامپایل شده در محیط های 32 بیتی که به صورت صریح قدرت استفاده از حداکثر 3 گیگابایت حافظه مجازی را دارند، با ورود به محیط 64 بیتی هیچ تغییری را احساس نخواهند کرد. اما برخی دیگر که با تکنولوژی Large Address ware کامپایل شده اند قادر خواهند بود تا 4 گیگابایت از حافظه مجازی را در محیط جدید مورد استفاده قرار دهند. از لحاظ سرعت انجام عملیات نیز برخی برنامه های کامپایل شده در محیط 32 بیتی (مثلا برنامه های نوشته شده با ASP.NET که از تکنولوژی Multithreading برای اجرای موازی چند دستورالعمل در آن واحد استفاده می کنند)، به دلیل قدرت بی نظیر پردازنده های 64 بیتی در انجام این کار می توانند از مزایای محیط جدید اجرا استفاده کرده و سرعت اجرای خود را افزایش دهند. اما اگر برنامه ای (مثلا یک فایل Exe) در محیط توسعه ای مثل ویژوال بیسیک نسخه ششم برای دسترسی به یک پایگاه داده و کار با آن بدون استفاده از مکانیسم پردازشی موازی و به صورت ساده نوشته شده باشد، این برنامه حتی اگر برروی یک سرور 64 بیتی هم اجرا شود نمی تواند از قابلیت های محیط جدید سودی ببرد.

بنابراین اگر قرار است این برنامه روی کلاینت نصب شده و پایگاه داده موردنظر که SQL Server است روی یک سرور باشد، بهتر آن است که کلاینت در همان وضعیت 32 بیتی باقی بماند و سرور به نسخه 64 بیتی ویندوز 2003 ارتقاء داده شود. در این صورت موتور بانک اطلاعاتی SQL Server که در تمام نسخه های خود از شیوه Multithreading برای انجام دستورات موردنظر کاربران استفاده می کند، می تواند در محیط جدید با سرعت بهتری فرامین رسیده از طرف کلاینت ها را پردازش کرده و نتیجه را سریع تر به آن ها برگرداند و کارایی کلی این سیستم بانک اطلاعاتی را به نحو مطلوبی افزایش دهد.