پردازنده

پردازنده

پردازنده در واقع قسمت مهمی از یک کامپیوتر یا دستگاه الکترونیکی است که وظیفه اجرای دستورات و پردازش اطلاعات را بر عهده دارد. به عبارت ساده‌تر، پردازنده مغز کامپیوتر است که تمامی عملیات محاسباتی را انجام می‌دهد. این قطعه الکترونیکی به صورت یک میکروپراسسور توسط یک الکتریکی به سرعتی بسیار بالا برقراری می‌شود و توانایی پردازش میلیون‌ها دستور مختلف را در زمان بسیار کوتاهی دارد.

تاریخچه

در دهه ۱۹۴۰، فیزیکدانان و محققان الکترونیک، به تحقیقاتی پرداختند که درآینده مبتنی بر دیجیتال بودن و پردازش‌های الکترونیکی صورت خواهد گرفت. این تحقیقات منجر به ساخت ماشین‌هایی شد که قادر به انجام حساب و پردازش‌های ساده بودند. این ماشین‌ها، بدون پردازنده جداگانه، معمولاً از ترانزیستورها و لامپ‌های الکترونیکی استفاده می‌کردند.

اما در سال ۱۹۴۷، دانشمندی به نام ویلیام شاکلی، در آزمایشگاه بل لابوراتوارز مرتبط با شرکت بل تلفن، یک قطعه الکترونیکی نوآورانه به نام ترانزیستور را اختراع کرد. ترانزیستور، قابلیت تقویت سیگنال‌های الکترونیکی را داشت و با فروپاشی لامپ‌های الکترونیکی متداول، به عنوان یک جایگزین کوچکتر و بهتر برای آنها ظاهر شد. این اختراع، توسعه و پیشرفت فرآیند ساخت واحدهای مدار نیمه‌هادی را رقم زد.

در دهه ۱۹۵۰، به واسطهٔ جمع‌آوری تحقیقات و پروژه‌های مختلف، به‌ویژه در شرکت‌های الکترونیکی بزرگ مانند ایب‌ام، توجه جدی به تولید قطعات الکترونیکی بزرگ حجم برای کاربردهای متنوع مانند مخابرات، کامپیوترها و صنایع مرتبط جلب شد. این تحولات منجر به طراحی و ساخت اولین پردازنده‌ها شد.

در سال ۱۹۷۱، شرکت اینتل پردازنده اینتل ۴۰۴ را به بازار معرفی کرد. این پردازنده، بازدهی بالا و امکانات فراوانی نسبت به نمونه‌های قبلی داشت و توانست موفقیت زیادی کسب کند. از آن پس، اینتل و شرکت‌های دیگر در زمینه تولید پردازنده‌ها رقابتی گسترده را آغاز کردند که تا به امروز ادامه داشته است.

ساخت پردازنده‌ها

پردازنده‌ها از قطعاتی تولید شده اند که در ادامه به بعضی از آنها اشاره خواهیم کرد.

مدار مجتمع (Integrated Circuit)

پردازنده‌ها از یک یا چند مدار مجتمع بزرگ تشکیل شده‌اند که شامل تراشه‌های سمی‌خطی (Transistors) و عناصر دیگری مانند مقاومت‌ها و خازن‌ها است.

هسته (Core)

هسته پردازنده اصلی برای انجام محاسبات و عملیات پردازشی استفاده می‌شود. هسته‌های پردازنده ممکن است شامل واحدهای پردازشی مانند واحدهای محاسباتی (ALU)، واحدهای کنترلی و واحدهای حافظه باشند.

حافظه (Memory)

پردازنده برای ذخیره و دسترسی سریع به داده‌ها از حافظه استفاده می‌کند. این حافظه شامل حافظه نهان (Cache)، حافظه وصول تصادفی (RAM) و حافظه خارجی است.

رابط‌ها و واسط‌ها

پردازنده‌ها دارای رابط‌های مختلفی هستند که امکان ارتباط با قطعات دیگر را فراهم می‌کنند. مانند رابط‌های سریال (Serial Interfaces)، رابط‌های موازی (Parallel Interfaces) و رابط‌های شبکه (Network Interfaces).

پکیج

پردازنده‌ها در پکیج‌های مختلفی از جمله BGA (Ball Grid Array) و PGA (Pin Grid Array) عرضه می‌شوند که بسته بندی و اتصال به سایر قطعات را بر عهده دارند. مواد مورد استفاده در ساخت پردازنده‌ها شامل مواد نیمه‌رسانا (Semiconductors) مانند سیلیکون است که در تراشه‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند. همچنین، عناصر دیگری مانند فلزات برای اتصالات الکتریکی و مواد عایق برای جداکننده قسمت‌های مختلف پردازنده استفاده می‌شوند.

کاربرد پردازنده

در ادامه به برخی از کاربرد های پردازنده در صنایع مختلف اشاره خواهیم کرد.

کامپیوترها و لپ‌تاپ‌ها

پردازنده‌ها مغزهای اصلی این دستگاه‌ها هستند و وظیفه اجرای برنامه‌ها و عملیات‌های محاسباتی را بر عهده دارند.

تلفن‌های همراه

پردازنده‌های قدرتمند در تلفن‌های همراه به شما اجازه می‌دهند تا برنامه‌های پیچیده‌تر، بازی‌ها و ویدئوها را اجرا کنید.

خودروهای هوشمند

در خودروهای هوشمند، پردازنده‌ها برای کنترل سیستم‌های رانندگی خودکار، ناوبری، سیستم‌های رسانه‌ای و عملکرد دیگر استفاده می‌شوند.

اینترنت اشیاء (IoT)

پردازنده‌ها در دستگاه‌های اینترنت اشیاءی مانند سنسورها، دستگاه‌های خانه هوشمند، دستگاه‌های پزشکی و غیره استفاده می‌شوند.

صنعت برق

پردازنده‌ها برای کنترل و مدیریت سیستم‌های برقی صنعتی استفاده می‌شوند.

صنایع سرگرمی

پردازنده‌ها در کنار کنسول‌های بازی، تلویزیون‌های هوشمند و دستگاه‌های پخش موسیقی نقش مهمی در اجرای بازی‌ها و پخش محتواهای چندرسانه‌ای دارند.

انواع پردازنده‌

پردازنده‌ها دارای نوع‌ها و مدل‌های مختلفی هستند که برای اهداف و نیازهای مختلف به کار می‌روند. هر نوع پردازنده ممکن است ویژگی‌ها و توانایی‌های خاص خود را داشته باشد.در اینجا به برخی از انواع پردازنده‌ها اشاره خواهیم کرد.

پردازنده‌های اینتل مانند سری Core i3، i5، i7 و i9 با معماری x86.

پردازنده‌های AMD مانند Ryzen و Threadripper که نیز از معماری x86 برخوردارند.

پردازنده‌های آرم (ARM) که در بسیاری از دستگاه‌های قابل حمل مانند تلفن‌های هوشمند و تبلت‌ها استفاده می‌شوند. سرورهای پردازش مانند پردازنده‌های Intel Xeon و AMD EPYC که برای بارهای کاری سنگین و سرورهای بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند.

پردازنده‌های گرافیکی (GPU) که برای پردازش ویژوال و بازی‌های کامپیوتری مورد استفاده قرار می‌گیرند، مانند پردازنده‌های NVIDIA GeForce و AMD Radeon.

تفاوت میان پردازنده ها

در ادامه به برخی تفاوت های میان پردازنده ها می پردازیم.

ساختار معماری

پردازنده‌ها دارای معماری‌های مختلفی مانند x86، ARM، RISC-V و غیره هستند. هر کدام از این معماری‌ها قوانین و استانداردهای خود را دارند و به طور جداگانه عمل می‌کنند.

تعداد هسته‌ها

پردازنده‌ها می‌توانند دارای یک هسته (تک هسته) یا بیش از یک هسته (چند هسته) باشند. پردازنده‌های چند هسته اجازه می‌دهند تا چندین فرایند را به صورت همزمان اجرا کنند و در عملکرد موازی بهبود قابل توجهی را به ارمغان می‌آورند.

سرعت ساعت

پردازنده‌ها دارای میزان سرعت عملکرد مشخصی هستند که با واحد گیگاهرتز (GHz) یا مگاهرتز (MHz) اندازه‌گیری می‌شود. سرعت ساعت نشان دهنده تعداد دورهایی است که پردازنده در هر ثانیه انجام می‌دهد و در نتیجه تعداد عملکردهایی که در هر واحد زمان انجام می‌دهد.

حافظه کش

پردازنده‌ها دارای حافظه کش است که برای ذخیره داده‌هایی که به طور متداول در حافظه دسترسی سریع (RAM) نیستند استفاده می‌شود. حافظه کش به پردازنده کمک می‌کند تا دسترسی به داده‌ها را سریع‌تر انجام دهد و عملکرد سیستم را بهبود بخشد.

تکنولوژی ساخت

پردازنده‌ها با استفاده از تکنولوژی‌های مختلفی ساخته می‌شوند. فناوری‌های ساخت مانند nm (نانومتر) نشان دهنده اندازه قطعات الکترونیکی است. با کاهش اندازه ترانزیستورها در فناوری‌های جدید، پردازنده‌ها قدرت و کارایی بیشتری را ارائه می‌دهند.

عناصر مهم در تولید پردازنده

در ادامه به عناصر مهم در تولید و ساخت پردازنده می ‌پردازیم.

سیلیکون (Silicon)

سیلیکون به عنوان اصلی‌ترین ماده در ساخت پردازنده‌ها بکار می‌رود. این عنصر از خانواده گروه ۱۴ جدول تناوبی است و خواص الکترونیکی مناسبی دارد.

طلا (Gold)

طلا در بخش‌هایی از پردازنده که نیاز به اتصالات بسیار پایدار و مقاوم دارند، مانند تماس‌های المنت‌های مختلف، استفاده می‌شود.

نیکل (Nickel)

نیکل نیز به عنوان یک لایه محافظ به‌کار می‌رود و در برخی از بخش‌های پردازنده بر روی سطح قرار می‌گیرد تا از اکسیداسیون و خوردگی جلوگیری کند.

المنت‌های نیمه‌رسانا (Semiconductor Elements)

درون پردازنده‌ها، المنت‌های نیمه‌رسانا مانند تراشه‌های سیلیکونی به‌کار می‌روند. این تراشه‌ها نقش مهمی در عملکرد و سرعت پردازنده‌ها دارند.

مواد مورد نیاز برای ساخت سیم‌ها و اتصالات

سیم‌ها و اتصالات مورد نیاز برای ارتباط بین بخش‌های پردازنده نیز از عناصر مختلفی تشکیل می‌شوند که می‌توان به آلومینیوم، مس و تیتانیوم اشاره کرد. این عناصر و مواد مهم در ساخت پردازنده‌ها استفاده می‌شوند تا پردازنده‌ها قابلیت اجرای عملیات پردازشی را داشته باشند و عملکرد بهتری ارائه دهند.