أسطورة ميغاهيرتز

شريحة وحدة المعالجة المركزية 233 ميجا هرتز
الأسلوب أكثر من الجوهر
العلوم الزائفة
أيقونة pseudoscience.svg
جمع العلوم الزائفة
أمثلة عشوائية
هناك في الواقع 'أسطورة ميغاهرتز' وهي موجودة في أذهان أولئك الذين يعتقدون أن العامل الوحيد المهم هو سرعة الرقاقة الأولية ، كما هو محدد في تقييمات الميجاهرتز. هذا صحيح بشكل خاص في حالة تصميمات وحدة المعالجة المركزية المختلفة ، حتى بين المنتجات في نفس العائلة. عندما تبدأ في مقارنة فئات مختلفة من الرقائق ، يصبح التشبث بالعلاقة الأسطورية 1: 1 بين MHz و 'السرعة' أكثر صعوبة.
—أفيليون ،ArsTechnicaالمنتديات

ال أسطورة ميغا هرتز هو اسم للمفهوم الخاطئ السائد بأنالقدرة الحاسوبيةوحدة المعالجة المركزية هي وظيفة خاصة بهاسرعة الساعة. في الواقع ، تعد سرعة الساعة أحد العوامل العديدة التي تحدد السرعة التي يمكن أن تنفذ بها وحدة المعالجة المركزية التعليمات. الأسطورة إلى حد كبير من صنع الحاسوب وأقسام التسويق بمصنعي الأجهزة ، الذين سلطوا لفترة من الوقت الضوء على سرعة الساعة كأحد الميزات الأساسية في إعلاناتهم ، مما أدى إلى الافتراض الفطري بأن الأرقام الكبيرة = قوة MOAR !!! 11


محتويات

ما يؤثر على السرعة

لسنوات عديدة ، كان عدد المرات التي تم فيها تحديد ساعة الكمبيوتر - 'قلب' الكمبيوتر الشخصي إلى 'دماغ' معالجها - مؤشرًا مباشرًا على عدد العمليات الحسابية التي يمكن للمعالج إجراؤها. كانت علامة ساعة واحدة ، وإرشادات واحدة ، هي كيفية تشغيل قاعدة التصميم.
—توني سميث ، الحارس

على الرغم من أن سرعات ساعة وحدة المعالجة المركزية لم تتغير بشكل ملحوظ في العقد الماضي ، أدت العديد من التحسينات على كفاءة الأجهزة وتحسين البرامج إلى استمرار نمو الأداء الفعلي.

نوى متعددة

تتضمن وحدات المعالجة المركزية الحديثة وحدات تنفيذ متعددة ، أوالألوان، ضمن نفس الشريحة. كل واحد من هذه النوى لديه كل إمكانيات وحدة المعالجة المركزية النموذجية ، وهذه النوى قادرة على العمل معًا على نفس قطعة البرنامج. يُعرف هذا بالمعالجة المتوازية. في حين أن وحدات المعالجة المركزية الحديثة متعددة النواة قد تعمل بسرعة ميغا هرتز أقل من المعالجات السابقة ، فإن نوىها المتعددة تسمح لها بمعالجة المزيد من أعباء العمل في وقت واحد. لذلك ، يمكن تحقيق نفس القدر من العمل بسرعات منخفضة. إن استخدام عدد أقل من الميجاهرتز يعني طاقة أقل ، لذا فإن وحدات المعالجة المركزية متعددة النواة ليست أكثر قوة فحسب ، بل إنها أيضًا أكثر كفاءة في استخدام الطاقة. يمكن لوحدات المعالجة المركزية متعددة النوى في الهواتف الذكية الحديثة تحقيق أداء أكبر بأقل من خمسة واط من الطاقة مقارنة بمئات الواط التي تحتاجها أجهزة الكمبيوتر المكتبية قبل أقل من عقد من الزمان. عادةً ما تحتوي أجهزة الكمبيوتر المكتبية والمحمولة التي تُباع اليوم على وحدات معالجة مركزية ثنائية أو رباعية النواة ؛ يمكن لأجهزة الكمبيوتر المتحمسة والأكاديمية والمهنية أن تمتلك وحدات معالجة مركزية تحتوي على عشرات ، إن لم يكن المئات ، من النوى (في حالة الأجهزة المركزية للشركات).


للاستفادة من المعالجة المتوازية ، يجب على المطورين كتابة التعليمات البرمجية الخاصة بهم وفقًا لذلك من أجل توزيع عبء عمل البرنامج بين النوى المتاحة. قد يكون من الصعب أو المستحيل موازاة بعض الخوارزميات ، خاصة تلك التي تحتوي على العديد من الترابط بين النتائج الوسيطة.

وحدات المعالجة المركزية المتعددة

ملف: Cray Technician Upgrade Titan.jpg فني يقوم بترقية Titan

بنفس الطريقة التي تستطيع بها وحدة المعالجة المركزية الواحدة ذات النوى المتعددة أن توزع عبء العمل الخاص بها ، يمكن لوحدات المعالجة المركزية المتعددة ، لكل منها أنوية متعددة ، موازاة المهمة المطروحة. قد يتم وضع جميع وحدات المعالجة المركزية المتعددة هذه في نفس الحالة على لوحة أم مشتركة ، أو قد تنتشر عبر رفوف متعددة للحالات التي تتواصل فيما بعد مع بعضها البعض عبر روابط شبكة عالية السرعة. تستخدم أجهزة الكمبيوتر العملاقة هذه التقنية ، حيث تعمل أحيانًا مئات الآلاف من وحدات المعالجة المركزية (ووحدات معالجة الرسومات) معًا في مهمة واحدة لتحقيق قوة المعالجة الهائلة. وبالمثل ، فإن الخوادم الضخمة و 'المزارع' التي تستخدمها شركات مثل غوغل و Industrial Light and Magic ، تستخدم مئات الآلاف من وحدات المعالجة المركزية المتعاونة.

بسبب هذه التقنيات ، جعل العديد من وحدات المعالجة المركزية تعمل كوحدة واحدة ، فإن الحد النظري الوحيد لقوة معالجة الكمبيوتر العملاق هو المساحة المادية التي يمكن أن يشغلها. الحدود العملية هي استخدام الطاقة وتبديد الحرارة. في ذروتها ، تتطلب وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات (GPU) التابعة لمختبر أوك ريدج الوطني تيتان البالغ عددها 37376 طاقة 8.2 ميغاواط (أو ما يكفي لتشغيل حوالي 8000 منزل). تبلغ سعة نظام التبريد في Titan 6600 طن (منزل كبير يبلغ حوالي 3 أطنان).



مشاريع الحوسبة الموزعة ، مثل Folding @ home و BOINC ، تسمح لمستخدمي أجهزة الكمبيوتر المنزلية بالتطوع بقدرة المعالجة غير المستخدمة ، من خلال الإنترنت ، لمشاريع متصلة بالشبكة عالميًا. باستخدام برامج الحوسبة الموزعة ، يقوم جهاز الكمبيوتر المنزلي بتنزيل ثم حساب جزء صغير من مجموعة بيانات مشتركة ضخمة للغاية. بمجرد اكتمال العمل على هذا الجزء الصغير ، يتم تحميله في مجموعة البيانات العالمية ، ويتم تنزيل جزء صغير جديد للعمل عليه. بهذه الطريقة ، يمكن الاستفادة من القوة غير المستخدمة لملايين أجهزة الكمبيوتر المنزلية في حل المشكلات المعقدة للغاية ، مثل الجينوم طي وفهرسة البيانات الفلكية. بيتكوين يعمل أيضًا بشكل مشابه لهذا.


تسريع GPU

وحدات معالجة الرسومات (GPU) هي معالجات متخصصة يمكنها إجراء مجموعة محدودة من العمليات بسرعة على سلسلة كبيرة من القيم في نفس الوقت (على سبيل المثال ، وحدات البكسل على الشاشة). هذا يختلف عن وحدة المعالجة المركزية ، القادرة على أداء مجموعة واسعة من الوظائف ، ولكن بمعدل أبطأ. كما يوحي اسمها ، تُستخدم وحدات معالجة الرسومات عادةً لعرض العناصر الرسومية (مثل العاب الكترونية ) بكفاءة ، ولكن يمكن استخدامها أيضًا التعلم الالي أو غيرها من المهام التي تعتمد على البيانات والتي يمكن موازنتها بشكل كبير ، ولكنها بسيطة حسابيًا. تمثل وحدات معالجة الرسومات حاليًا غالبية قوة المعالجة في جميع أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم تقريبًا. اثنان من أسرع أجهزة الكمبيوتر العملاقة ، الصين تيانهي 2 و نحن يستخدم كل من Titan عشرات الآلاف من وحدات معالجة الرسومات ، ومعظمها لا يعدو كونها إصدارات موسعة من نفس البطاقات الإضافية المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر المنزلية.

تصغير

تصغير المكونات يجعل من الممكن الحصول عليهاأكثرالمكونات في نفس الشريحة ، والتي بدورها يمكن استخدامها لموازنة المزيد من المهام. هناك بعض القيود المادية على التصغير ، لأنه كلما انخفض حجم المكونات ، الكم تأثيرات مثل حفر الأنفاق تصبح أكثر وضوحا.


معالجات

تقوم التعليمات بتوصيل برامج الكمبيوتر بالأجهزة ويتم إرسال المعلومات إلى المعالج ليتم تفسيرها. تشمل أنواع المعالجات ما يلي:

معالجات المتجهات المعالجات العددية معالجات Superscalar
يتم تفسير تعليمة واحدة ذات طول ثابت لكل دورة ساعة واحدة تلو الأخرى. على عكس الحجمي ، فإنه يتفوق في معالجة كتل كبيرة من البيانات. على غرار المتجه ، يفسر Scalar تعليمة واحدة في كل مرة ويتعامل مع عنصر بيانات واحد في كل مرة. ينفذ تعليمات متعددة في وقت واحد لأنه يحتوي على خطوط أنابيب متعددة ويمكنه التعامل مع عناصر بيانات متعددة في وقت واحد.

من الواضح أن superscalar يتفوق على العددي لأنه يمكن تفسير المزيد من التعليمات في وقت واحد. تعني القدرة على معالجة المزيد من التعليمات لكل دورة آلة أن العمليات تتم بسرعة أكبر نسبيًا.

سرعة الحافلات والذاكرة

تعد ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) أبطأ من وحدة المعالجة المركزية (CPU) ، ولا تزال الأجهزة الطرفية مثل محركات الأقراص ومحولات الشبكة أبطأ. في أجهزة الكمبيوتر الحديثة ، تقضي وحدة المعالجة المركزية وقتًا طويلاً في انتظار قراءة البيانات أو كتابتها إلى مكونات أخرى. ذكريات أسرع ، وحدة معالجة مركزية أكبر وأكبر مخابئ وأسرع الباصات تستخدم لمحاولة التخلص من هذا التأخير.

تقنيات أخرى

التقنيات الأخرى التي تم استخدامها لتحسين أداء الحوسبة هي:


  • إعادة تسمية التسجيل ، للتغلب على التوازي الصعب على مستوى التعليمات بسبب ندرة السجلات في البعض مجموعات التعليمات (مثل تلك الموجودة في العمارة x86).
  • تنفيذ خارج النظام ، لتجنب إهدار الدورات عن طريق تنفيذ التعليمات بترتيب مختلف مع التأكد من بقاء دلالات البرنامج كما هي.
  • إضافة تعليمات متخصصة تم تحسينها لأداء بعض المهام بسرعة أكبر مما لو تم تنفيذ هذه العمليات يدويًا بواسطة الكود الثنائي. المجمعين يمكن التعرف على هذه الأنماط في البرامج وإنشاء رمز الآلة الذي يستخدم هذه التعليمات المتخصصة. على سبيل المثال ، تحسب POPCNT في SSE4 عدد 1 بت في قيمة رقمية. تعليمات أخرى يمكن أن تسرع المشتركة التشفير أو عمليات ترميز / فك تشفير الوسائط.