هر آنچه باید در مورد انواع تراشه‌های پردازنده دانست

یکی از مهم‌ترین مواردی که در هنگام خرید کامپیوتر، لپ تاپ یا حتی گوشی باید بدان توجه کرد، نوع تراشه یا همان Soc است. دانستن تفاوت میان واحدهای تراشه شامل CPU، GPU،APU و NPU یک امر ضروری محسوب می‌شود. با دانستن مشخصات و تفاوت میان پردازنده‌های مختلف می‌توانید با صرفه‌جویی در وقت و هزینه، بهترین پردازنده را متناسب با سلیقه و نیاز خود انتخاب کنید. به همین خاطر در ادامه به معرفی بخش‌های مختلف یک تراشه پرداخته و از تفاوت آنها برای شما گفته‌ایم.

فهرست مطالب این مقاله:

- مقدمه
- انواع تراشه‌های پردازنده
- واحد پردازش مرکزی (CPU)
- واحد پردازش گرافیکی (GPU)
- واحد پردازش شتاب یافته (APU)
- واحد پردازش عصبی (NPU)
- جمع بندی
- پاسخ به سوالات پرتکرار

مقدمه

اگرچه همه‌ انواع پردازنده‌ها شامل CPU، GPU،APU و NPU با تکنولوژی‌های خاص خود در طبقه‌بندی واحدی در دنیای سخت‌افزار قرار می‌گیرند،  اما هر کدام قواعد و قوانین ساخت و عملکرد متفاوتی را دنبال می‌کنند. دانستن اینکه چه پردازنده‌ای را برای چه کاری و با چه هدفی انتخاب کنیم و در نهایت به یک گزینه مناسب برسیم که نه فراتر از نیازهای ما و نه پایین‌تر از سطح انتظارمان باشد، با کمی صرف وقت و مطالعه امکان‌پذیر است. ما در این مقاله به زبان ساده نحوه کار و تفاوت میان انواع تراشه‌های پردازنده‌های موجود در بازار را بررسی خواهیم کرد؟

انواع تراشه‌های پردازنده

انواع تراشه‌های پردازنده در چهار گروه CPU (پردازنده مرکزی)، GPU (پردازنده گرافیکی)، APU (واحد پردازش شتاب یافته) و NPU (واحد پردازش عصبی) قرار می‌گیرد. در ادامه هر یک از این واحدها را به تفصیل بررسی می‌کنیم.

واحد پردازش مرکزی (CPU)

همانطور که می‌دانید سی‌پی‌یو یا واحد پردازش مرکزی مغز و حکمران اصلی در یک کامپیوتر است. در اولین مدل‌های کامپیوتر واحد پردازش مرکزی به شکل چند تراشه مجزا در سیستم مستقر بود. ولی امروزه با هدف بهبود بازدهی و کاهش هزینه‌های ساخت، تمام واحدهای تشکیل دهنده CPU بر روی یک تراشه یکتا تجمیع  می‌شود.

کاهش ابعاد و اندازه‌های واحدهای سازنده‌ی CPU که آن‌ها را با نام ترانزیستور می‌شناسیم، در طول سالیان گذشته ما را قادر به طراحی و تولید تراشه‌هایی فشرده‌تر، قوی‎تر و کم‌مصرف‌تر نموده که می‌توان آن‌ها را در قلب تجهیزات محاسباتی فشرده‌تر و باریک‌تری تعبیه کرد.

امروزه مجموع کامپیوترهای دسکتاپ و نمایشگرهای باکیفیت را می‌توان به شکل کامپیوترهای All-In-One در یک دستگاه تجمیع کرد، لپ‌تاپ‌ها روز به روز باریک‌تر اما قدرتمندتر می‌شوند و گوشی‌های هوشمند امروزی با وجود ضخامت کمتر از همتایان قدیمی خود،  قدرت محاسباتی بسیار بیشتری دارند. 

روش کار CPU برای انجام محاسبات

CPU رشته‌های دستورالعمل و محاسبات اصلی را در کامپیوتر شما اجرا یا پردازش می‌کند. روش کار پردازنده مرکزی به این شکل است که دستورالعمل‌های ذخیره شده در حافظه موقت RAM و ورودی‌های موردنیاز برای اجرا به واحد پردازش مرکزی گسیل می‌شود.

این فرایند شامل سه مرحله  فراخوانی (Fetching)، رمزگشایی (Decoding) و اجرا (Execution) است. در اولین مرحله  ورودی‌ها از آدرس‌ها و رجیسترهای موقت فراخوان و دریافت می‌شود، دستورالعمل‌ها معمولا به حافظه کش CPU که سرعت خواندن آن به مراتب بیشتر از RAM سیستم است، وارد شده، منتظر اجرا می‌مانند، در گام بعد رمزگشایی و برای پردازنده قابل درک می‌شوند  و در سومین گام، به اجرا درآمده و خروجی مطلوب  تولید می‌شود. نتایج خروجی مجددا به حافظه موقت ارسال می‌شوند.

با انجام همین مراحل پایه‌ای گفته شده، کامپیوترها قادر هستند هر کاری را از بارگذاری سیستم عامل تا باز کردن و اجرای برنامه‌ها و حتی انجام محاسبات صفحه گسترده به انجام رسانند. عملیات‌های سنگین پردازشی مثل اجرای بازی‌های کامپیوتری بیشترین فشار کاری ممکن را بر روی واحد CPU تحمیل می‌کنند، به همین دلیل است که در بنچمارک‌ها برای محک زدن عیار واحد پردازنده مرکزی معمولا از استانداردهای گیمینگ استفاده می‌کنیم.

هسته‌های پردازنده

هر CPU برای پردازش کار را میان چند هسته (Core) پردازشی شامل هسته‌های کم مصرف (E-Cores) و هسته‌های با توان عملیاتی بالا (P-Cores) تقسیم می‌کند. بدین ترتیب گونه‌های مختلفی از CPU-ها در بازار شامل تراشه‌های تک هسته‌ای کم مصرف و تراشه‌های چند هسته‌ای با ترکیبی از هسته‌های کم مصرف و پرتوان یافت می‌شود.

زمانی که فشار کاری کمتری بر پردازنده اعمال می‌شود، ‌‌معمولاً هسته‌های کم مصرف وارد فرایند پردازش می‌شوند، برای مثال اجرای سیستم عامل و وظایف بک گراند به این هسته‌ها محول می‌شود. با افزایش بار پردازشی، هسته‌های با توان عملیاتی بالا هم وارد چرخه می‌شود.

در همین رابطه بخوانید:

- مقایسه پردازنده های پنتیوم (Pentium) و سلرون (Celeron)؛ کدامیک برای من بهتر است؟

چنین حالتی باعث کاهش مصرف کلی و بهبود خروجی و بازدهی پردازشی می‌شود. برای مثال در رندر تصاویر گرافیکی و گیمینگ این هسته‌ها نقش اساسی ایفا می‌کنند. هسته‌های کم مصرف فرکانس پردازش کمتر و مصرف کمتری دارند و عکس این مطلب در مورد هسته‌های توان بالا صدق می‌کند.

شرکت‌های سازنده CPU

پردازنده‌های CPU توسط دو شرکت اینتل و AMD تولید و به بازار عرضه می‌شود. آخرین نسل از پردازنده‌های خانگی موجود در بازار اینتل، پردازنده‌های نسل چهاردهم و قوی‌ترین پردازنده در این میان Core i9-14900K است.

AMD نیز با عرضه نسل‌های مختلف پردازنده‌های دسکتاپ رایزن به رقابت با اینتل می‌پردازد و سبد محصولات متنوع و باکیفیتی را در پیش روی علاقه‌مندان قرار داده است. آخرین نسل پردازنده‌های موجود در بازار AMD پردازنده‌های سری 8000 و قوی‌ترین پردازنده از این سری پردازنده 8 هسته‌ای  8700Gبا فرکانس پایه 4.2 و فرکانس بوست 5.1 گیگاهرتز است.

واحد پردازش گرافیکی (GPU)

پردازنده گرافیکی GPU در کار پردازش تصویر و گرافیک به کمک پردازنده مرکزی می‌رود و تقسیم وظایف به طور موثر بین این دو واحد شکل می‌پذیرد. پردازنده‌های گرافیکی در دو دسته داخلی (Built-in) و خارجی (External) در دسترس کاربران قرار دارد.

GPU داخلی در یک تراشه همراه با CPU قرار گرفته و برای پردازش گرافیکی پایه مورد استفاده قرار می‌گیرد، حال آنکه GPU خارجی یا همان کارت گرافیک واحدی مجزا از CPU با منابع، حافظه کاری و تجهیزات خنک کنندگی مستقل است. GPU خارجی کار پردازش و رندرینگ تصاویر پیچیده و بازی‌ها را بر عهده دارد.

در همین رابطه بخوانید:

- NPU چیست؟ مقایسه پردازشگر هوش مصنوعی با CPU و GPU

تفاوت عملکرد CPU و GPU در چیست؟

با همه پیشرفت‌های شکل گرفته در فناوری ساخت CPU-ها، در بخش پردازش گرافیکی آنها همچنان با کمبودهای جدی مواجه هستند. CPU ورودی را دریافت و در مراحل خطی و پشت سر هم،  به اجرای آن می‌پردازد، این در حالی است که پردازش گرافیکی نیازمند پردازش رشته‌های متعددی از ورودی‌ها به صورت همزمان است. اینجاست که واحد پردازش گرافیکی (GPU) وارد میدان عمل می‌شود،  از تنش کاری پردازنده مرکزی کاسته و توان اجرای داده‌های گرافیکی و ویدیو را بهبود می‌دهد.

در رده کامپیوترهای اقتصادی‌، به جای حضور دو پردازنده مجزای عملیاتی، از معماری تعبیه پردازنده گرافیکی یکپارچه با پردازنده اصلی (CPU) بر روی یک تراشه یکتا، استفاده می‌شود و پردازنده گرافیکی خارجی در سیستم وجود ندارد. 

پردازنده‌های گرافیکی یکپارچه

پردازنده‌های گرافیکی یکپارچه امروزه پیشرفت زیادی کرده‌اند. اینتل که پیشتاز ساخت پردازنده‌های گرافیکی یکپارچه است، پردازنده‌ های با پسوند K خود مثل K14700 را مجهز به نسخه‌هایی از این تراشه‌ها کرده است. این شرکت خانواده پردازنده‌های گرافیکی یکپارچه خود را با نام UHD Graphics نامگذاری کرده و معمولا در هر نسل از پردازنده‌های خود تراشه‌های گرافیکی قوی‌تری را نسبت به نسل قبل به کار برده است.

آخرین به روز رسانی تراشه‌های گرافیکی یکپارچه اینتل در نسل دوازدهم با معرفی تراشه Intel® UHD Graphics 770 اتفاق افتاد. این تراشه در فرکانس پردازشی پایه 300 مگاهرتز و حداکثر فرکانس پردازشی دینامیک ۱.۶ گیگاهرتز در کنار پردازنده اصلی به اجرای وظایف گرافیکی پرداخته و قادر به پخش ویدیوهای با کیفیت 5120 در 3200 پیکسل با نرخ نوسازی 120 هرتز از طریق اینترفیس eDP است. به هر حال نباید از این تراشه‌های گرافیکی انتظار اجرای بازی‌های سنگین را داشت.

شاید این تراشه بتواند بازی‌های با قدمت سه سال و بیشتر را با تنظیمات متوسط رو به پایین با وضوح 720P با نرخ فریم قابل قبول اجرا کند. گفتنی است پردازنده 8700G ای ام دی به قوی‌ترین واحد پردازش گرافیکی دنیا با 12 هسته مجهز شده که حتی می‌توان بدون نیاز به گرافیک خارجی برخی از عناوین روز را با آن تجربه کرد و در برخی موارد عملکرد آن 4 برابر نمونه‌های مشابه اینتل است.

در همین رابطه بخوانید:

- مقایسه Core i3، i5، i7 و i9؛ کدام پردازنده اینتل برای شما مناسب است؟

پردازنده‌های گرافیکی خارجی

علیرغم مطالب بیان شده، در گیمینگ و اجرای وظایف سنگین گرافیکی ترجیح داده می‌شود که پردازنده گرافیکی روی یک کارت گرافیک مجزا مستقر شده، مدارات و سیستم خنک‌کنندگی اختصاصی و حافظه گرافیکی مخصوص خود را به همراه داشته باشد.

آخرین مدل‌های پردازنده‌‌ی گرافیکی خارجی شرکت انویدیا  به عنوان بازیگر اصلی در این رقابت، RTX 40XX است و در عین حال شرکت AMD هم آخرین مدل‌های گرافیک مجزای خود را با شیوه نامگذاری RX 7XXX به مصاف پردازنده‌های گرافیکی انویدیا فرستاده است. قدرتمندترین مدل پردازنده‌های گرافیکی انویدیا در حال حاضر RTX 4090 و قدتمندترین نمونه در سبد AMD با حداقل 10 درصد عملکرد کمتر نسبت به پیکارجوی رقیب، RTX 7900XTX است.

مزایای واحد پردازش گرافیک خارجی

ساختار پردازش موازی GPU به طور اختصاصی برای انجام مقاصد گرافیکی توسعه یافته است. این باعث می‌شود که واحد پردازش بتواند میلیاردها محاسبه را در هر ثانیه برای اجرای روان بازی‌ها و ویدیوها با کیفیت سرسام آور به انجام برساند. پردازنده اصلی و پردازنده گرافیکی عملیات یکسانی انجام می‌دهند، اما نحوه اجرای عملیات در هر یک با دیگری متفاوت است. 

وجود حافظه گرافیکی اختصاصی باعث می‌شود، کارت گرافیک بتواند داده‌هایی را که خود تولید می‌کند، در یک فضا با سرعت دسترسی بسیار زیاد نگه دارد. با وجود این حافظه اختصاصی، پردازنده گرافیکی می‌تواند با ایجاد بافر، تصاویری را که پردازش آن‌ها تکمیل شده است، ذخیره سازی کرده و به هنگام نیاز آنها را نمایش دهد.

چنین حالتی  مثلاً در هنگام تماشای فایل‌های ویدیویی کاربردی و موثر است. از سوی دیگر کارت‌های گرافیک به سادگی قابل تعویض و جایگزینی هستند و معمولا به عنوان یکی از بهترین راه‌های ارتقای یک سیستم دسکتاپ به شمار می‌رود.

واحد پردازش شتاب یافته (APU)

تولید کنندگان فناوری نیمه هادی برای کاهش اندازه فیزیکی و هزینه‌های ساخت، اجزا، قطعات و چیپ‌های الکترونیکی فشرده را در یک تراشه واحد با یکدیگر ترکیب می‌کنند که با نام سیستم بر روی یک تراشه یا SoC  شناخته می‌شود. با چنین شیوه‌ای است که کامپیوترهای قابل حمل و فشرده‌تر، کنسول‌های بازی و گوشی‌های هوشمند همراه ارتقای روزافزونی پیدا کرده است.

APU-ها هم با پیروی از فلسفه طراحی مدارهای یکپارچه SoC، چندین تراشه با طراحی و عملکرد مختلف را بر روی یک قالب سیلیکون واحد (Die) پیاده سازی کرده‌اند. اما برخلاف SoC-ها، APU-ها از شیوه ترکیب CPU و GPU روی یک تراشه برای ایجاد یک واحد پردازش مرکب  بهره می‌برند. با این کار نه تنها هزینه ساخت کاهش می‌یابد، بلکه بازدهی کلی نیز بهبود خواهد یافت. به حداقل رساندن فاصله فیزیکی میان این دو واحد اصلی پردازش، سبب می‌شود که داده‌ها میان CPU و GPU سریع‌تر جابجا شوند و در نتیجه عملکرد سیستم و بازدهی پردازش ارتقا یابد. 

در شرایطی که پردازنده گرافیکی برای انجام سریع‌تر محاسبات بهینه سازی شده است، CPU می‌تواند مقداری از بار کاری خود را برای اجرا به پردازنده گرافیکی محول کند. در چینش سیستمی که واحدهای CPU و APU به صورت مجزا از هم قرار گرفته‌اند، به سبب فاصله فیزیکی میان دو واحد و طولانی‌تر شدن زمان تبادل داده بین دو پردازنده، بازدهی نسبت به APU افت می‌کند.

در همین رابطه بخوانید:

- نکات مهمی که در خرید پردازنده (CPU) دست دوم باید بدانی

علی رغم آنچه گفته شد، APU غالبا سطح عملکرد مشابه و یکسانی با چینش CPU  و GPU مجزا ندارد و در چینش مجزا سطح عملکرد و کارایی معمولا بالاتر است. با این حال APU-ها نقش یک گزینه اقتصادی را برای کسانی دارد که به دنبال ارتقای سیستم خود با بودجه کمتر هستند.

شرکت AMD برای اولین بار از واژه APU برای ایجاد تمایز میان سبد محصولات خود با یک پردازنده گرافیکی یکپارچه صرف استفاده کرد و اولین نمونه را در سال 2011 وارد بازار کرد. با این حال، آنها تنها گروهی نبودند که پردازنده‌ها را به این شکل با یکدیگر ترکیب می‌کردند. شرکت اینتل هم شروع به یکپارچه سازی واحدهای CPU و GPU کرد. اما با این وجود  اینتل هیچگاه از واژه APU برای شناسایی چنین پردازنده‌هایی استفاده نکرد. آنها همیشه تراشه‌های ساخت خود را به شکل ساده CPU با پردازنده گرافیکی یکپارچه معرفی کرده‌اند که قبلاً با ذکر مثال در مورد آن‌ها صحبت کردیم.

واحد پردازش عصبی (NPU)

NPU بخش خاصی از تراشه است که با هدف انجام محاسبات هوش مصنوعی (AI) و فعالیت‌های یادگیری ماشین (ML) مثل تشخیص بیان و تشخیص شی توسعه یافته است. NPU-ها به مانند GPU می‌توانند حجم زیادی از داده‌ها و اطلاعات را به صورت موازی پردازش کنند، با این تفاوت که این واحدهای پردازش برای اجرای وظایف AI و ML متناسب سازی شده‌اند. در واقع همانطور که یک پردازنده گرافیکی انجام وظایف پردازش ویدیو و رندرینگ را تسریع می‌کند، NPU نیز باعث تسریع در اجرای بارهای کاری هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی می‌شود.

البته از GPU-ها هم به سبب ظرفیت بالایی که در پردازش موازی داده دارند، گاه برای پردازش وظایف مرتبط با هوش مصنوعی و یادگیری ماشین نیز استفاده می‌کنیم. برای مثال هسته‌های Tensor در پردازنده‌های گرافیکی انویدیا به عنوان جزئی از تراشه پردازنده به اجرای فعالیت‌های یادگیری ماشین در خلال تولید فریم‌های گرافیکی و گیمینگ مبادرت می‌کنند.  اما به طور کلی، NPU-ها به دلیل وجود بهینه سازی‌های سخت‌افزاری خاص خود، برای انجام  فعالیت‌ها و پردازش‌های مرتبط با هوش مصنوعی  کارایی و بازدهی بسیار بیشتری دارند. 

هرچند واژه NPU یک مفهوم جدید به نظر می‌رسد، این تراشه‌ها در حال حاضر در کامپیوترهای مدرن و گوشی‌های هوشمند همراه به وفور یافت می‌شود. با پیشرفت انفجاری دنیای هوش مصنوعی و یادگیری ماشین در مدتی کم، اکنون این پردازنده‌ها در بازار سخت افزار نگاه‌ها را به سوی خود دوخته است.

تراشه‌های پردازش عصبی به طور مجزا در بازار در دسترس نیست. شرکت‌هایی مثل اینتل و کوالکام تراشه‌های NPU مخصوص به خود را توسعه داده و آن را به صورت یکپارچه همراه با CPU و در یک تراشه یکتا به بازار عرضه کرده‌اند.

جمع بندی

در این مقاله با انواع واحدهای پردازنده شامل APU، GPU، CPU و NPU آشنا شدیم و دانستیم که بسته به کاربرد مورد نظر شما،  کدام یک از این گزینه‌ها انتخاب بهتری در یک چینش سیستم به شمار می‌رود. اگر هدف کاربر اجرای برنامه‌ها و انجام پردازش‌های سنگین باشد، خرید CPU ‌‌ با قدرت سرعت بالاتر گزینه بهتری است.

در پردازش گرافیکی و گیمینگ سنگین، یک پردازنده گرافیکی GPU مجزا و قدرتمند، حتی در کنار یک پردازنده اصلی (CPU) میان‌رده عملکرد قابل قبولی را ارائه می‌دهد. انواع APU که در برگیرنده واحدهای مختلف پردازش شامل پردازنده اصلی و گرافیکی بر روی یک تراشه است، یک گزینه اقتصادی‌تر و در عین حال با بازدهی خوب برای انجام دایره گسترده‌ای از وظایف محاسباتی و گرافیکی است، اما در انجام وظایف رندرینگ و اجرای بازی‌های روز ممکن است عملکرد خوبی از خود نشان ندهند.

اگر هم به دنبال اجرای وظایف هوش مصنوعی و یادگیری ماشین هستید یا با پردازش حجم سنگین و گسترده‌ای از داده‌ها دست و پنجه نرم می‌کنید، بهتر است به دنبال پردازنده‌ای باشید که دارای واحد پردازش عصبی یا NPU یکپارچه مناسبی باشد. بنابراین پیش از آنکه در بازار به دنبال یک پردازنده باشید، نوع کاربرد و البته مقدار بودجه خود را به طور دقیق مشخص کنید.

در همین رابطه بخوانید:

- معیارهای مقایسه سی پی یو (CPU) و بررسی تفاوت پردازنده‌ها با یکدیگر

پرسش‌های پرتکرار

APU چیست و چه کاربردهایی دارد؟

APU تراشه‌ای متشکل از واحدهای مختلف پردازنده شامل CPU، GPU روی یک تراشه یکتاست. اجرای دستورالعمل‌ها، پردازش داده‌ها و ورودی‌ها و اجرای وظایف گرافیکی به طور همزمان از جمله کاربردهای APU است. این تراشه یکپارچه انتخابِ اصلی برای دستگاه‌هایی است که قرار است قابل حمل، کم مصرف، کوچک و در عین حال دارای قدرت محاسباتی بهینه باشد و درسیتم‌های دسکتاپ نیز به وفور با یا بدون پردازنده گرافیکی مجزا  مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مزیت استفاده از APU نسبت به CPU و GPU مجزا چیست؟

CPU برای پردازش تصویر نیاز به GPU مجزا دارد که APU این نیاز را مرتفع می‌کند. در واقع APU تراشه‌ای واحد شامل CPU، پردازنده گرافیکی و دیگر واحدهای ضروری است که در کنار یکدیگر و با بازدهی بالا به انجام وظایف محاسباتی، گرافیکی و... می‌پردازند. بنابراین APU روشی برای کاهش هزینه و البته مجموع توان مصرفی در یک سیستم است.

در چه مواردی استفاده از APU مناسب‌تر است؟

این تراشه در مقایسه با یک چینش مجزا، گزینه‌ای اقتصادی‌تر، کم مصرف‌تر و با بازدهی پردازشی متوسط رو به بالا است که در کنار پردازش داده‌ها و دستورالعمل‌ها، اجرای وظایف گرافیکی و گیمینگ سبک‌تر را بدون نیاز به گرافیک مجزا ممکن می‌سازد. به سبب امکان حذف واحد پردازش گرافیکی مجزا، استفاده از APU در سیستم‌های قابل حمل و فشرده‌تر نظیر لپ‌تاپ‌ها، گوشی‌های همراه، کنسول‌های گیمینگ، مینی کامپیوترها و کامپیوترهای AIO مناسب‌تر است.

آیا APU جایگزین مناسبی برای GPU مجزا است؟

تا زمانی که محدوده کاربرد موردنظر در حد اجرای سیستم عامل و برنامه‌های غیرگرافیکی، پردازش تصاویر و ویدیوهای نه چندان سنگین و بازی‌های سبک‌تر با جزییات گرافیکی متوسط باشد، APU یک گزینه قابل قبول است. اما برای انجام وظایف گرافیکی سنگین و گیمینگ با وضوح و جزییات بالا قطعاً نیاز به GPU مجزا است.