المعالجات ثنائية النواة مقابل المعالجات المزدوجة
سنتكلم في البداية عن فوائد المعالجة ثنائية النواة، حيث تقدم المعالجات ثنائية النوى وحدتي معالجة مستقلتين، كل منهما تملك ناقل أمامي خاص مع اللوحة الأساسية وذاكرة تخزين مؤقتة خاصة، وهذا يوفر الموارد اللازمة لنظام التشغيل لتنفيذ أكثر التعليمات تعقيدا، فوجود النواة المزدوجة سيؤدي إلى تحسين كبير في أداء الكمبيوتر في عمليات المعالجة، فعلى سبيل المثال وعند توفر نواتي معالجة يمكن استخدام إحدى النواتين لتشغيل الألعاب، بينما تعمل النواة الثانية على تشغيل برامج الكمبيوتر التي تعمل في الخلفية والتي تضمن حماية الكمبيوتر واستمرار عمله.
والاستثمار الأفضل للمعالجات ذات النوى المزدوجة يكون من خلال نظام التشغيل ومن خلال تطبيقات الكمبيوتر نفسها، فهذه التطبيقات يجب أن تدعم التقنية المسماة TLP أي Thread Level Parallelism ليتم تنفيذها على عدة مسارات، ويحتوي كل نظام تشغيل على جزء برمجي خاص يسمى مجدول المهام scheduler، يقوم مجدول المهام هذا بتوزيع التعليمات الخاصة بالبرامج المشغلة على الكمبيوتر واللازم تنفيذها في كل لحظة على المعالج، وحتى إن لم يكن تطبيقك يدعم المسالك المتعددة، سيكون لديك الإمكانية للاستفادة من المعالجة ثنائية النواة إذا كنت تملك نظام تشغيل يدعم TLP، فعلى سبيل المثال إذا كنت تستخدم نظام تشغيل ويندوز إكس بي وكان برنامج الحماية من الفيروسات يعمل في الخلفية بينما تقوم بالاستماع إلى محطتك الإذاعية المفضلة عبر الإنترنت، فإن معالجك ثنائي النواة سينفذ التعليمات الخاصة بالبرنامجين وسيعطي أداء أفضل بكثير من المعالج أحادي النواة. وقد أصبحت معظم البرامج في أيامنا هذه تدعم تقنية المسارات المتعددة multithread وخاصة البرامج التي تستخدم لإنشاء الأفلام وإنتاج الموسيقى والرسوم البيانية المتقدمة.ومع تزايد التعقيد في التطبيقات التي يستطيع الكمبيوتر القيام بها، حاولت الشركات المصنعة للمعالجات الاستمرار في زيادة سرعة معالجاتها للتماشي مع هذا التعقيد الذي يحتاج إلى سرعة تنفيذ عالية، لكنها اصطدمت بالعديد من المعوقات التي تتعلق بالحرارة الناتجة عن السرعات العالية جدا والزيادة في حجم المعالج بالإضافة إلى زيادة التعقيد، لذا وجدت نفسها مضطرة إلى البحث عن حل آخر، كتركيب معالجين مستقلين على اللوحة الأساسية، ولكن هذا الحل أيضا يترافق مع زيادة كبيرة في السعر لأنه يتطلب نوعيات خاصة من اللوحات الأساسية، لذا اتجه مهندسو الكمبيوتر إلى منهجية أخرى، وهي دمج وحدتي معالجة مركزية CPU على شريحة واحدة وتخصيص موارد مستقلة لكل من هاتين النواتين، أي أن المعالج أصبح بقدرة معالجة مزدوجة ولكن مع مقبس واحد على اللوحة الأساسية، ومع سعر أقل من السعر الذي يتطلبه اقتناء معالجين مستقلين، هذا النوع من المعالجات يعرف بالمعالجات ثنائية النواة.في حالة المعالجات وحيدة النوى وعندما يتم تشغيل عدة برامج على الكمبيوتر سيكون على المعالج تنفيذ سيل من التعليمات من تلك البرامج، وسيؤدي ذلك إلى زمن كبير لتنفيذ التعليمات نتيجة لحجم التعليمات الكبير، كما سيؤدي إلى ضياع في الزمن لأن المعالج سيحتاج إلى التنقل بين التعليمات الخاصة بكل من البرامج لتنفيذها، وذلك لضمان الاستمرار في تنفيذ جميع البرامج في وقت واحد، ولكن عندما يكون المعالج ثنائي النواة ستكون عملية السيطرة على سيل التعليمات هذا أكثر سهولة وسرعة، لأن حاجة المعالج إلى التنقل بين تعليمات البرامج المختلفة ستقل، كما أن كمية التعليمات التي يتوجب على كل وحدة معالجة تنفيذها ستصبح أقل.
سننتقل الآن في حديثنا إلى التصاميم التي اعتمدتها كل من إنتل وإيه إم دي في بنائها للمعالجات ثنائية النواة، حيث نهجت إنتل في تصميمها للمعالجات ثنائية النواة خطا مختلفا عن إيه إم دي، فقد اعتمدت إيه إم دي على تصنيع كل نواة معالجة بحيث تكون قادرة على الاتصال مباشرة بالنواة الأخرى، وبعد ذلك أطلقت الشركة معالجات Athlon64s و Opterons، أما إنتل فكل ما قامت به لصناعة المعالجات الثنائية النواة هو وضع اثنين من معالجات بينتيوم على شريحة واحدة، وعلى هاتين النواتين استخدام مسارات اللوحة الأم عند الاتصال مع بعضهما البعض، وشكل ذلك نقطة ضعف كبيرة في التصميم الذي اعتمدته إنتل، لكنه كان كافيا لدخولها سوق المعالجات ثنائية النواة. لم تغير إنتل سرعة الناقل الأمامي، الذي يصل بين المعالج واللوحة الرئيسية عندما انتقلت إلى المعالجات ثنائية النواة، أي أن سرعة المعالجة تضاعفت، إلا أن عرض الحزمة المستخدمة لتبادل البيانات بين المعالج واللوحة الرئيسية بقي على حاله، وهذا ما شكل نقطة الاختناق في تصميم إنتل ومنع معالجاتها من أن تكون بالفعالية المطلوبة منها، ولكن حرصت إنتل على استخدام نظام ذاكرة عالي السرعة لتزويد نوى المعالج دائما بالبيانات اللازمة.
وفي الجهة المقابلة لم تستخدم إيه إم دي الناقل الأمامي للمعالج بالأسلوب الذي استخدمته إنتل، وإنما استخدمت تقنية هايبر ترانسبورت HyperTransport للاتصال بين نوى المعالجة واللوحة الأساسية، كما قامت بنقل المتحكم بالذاكرة إلى نواة المعالجة نفسها وهذا ما جر منافع كثيرة على إيه إم دي فيما يتعلق بالمعالجات ثنائية النواة. وبعد المقارنة بين الأداء الذي يقدمه معالجين منفصلين ومعالج ثنائي النواة لكل من إنتل وإيه إم دي تبرز نتائج هامة تساعدنا على اتخاذ قرار الشراء المناسب.
تمت المقارنة بين كمبيوترين بمواصفات شبه متماثلة، حيث استخدمت في المقارنة بطاقتي رسوميات ومحركي أقراص من نفس الطراز تماما، كما أن سعة الذاكرة كانت واحدة 2×1غيغا بايت من الطراز PC 3200 مع فارق بسيط هو أن معالج أوبتيرون يستخدم ذاكرة من النوع ECC والفارق الحقيقي الوحيد هو اللوحة الرئيسية و المعالج.
من أجل المعالجات وحيدة النواة تم استخدام معالجين من أوبتيرون 248 كل منهما يعمل عند التردد 2,2 غيغاهرتز مع ذاكرة تخزين مؤقتة cache بسعة 1 ميغابايت لكل منها، يتم تركيب هذين المعالجين على لوحة تيان ثندر Tyan Thunder K8WE التي تستخدم شرائح إنفيديا إنفورس الإحترافية nVidia nForce Professional، أما من أجل المعالج ثنائي النواة فقد تم استخدام معالج أثلون64 Athlon64 X2 4400+ وكل من نواتيه تعمل عند التردد 2,2 ميغاهرتز مع 1ميغابايت لذاكرة التخزين المؤقتة وهذا المعالج مثبت على اللوحة الأساسية Asus-SLI Premium التي تستخدم شرائح إنفيديا إنفورس 4 إس إل آي nVidia nForce4 SLI.بعد القيام بعدة اختبارات باستخدام برنامج الفحص بي سي مارك 2004 تبين عدم وجود فروق كبيرة في الأداء بالنسبة لبطاقتي الإظهار، فقد سجل البرنامج نقطة واحدة كفرق بين أداء البطاقتين في الكمبيوترين، كما أن المعايير الهامة الأخرى أيضا كانت متقاربة، وقد انطبق الشيء ذاته على أداء المعالجين، فالفرق بين أداء المعالج ثنائي النواة والمعالجين وحيدي النواة يكاد يكون معدوم بالنسبة لمنصات إيه إم دي، ولهؤلاء الذين يملكون المزيد من المال يمكن الاعتماد على نظام أوبتيرون ذو المعالجين المستقلين مع استخدام معالج ثنائي النواة في كل مقبس، وهذا سيؤدي إلى قدرة معالجة فائقة جدا. بالنسبة لمعالجات إنتل كانت المقارنة بين معالجين من Xeon وحيدي النواة، وكل منهما يعمل عند التردد 3غيغاهرتز مع ذاكرة تخزين مؤقتة بسعة 1 ميغابايت، مع معالج Pentium D 830 ثنائي النواة الذي يعمل عند التردد 3 غيغاهرتز أيضا مع 1 ميغابايت ذاكرة مؤقتة لكل نواة، وفي كلا الحالتين تبلغ سرعة الناقل الأمامي 800 ميغاهرتز، مجددا الفرق الوحيد بين التركيبتين السابقتين هي اللوحة الأساسية مع اختلاف صغير في كمية الذاكرة المتوفرة نتيجة للاختلاف في الإعدادت، فنظام Xeon يستخدم قطعتي ذاكرة PC3200 كل منها بسعة 1غيغابايت بينما بينما يستخدم Pentium D أربع قطع ذاكرة PC2 5400 كل منهما 512 ميغابايت وهذا يعطي Pentium D أفضلية صغيرة من خلال الذاكرة المتوفرة، وبعد إجراء الاختبارات على كلا النظامين تبين أن الأداء أيضا متقارب لكن مع أفضلية صغيرة لصالح المعالج ثنائي النواة Pentium D ، ولكن هذه الأفضلية تعود إلى نظام الذاكرة التي استخدمها هذا المعالج وليس إلى المعالج بحد ذاته.
الخلاصة:
عندما تكون بحاجة إلى كمبيوتر بقدرة معالجة قوية لتنفيذ تطبيقات بالغة التعقيد، أو لتجهيز كمبيوتر ليعمل كخادم بأداء قوي، فإنك ستكون أمام أحد خيارين، الأول هو تركيب معالجين كل منهما وحيد النواة على لوحة أساسية واحدة، والخيار الثاني هو تركيب معالج وحيد ولكنه ثنائي النواة.وبعد أن أجرينا المقارنة السابقة بين قدرة المعالجة في كلتا الحالتين، ووجدنا أن الفرق شبه معدوم، لم يبقى أمامنا سوى عامل الجدوى الاقتصادية لحسم الأمر، وعامل الجدوى الاقتصادية يصب في مصلحة المعالج ثنائي النواة، وذلك لأن تركيب معالجين مستقلين وحيدي النواة، يتطلب زيادة دفع في ثمن المعالج الثاني، إضافة إلى زيادة في ثمن اللوحة الأساسية، لأن هذا الخيار يتطلب لوحة أساسية من نوع خاص، أما الخيار الثاني فيتطلب زيادة بسيطة في سعر اللوحة الأساسية وأخرى بسيطة في سعر المعالج. محصلة عامل الأداء والجدوى الاقتصادية تصب لصالح المعالج ثنائي النواة.
والاستثمار الأفضل للمعالجات ذات النوى المزدوجة يكون من خلال نظام التشغيل ومن خلال تطبيقات الكمبيوتر نفسها، فهذه التطبيقات يجب أن تدعم التقنية المسماة TLP أي Thread Level Parallelism ليتم تنفيذها على عدة مسارات، ويحتوي كل نظام تشغيل على جزء برمجي خاص يسمى مجدول المهام scheduler، يقوم مجدول المهام هذا بتوزيع التعليمات الخاصة بالبرامج المشغلة على الكمبيوتر واللازم تنفيذها في كل لحظة على المعالج، وحتى إن لم يكن تطبيقك يدعم المسالك المتعددة، سيكون لديك الإمكانية للاستفادة من المعالجة ثنائية النواة إذا كنت تملك نظام تشغيل يدعم TLP، فعلى سبيل المثال إذا كنت تستخدم نظام تشغيل ويندوز إكس بي وكان برنامج الحماية من الفيروسات يعمل في الخلفية بينما تقوم بالاستماع إلى محطتك الإذاعية المفضلة عبر الإنترنت، فإن معالجك ثنائي النواة سينفذ التعليمات الخاصة بالبرنامجين وسيعطي أداء أفضل بكثير من المعالج أحادي النواة. وقد أصبحت معظم البرامج في أيامنا هذه تدعم تقنية المسارات المتعددة multithread وخاصة البرامج التي تستخدم لإنشاء الأفلام وإنتاج الموسيقى والرسوم البيانية المتقدمة.ومع تزايد التعقيد في التطبيقات التي يستطيع الكمبيوتر القيام بها، حاولت الشركات المصنعة للمعالجات الاستمرار في زيادة سرعة معالجاتها للتماشي مع هذا التعقيد الذي يحتاج إلى سرعة تنفيذ عالية، لكنها اصطدمت بالعديد من المعوقات التي تتعلق بالحرارة الناتجة عن السرعات العالية جدا والزيادة في حجم المعالج بالإضافة إلى زيادة التعقيد، لذا وجدت نفسها مضطرة إلى البحث عن حل آخر، كتركيب معالجين مستقلين على اللوحة الأساسية، ولكن هذا الحل أيضا يترافق مع زيادة كبيرة في السعر لأنه يتطلب نوعيات خاصة من اللوحات الأساسية، لذا اتجه مهندسو الكمبيوتر إلى منهجية أخرى، وهي دمج وحدتي معالجة مركزية CPU على شريحة واحدة وتخصيص موارد مستقلة لكل من هاتين النواتين، أي أن المعالج أصبح بقدرة معالجة مزدوجة ولكن مع مقبس واحد على اللوحة الأساسية، ومع سعر أقل من السعر الذي يتطلبه اقتناء معالجين مستقلين، هذا النوع من المعالجات يعرف بالمعالجات ثنائية النواة.في حالة المعالجات وحيدة النوى وعندما يتم تشغيل عدة برامج على الكمبيوتر سيكون على المعالج تنفيذ سيل من التعليمات من تلك البرامج، وسيؤدي ذلك إلى زمن كبير لتنفيذ التعليمات نتيجة لحجم التعليمات الكبير، كما سيؤدي إلى ضياع في الزمن لأن المعالج سيحتاج إلى التنقل بين التعليمات الخاصة بكل من البرامج لتنفيذها، وذلك لضمان الاستمرار في تنفيذ جميع البرامج في وقت واحد، ولكن عندما يكون المعالج ثنائي النواة ستكون عملية السيطرة على سيل التعليمات هذا أكثر سهولة وسرعة، لأن حاجة المعالج إلى التنقل بين تعليمات البرامج المختلفة ستقل، كما أن كمية التعليمات التي يتوجب على كل وحدة معالجة تنفيذها ستصبح أقل.
سننتقل الآن في حديثنا إلى التصاميم التي اعتمدتها كل من إنتل وإيه إم دي في بنائها للمعالجات ثنائية النواة، حيث نهجت إنتل في تصميمها للمعالجات ثنائية النواة خطا مختلفا عن إيه إم دي، فقد اعتمدت إيه إم دي على تصنيع كل نواة معالجة بحيث تكون قادرة على الاتصال مباشرة بالنواة الأخرى، وبعد ذلك أطلقت الشركة معالجات Athlon64s و Opterons، أما إنتل فكل ما قامت به لصناعة المعالجات الثنائية النواة هو وضع اثنين من معالجات بينتيوم على شريحة واحدة، وعلى هاتين النواتين استخدام مسارات اللوحة الأم عند الاتصال مع بعضهما البعض، وشكل ذلك نقطة ضعف كبيرة في التصميم الذي اعتمدته إنتل، لكنه كان كافيا لدخولها سوق المعالجات ثنائية النواة. لم تغير إنتل سرعة الناقل الأمامي، الذي يصل بين المعالج واللوحة الرئيسية عندما انتقلت إلى المعالجات ثنائية النواة، أي أن سرعة المعالجة تضاعفت، إلا أن عرض الحزمة المستخدمة لتبادل البيانات بين المعالج واللوحة الرئيسية بقي على حاله، وهذا ما شكل نقطة الاختناق في تصميم إنتل ومنع معالجاتها من أن تكون بالفعالية المطلوبة منها، ولكن حرصت إنتل على استخدام نظام ذاكرة عالي السرعة لتزويد نوى المعالج دائما بالبيانات اللازمة.
وفي الجهة المقابلة لم تستخدم إيه إم دي الناقل الأمامي للمعالج بالأسلوب الذي استخدمته إنتل، وإنما استخدمت تقنية هايبر ترانسبورت HyperTransport للاتصال بين نوى المعالجة واللوحة الأساسية، كما قامت بنقل المتحكم بالذاكرة إلى نواة المعالجة نفسها وهذا ما جر منافع كثيرة على إيه إم دي فيما يتعلق بالمعالجات ثنائية النواة. وبعد المقارنة بين الأداء الذي يقدمه معالجين منفصلين ومعالج ثنائي النواة لكل من إنتل وإيه إم دي تبرز نتائج هامة تساعدنا على اتخاذ قرار الشراء المناسب.
تمت المقارنة بين كمبيوترين بمواصفات شبه متماثلة، حيث استخدمت في المقارنة بطاقتي رسوميات ومحركي أقراص من نفس الطراز تماما، كما أن سعة الذاكرة كانت واحدة 2×1غيغا بايت من الطراز PC 3200 مع فارق بسيط هو أن معالج أوبتيرون يستخدم ذاكرة من النوع ECC والفارق الحقيقي الوحيد هو اللوحة الرئيسية و المعالج.
من أجل المعالجات وحيدة النواة تم استخدام معالجين من أوبتيرون 248 كل منهما يعمل عند التردد 2,2 غيغاهرتز مع ذاكرة تخزين مؤقتة cache بسعة 1 ميغابايت لكل منها، يتم تركيب هذين المعالجين على لوحة تيان ثندر Tyan Thunder K8WE التي تستخدم شرائح إنفيديا إنفورس الإحترافية nVidia nForce Professional، أما من أجل المعالج ثنائي النواة فقد تم استخدام معالج أثلون64 Athlon64 X2 4400+ وكل من نواتيه تعمل عند التردد 2,2 ميغاهرتز مع 1ميغابايت لذاكرة التخزين المؤقتة وهذا المعالج مثبت على اللوحة الأساسية Asus-SLI Premium التي تستخدم شرائح إنفيديا إنفورس 4 إس إل آي nVidia nForce4 SLI.بعد القيام بعدة اختبارات باستخدام برنامج الفحص بي سي مارك 2004 تبين عدم وجود فروق كبيرة في الأداء بالنسبة لبطاقتي الإظهار، فقد سجل البرنامج نقطة واحدة كفرق بين أداء البطاقتين في الكمبيوترين، كما أن المعايير الهامة الأخرى أيضا كانت متقاربة، وقد انطبق الشيء ذاته على أداء المعالجين، فالفرق بين أداء المعالج ثنائي النواة والمعالجين وحيدي النواة يكاد يكون معدوم بالنسبة لمنصات إيه إم دي، ولهؤلاء الذين يملكون المزيد من المال يمكن الاعتماد على نظام أوبتيرون ذو المعالجين المستقلين مع استخدام معالج ثنائي النواة في كل مقبس، وهذا سيؤدي إلى قدرة معالجة فائقة جدا. بالنسبة لمعالجات إنتل كانت المقارنة بين معالجين من Xeon وحيدي النواة، وكل منهما يعمل عند التردد 3غيغاهرتز مع ذاكرة تخزين مؤقتة بسعة 1 ميغابايت، مع معالج Pentium D 830 ثنائي النواة الذي يعمل عند التردد 3 غيغاهرتز أيضا مع 1 ميغابايت ذاكرة مؤقتة لكل نواة، وفي كلا الحالتين تبلغ سرعة الناقل الأمامي 800 ميغاهرتز، مجددا الفرق الوحيد بين التركيبتين السابقتين هي اللوحة الأساسية مع اختلاف صغير في كمية الذاكرة المتوفرة نتيجة للاختلاف في الإعدادت، فنظام Xeon يستخدم قطعتي ذاكرة PC3200 كل منها بسعة 1غيغابايت بينما بينما يستخدم Pentium D أربع قطع ذاكرة PC2 5400 كل منهما 512 ميغابايت وهذا يعطي Pentium D أفضلية صغيرة من خلال الذاكرة المتوفرة، وبعد إجراء الاختبارات على كلا النظامين تبين أن الأداء أيضا متقارب لكن مع أفضلية صغيرة لصالح المعالج ثنائي النواة Pentium D ، ولكن هذه الأفضلية تعود إلى نظام الذاكرة التي استخدمها هذا المعالج وليس إلى المعالج بحد ذاته.
الخلاصة:
عندما تكون بحاجة إلى كمبيوتر بقدرة معالجة قوية لتنفيذ تطبيقات بالغة التعقيد، أو لتجهيز كمبيوتر ليعمل كخادم بأداء قوي، فإنك ستكون أمام أحد خيارين، الأول هو تركيب معالجين كل منهما وحيد النواة على لوحة أساسية واحدة، والخيار الثاني هو تركيب معالج وحيد ولكنه ثنائي النواة.وبعد أن أجرينا المقارنة السابقة بين قدرة المعالجة في كلتا الحالتين، ووجدنا أن الفرق شبه معدوم، لم يبقى أمامنا سوى عامل الجدوى الاقتصادية لحسم الأمر، وعامل الجدوى الاقتصادية يصب في مصلحة المعالج ثنائي النواة، وذلك لأن تركيب معالجين مستقلين وحيدي النواة، يتطلب زيادة دفع في ثمن المعالج الثاني، إضافة إلى زيادة في ثمن اللوحة الأساسية، لأن هذا الخيار يتطلب لوحة أساسية من نوع خاص، أما الخيار الثاني فيتطلب زيادة بسيطة في سعر اللوحة الأساسية وأخرى بسيطة في سعر المعالج. محصلة عامل الأداء والجدوى الاقتصادية تصب لصالح المعالج ثنائي النواة.
