پردازنده (CPU) چیست؟ + نحوه کار

پردازنده یا CPU در عملکرد هر سیستمی نقش حیاتی را ایفا می‌کند و عدم استفاده از بهترین پردازنده، می‌تواند کار شما را مختل کند. اما دقیقاً پردازنده چیست و چرا حضور آن در کامپیوتر تا این حد کارساز است؟

واحد پردازش مرکزی یا Central Processor Unit که به‌اختصار پردازنده یا CPU نامیده می‌شود، یکی از مهم‌ترین قطعات در سیستم، لپ‌تاپ یا حتی گوشی شماست. این واحد پردازشی همراه با مدیریت عملکرد قطعات دیگر، وظیفه انجام سبک‌ترین تا سنگین‌ترین کارهای سیستم شما را به‌دوش می‌کشد. درواقع پردازنده قلب تپنده کیس شماست و فرقی ندارد که در حال انجام چه کاری باشید. در ادامه با جزئیات پردازنده یا سی پی یو آشنا می‌شویم.

آشنایی با وظیفه و کاربرد پردازنده (CPU)

بحث خود را بیشتر به سمت‌و‌سوی سیستم سوق می‌دهیم. تصور کنید در حال جمع زدن دو عدد در ماشین حساب هستید و پس از آن، وارد صفحات وب، اپلیکیشن‌های مختلف و حتی بازی می‌شوید‌‌. باید بدانید که اگر پردازنده نبود، فرصت انجام هیچ‌کدام از این کارها فراهم نمی‌شد. پردازنده با هسته‌ها و رشته‌های پردازشی خود، روزانه میلیون‌ها عملیات ریاضی و منطقی را انجام می‌دهد تا کارهای به‌ظاهر ساده‌ای در سیستم شما انجام شود.

برای ما گیمرها نیز CPU کاربرد قابل‌توجهی دارد و مهم‌ترین ویژگی آن، تأمین نیاز کارت گرافیک (GPU) برای پیش‌برد بازی‌هاست. درواقع پردازنده در سطح گیمینگ بسیار مهم است؛ زیرا در صورت ضعیف بودن CPU با مفهوم گلوگاه (Bottleneck) مواجه می‌شوید. گلوگاه زمانی رخ می‌دهد که CPU و GPU شما تناسب نداشته باشند و یکی از دیگری بسیار قدرتمندتر باشد. در چنین شرایطی سیستم شما از بهترین عملکرد خود بهره‌مند نمی‌شود؛ بنابراین مهم است به ویژگی‌ها و قدرت پردازنده‌ای که انتخاب می‌کنید، توجه داشته باشید.

معرفی تولیدکنندگان مطرح انواع پردازنده

از آن‌جایی که طراحی، تولید و عرضه پردازنده کار ساده‌ای نیست، تولیدکنندگان محدودی در این حوزه حضور دارند. اینتل و AMD دو نام محبوب و مشهور بازار CPU هستند که اکثر کاربران برای تجهیز سیستم خود، سراغ محصولات یکی از این دو برند می‌روند. این دو غول آمریکایی در حوزه پردازنده لپ‌تاپ نیز فعالیت می‌کنند، اما رقابت به‌دلیل حضور برندهای اپل و کوالکام بیش‌از پیش بالا گرفته است. به‌طور کلی نمی‌توان گفت کدام برند تولیدکننده CPU بهتر از دیگری است؛ چراکه امکان دارد اینتل در یک رده و AMD در رده دیگری برتر باشد. در این مورد، همه‌چیز با بودجه و مدل کار شما با سیستم در ارتباط است.

برای استفاده از پردازنده جدید در سیستم خود، مهم است که به برند سازنده آن توجه داشته باشید. به‌عنوان مثال هنگامی که CPU جدید خود را خریداری می‌کنید، باید توجه داشته باشید که مادربرد شما با آن سازگاری داشته باشد؛ زیرا در مادربردهای مختلف سوکت اختصاصی برای قرارگیری پردازنده‌ها وجود دارد. همچنین چیپست به‌کار رفته در مادربرد در عملکرد پردازنده‌ای که برایش بهینه شده، تأثیر به‌سزایی دارد. همچنین در راهکارهای مختلف برندها ازجمله اورکلاک، آندرولت و نحوه پردازش تفاوت‌های مهمی به‌چشم می‌خورد.

یکی دیگر از مشخصه‌های تعیین‌کننده، معماری پردازنده‌ای است که در سیستم خود استفاده می‌کنند. پردازنده‌های کامپیوتر اغلب از معماری X86 بهره می‌برند. برخی دیگر از پردازنده‌ها از جمله نسل جدید CPU اپل و کوالکام در لپ‌تاپ، برپایه معماری ARM طراحی و تولید شده‌اند. توجه به این فاکتور زمانی به بیشترین اهمیت خود می‌رسد که قصد اجرای بازی‌های مختلف یا برخی اپ‌های حرفه‌ای را داشته باشید. هسته‌های ARM به‌دلیل فراگیری کم‌تر در بازار، از اپ‌ها و بازی‌های کم‌تری پشتیبانی می‌کنند؛ باوجوداین پردازنده‌های اینتل و AMD که برپایه X86 کار می‌کنند، اکثر سرویس‌ها را بدون مشکل اجرا می‌کنند. هرچند اخیراً توسعه‌دهندگان برنامه‌های خود را بیش‌از پیش با هسته آرم هماهنگ کرده‌اند تا محدودیت کم‌تری در این زمینه وجود داشته باشد.

پردازنده چگونه ساخته می‌شود؟

پردازنده‌ها روند ساخت جالبی دارند و تجهیزات تولید آن‌ها در هرجایی پیدا نمی‌شود؛ بنابراین فناوری ساخت و انبوه‌سازی این قطعه تنها در اختیار چند کشور محدود قرار دارد. در وهله اول، تولیدکنندگان پردازنده باید به‌دنبال منبعی مناسب برای استخراج سیلیسیم دی‌اکسید باشند؛ زیرا پردازنده‌ها بر بستر سیلیکون ساخته می‌شوند. با شناسایی منبع مناسب برای فرآوری این ترکیب معدنی، کانی به‌دست آمده به نوعی کوره برده می‌شود.

در کوره با ایجاد حرارت برای سیلیسیم دی‌اکسید، عناصر آن‌را جداسازی کرده و سیلیسیم به‌دست آمده را در مکانی مناسب قرار می‌دهند تا به‌آرامی سرد شود. پس‌از گذشت مدتی، کریستال سیلیسیم تشکیل‌شده را به استوانه‌های سیلیکونی تبدیل می‌کنند تا درنهایت برای ساخت پردازنده، آن‌ها را به کارخانه اصلی منتقل کنند. در این قسمت، برش‌های بسیار نازکی روی استوانه‌های سیلیکونی زده می‌شود که به آن ویفر می‌گویند. این برش‌های نازک، صفحات خامی هستند که پردازنده روی آن‌ها تعبیه می‌شود.

در ادامه با قرار دادن ویفر مقابل دستگاه چاپ لیزری و استفاده از نوعی قالب خاص، طرح‌های CPU روی مدار آن چاپ می‌شود. با قرار گرفتن این طرح‌ها، هسته‌ها و مشتقات پردازنده نیز به‌صورت کاشی‌های مربع یا مستطیلی‌شکل ساخته می‌شوند. درنهایت پس‌از تکمیل این مرحله ساخت CPU، صدها پردازنده مختلف روی یک صفحه دایره‌ای تهیه می‌شود که درنهایت با جداسازی آن‌ها، مدل‌های مختلف به بازار عرضه می‌شوند.

درواقع هرچه از مرکز صفحه ویفر به گوشه‌های آن حرکت کنیم، عملکرد هسته‌های پردازشی ضعیف‌تر می‌شود و درنهایت با رسیدن به اطراف لبه، کم‌ترین عملکرد ممکن برای CPU پدیدار می‌شود. در این شرایط، با رفتن به لبه‌ها مدل پردازنده نیز یک پله پایین‌تر می‌رود؛ یعنی ابتدا از Core i9 و Ryzen 9 در مرکز ویفر شروع می‌کنیم و درنهایت به Core i3 و Ryzen 3 می‌رسیم. در مرحله آخر نیز با تولید پردازنده‌ها، آن‌ها را وارد مرحله کنترل کیفیت می‌کنند تا از عملکرد ایمن و صحیح آن‌ها اطمینان حاصل شود. سپس پردازنده ساخته‌شده بسته‌بندی می‌شود و در اختیار خریداران قرار می‌گیرد.

آشنایی با هسته و رشته‌های پردازشی

ملموس‌ترین بخشی عملکرد پردازنده را تحت تا‌ٔثیر قرار می‌دهد، هسته‌ها و رشته‌های پردازشی آن هستند. هسته‌های CPU واحدهای پردازشی مجزایی محسوب می‌شوند که مجموعه‌ای از چند المان مختلف برای عملیات‌های ریاضی و منطقی را در بر می‌گیرند. هسته‌ها دستورات را براساس عملکرد اپ یا سرویسی که در حال استفاده از آن هستید اجرا می‌کند. به‌عنوان مثال اگر از اپلیکیشنی استفاده کنید که بر بستر یک هسته فعالیت می‌کند، پرقدرت‌ترین هسته CPU فعال خواهد شد. در بازی‌ها و فعالیت‌های سنگین‌تر نیز پردازش‌ها به‌صورت چند هسته‌ای انجام می‌شوند تا پردازنده مرکزی بهترین عملکردش را داشته باشد.

امروزه سی پی یو به چند خوشه با هسته‌های متفاوت مجهز می‌شود تا عملیات‌های پردازشی را متناسب با سنگینی آن انجام دهند. به‌همین‌ترتیب در انجام کارهای سبک، از هسته‌های قدرتمند یا P استفاده نمی‌شود؛ درعوض با به‌کارگیری هسته‌های کم‌مصرف یا E، پردازش مورد نظر انجام خواهد شد. این تفکیک وظایف هسته‌های پردازنده، مصرف را کاهش داده و سبب بهره‌وری بیشتر می‌شود. درنهایت با کاهش مصرف، هم صرفه‌جویی بیشتری در انرژی به‌عمل می‌آید و هم دمای CPU کاهش می‌یابد تا عمر آن بیشتر شود.

تولیدکنندگان CPU برای هر هسته، تکنیکی به‌عنوان ایجاد رشته یا Thread را به‌کار می‌برند. در این راهکار، پردازنده با داشتن هسته‌های مجازی، می‌تواند عملیات‌های منطقی را مدیریت کند. مثلاً شاید پردازنده شما هشت هسته فیزیکی داشته باشد، اما CPU بر بستر خود هزاران پردازش مختلف را انجام می‌دهد تا در کسری از ثانیه، اپ‌‌های مختلف را به‌اجرا در بیاورد. مزیت این ویژگی در انجام همزمان چند کار یا به‌اصطلاح Multi Tasking بیشتر به‌چشم می‌خورد.

فرکانس پردازنده چیست؟

مفهوم فرکانس صرفاً به پردازنده محدود نمی‌شود و درواقع یک کمیت فیزیکی است. به‌طور کلی، فرکانس به تعداد انجام یک کار تکراری در واحد زمان، یعنی یک ثانیه گفته می‌شود. به‌عنوان مثال اگر شما در هر ثانیه ده بار روی زمین بپرید، فرکانس پرش‌های شما ۱۰ هرتز (Hz) خواهد بود. در پردازنده‌ها نیز عملیات‌های مختلفی انجام می‌شود که باتوجه به آن‌ها، شما می‌توانید اجرا، نوشتن و حذف اطلاعات را انجام دهید. امروزه فرکانس کاری پردازنده‌ها با واحد گیگاهرتز بیان می‌شود. هر یک گیگاهرتز، برابر با انجام یک میلیارد عملیات در هر ثانیه است. هرکدام از هسته‌های CPU فرکانس متفاوتی دارند و ازاین‌رو با افزایش فرکانس، تعداد پردازش‌های ممکن نیز بیشتر می‌شود.

پردازنده‌های کامپیوتر مفاهیمی چون فرکانس پایه و فرکانس تقویت‌شده را نیز به‌همراه دارند. هسته‌های پردازنده معمولاً خاموش نمی‌شوند و هنگامی که با آن‌ها کاری ندارید، در حالت آماده‌به کار قرار می‌گیرند. با فعال شدن این ویژگی، هسته‌های CPU از کم‌ترین فرکانس خود استفاده می‌کنند تا همزمان با روشن نگه‌داشتن سیستم، آمادگی لازم برای انجام عملیات‌های جدید در هر لحظه را داشته باشند. ازطرفی فرکانس تقویت‌شده یا Turbo، به بیشینه ظرفیت هسته‌ها برای پردازش عملیات اشاره دارد. این حالت در کارهای سنگین‌تر به‌کار گرفته می‌شود تا حداکثر توان CPU در اختیار باشد.

برخی کاربران پردازنده خود را اورکلاک می‌کنند. اورکلاک کردن، به‌معنای بالاتر بردن فرکانس پردازنده از حد استانداردش است. برای شکستن این مرزها، ابتدا پردازنده شما باید قابلیت و توان فعالیت در این بازه عملکرد را داشته باشد. پس‌از چک کردن شرایط، در صورت سازگاری CPU می‌توانید بیشینه فرکانس آن‌را تا حدی که بیش‌از حد داغ نکند بالا ببرید. اورکلاک به‌طور معمول برای کاربران حرفه‌ای‌تر پیشنهاد می‌شود و اگر معمولاً کار چندان سنگینی انجام نمی‌دهید، لزومی هم ندارد که از روش اورکلاک CPU، فشار بیشتری را به این قطعه وارد کنید؛ زیرا این اقدام ممکن است از طریق بالا بردن بیش از حد حرارت پردازنده، آن‌را تا مرز خرابی پیش ببرد.

حافظه Cache چه کارایی دارد؟

پردازنده برای حفظ عملکرد پرسرعت خود، به راهکاری مدرن نیاز دارند تا اطلاعات اساسی خود را در سریع‌ترین زمان ممکن دریافت کند. راه حل این موضوع، استفاده از حافظه کَش (Cache) بود. این نوع حافظه در لایه‌های مختلف پردازنده، در اختیار هسته‌ها قرار می‌گیرد تا براساس نوع پردازش، دیتای لازم برای پردازش آماده شود. حافظه کش در سه لایه مختلف L1 و L2 و L3 در دسترس قرار می‌گیرد؛ اما دقیقاً وظیفه حافظش Cache سی پی یو چیست؟

حافظه پرسرعت کش داده‌های موقت را مانند رم در خود ذخیره‌سازی می‌کند؛ باوجوداین قطعه مذکور ظرفیت کم‌تری دارد، اما در کوتاه‌ترین زمان اطلاعات را در اختیار پردازنده می‌گذارد. اطلاعات مهمی چون لینک‌ها، اپ‌های پراستفاده، صفحات وب و میان‌برهای محبوب در حافظه کش ذخیره می‌شوند تا هر زمان که کاربر اراده کرد، اجرای آن‌ها در مدت‌زمان بسیار کوتاهی انجام شود. با این کار دیگر لازم نیست که تا مدت قابل‌توجهی منتظر اجرای برنامه موردنظرتان باشید. حافظه‌های کش نسبت‌به اولویت پردازش اطلاعات طبقه‌بندی می‌شوند. حافظه کش L1 بیشترین سرعت را دارد، اما ظرفیت آن از کش‌های L2 و L3 کم‌تر است؛ بنابراین اطلاعات حیاتی‌تر ابتدا در لایه اول و اولویت‌های بعدی، در سایر لایه‌ها ذخیره می‌شوند.

تزانزیستور چیست؟ تأثیر لیتوگرافی بر عملکرد پردازنده

پردازنده‌ها و سایر قطعات کامپیوتر از دید میکروسکوپی، از میلیاردها ترانزیستور تشکیل شده‌اند. شاید پیش‌تر ترانزیستور را در مدارهای الکتریکی ساده دیده باشید، اما این نوع ترانزیستورها، بسیار کوچک و در ابعاد نانومتری هستند. عملکرد ترانزیستور به CPU اجازه تجزیه و تحلیل اطلاعات را می‌دهد. ساز و کار این قطعه، با قطع و وصل کردن برق انجام می‌شود؛ اما پردازنده چگونه رفتار ترانزیستورها را می‌فهمد؟

با ورود جریان برق به CPU، ترانزیستورها می‌توانند برق را از خود عبور دهند یا جلوی آن‌را بگیرند. ازآن‌جایی که کامپیوتر اعداد، حروف و کاراکترها را از طریق ۰ و ۱ درک می‌کند، این راهکار دو گزینه‌ای بهترین روش برای پردازش اطلاعات است. وصل بودن جریان عدد ۱ و قطع جریان عدد ۰ را به هسته‌های CPU مخابره می‌کند. درنهایت هسته‌ها با دریافت و پردازش اعداد باینری، تصمیمات منطقی و ریاضی مناسب را اتخاد خواهند کرد.

فضای پردازنده بسیار محدود بوده و ازطرفی هرچه تعداد ترانزیستورهای سی پی یو بیشتر شود، قدرت پردازنده در پردازش عملیات بیشتر خواهد شد. برای بالاتر بردن تعداد ترانزیستورها، از مفهومی به‌نام لیتوگرافی استفاده می‌شود. این راهکار که با طول ترانزیستور مرتبط است، به سازندگان اجازه می‌دهد تعداد بیشتری از این ریزقطعه را به‌کار بگیرند. هرچه عدد لیتوگرافی کم‌تر باشد، ترانزیستورهای قابل‌استفاده در CPU نیز افزایش می‌یابد. درنهایت از این طریق، قطعات ریز پردازنده به هم نزدیک‌تر شده و علاوه‌بر افزایش قدرت پردازشی، مصرف برق نیز کاهش پیدا می‌کند.

چگونه قدرت پردازنده خود را با دیگران مقایسه کنیم؟

اگر می‌خواهید از عملکرد پردازنده خود اطلاع پیدا کنید، ابزاری به‌نام بنچمارک (Benchmark) برای این کار وجود دارد. بنچمارک‌ها، اپ یا سرویس‌هایی هستند که از طریق اجرای تست‌های مختلف در شرایط کاملاً یکسان، قدرت پردازشی CPU یا GPU شما را مورد بررسی قرار می‌دهند. درنهایت پس‌از تکمیل تست‌های مربوطه، امتیاز منحصر به‌فردی به عملکرد پردازنده شما اختصاص می‌یابد تا از طریق آن، بتوانید Performance تراشه را مورد بررسی قرار دهید. ازجمله بنچمارک‌های کامپیوتری مطرح، می‌توان به گیک‌بنچ، 3DMark و پی‌سی‌مارک اشاره کرد.

یکی از اساسی‌ترین کاربردهای بنچمارک‌ها، امکان بررسی عملکرد صحیح پردازنده در آن‌هاست. شما می‌توانید هر چند وقت یک‌بار بنچمارک‌های مخصوص CPU را روی آن اجرا کنید و با مقایسه امتیاز خود با دیگران، از سلامت پردازنده اطمینان حاصل کنید. اگر امتیاز شما با میانگین سایر افراد یکی بود، مشکلی در پردازنده شما وجود ندارد؛ اما اگر امتیازی که گرفته‌اید به‌طور محسوسی کم‌تر شده، احتمالاً مشکلی در کامپیوتر شما پیش آمده است. احتمال دارد که مشکل مذکور با سیستم خنک‌کننده دستگاه در ارتباط باشد و باید هرچه زودتر آن‌را برطرف کنید.

شرایط استفاده و نگهداری از پردازنده

شرایط نگهداری CPU باید مرتباً کنترل شود تا بتوانید سال‌های سال از آن استفاده کنید. پردازنده باید به‌صورت اصولی استفاده شود، وگرنه امکان دارد با انجام یک اشتباه، تا میلیون‌ها تومان متضرر شوید؛ اما دقیقاً نگهداری از پردازنده چگونه است؟ پردازنده‌های مختلف استانداردهای ثابتی دارند. یکی از این استانداردها، دمای فعالیت است که به‌طور کلی، CPU برندهای مختلف با رد شدن از دمای ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد، به‌طور خودکار خاموش می‌شوند. رسیدن به این دما می‌تواند قطعات پردازنده را آب کند و درنهایت منجر به خرابی آن شود. برای حل این مشکل باید دمای پردازنده را از طریق اپ‌های مرتبط با این کار مانند After Burner مورد بررسی قرار دهید.

برای CPU خود حتماً مادربرد مناسبی را تهیه کنید تا مدیریت جریان برق پردازنده را به‌خوبی کنترل کند. دیگر مورد حیاتی برای پردازنده، به‌کارگیری خنک‌کننده قدرتمند برای آن است. برای انتخاب کولر خوب CPU، ابتدا باید توان حرارتی پردازنده خود را چک کنید. پس‌از بررسی این مشخصه، کولر CPU مورد نظرتان را انتخاب کنید. معمولاً خنک‌کننده‌های پردازنده در بسته‌بندی خود خمیر حرارتی هم دارند، اما می‌توانید خمیرهای حرفه‌ای‌تر را نیز به‌صورت جداگانه تهیه نمایید. برای استفاده از خمیر حرارتی، پیشنهاد می‌شود که آن‌را به‌صورت ضربدری روی سی پی یو استعمال کنید تا انتقال حرارت به بیرون به‌میزان بیشتری انجام شود.

هنگام نصب CPU روی مادربرد، توجه داشته باشید که این قطعه بسیار حساس است و نباید دست‌تان روی پین‌های زیرش برود. اگر پین‌های پردازنده آسیب ببینند یا خم شوند، احتمالاً کارکرد آن دچار اختلال خواهد شد. هنگام جا زدن سی پی یو روی سوکت نیز مراحل آن‌را با صبر و حوصله انجام دهید.

در نظر داشته باشید که کیس کامپیوتر را نیز باید در محل مناسبی قرار دهید. برای این کار بهتر است سیستم را در مکانی به‌دور از آفتاب، رطوبت و حرارت بالا نگهداری کنید. به‌طور کلی دمای محیطی که پردازنده و کامپیوتر شما در آن فعالیت می‌کند، از ۴۵ تا ۵۰ درجه نباید بالاتر برود؛ بنابراین خنک‌ترین بخش خانه را برای نصب کیس انتخاب کنید. فاکتور دیگری که به پایداری و عملکرد بدون مشکل پردازنده کمک می‌کند، جدی گرفتن فریمورها و آپدیت‌های اساسی کامپیوتر است. مثلاً باتوجه به مشکل اخیر سوختن پردازنده‌های نسل ۱۳ و ۱۴ اینتل، این برند پیشنهاد کرده که با انجام آپدیت بایوس مادربرد، احتمال خرابی آن‌را کاهش دهید. ری‌استارت مرتب سیستم، عدم نصب بدافزارها و چک کردن مرتب عملکرد پردازنده در بنچمارک و دیگر کارهای حیاتی نیز برای حفظ سلامت سی پی یو ضروری هستند.

جمع‌بندی

واحد پردازش مرکزی در کارکرد صحیح سیستم نقشی اجتناب‌ناپذیر دارد و دست‌کم گرفتن آن می‌تواند سرعت پردازش اطلاعات کامپیوتر شما را دچار مشکل کند. با خرید پردازنده خوب، سایر قطعات نیز با هماهنگی مناسب کار می‌کنند و درنهایت می‌توانید انتظار بهترین عملکرد را داشته باشید. اگر بیشتر کارهای CPU محور مانند ادیت، طراحی، وب‌گردی و برنامه‌نویسی را انجام می‌دهید، باید سیستم یا لپ‌تاپی را تهیه کنید که پردازنده قدرتمندتری داشته باشد. برای بازی کردن و انجام کارهای گرافیکی نیز CPU همچنان نقش پررنگی دارد و باید دستگاه مورد نظر را طوری انتخاب کنید که بین عملکرد پردازنده و کارت گرافیک آن تناسب وجود داشته باشد.

به‌نظر ‌شما بهترین پردازنده کدام است؟ برای خرید پردازنده دراگون شاپ را دنبال کنید.