تستعمل العديد من الشركات اليوم كلًا من وحدة المعالجة المركزية CPU ووحدة المعالجة الرسومية GPU لتحسين أداء طيف واسع من التطبيقات بداية من مراكز البيانات Data centers وصولًا إلى الأجهزة المحمولة وغيرها من الاستخدامات المفيدة، وسنشرح في هذا المقال كل وحدة معالجة وآلية عملها ونوضح أهم أوجه التشابه والاختلاف بينهما، وحالات الاستخدام المناسبة لكل منهما، لنساعدكم على تقرير الوحدة الأفضل لمشروعكم أو نشاطكم التجاري.
تطور المعالجات الحاسوبية
أصبحت وحدة المعالجة المركزية Central Processing Unit -أو CPU اختصارًا- مكونًا أساسيًا في أنظمة الحواسيب منذ بداية سبعينيات القرن الماضي، فتطورت من مجرد آلات بسيطة لإجراء الحسابات والمعالجات الرياضية إلى معالجات متعددة النواة وبالغة التعقيد. فكان إصدار إنتل لمعالجها 4004 في عام 1971علامة فارقة لبداية حقبة وحدات المعالجات المركزية الحديثة ومهد الطريق للتطورات المتسارعة في قدرات المعالجة، ومع مرور الزمن أصبحت وحدات المعالجة المركزية CPUs أكثر تخصصًا وتعقيدًا حيث ظهرت ابتكارات مثل خطوط أنابيب تجزئة تنفيذ التعليمات Instruction pipelining ومتنبئ التعليمات التفرعية Branch Predictor و تقنية خيوط المعالجة الفائقة Hyper-threading وقد دفعت هذه التقنيات بحدود المعالجة الحاسوبية العامة إلى الأمام.
ثم ظهرت وحدة المعالجة الرسومية Graphics Processing Unit -أو GPU اختصارًا- في بداية التسعينيات لتلبي الطلب المتزايد على المعالجة الرسومية في ألعاب الفيديو ورسوميات الحواسيب. وعلى النقيض من وحدات المعالجات المركزية CPUs التي كانت مصممة لتنفيذ التعليمات على التسلسل sequential فقد صممت المعالجات الرسومية GPUs للتعامل مع الحسابات والعمليات على التوازي parallel من أجل تنفيذ المهام الرسومية المعقدة، وكان تقديم نيفيديا لمعالجها جيفورس GeForce 256 في عام 1999 بداية حقبة جديدة للعتاد المخصص للرسوميات القادر على تخفيف الحمل الحاسوبي عن وحدات المعالجات المركزية CPUs في مهام المعالجة الرسومية.
صُممت وحدات المعالجة المركزية والرسومية في البداية لأغراض مختلفة، لكن في السنوات الأخيرة بدأت قدراتهما وأدوارهما تتداخل مع بعضها البعض، فأصبحت وحدات المعالجة المركزية CPUs مدمجة مع قدرات المعالجة على التوازي، وصارت وحدات المعالجة الرسومية GPUs أكثر شمولًا وتنوعًا وظهرت لها تطبيقات أخرى غير الرسوميات مثل حل المسائل العلمية المعقدة وتطبيقات تعلم الآلة، كما حظت المعالجات الرسومية بشعبية كبيرة في السنوات الأخيرة نتيجة أدائها المبهر في أداء مهام الذكاء الاصطناعي وبالتحديد قدرتها على المعالجة المتوازية parallel computing فكانت الأداة المثالية لتدريب شبكات التعلم العميق وإجراء العمليات الحسابية على المصفوفات الضخمة التي تلعب دورًا أساسيًا في العديد من خوارزميات الذكاء الاصطناعي، مما دفع إلى اكتشافات علمية متقدمة في مجالات بحثية وتطبيقية مختلفة مثل الرؤية الحاسوبية Computer Vision ومعالجة اللغات الطبيعية Natural Language Processing والذكاء الاصطناعي التوليدي Generative AI.
ما هي وحدة المعالجة المركزية CPU
وحدة المعالجة المركزية CPU هي المكون الرئيسي في أجهزة الحواسيب، فهي تقوم بأغلب العمليات والمعالجة، ويشار إليها في سياقات كثيرة بعقل الحاسوب، وتنفذ وحدة المعالجة المركزية CPU التعليمات والحسابات وتنظم الأنشطة المختلفة للعتاد الحاسوبي. وتسود اليوم معالجات متعددة الأنوية multi-core processors قادرة على تنفيذ العديد من المهام في نفس الوقت مستغلة قدرات المعالجة المتوازية والمعماريات المتقدمة.
وقد تحتاج بعض الشركات لاستخدام أنظمة شديدة الاعتماد على استهلاك وحدة المعالجة المركزية CPU-intensive لإجراء تحليل متقدم للبيانات، مثل معالجة مجموعات من البيانات الكبيرة الخاصة بالعملاء لاكتشاف أنماط شرائهم، وتوقع اتجاهات السوق المستقبلية.
آلية عمل وحدة المعالجة المركزية CPU
تعمل وحدة المعالجة المركزية CPU من خلال حلقة من العمليات معروفة باسم دورة تنفيذ التعليمات وتتكون من ثلاث خطوات وهي الجلب Fetch و فك التشفير Decode ثم التنفيذ Execute، وتكون هذه الخطوات معًا أساس جميع عمليات وحدة المعالجة المركزية CPU. والآن لنستكشف المكونات الرئيسية والخطوات المرتبطة بمعالجة التعليمات وتنفيذها لنفهم كيفية عمل وحدة المعالجة المركزية CPU:
وحدة التحكم Control unit
تعد وحدة التحكم بمثابة مركز القيادة الخاص بوحدة المعالجة المركزية CPU، فهي تدير وتنسق كل العمليات الخاصة بوحدة المعالجة المركزية CPU.
وحدة الحساب والمنطق ALU
تجري في وحدة الحساب والمنطق Arithmetic Logic Unit -أو ALU اختصارًا- كل العمليات الحسابية والمنطقية مثل الجمع والطرح والمقارنة، فهي تشكل أساس القدرات الحسابية لوحدة المعالجة المركزية CPU.
السجلات Registers
هي وحدات تخزين فائقة السرعة توجد بداخل شريحة وحدة المعالجة المركزية CPU، حيث تحتفظ هذه السجلات Registers بالبيانات التي تعمل عليها وحدة المعالجة المركزية CPU حاليًا، مما يسمح بسرعة الوصول لها والتعديل عليها.
الذاكرة المخبئية Cache
الذاكرة المخبئية Cache هي ذاكرة مؤقتة صغيرة الحجم مبنية بداخل وحدة المعالجة المركزية وهي تتميز بسرعتها وتستخدم لتخزين البيانات والتعليمات التي يُحتمل استخدامها بشكل متكرر لتسريع المعالجة، ولكنها أقل سرعة من السجلات Registers وأكبر منها في الحجم.
الجلب Fetch
تجلب وحدة المعالجة المركزية CPU في هذه الخطوة التعليمات من الذاكرة، ويحدد عداد البرنامج program counter موقع التعليمة الذي ستفذ حاليًا، فعداد البرنامج هو عبارة عن سجل مخصص لمتابعة وتعقب التعليمات المطلوب تنفيذها، ويحدّث نفسه تلقائيًا ليشير للتعليمة التالية.
فك التشفير Decode
تأتي هذه الخطوة بعد جلب fetching التعليمة حيث يجري تفسيرها بواسطة وحدة المعالجة المركزية CPU، وتعمل وحدة التحكم Control Unit على فك تشفير العمليات وتحديد ما هي العمليات التي ينبغي تنفيذها، وما هي البيانات التي تحتاجها هذه العملية.
التنفيذ Execute
تنفذ وحدة المعالجة المركزية CPU التعليمة، وقد يتطلب التنفيذ عمليات حسابية أو منطقية باستخدام وحدة الحساب والمنطق ALU، أو نقل بيانات خلال السجلات المختلفة، أو التفاعل مع أجزاء مختلفة من الحاسوب.
التخزين Store
إن كانت العملية المُنفذَّة تعيد نتيجة فسوف تحفظ هذه النتيجة في سجل register أو في الذاكرة، ويُحَدَّث عداد البرنامج program counter ليشير للتعليمة القادمة، لتبدأ نفس الحلقة في التكرار مجددًا.
ما هي وحدة المعالجة الرسومية GPU
تعد وحدة المعالجة الرسومية GPU دارة إلكترونية مخصصة ومصممة للتعديل على الذاكرة بسرعة، وتسريع إنشاء الصور في ذاكرة مخصصة لعرض ولإخراج المعلومات على أجهزة العرض تسمى frame buffer، وقد طُوّرت في البداية لأغراض عرض الرسوميات ثلاثية الأبعاد في ألعاب الفيديو، ثم تطورت لتصبح معالجات متوازية قووية قادرة على التعامل مع العمليات الحسابية المعقدة على التزامن. وتحتوي وحدات المعالجة الرسومية GPUs على آلاف من الأنوية cores الصغيرة وعالية الكفاءة المصممة للتعامل مع مهام متعددة على التوازي، مما يجعلها الخيار المثالي لمهام المعالجة المتوازية التي تتجاوز التطبيقات الرسومية.
تستخدم الشركات اليوم قدرات وحدات المعالجة الرسومية GPUs لتطوير وتشغيل نماذج تعلم الآلة الضخمة على نطاق واسع، وهذا يتيح لها تحقيق تقدم متسارع في تخصيص وتشخيص تجربة أنظمة التوصية الخاصة بها، وتستخدم أيضًا في تطوير تقنيات المركبات ذاتية القيادة وفي خدمات الترجمة الفورية في الوقت الحقيقي وغيرها من التطبيقات الذكية.
آلية عمل وحدة المعالجة الرسومية GPU
تعمل وحدات المعالجة الرسومية GPUs بمبادئ مشابهة لتلك التي تتبعها وحدات المعالجة المركزية CPUs ولكنها مصممة ومحسنة لمهام المعالجة المتوازية، وهذا يجعلها الخيار الأنسب لعرض الرسوميات ولأنواع معينة من المهام. وسنشرح تاليًا آلية عمل وحدة المعالجة الرسومية GPU:
المعالجات متعددة التدفق SMs
تكافئ المعالجات متعددة التدفق Streaming Multiprocessors -أو SMs اختصارًا- الأنوية cores المستخدمة في وحدات المعالجة المركزية ولكن يحتوي كل معالج متعدد التدفق SM على وحدات معالجة أصغر ومتعددة ما يكسبه القدرة على التعامل مع تدفق كبير من البيانات حيث تُمكّن هذه المعمارية وحدات المعالجة الرسومية GPUs من التعامل مع العديد من المهام بنفس الوقت.
أنوية كودا CUDA Cores
تقع هذه الأنوية بداخل وحدات معالجة التدفق SM، وهي المسؤولة عن المعالجة بداخلها، وهي أبسط من أنوية وحدة المعالجة المركزية CPU ولكنها توجد بأعداد أكبر بكثير، حيث قد يوجد في وحدة المعالجة الرسومية GPU آلاف منها.
وحدات رسم الخامة TMUs
تعمل وحدة رسم الخامة Texture Mapping Unit أو TMU اختصارًا على رسم الخامة أو السطح الخارجي للنماذج ثلاثية الأبعاد بسرعة كبيرة، وهي وظيفة فريدة توجد فقط في وحدات المعالجة الرسومية GPUs وليست موجودة في وحدات المعالجة المركزية CPUs.
ذاكرة الفيديو VRAM
تتشابه ذاكرة الفيديو Video Memory في الوظيفة مع ذاكرة الوصول العشوائي الخاصة بوحدة المعالجة المركزية CPU، ولكنها محسنَّة لمهام المعالجة الرسومية، وهي في الغالب أسرع وتمتلك معدل نقل بيانات أكبر من الذي تملكه ذاكرة RAM.
الجلب Fetch
تمتلك وظيفة مماثلة لتلك الخطوة الخاصة بجلب التعليمات في وحدة المعالجة المركزية CPU، ولكنها مصممة بشكل أفضل لتنفيذ العديد من التعليمات المتشابهة على التوازي بذات الوقت.
فك التشفير Decode
تشابه هذه الوظيفة نظيرتها في وحدة المعالجة المركزية CPU والاختلاف بينهما هو تحسين هذه الوظيفة في GPU لتناسب مع المهام المتعلقة بمعالجة الرسوميات.
التنفيذ Execute
تختلف هذه الخطوة بشكلٍ جذري عن نظيرتها في وحدة المعالجة المركزية CPU، حيث تُنفِّذ وحدات المعالجة الرسومية GPUs العديد من التعليمات المتشابهة بشكل متزامن من خلال عدد كبير من أنوية كودا CUDA cores في عملية تسمى Single instruction Multiple Data -أو SIMD اختصارًا- والتي تعني إمكانية تنفيذ نفس التعليمة على عدة بيانات في نفس الوقت.
التخزين Store
تُحفظ النتائج عادة في ذاكرة الفيديو Video Random Access Memory -أو VRAM اختصارًا- ويسمح المستوى العالي من التوازي الذي توفره وحدات المعالجة الرسومية GPUs بتحقيق معدل نقل بيانات كبير جدًا من أجل تنفيذ المهام المتعلقة بالرسوميات.
مقارنة بين وحدة المعالجة المركزية CPU ووحدة المعالجة الرسومية GPU
تعد كلتا وحدتي المعالجة المركزية والرسومية مكونات ضرورية في أنظمة الحوسبة الحديثة، وقد صُمّمت كل وحدة معالجة منهما بأولويات ومسؤوليات مختلفة وهدف تصميمي مختلف، لذا من الضروري فهم الفروقات بينهما لتحديد المناسب لنا من بينهما.
الوظيفة الأساسية
صُمّمت وحدات المعالجة المركزية CPUs لتكون شاملة ومتعددة الأغراض وقادرة على التعامل مع طيف واسع من المهام بكفاءة عالية، فهي تتميز في المعالجة المتسلسلة sequential processing، كما أنها مُحسّنة لاتخاذ القرارات المعقدة، وتتحكم وحدة المعالجة المركزية CPU في العتاد الحاسوبي والتنسيق بين البرامج المختلفة لتشغيلها.
بنما كانت وحدات المعالجة الرسومية GPUs متخصصة في البداية في عرض الرسوميات graphics rendering، ولكنها تطورت مع الوقت لتصبح معالجات فائقة لها القدرة على المعالجة المتوازية parallel processors. وهي اليوم تشغّل التعليمات تمامًا كوحدات المعالجة المركزية CPUs ولكنها محسنة للتعامل مع الكثير من العمليات الحسابية المتزامنة. فوحدات المعالجة المركزية CPU متنوعة القدرات وشاملة المهام، في حين أن وحدات المعالجة الرسومية تتميز بالتخصص والتفوق في تنفيذ المهام القابلة للتقسيم إلى مهام كثيرة جدًا والتي تتميز بكونها مهام متشابهة ويمكن حسابها بشكل مستقل عن بعضها البعض.
المعالجة
تُنفِّذ وحدات المعالجة المركزية CPUs العمليات بشكل متتابع أو متسلسل، حيث تُنفِّذ التعليمات المعقدة واحدة تلو الأخرى وتستخدم تقنيات مخصصة مثل التنبؤ بالتعليمات المتفرعة أو الشرطية branch prediction أو التنفيذ غير المراعي للترتيب Out-of-Order Execution الذي يسمح بتنفيذ التعليمات بترتيب مختلف عن ترتيبها الأصلي في البرنامج لتحسين عملية المعالجة المتسلسلة، حيث تشبه وحدات المعالجة المركزية CPUs المدير المنظم فهي تنسق وتتعامل مع مهام متنوعة وتتخذ القرارات المعقدة بسرعة.
من ناحية أخرى، تعالج وحدات المعالجة الرسومية GPUs المهام بالتوازي، فتنفّذ العديد من التعليمات البسيطة بشكل متزامن عبر عدد ضخم من الأنوية، وتحتوي هذه الأنوية على عدد ضخم من الخيوط threads البسيطة التي يمكنها تنفيذ عمليات بسيطة للغاية ولكن عددها الضخم يمكِّنها من معالجة كمية بيانات أكبر بنفس الوقت، فبينما تشبه وحدة المعالجة المركزية CPU المدير، تشبه وحدة المعالجة الرسومية GPU خط التجميع في المصانع حيث يوكل لكل عامل أو آلة جزء معين من العمل، وبهذا يمكن لهذه الوحدة معالجة كميات ضخمة من البيانات المتشابهة في وقت واحد.
تصميم الهيكلية
تمتلك وحدات المعالجة المركزية CPUs في الغالب من 2 إلى 64 نواة معقدة التركيب ومزودة بذاكرة مخبئية Caches ووحدات تحكم Control units مخصصة ومعقدة، حيث صممت هذه المكونات لتحقق أقل معدل تأخير في الاستجابة low latency، فتستطيع كل نواة التعامل مع مهام متنوعة بشكل مستقل، فتولي هذه الهيكلية أهمية للتنوع في القدرات وسرعة الاستجابة لعدد واسع ومتنوع من المهام.
بينما تجمع وحدات المعالجة الرسومية GPUs مئات أو آلاف الأنوية البسيطة فيما يعرف بمعالجات متعددة التدفق streaming multiprocessors أي يمكنها معالجة عدة تدفقات من البيانات في وقت واحد، وعلى عكس وحدات المعالجة المركزية CPUs فإن أنوية وحدات المعالجة الرسومية GPUs تتشارك في وحدات التحكم والذاكرات المخبئية بداخل كل معالج متعدد، وتختلف هذه المعمارية عن وحدات المعالجة المركزية CPUs بحيث تسمع لوحدات المعالجة الرسومية GPUs بمعالجة كميات ضخمة من البيانات من خلال عمليات متشابهة عليها، فهي لا تعتمد أنوية معقدة كما في وحدات المعالجة المركزية بل تستخدم أنوية بسيطة وصغيرة تكمن قوتها وتفوقها بقدرتها في العمل على التوازي على عدد كبير من البيانات.
حالات الاستخدام
تبرز أهمية وحدات المعالجة المركزية CPUs في المهام التي تطلب اتخاذ قرارات معقدة، وتنفيذ عمليات متنوعة، أو تغيرات متكررة في تدفق تنفيذ العمليات. فتشغل هذه الوحدات أنظمة التشغيل والمتصفحات. وتعد الخيار الأول لمهام مثل إدارة قواعد البيانات وتشغيل برامج الإنتاجية والتنسيق بين عمليات النظام المختلفة.
في حين تبرز أهمية وحدات المعالجة الرسومية GPUs في الحالات التي تتضمن إجراء العديد من العمليات الحسابية في نفس الوقت عبر عدد كبير من البيانات المتجانسة أي البيانات المتشابهة أو المتطابقة من حيث الهيكل أو النوع، فهي تتشارك مع وحدات المعالجة المركزية CPUs في القدرة على القيام بالعمليات الحسابية لكنها تتفوق بشكل جليّ في المهام التي تطلب عرض رسومات ثلاثية الأبعاد وكثيرة التفاصيل، أو في تدريب نماذج تعلم الآلة أو تنفيذ عمليات محاكاة لظواهر علمية تتطلب حسابات ضخمة، ففي كل هذه التطبيقات تتفوق وحدات المعالجة الرسومية GPUs على وحدات المعالجة المركزية CPUs عشرات المرات وربما مئات المرات من حيث الأداء، مما يعطيها دورًا لا غنى عنه في مجالات مثل رسوميات الحاسوب، والذكاء الاصطناعي والحوسبة عالية الأداء.
دمج وحدة المعالجة المركزية CPU مع وحدة المعالجة الرسومية GPU
تستخدم الأنظمة الحاسوبية الحديثة كلًا من وحدة المعالجة المركزية CPU ووحدة المعالجة الرسومية GPU لتحسين التطبيقات والمهام. ويعرف هذا النهج بالحوسبة الهجينة، حيث تسمح هذه الطريقة لكل معالج بالتركيز على الأمور التي يتفوق فيهل، فتتعامل وحدات المعالجة المركزية CPUs مع المهام المعقدة المتسلسلة، وتتولى وحدات المعالجة الرسومية GPUs الحسابات المتوازية، ويعزز هذه الدمج في التقنيات أداء الأنظمة ويساعد في العديد من المجالات بداية من المحاكاة العلمية والذكاء الاصطناعي وصولًا إلى إنشاء المحتوى، ولنستعرض بعض الأمثلة على حالات يمكننا فيها دمج CPU مع GPU.
لنفترض أن شركة ناشئة تطور نظامًا لاكتشاف الكائنات في الوقت الحقيقي من أجل المركبات ذاتية القيادة، فيمكن للشركة في هذه الحالة أن تستخدم وحدة المعالجة المركزية CPU في معالجة البيانات المتدفقة من المستشعرات واتخاذ قرارات سريعة، بينما تستخدم وحدة المعالجة الرسومية GPU في تشغيل نظام من الشبكات العصبية الاصطناعية Artificial Neural Networks المعقدة للتعرف على الكائنات في البيئة المحيطة بالمركبة.
مثال آخر، لنفترض أن شركة تقنيات مالية تريد تطوير منصة تداول وتتوقع ورود طلبات تداول كثيرة في نفس الوقت، فيمكنها أن تستخدم وحدات المعالجة المركزية CPUs لإدارة عملية التداول وتشغيل الخوارزميات المعقدة، بينما تستفيد من وحدات المعالجة الرسومية GPUs في تحليل بيانات السوق بسرعة وتقييم المخاطر التسويقية من خلال عمليات حسابية تنفذ على التوازي.
أخيرًا، لنفترض أن لدينا استوديو تطوير ألعاب ونريد صناعة لعبة عالم مفتوح متعددة الشخصيات واللاعبين، فيمكننا في هذه الحالة استخدام وحدات المعالجة المركزية CPUs في تنفيذ منطق اللعب وإضافة سلوك الذكاء الاصطناعي للعبة، بينما نعتمد على وحدات المعالجة الرسومية GPUs في عرض الرسومات المعقدة ثلاثية الأبعاد ومحاكاة الظواهر الطبيعية ومحاكاة الفيزياء لإنشاء تجربة لعب مبهرة بصريًا.
ترجمة وبتصرف لمقالة ?What is the Difference Between CPU and GPU.
أفضل التعليقات
انضم إلى النقاش
يمكنك أن تنشر الآن وتسجل لاحقًا. إذا كان لديك حساب، فسجل الدخول الآن لتنشر باسم حسابك.