معالج ثنائي اللب

ملف:Athlon64x2-6400plus.jpg

أخذ الانتقال من تقنية ال16 بت إلى 32 بت مدة تزيد على 10 سنوات ثم قاد التطور إلى تقنية 64 بت لكن كل هذا لم يلبي متطلبات عصر السرعة وتعدد المهام وخاصة في ما يتعلق بالمخدمات ومحطات العمل, وابتكرت في هذا المجال تقنيات بدأت بإضافة معالجات أخرى على نفس اللوحة الأم فيما يسمى تعدد المعالجات ثم بإضافة انتل لتقنية HyperThreading ثم ظهرت المعالجات ثنائية النواة ويتم الآن محاولة تطوير المعالجات متعددة النواة وحاسوب الدنا والحواسيب الكمومية.

مبدأ عمل المعالجات

ملف:Dualcore.svg

عملية البحث عن معلومة في الذاكرة الهرمية تدعى هذه العملية تصفح عند الطلب

في المعالجات التقليدية يقوم المعالج بتنفيذ التعليمات بترتيب معين لأي برنامج حيث يقوم باختيار التعليمات والبيانات ويضعها في ذاكرة الكاش التي تتمتع بسرعة نقل كبيرة للبيانات وذلك من اجل زيادة سرعة تنفيذ البرنامج لكن عندما لا يجد المعلومات في الكاش فانه يرسل الطلبات إلى الذاكرة الرئيسية أو منافذ (I\O)port وذلك عن طريق ممر النظام Sys.Bus.

و هذا يؤدي إلى انخفاض سرعة المعالج إلى القيمة العظمى لسرعة نقل البيانات على الممر التي هي اقل بكثير من سرعة المعالج. وتتعقد هذه المشكلة عند وجود ال Multitasking حيث يؤدي ذلك إلى تقسيم (وقت & أداء) المعالج بين مجموعات متفرقة من التعليمات.

تصنيع حاسوب أسرع

اتجهت أنظار المطّورين إلى ثلاثة عوامل:

1. سرعة الميقات أو التردد clock speed
2. سرعة الممر bus speed
3. الخابية cache

تسريع الميقات (Clock) يعني معالجة عمليات أكثر في كل ثانية هذا ما يسمى في بعض الأحيان بمضاعفة الساعة.

الامر الذي يضاعف كمية المعلومات التي يتم معالجتها في وقت النبضة ضمن حدود سرعة وحدة I/O والذاكرة وفي كل الأحوال قد وصل التطور لهذه الحدود ومن الصعب فقط الاعتماد على مضاعفة سرعة ساعة المعالج لأن ذلك يؤدي إلى تجاوز الحواجز الحرارية للمعالج وتغدو زيادة السرعة أصعب أكثر عندما الأخذ بعين الاعتبار الولوج إلى الذاكرة ووحدات I/O. (أكبر سرعة للساعة توصل لها المهندسين كانت في تايوان وهي 7200 غير أن المعالج لم يعمل سوى عدة دقائق نظرااً لازدياد درجة الحرارة)

أما بالنسبة لزيادة سرعة الممر فلم تعد مجدية لأن مطوًري صناعة الشرائح واللوحات الأم وصلوا لأفضل سرعة يمكن أن يعطيها الممر. ونعلم حسب النظرية النسبية لأنشتاين أنّه لا يمكن لهذه الزيادة أن تكون غير محددة وذلك بسبب اصطدامها بسرعة الضوء وبالحدود الفيزيائية لأبعاد العناصر الإلكترونية.

حيث يتوجب على الحاسوب أن يتوضع في نطاق لا يتجاوز عدة ميلي مترات، وهذا أمر خارق للطبيعة على ما أعتقد إلا باستخدام حاسوب الدنا (DNA Computerp).

بشكل عام يزيد مضاعفة الخابية (Cache) الأداء إلى حد كبير لكن هذا مكلف وعلى كل حال الخابية من المستوى الثاني لم يعد يحقق الآمال المتصورة في زيادة السرعة.

النظم المتعددة المعالجات

لقد أخذت البنية متعددة المعالجات (multiprocessing) دوراً هاماً في الدراسات الأخيرة, حيث تم تطوير هذه التقنية بوضع عدة معالجات على نفس اللوحة الام كل معالج في مقبس خاص ولكل معالج موارده الخاصة به والمستقلة عن المعالجات الأخرى.

لكنها ليست الحل الأفضل والمناسب للسوق وخاصة ضمن الأجهزة المحمولة. ذلك لأنها تحتاج معالجين منفصلين وما يترتب عن هذا من :

• ازدياد الحجم.
• نظام توصيلات معقد.
• نظام تبريد أكثر تعقيداً.
• بيوس ومتحكم بالذاكرة معقدين.

وما إلى ذلك من الأمور التي تجعل كل شيء معقد جداً فضلا عن الكلفة العالية لنظام كهذا.

لهذه الأسباب وغيرها اقتصر انتشار هذا النظام في المخدمات نظرا للاهتمام الكبير بقوة الأداء بغض النظر عن المعوقات الأخرى.

Hyper threading & Multithread

وهي أن يقوم المعالج بتنفيذ عمليتين أو أكثر بنفس الوقت على أن تكون من أنواع مختلفة مثل integer، floating point وتتميز بالنقاط التالية:

• كل خيط له ملف تسجيل خاص به:

• كل خيط له شعاع مقاطعة خاص به ومسجلات الحالة كذلك

• يستخدم خيط وحيد لمعالجة مهام I/O

• كل الخيوط تشارك على الذاكرة المخبئية

معالجان في شريحة واحدة

نشأت هذه الفكرة للتغلب على معوقات النظم متعددة المعالجات وهي تقنية بدأت معظم شركات المعالجات بتطويرها وستغدو معظم الحواسيب بعد اقل من خمس اعوام تستخدم المعالجات ثنائية النواة, على الرغم من أن النظم متعددة المعالجات تتميز بأنها أ سرع منها.

وتتمتع هذه المعالجات بوحدتي حساب ومنطق ضمن الشريحة الواحدة إضافة إلى خابيتين من المستوى الثاني, وهذا ما يضاعف الأداء الذي كانت تقوم به نفس الشريحة بنفس متطلبات الطاقة والتبريد للمعالجات السابقة تقريبا, ولا تحتاج لأي تعديلات في العتاد أو البرمجيات (Hardware or Software) بعد تحديث BIOS Flash.

كيف تعمل معالجات ثنائية النواة ؟

في البداية يجب التطرق إلى بعض المفاهيم :

ما هي الـنواة Core؟

النواة في المعالجات العادية هي مجموع الأجزاء التي تقوم بالأعمال داخل شريحة المعالج.

يطلق مفهوم النواة تعريفاََ على مجموعة الـ

• L1 cash • L2 cash • Arithmetic unit

• بالإضافة إلى المتحكم بالمقاطعة.

• آلية استخدام الممرات.

يعمل المعالج ثنائي النواة وكأنه معالجان يعملان بطريقة متوازية ولكل منهما ممراته الخاصة ومستقل عن الآخربشكل متناسق ويستخدم كل منهما مصادر النظام استخداما مستقلا أيضاً، على كل حال هو معالج واحد وفقاً لجميع التعاريف التي تصور المعالج بأنه شريحة واحدة توضع على مقبس واحد.

بنية المعالج ثنائي النواة

تعتمد بنية المعالج ثنائي النواة من أي إم دي على تزويد كل نواة:

• بوحدات تنفيذ مستقلة.
• وخابية من المستوى الثاني L2 cache بمقدار 1 MBخاصة بكل نواة.

وهو أمر بالغ التعقيد حيث يستوجب على مهندسي الشركة أن يعيروا مزيداً من الانتباه لعملية التنسيق بين هاتين النواتين، إلا أن أحداً لا يساوره الشك في قدرة أي إم دي على تجاوز هذه المشكلة.

بالنسبة لعملية مشاركة الموارد، قامت أي إم دي بتضمين جميع الوحدات التي تؤدي مهام الجسر الشمالي North Bridge في بنية المعالج (الجسر الشمالي مسؤول عن نقل المعلومات والاتصال ما بين المعالج والذاكرة وكرت الشاشة).

ويحتوي المعالج على واجهة ثنائية المنفذ من أجل التحكم بطلبات النظام dual-port System Request Interface تؤمن ربط النواتين على شريحة سيليكونية واحدة، والتنسيق بينهما.

يكون هناك أيضاً مفتاح متصالب على شكل أنبوب Crossbar Switch يربط نواتي المعالج مع كل من الموارد المشتركة والموارد التي ستشارك بين النواتين)ممكن أن تصل إلى ثلاث ممرات نقل ومتحكم وحيد بالذاكرة(.

1:CPU0

2:Cache L2 CPU0

3:CPU1

4:CacheL2CPU1

5:System Request Interface, Crossbar Switch, Memory Controller, Hypertransport

وباختصار: فإن معالج أي إم دي ثنائي النواة يحتوي على ذاكرة كاش خاصة بكل نواة، لكن بنفس الوقت مجهزاً بمتحكم واحد فقط بالذاكرة يعمل مع كلا النواتين.

المعالجات ثنائية النواة الأولى من أي إم دي تم تصنيعها اعتماداً على تقنية التصنيع 90 نانومتر التي كانت الشركة قد انتقلت إليها.

كانت حلول إنتل تعتمد على وضع نواتي معالج Prescott أحادي النواة الخاص بها والمصنّع وفق تقنية التصنيع 90 نانومترا في شريحة واحدة وقامت بتسميته Smithfiledً.

هذا المعالج يعتبر نسخة بدائية من المعالجات ثنائية النواة المصممة من قبل أنتل حيث يحتوي المعالج Smithfield على نواتان مستقلتان من نفس نوع نواة المعالج Prescott وموضوعتان على شريحة سيليكونية واحدة.

هذا يعني فعلياً أن كلاً من نواتي المعالج Smithfield تستخدم وحدات التنفيذ الخاصة بها ويكون لكلٍ منها ذاكرة سريعة مستقلة خاصة بها من المستوى الثاني وبحجم 1MB تماما كما في أي إم دي.

يتميز المعالج أيضاً بوجود وسيط خاص Arbiter يؤمن واجهة للتعامل مع ممر الناقل الأمامي الذي يمتلك سرعة 800 MHz فقط.

على الرغم من أن جميع الوحدات الوظيفية للمعالج Prescott ستتضاعف في بنية المعالج Smithfield، إلا أن حجم شريحة المعالج Smithfield ستكون أكبر بمقدار 2.1 مرة عن تلك الموجودة في معالج Prescott.

هذه الزيادة الهائلة في حجم الشريحة سيؤدي حتماً إلى زيادة في تبديد حرارة المعالج.

وعلى أية حال، فإن القيود الحرارية المفروضة من أنظمة إنتل LGA775 تضمن أن لا تتجاوز الاستطاعة الحرارية العظمى لمعالجات Smithfield عتبة 130 وات.

=ميزات المعالج ثنائي النواة من أي إم دي

• تحتوي هذه المعالجات على أربع أصونة buffers للكتابة عوضاً عن اثنتين.

• تدعم هذه المعالجات تقنيات جديدة في مجال حفظ الطاقة والتبديد الحراري.

• تبعاً لإستراتيجية أي إم دي المستقبلية، فإن أولى حلولها ثنائية النواة ستكون موجهة للعمل مع المخدمات Servers ومحطات العمل Work stations، وستكون مضمّنة في عائلة Operton.

• هذه المعالجات متلائمة مع أنظمة المقبس Socket940.

• السعة الكلية للخابيات من المستوى الثاني L2 cache ستصل إلى 2 MB) 1MB لكل نواة)

• تقنية التصنيع 90 نانومتر تسمح لهذا المعالج بأن يحتوي على 205 مليون ترانزستور مع الحفاظ على نفس حجم الشريحة السيليكونية نصف الناقلة المصنوعة وفق تقنية التصنيع 130 نانومتر والمستخدمة من أجل معالجات Operton الحالية، تجدر الإشارة إلى أن شريحة المعالج Operton الحالية تحتوي فقط على 109.5 مليون ترانزستور، مما يعني أن المعالج ثنائي النواة يحمل نسبة 93-94% تعقيد أكبر مقارنة مع المعالج أحادي النواة.

ميزات المعالج ثنائي النواة من إنتل

بهدف جلب انتباه الزبائن لسحر وبريق المعالج الموعود Smithfield، قامت إنتل بتقديم خدمات تقانية أخرى إلى جانب البنية ثنائية النواة. ومن الواضح تماماً أن معالجات Smithfield:

• تدعم تقنية (إنتل Extended Memory 64 Technology EM64T) توسيعات 64-bit الخاصة ببنية عائلة المعالجات x86 والتي منحت وظائف مناظرة لمعالجات أي إم دي64.

• أيضاً من الواضح لدينا أن معالجات Smithfield ستدعم تقنية SpeedStep الخاصة بشركة إنتل (تساعد هذه تقنية بالتخفيف من استهلاك الطاقة بتخفيض تردد عمل المعالج عندما لا يكون مقدار الحمل عليه كبيراً)

• أيضاً ستدعم تقنية Execute Disable Bit (تسمح ببناء جدار واقي لحماية نظام التشغيل من البرمجيات الضارة). في الحقيقة، ستلاحظ أن التقنيات السابقة مدعومة أيضاً في معالجات بنتيوم4 أحادية النواة.

الترددات في المعالج ثنائي النواة

في :أي إم دي

لم تتوفر معلومات واضحة من شركة أي إم دي حول هذا الموضوع، وتبعاً للدراسات الأولية، فإن أول معالج ثنائي النواة من أي إم دي بصورة رسمية يعمل بتردد لا يقل عن 1.6 GHz، وذلك بسبب القيود الصارمة التي وضعتها أي إم دي على القيمة العظمى للتبديد الحراري للمعالجات ثنائية النواة، حيث تسعى أي إم دي إلى أن يكون لهذه المعالجات نفس قيمة التبديد الحراري لمعالجات Athlon 64 و Operton الحالية.هذا يعني أن الاستطاعة الحرارية العظمى للمعالجات أقل من 95 وات.

في إنتل

كما هو الحال تماماً بالنسبة لمعالجات أي إم دي ثنائية النواة، فإن الحلول الأولى ثنائية النواة من شركة إنتل تعمل بتردد ساعة منخفض عن تردد المعالجات أحادية النواة المشابهة. وكما هي المعلومات المتوفرة الآن، فإن تردد العمل الأعظمي لمعالجات Smithfield بحدود 3.2 GHz، وهو أدنى بحوالي 16% من التردد الأعظمي لمعالج Prescott الحالي.

مع التقدم التقنية تم التوصل لتقنية المعالج ثنائي النواة ثنائي الخيوط حيث سيتمتع المعالج مع هذه التقنية بميزات التقنيتين معاً.

المراجع

• موقع ((www.Behardware.com))
• •موقع شركة انتل ((www.intel.com))
• •موقع شركة((أي إم دي((((www.amd.com
• •موقع ((www.cnet.com))
• •موقع ((www.wisegeek.com))
• •موقع((www.overclockers.com.au))
• •موقع ((www.alhasebat.com))
• •موقع ((www.short-media.com))
• •موقع ((www.anandtech.com))
• •مجلة الرقميات مقالات بعنوان معالجات ثنائية النواة رؤية جديدة في عالم التصنيع.

fr:Processeur double cœur it:Dual core