ما هي أنوية المعالج وخيوط المعالجة؟

إنفورماتيك ديجيتال » موارد » ما هي أنوية المعالج وخيوط المعالجة؟

عند البدء بالاطلاع على مواصفات المعالج، يسهل التشتت وسط هذا الكم الهائل من البيانات: التردد، وذاكرة التخزين المؤقت، واستهلاك الطاقة الحرارية... وبالطبع، القسم الشهير المتعلق بعدد النوى والخيوط . هذه مصطلحات تتكرر في كل مكان، ومع ذلك لا تزال تُسبب قدراً كبيراً من الارتباك، حتى بين المستخدمين ذوي الخبرة.

إن فهم أنوية المعالج وخيوط المعالجة ليس مجرد مسألة تقنية، بل يؤثر بشكل مباشر على أداء الحاسوب في الاستخدام اليومي، وسلاسة تعدد المهام، وكفاءة أداء الألعاب وبرامج تحرير الفيديو والآلات الافتراضية. ورغم أن المستخدم العادي يستطيع التعامل مع هذه المفاهيم دون الخوض في تفاصيلها، إلا أن إتقانها ضروري لكل من يعمل في مجال البرمجة، أو بناء أجهزة الحاسوب، أو حتى لمن يرغب في اتخاذ قرارات شراء مدروسة.

ما هي أنوية المعالج؟

تحتوي الشريحة الصغيرة التي نسميها وحدة المعالجة المركزية (CPU) على عدة وحدات منطقية تعمل كوحدات حسابية مستقلة تمامًا . هذه الوحدات هي النوى. تستطيع كل نواة استقبال التعليمات من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، ومعالجتها بالتزامن مع ساعة المعالج، وإعادة النتائج، تمامًا كدماغ صغير داخل الشريحة الرئيسية.

كانت المعالجات القديمة تحتوي على نواة واحدة فقط قادرة على تنفيذ تعليمة واحدة في كل دورة ساعة . وكانت هذه القدرة تُقاس بالميغاهرتز (MHz) أو الغيغاهرتز (GHz): فكلما زاد التردد، زاد عدد التعليمات التي يمكن إنجازها في الثانية الواحدة. أما اليوم، فبالإضافة إلى زيادة سرعة الساعة، ضاعف المصنّعون عدد النوى لزيادة قوة المعالجة الخام بشكل كبير.

يعمل كل نواة كمعالج فرعي فعلي مدمج في نفس الحزمة . وحدة المعالجة المركزية رباعية النوى تُشبه وجود أربعة معالجات تعمل بالتوازي على نفس الشريحة. هذا يعني أنه في دورة واحدة، يمكن لوحدة المعالجة المركزية معالجة أربع تعليمات مختلفة في وقت واحد، مما يُضاعف قوة الحوسبة طالما أن نظام التشغيل والبرامج تستفيد من ذلك.

من المهم التأكيد على أن النوى هي مكونات مادية، وليست شيئًا افتراضيًا أو محاكاة بواسطة البرامج . فهي تتكون من ملايين الترانزستورات والدوائر التي تُنفذ وحدات الحساب، ووحدات التحكم، والسجلات الداخلية، وعناصر أخرى تسمح بتنفيذ دورة التعليمات (جلب، فك التشفير، التنفيذ، وكتابة النتيجة) بشكل متكرر.

في سوق المستهلكين اليوم، من الشائع العثور على معالجات ذات 2 أو 4 أو 6 أو 8 أو حتى أكثر من 10 أنوية ، بينما توفر محطات العمل والخوادم عادةً أعدادًا أكبر، مثل 16 أو 32 أو أكثر من الأنوية الفعلية. كلما زاد عدد الأنوية، زادت المهام التي يمكن معالجتها في وقت واحد، وهو أمر مفيد بشكل خاص للتطبيقات الاحترافية والخوادم وسير العمل ذي الأحمال المتوازية العالية.

ما هي خيوط المعالج وكيف تعمل؟

بينما تُعدّ النواة مكونات مادية، فإن الخيوط (أو العمليات الفرعية) كيانات منطقية أو افتراضية تمثل تدفق التنفيذ داخل البرنامج، ويمكن لنظام التشغيل جدولة تنفيذها على نواة واحدة أو أكثر. الخيط هو في الأساس سلسلة من التعليمات التي يمكن تنفيذها بشكل مستقل عن باقي التعليمات، مع معلومات سياقها الخاصة.

يمكننا اعتبار الخيط مسارًا يسلكه جزء من التعليمات البرمجية عبر المعالج . لكل خيط سجلات تنفيذ خاصة به، ومكدس خاص به، وعداد برنامج يشير إلى التعليمات التي يجب تنفيذها في أي وقت. نظام التشغيل مسؤول عن تخصيص هذه الخيوط للأنوية المتاحة وتوزيع وقت وحدة المعالجة المركزية بينها بأكبر قدر ممكن من الكفاءة.

في البرمجة، يُفرّق بين التطبيقات أحادية الخيوط والتطبيقات متعددة الخيوط . البرنامج أحادي الخيوط له مسار تنفيذ واحد فقط: تُنفّذ التعليمات واحدة تلو الأخرى، بتسلسل صارم. أما في التطبيق متعدد الخيوط ، فيُوزّع العمل على عدة خيوط يمكنها العمل بالتوازي، وتتشارك الموارد ولكنها تُنفّذ بشكل متزامن.

تتيح هذه الطريقة لتقسيم عبء العمل لبرنامج واحد تنفيذ عمليات متعددة في وقت واحد . على سبيل المثال، يمكن لمحرر الفيديو تخصيص خيط معالجة للواجهة الرسومية، وآخر للمعالجة، وثالث للصوت، وهكذا. إذا توفرت أنوية وخيوط معالجة كافية في وحدة المعالجة المركزية، فإن هذه الأجزاء من البرنامج تعمل بالتزامن، مما يحسن أوقات الاستجابة ويقلل من الشعور بالتأخير.

في الواقع، تستخدم العديد من المعالجات الحديثة تقنيات تعدد الخيوط المتزامنة مثل SMT أو Hyper-Threading، والتي تسمح لكل نواة فعلية بمعالجة خيطين تنفيذيين في آن واحد . وهذا يفسر وجود وحدات معالجة مركزية، على سبيل المثال، بستة أنوية واثني عشر خيطًا: فهناك ست وحدات فعلية، لكن كل واحدة منها قادرة على تنفيذ مسارين مختلفين من التعليمات في الوقت نفسه، مما يُحسّن استخدام الوحدات الداخلية التي كانت ستظل خاملة لولا ذلك. وتُعد تقنية Hyper-Threading من إنتل مثالًا معروفًا على ذلك.

العلاقة بين البرامج والعمليات والخيوط

لفهم دور الخيوط بشكل كامل، من المفيد الرجوع خطوة إلى الوراء ورؤية كيفية تنظيم العمل في نظام التشغيل. البرنامج ببساطة عبارة عن مجموعة من التعليمات المخزنة على القرص (التطبيقات، وبرامج التشغيل، ونظام التشغيل نفسه، وما إلى ذلك) بصيغة ثنائية، جاهزة للتحميل في الذاكرة عند الحاجة.

عند تشغيل برنامج، يُنشئ النظام عملية واحدة على الأقل تُحمّل في ذاكرة الوصول العشوائي (RAM ). تتضمن هذه العملية الشفرة التنفيذية، والبيانات، والموارد اللازمة (مثل مُعرّفات الملفات، والذاكرة المحجوزة، إلخ)، وسياقًا يُديره نظام التشغيل بعناية. تقع كل عملية في مساحة ذاكرة مُحددة، معزولة عن العمليات الأخرى، مما يُوفر الاستقرار والأمان.

يحتاج أي برنامج إلى عناصر أساسية معينة ليعمل: عداد البرنامج الذي يشير إلى التعليمات التالية المراد تنفيذها، وسلسلة من السجلات لتخزين البيانات المؤقتة ومعلومات التحكم، ومكدس لتخزين البيانات من الدوال النشطة. ويتم حفظ كل هذا واستعادته باستمرار عند انتقال النظام من برنامج إلى آخر.

الأمر المثير للاهتمام هو أن كل عملية تعمل بشكل مستقل عن الأخرى . وبفضل هذه الاستقلالية، إذا تعطل أحد التطبيقات، يمكن لبقية النظام الاستمرار في العمل. تتيح هذه القدرة على إدارة عمليات متعددة بيئة عمل متعددة المهام: تصفح الإنترنت أثناء الاستماع إلى الموسيقى، والتحقق من البريد الإلكتروني، وتنزيل الملفات في الوقت نفسه.

يحتوي كل برنامج على خيوط تنفيذ. الخيط هو أصغر وحدة عمل يمكن لنظام التشغيل تخصيصها لوحدة المعالجة المركزية . يمكن أن يتكون البرنامج من خيط واحد (أبسط الحالات) أو من عدة خيوط تتشارك نفس مساحة الذاكرة وموارد المعالجة، ولكنها تُنفذ بالتوازي.

عمليات السلك الواحد والأسلاك المتعددة

في عملية أحادية الخيوط، يتم تنفيذ جميع تعليمات البرنامج في سلسلة واحدة . هذا يعني أنه إذا استغرق جزء من البرنامج وقتًا طويلاً (على سبيل المثال، عملية قرص بطيئة أو عملية حسابية معقدة)، فقد يتوقف باقي التطبيق حتى تنتهي تلك العملية، مما يخلق شعورًا بالبطء أو التجميد.

عندما تكون العملية متعددة الخيوط، تُقسّم مهمتها إلى عدة عمليات فرعية أصغر تُسمى خيوطًا . تتشارك هذه الخيوط الذاكرة والموارد، ولكن لكل خيط مكدس سجلات وعداد برنامج خاص به. بهذه الطريقة، يمكن تنفيذ جزأين أو أكثر من البرنامج في وقت واحد، مما يقلل أوقات الانتظار ويُحسّن استخدام النوى المتاحة.

على سبيل المثال، قد يحتوي متصفح الويب على خيط معالجة واحد للواجهة، وآخر لتحميل الصفحات، وثالث لتنفيذ كود جافا سكريبت، ورابع لتشغيل الفيديو. في حال وجود عدة أنوية وخيوط معالجة في وحدة المعالجة المركزية، يمكن تشغيل جميع هذه الخيوط في وقت واحد ، مما يُحسّن تجربة المستخدم بشكل ملحوظ.

يكمن السر في أنه مع زيادة عدد الخيوط، يزداد حجم العمليات الحسابية المتزامنة بشكل ملحوظ . هذا لا يعني أن وحدة المعالجة المركزية أسرع، بل يعني أنها تستطيع إبقاء وحداتها الداخلية مشغولة بمزيد من العمليات المتوازية. وهذا يُترجم إلى استخدام أفضل للموارد، خاصةً في البرامج المصممة خصيصًا للعمل مع خيوط متعددة.

في المعالجات المزودة بتقنية تعدد الخيوط، لا تُنفذ النواة ثنائية الخيوط فعليًا تعليمتين في نفس الدورة بكفاءة 100%، ولكنها تستطيع التبديل بين خيطين بسرعة فائقة تجعل المستخدم يشعر وكأنهما يعملان بالتوازي. يخصص نظام التشغيل "شرائح صغيرة من وقت وحدة المعالجة المركزية" لكل خيط، ويحدث التبديل بينهما في أجزاء من الثانية، دون أن يلاحظه المستخدم.

الاختلافات الأساسية بين النوى والخيوط

يكمن الفرق الرئيسي في أن النوى هي وحدات معالجة مادية ، بينما الخيوط هي كيانات منطقية تمثل مهامًا أو عمليات فرعية تُنفذ على تلك النوى. يمكن للنواة أن تعمل دون خيوط SMT إضافية (ببساطة تنفيذ سلسلة تعليمات واحدة)، لكن الخيط، مهما كان افتراضيًا، يحتاج دائمًا إلى نواة مادية في مرحلة ما للتنفيذ.

عند النظر إلى مواصفات وحدة المعالجة المركزية، ستجد تركيبات مثل "4 أنوية / 8 خيوط معالجة" أو "6 أنوية / 12 خيط معالجة". هذا يعني أن كل نواة فعلية يمكنها معالجة خيطي معالجة في وقت واحد . في معالج بستة أنوية واثني عشر خيط معالجة، يرى نظام التشغيل 12 وحدة منطقية لجدولة المهام، على الرغم من وجود 6 كتل تنفيذ كاملة فقط على مستوى السيليكون.

عمليًا، تحدد النوى عدد المهام المستقلة التي يمكن لوحدة المعالجة المركزية تنفيذها في وقت واحد ، بينما تعمل الخيوط على تحسين استخدام هذه النوى، مما يقلل وقت الخمول ويسمح بتشغيل المزيد من الخيوط المتزامنة. لهذا السبب يُقال إن الخيوط تزيد الكفاءة، لكن الزيادة الحقيقية في القدرة تأتي دائمًا من إضافة المزيد من النوى الفعلية.

باختصار، توفر النوى القوة الفيزيائية، بينما تعمل الخيوط على تنظيم العمل بشكل أفضل . ويُحدث التوازن الجيد بينهما فرقًا كبيرًا في أداء النظام بشكل عام، لا سيما عند التعامل مع مهام متعددة مكثفة أو برامج احترافية تتطلب موارد عالية.

اللب أم الخيوط: أيهما أكثر أهمية حسب الاستخدام

السؤال المعتاد عند شراء وحدة معالجة مركزية (CPU) هو ما إذا كان ينبغي إعطاء الأولوية لعدد أكبر من النوى الفيزيائية أم لعدد أكبر من الخيوط المنطقية . وتعتمد الإجابة بشكل كبير على كيفية استخدامك للكمبيوتر وكيفية برمجة التطبيقات التي تستخدمها عادةً.

في المهام التي تستهلك موارد الجهاز بكثافة، مثل الألعاب ذات المتطلبات العالية، وتحرير الفيديو المتقدم، ومعالجة الرسومات ثلاثية الأبعاد، أو تشغيل الأجهزة الافتراضية، يكون امتلاك عدد كبير من النوى الفعلية أكثر فائدة في العادة . تستفيد هذه المهام من القدرة على توزيع المهام الكبيرة على عدة نوى فعلية، بدلاً من الاعتماد فقط على الخيوط المنطقية عبر عدد قليل من النوى.

للاستخدامات اليومية، مثل تصفح الإنترنت، والعمل على المستندات، واستخدام عدة تطبيقات خفيفة في وقت واحد، أو مشاهدة محتوى الوسائط المتعددة، يمكن لإدارة الخيوط الفعّالة أن تُحدث فرقًا كبيرًا . حتى مع عدد قليل من النوى، إذا كان المعالج يدعم خيوطًا متعددة لكل نواة، وقام النظام بتوزيعها بشكل جيد، فستكون التجربة العامة سلسة وسريعة الاستجابة.

في تطوير البرمجيات، يُعدّ الفهم الشامل لكيفية إدارة النوى والخيوط أمرًا بالغ الأهمية. قد لا يستفيد البرنامج ضعيف التوازي من معالج ذي خيوط أو نوى متعددة ، بينما يتوسع التطبيق المصمم جيدًا بشكل ممتاز مع ازدياد عدد النوى المتاحة. بعض البرامج مُحسّنة للعديد من الخيوط المنطقية، بينما لا تعرف برامج أخرى كيفية الاستفادة إلا من عدد قليل من النوى فائقة القوة.

ببساطة، بالنسبة لمعظم المستخدمين المنزليين، يوفر المعالج ذو 4 إلى 6 أنوية مع عدد جيد من الخيوط توازناً ممتازاً بين السعر والأداء . أما بالنسبة لمنشئي المحتوى، أو اللاعبين المتحمسين، أو المحترفين الذين يستخدمون برامج تتطلب موارد عالية، فإن الترقية إلى 8 أو 10 أنوية أو أكثر تُعدّ خياراً منطقياً، خاصةً إذا كانت هذه التطبيقات مصممة للاستفادة من تعدد الخيوط.

كيفية معرفة عدد النوى والخيوط التي يمتلكها معالجك

إذا كنت ترغب في معرفة عدد أنوية وخيوط معالج جهازك، فإن نظام التشغيل نفسه يوفر أدوات بسيطة للغاية للقيام بذلك دون الحاجة إلى تثبيت أي برامج إضافية . يُفيد هذا في معرفة ما إذا كان جهازك يفي بمتطلبات برنامج أو لعبة معينة، أو لتقييم ما إذا كان من المجدي حقًا ترقية معالجك.

في نظامي التشغيل ويندوز 10 و11، يمكنك فتح قائمة السياق الخاصة بزر "ابدأ" والانتقال إلى قسم "النظام" للاطلاع على طراز المعالج المُثبّت . باستخدام هذه المعلومات، يمكنك البحث في موقع الشركة المصنّعة والتحقق من عدد النوى والخيوط التي يدعمها المعالج. بالإضافة إلى ذلك، يعرض " مدير المهام "، في علامة التبويب "الأداء"، رسومًا بيانية لكل وحدة معالجة مركزية منطقية، مما يُعطيك فكرة عن عدد الخيوط التي يستخدمها النظام.

إذا كنت ترغب في الحصول على معلومات أكثر تفصيلاً، فإن مدير المهام نفسه يحتوي على رابط إلى مراقب الموارد ، حيث يمكنك الاطلاع على تفاصيل العمليات والخيوط بالإضافة إلى استخدام وحدة المعالجة المركزية. كل إدخال "خيط" هناك يمثل خيط تنفيذ يديره النظام.

في نظام macOS، يمكنك العثور على معلومات أساسية عن وحدة المعالجة المركزية في قائمة Apple، ضمن "حول هذا الـ Mac"، ثم "تقرير النظام ". هناك، يمكنك رؤية اسم المعالج، وبالرجوع إلى المواصفات الرسمية، يمكنك معرفة عدد النوى والخيوط الفعلية. كما يعرض "مراقب النشاط" عدد الخيوط التي يستخدمها كل تطبيق مفتوح.

باستخدام هذه الأدوات، يمكنك الحصول على فكرة واضحة عن مقدار قوة المعالجة المتوازية المتاحة لديك بالفعل ، وما إذا كانت برامجك تشبع النوى أو تستخدم نواة أو نواتين فقط، تاركة الباقي خاملاً تقريبًا.

كم عدد أنوية المعالج التي يجب عليك اختيارها بناءً على استخدامك؟

لا يُعدّ عدد النوى الأمثل هو نفسه للجميع. فهو يعتمد على أنواع المهام التي تُؤديها يوميًا، وما إذا كانت تطبيقاتك المفضلة مُحسّنة للاستفادة من النوى والخيوط المتعددة . ليس بالضرورة أن يكون العدد الأكبر أفضل، ولكن من المهم إيجاد النطاق المناسب.

للاستخدام الأساسي للغاية (التصفح، مهام المكتب البسيطة، البريد الإلكتروني، مشاهدة مقاطع الفيديو) عادة ما يكون وجود نواتين فعليتين كافيًا ، على الرغم من أنه من المستحسن اليوم اختيار 4 على الأقل للحصول على هامش لتحديثات البرامج المستقبلية وتعدد المهام الأكثر كثافة.

إذا كنتَ عادةً ما تلعب ألعابًا أقل تطلبًا للموارد، وتُجري تعديلات بسيطة على الصور أو الفيديو، وتُبقي عدة تطبيقات مفتوحة في الوقت نفسه، فإن الخيار الأمثل هو البحث عن معالج رباعي النواة يدعم تعدد الخيوط. يُعدّ التحسين مقارنةً بالمعالج ثنائي النواة ملحوظًا من حيث سلاسة الأداء، وسرعة التحميل، والقدرة على تشغيل برامج متعددة في آنٍ واحد.

بالنسبة للألعاب ذات المتطلبات العالية، أو إنشاء محتوى أكثر احترافية (تحرير فيديو عالي الدقة، أو معالجة ثلاثية الأبعاد متكررة)، أو استخدام الآلات الافتراضية، فإن الانتقال إلى معالجات ذات 6 أو 8 أنوية يُحسّن الأداء بشكل ملحوظ. تستفيد العديد من الألعاب الحديثة من 6 أو 8 أنوية بكفاءة عالية، وعادةً ما تتحسن برامج التحرير والمعالجة بشكل كبير مع كل نواة إضافية.

عند استخدام أكثر من 10 أنوية، نتحدث عن أنظمة مصممة لسيناريوهات بالغة التطلب: ألعاب متطورة مع بث متزامن ، ورسوم متحركة ثلاثية الأبعاد احترافية، ومحاكاة معقدة، أو محطات عمل وخوادم تُشغّل العديد من المهام بالتوازي. في هذه الحالات، كلما زاد عدد الأنوية والخيوط (شريطة أن يستغلها البرنامج بكفاءة)، تحسنت القدرة على معالجة أحمال العمل الضخمة.

تأثير عدد النوى والخيوط على الأداء

يؤدي وجود المزيد من النوى والخيوط إلى تغيير كبير في أداء النظام تحت الضغط. إذ يمكن لوحدة المعالجة المركزية متعددة النوى التعامل مع العديد من المهام المتزامنة دون أن يعيق أحدها الآخر ، مما ينتج عنه أوقات استجابة أسرع، وتقليل التقطعات، واستقرار أكبر عند تشغيل جهاز الكمبيوتر بكامل طاقته.

يُعدّ تعدد المهام أحد أبرز المجالات التي يتجلى فيها هذا الأمر بوضوح. فوجود أنوية وخيوط معالجة متعددة يسمح لنظام التشغيل بتوزيع التطبيقات على وحدات المعالجة المركزية المنطقية المختلفة ، بحيث بينما تتولى إحداها عملية حسابية مطولة، تستمر الوحدات الأخرى في الاستجابة للمستخدم. وهذا ما يُتيح، على سبيل المثال، تشغيل لعبة أثناء قيام برنامج ما بعرض محتوى في الخلفية أو تسجيل فيديو للعبة.

في ألعاب الفيديو، تتناسب معظم الألعاب الحديثة بشكل جيد مع 4 أو 6 أنوية، بينما تستفيد بعض الألعاب المتطورة من 8 أنوية فعلية . في هذه الحالات، بالإضافة إلى بطاقة الرسومات، يجب على المعالج التعامل مع الفيزياء والذكاء الاصطناعي ومنطق اللعبة والشبكات، وما إلى ذلك. يساعد توزيع هذه المهام على عدة أنوية وخيوط معالجة في الحفاظ على معدلات إطارات أكثر استقرارًا، خاصة في المشاهد ذات المتطلبات العالية.

في مجال إنشاء المحتوى، مثل تحرير الفيديو الاحترافي، أو معالجة الرسومات ثلاثية الأبعاد، أو معالجة الصور واسعة النطاق، يلعب عدد النوى دورًا حاسمًا. صُممت العديد من محركات العرض، وبرامج ترميز الفيديو، والأدوات الاحترافية لتتوسع بشكل شبه خطي مع كل نواة إضافية ، لذا فإن الانتقال من 4 إلى 8 نوى يمكن أن يقلل أوقات التصدير إلى النصف في ظل أحمال عمل معينة.

في بيئات الخوادم ومحطات العمل، يتطلب التعامل مع عشرات المستخدمين أو الأجهزة الافتراضية أو الخدمات المتزامنة عددًا كبيرًا جدًا من النوى ، غالبًا 16 نواة أو أكثر. يمكن أن تحتوي كل خدمة أو جهاز على العديد من النوى والخيوط المحجوزة، ولا يزال هناك مجال لمهام جديدة، مما يزيد بشكل كبير من سعة النظام الإجمالية.

مع ذلك، من المهم تذكر أن بعض البرامج لا تستفيد استفادة كاملة من النوى الإضافية . فالعديد منها لا يزال يعتمد بشكل كبير على خيط معالجة رئيسي واحد، لذا تبقى سرعة كل نواة (التردد والأداء لكل دورة) عاملاً حاسماً. من الأفضل الجمع بين عدد معقول من النوى وتردد جيد، دون الانجراف وراء الضجة التسويقية المحيطة بعدد الخيوط.

مع أخذ كل هذا في الاعتبار، يتضح أن النوى والخيوط تعمل معًا لتحديد سلوك وحدة المعالجة المركزية : تحدد النوى عدد المهام المستقلة التي يمكن معالجتها بالتوازي، بينما تسمح الخيوط بتقسيم هذه المهام إلى أجزاء أصغر وأكثر تنسيقًا. يساعدك فهم كيفية عمل كل مكون معًا على اختيار المعالج المناسب وتقييم ما إذا كانت الترقية مجدية حقًا بناءً على مهامك اليومية.