المعالج (الحوسبة)

في مجال الحوسبة وعلوم الحاسوب ، يُعد المعالج أو وحدة المعالجة مكونًا كهربائيًا ( دائرة رقمية ) يُجري عمليات على مصدر بيانات خارجي، عادةً ما يكون ذاكرة أو أي مصدر بيانات آخر. ^{[ 1 ]} يُستخدم هذا المصطلح غالبًا للإشارة إلى وحدة المعالجة المركزية (CPU)، وهي المعالج الرئيسي في النظام. كما يُمكن أن يُشير إلى معالجات متخصصة أخرى مثل وحدات معالجة الرسومات (GPU) ووحدات المعالجة الكمومية (QPU) ومعالجات الإشارات الرقمية (DSP). يُعد تصميم المعالج وتطويره عملية معقدة وتستغرق وقتًا طويلًا، لأنها تتطلب تحديد كلٍ من متطلباته الوظيفية (العمليات التي يجب أن يُنفذها) ومتطلباته غير الوظيفية (القيود المادية وقيود الأداء). ^{[ 2 ]} يُبنى المعالج عادةً للعمل على البيانات الرقمية ، كدائرة متكاملة باستخدام مواد شبه موصلة ، تحتوي على ترانزستورات مُنظمة في بوابات منطقية ، مُنظمة بدورها في أقسام مثل وحدات الملكية الفكرية (IP) أو النوى، والتي يُمكن توصيلها معًا.

يُستخدم مصطلح "معالج" للإشارة إلى أجهزة الحاسوب منذ أوائل خمسينيات القرن العشرين على الأقل. ^{[ 3 ]} استخدمت أجهزة الحاسوب الأولى مصفوفات معقدة من الصمامات المفرغة . كانت هذه الأجهزة كبيرة الحجم، باهظة الثمن، وتستهلك طاقة عالية، مما حدّ من استخدامها في المؤسسات الكبيرة. يُعدّ جهاز مانشستر مارك 1 أحد أقدم المعالجات بالمعنى الحديث، كونه أول حاسوب متعدد الأغراض قادر على تخزين البرامج. ^{[ 4 ]}

أحدث اختراع الترانزستور ثورةً سريعةً في صناعة الحواسيب. ^{[ 5 ]} فقد مكّن الترانزستور معالجات الحاسوب من أن تكون أكثر كثافةً وكفاءةً في استهلاك الطاقة، مما قلّل حجم الحواسيب من غرفٍ إلى أجهزةٍ صغيرةٍ يمكن وضعها على مكتب. وبدأت قدرة المعالجات على المعالجة بالتضاعف سنويًا مع انخفاض حجم الترانزستورات وإمكانية دمج المزيد منها في حاسوبٍ واحد، وهي ظاهرةٌ تُعرف بقانون مور . كانت الترانزستورات الأولى المستخدمة في الحوسبة بحجم ملليمترات، أما الآن فيمكن إنتاج الترانزستورات الحديثة بأبعادٍ أقل من 5 نانومتر. ^{[ 6 ]}

تقلص حجم الترانزستورات تدريجيًا حتى أصبح بالإمكان تنفيذ معالج كامل على عدد قليل من الدوائر المتكاملة أحادية الرقاقة ( الرقائق )؛ وقد سُميت هذه المعالجات بالمعالجات الدقيقة . كان أول معالج دقيق أحادي الرقاقة متاحًا على نطاق واسع هو Intel 4004 ، الذي جمع جميع الدوائر المنطقية اللازمة للحاسوب في رقاقة دائرة متكاملة واحدة. وقد وفر هذا المعالج قوة الحوسبة للأجهزة الاستهلاكية مثل الآلات الحاسبة الرقمية وآلات البينبول. وكان Intel 8008 أول معالج دقيق أحادي الرقاقة يُستخدم كمعالج للأغراض العامة. وقد اتبعت المعالجات الحديثة هذا النهج، حيث تستخدم معالجات دقيقة أحادية الرقاقة مُغلفة بشكل منفصل مع ذاكرة خارجية ووحدات إدخال/إخراج.

عند تصميم معالج، يجب تحديد المتطلبات الوظيفية وغير الوظيفية قبل تطبيق التصميم على أنظمة الأجهزة أو البرامج. تُختار العديد من المتطلبات الوظيفية من مجموعة من التعليمات الأساسية أو الخوارزميات الشائعة المستخدمة في رقائق المعالجة. على الرغم من استخدام أدوات متنوعة للمساعدة في تطوير المعالج، إلا أن عملية التصميم الشاملة لا تزال تستغرق وقتًا طويلاً نظرًا لتعقيداتها الكثيرة.

تشير المتطلبات غير الوظيفية للمعالج إلى مكوناته المادية. فعلى سبيل المثال، تؤثر مساحة السيليكون، وعدد الأطراف، واستهلاك الطاقة على تصميم المعالج. كما تؤثر تكلفة تصنيع المعالج وسعر بيعه بالتجزئة على هذه المكونات. ^{[ 2 ]}

تُعرَّف المتطلبات الوظيفية للمعالج بأنها عملياته وبيئة تشغيله. العمليات هي مجموعة التعليمات التي يتبعها المعالج لتنفيذ وظيفته الرئيسية. تُكتب العمليات باستخدام مجموعات مختلفة من الخوارزميات، مع معاملات متنوعة . يُعدّ الوقت الذي يقضيه المعالج في التشغيل، ونوع نظام الذاكرة الفرعي المتصل به، ووحدات الإدخال/الإخراج ، أمثلة على بيئات التشغيل. تؤثر هذه البيئات على كيفية كتابة العمليات ضمن المتطلبات الوظيفية. ^{[ 2 ]}

يساعد تحليل أداء الخوارزميات في تحديد التفاصيل الحاسمة داخل الخوارزمية التي تؤثر على كفاءتها. ويُسهم تحليل الأداء بين الكود الأولي وتصاميم المعالجات الحالية في فهم تطبيقات الخوارزميات. عادةً ما تُبنى الخوارزميات داخل المعالجات الحالية لتحسين وظائف رئيسية مختلفة قليلاً، لذا قد لا تكون جميع العمليات المستخدمة في هذا المرجع ضرورية في تصميم النموذج الأولي. إذا اعتمد المطور على المرجع فقط، فقد يكون الكود التشغيلي النهائي غير فعال. ^{[ 2 ]}

يشير الهيكل التنظيمي للمعالج إلى مجموعة التعليمات الأساسية المرتبة التي تُمكّن المعالج من إنجاز مهمته. توجد طرق عديدة لتنظيم هذه التعليمات لتحقيق هدف معين، لكن كفاءة الكود تختلف. يمكن للمطور استخدام عمليات النواة، أو أدوات تقدير الأداء الآلية، أو مولدات المحاكاة لتحديد الهيكل التنظيمي الأمثل للمعالج. ^{[ 2 ]}

بعد إنشاء النموذج الأولي النهائي للمعالج، يتم تنفيذه في مكونات مادية وبرمجية مختلفة. يتطلب تنفيذ المكونات المادية نمذجة عالية المستوى، مثل تحويل الوحدات الوظيفية إلى لغة وصف الأجهزة ، وترتيب هذه الوحدات على شريحة المعالج لتحسين أدائه ومساحته. أما تنفيذ البرمجيات فهو أصعب جزء في عملية التصميم، إذ يتطلب تصحيح أخطاء المكونات المادية والبرمجية التي تمنع المعالج من العمل بسلاسة ضمن البرنامج. ^{[ 2 ]}