دلایل عدم افزایش فرکانس پردازنده ها + تعریف فرکانس CPU

فرکانس پردازنده  در اصل معیار مهمی برای سنجش سرعت عملکرد پردازنده های کامپیوتری است. این مفهوم نشان می دهد یک پردازنده در هر ثانیه چقدر می تواند دستورالعمل پردازش کند. در زمان های گذشته، افزایش فرکانس به عنوان راه اصلی بهبود عملکرد شناخته می شد، اما اکنون شاهد کاهش سرعت رشد این شاخص هستیم. محدودیت های فیزیکی مانند تولید گرما و چالش های مهندسی، افزایش فرکانس را دشوار کرده اند. سازندگان به جای تمرکز روی فرکانس، روی افزایش تعداد هسته ها و بهبود بهره وری انرژی تمرکز خود را گذاشته اند.

فرکانس پردازنده چیست؟

فرکانس پردازنده نشان دهنده تعداد چرخه های کاری است که پردازنده در هر ثانیه انجام می دهد. این مقدار با واحد گیگاهرتز(GHz)  اندازه گیری می شود و هر گیگاهرتز برابر با یک میلیارد چرخه در ثانیه است. به طور مثال، یک پردازنده با فرکانس ۳ گیگاهرتز می تواند سه میلیارد دستورالعمل ساده را در هر ثانیه پردازش کند. فرکانس بالاتر به معنای سرعت بیشتر در اجرای دستورات است، اما این عامل به تنهایی عملکرد کلی پردازنده را تعیین نمی کند.

پردازنده ها برای انجام هر دستورالعمل به چند چرخه کاری نیاز دارند. یک دستور ساده ممکن است در یک چرخه اجرا شود، اما دستورات پیچیده تر به چرخه های بیشتری احتیاج دارند. فرکانس پردازنده سرعت پایه این چرخه ها را مشخص می کند. برای مثال، اگر یک دستورالعمل ۱۰ چرخه نیاز داشته باشد، در پردازنده ۳ گیگاهرتز، این دستور حدود ۳.۳ نانوثانیه طول می کشد.

فرکانس فقط عامل تاثیرگذار نیست. معماری پردازنده، تعداد هسته ها، حافظه کش و فناوری های بهینه سازی مصرف انرژی نیز در عملکرد نقش دارند. پردازنده های مدرن با فرکانس پایین تر اما معماری پیشرفته ممکن است عملکرد بهتری نسبت به مدل های قدیمی با فرکانس بالاتر داشته باشند. این موضوع نشان می دهد که چرا تولید کنندگان به جای تمرکز صرف روی افزایش فرکانس، روی بهبود معماری و افزودن هسته های بیشتر سرمایه گذاری می کنند.

دلایل عدم افزایش فرکانس پردازنده ها چیست؟

افزایش فرکانس پردازنده ها با چالش های فنی متعددی روبه رو است که مهمترین مسئله، تولید گرماست. هرچه فرکانس بالاتر می رود، ترانزیستورها سریع تر روشن و خاموش می شوند. این کار انرژی بیشتری مصرف می کند و گرمای بیشتری تولید می کند. سیستم های خنک کننده معمولی نمی توانند این گرما را به طور کامل دفع کنند، بنابراین خطر آسیب دیدن قطعات وجود دارد.
دلیل دوم به معماری پردازنده ها مربوط می شود. دستورالعمل ها در پردازنده های مدرن به مراحل کوچک تری تقسیم می شوند تا سریع تر اجرا شوند. افزایش فرکانس نیازمند کاهش زمان هر مرحله است، اما پس از رسیدن به حد مشخصی، کاهش بیشتر زمان غیرممکن می شود.
راه حل مهندسان برای این مشکل، تمرکز روی افزایش تعداد هسته ها و بهبود بهره وری انرژی بوده است. به جای بالا بردن فرکانس، تولید کنندگان پردازنده هایی با هسته های بیشتر و مصرف انرژی کمتر عرضه می کنند. این رویکرد باعث شده پردازنده های مدرن بدون افزایش فرکانس، عملکرد بهتری داشته باشند.

فرق فرکانس پایه و فرکانس Boost در چیست؟

پردازنده ها دو نوع فرکانس دارند:

• فرکانس پایه: سرعت معمول پردازنده در شرایط عادی که توسط سازنده تضمین می شود.
• فرکانس Boost:حداکثر سرعتی که پردازنده در مواقع نیاز (مانند اجرای برنامه های سنگین) به طور موقت به آن می رسد.

فرکانس Boost فقط زمانی فعال می شود که دمای پردازنده و منبع تغذیه اجازه دهند. این قابلیت برای بهبود عملکرد در کارهای تک رشته ای (مانند بازی ها) طراحی شده است. با این حال، استفاده مداوم از فرکانس Boost ممکن است باعث افزایش دما و کاهش عمر پردازنده شود. برای مثال، یک پردازنده با فرکانس پایه ۳.۵ گیگاهرتز ممکن است در حالت Boost به ۴.۷ گیگاهرتز برسد، اما این افزایش سرعت فقط برای چند دقیقه پایدار می ماند.

تعریف هرتز واحد در کامپیوتر

هرتز واحد اندازه گیری فرکانس در سیستم های الکترونیکی است و نشان دهنده تعداد چرخه های کامل در هر ثانیه است. در پردازنده ها، هر چرخه کلاک برابر با یک دستورالعمل ساده است. اگر پردازنده ای ۱ هرتز فرکانس داشته باشد، یعنی می تواند یک دستورالعمل را در هر ثانیه اجرا کند. در عمل، پردازنده های مدرن از واحدهای بزرگتری مانند مگاهرتز (یک میلیون هرتز) و گیگاهرتز (یک میلیارد هرتز) استفاده می کنند.
هرتز نه تنها برای پردازنده ها، بلکه در سنجش سرعت قطعاتی مانند رم و کارت های گرافیک نیز کاربرد دارد. برای مثال، فرکانس ۲۴۰۰ مگاهرتز در رم به معنای انجام ۲.۴ میلیارد چرخه انتقال اطلاعات در ثانیه است.

تعریف مگاهرتز در کامپیوتر

مگاهرتز برابر با یک میلیون چرخه در ثانیه است. این واحد در دهه ۱۹۹۰ و اوایل ۲۰۰۰ برای توصیف سرعت پردازنده ها رایج بود. پردازنده های آن زمان مانند Pentium III با فرکانس ۵۰۰ مگاهرتز عرضه می شدند. با پیشرفت فناوری، واحد گیگاهرتز جایگزین مگاهرتز شد، زیرا پردازنده ها از مرز یک میلیارد چرخه در ثانیه گذشتند.
الان از مگاهرتز بیشتر برای توصیف سرعت قطعات جانبی مانند رم، کارت های شبکه و برخی پردازنده ها استفاده می شود. برای مثال، فرکانس ۱۶۰۰ مگاهرتز در رم DDR4 نشان دهنده سرعت انتقال اطلاعات است. حتی در این قطعات نیز واحد گیگاهرتز به تدریج در حال جایگزینی است.

کلاک اسپید (Clock Speed) به چه معناست؟

کلاک اسپید همان فرکانس پردازنده است و سرعت چرخه های کلاک را نشان می دهد. هر چرخه کلاک، زمان لازم برای انجام بخشی از یک دستورالعمل است. کلاک اسپید بالاتر به معنای تکمیل چرخه ها در زمان کمتر و اجرای دستورات بیشتر است.
با این وجود، کلاک اسپید به تنهایی عملکرد پردازنده را تعیین نمی کند. معماری داخلی پردازنده نیز تاثیر زیادی دارد. برای مثال، پردازنده های نسل جدید با کلاک اسپید پایین تر ممکن است به دلیل بهبود معماری، عملکرد بهتری نسبت به پردازنده های قدیمی با کلاک اسپید بالاتر داشته باشند.
علاوه بر این، برخی پردازنده ها از فناوری هایی مانند Hyper-Threading استفاده می کنند که با شبیه سازی هسته های مجازی، کارایی را افزایش می دهند. در چنین مواردی، حتی با کلاک اسپید ثابت، عملکرد کلی سیستم بهتر می شود.

سرعت سی پی یو (CPU) چقدر باید باشد؟

انتخاب سرعت مناسب پردازنده به نوع استفاده کاربر بستگی دارد. برای کارهای روزمره مانند وب گردی یا کار با نرم افزارهای آفیس، پردازنده هایی با فرکانس پایه ۲.۵ تا ۳.۵ گیگاهرتز کفایت می کنند. اما برای اجرای بازی های مدرن، رندر ویدیو یا شبیه سازی های علمی، پردازنده هایی با فرکانس Boost بالای ۴.۵ گیگاهرتز مناسب ترند.
در کاربردهای چند وظیفه ای، تعداد هسته ها اهمیت بیشتری دارد. یک پردازنده ۶ هسته ای با فرکانس ۳ گیگاهرتز ممکن است در اجرای همزمان چند برنامه بهتر از یک پردازنده ۴ هسته ای با فرکانس ۴ گیگاهرتز عمل کند. همچنین، پردازنده های سروری معمولا فرکانس پایین تری دارند، اما به دلیل تعداد هسته های بیشتر، برای کارهای سنگین مناسب ترند.

تفاوت بین CPU و GPU چیست و چرا هر دو مهم هستند؟

پردازنده مرکزی (CPU) و پردازنده گرافیکی (GPU) دو جزء اصلی در کامپیوترها هستند که هر کدام وظایف متفاوتی دارند اما مکمل یکدیگرند. CPU مسئول اجرای دستورات عمومی سیستم است و برای انجام کارهای تکرارشونده و پیچیده تولید شده است. GPU اما برای انجام محاسبات موازی با حجم بالا ساخته شده و بیشتر در رندر گرافیک یا یادگیری ماشین به کار می رود.

تفاوت اصلی بین این دو در تعداد هسته‌ها و نحوه عملکرد آن‌هاست. CPU معمولا دارای تعداد محدودی هسته قدرتمند است که برای اجرای سریع وظایف تکی مناسب اند، درحالی که GPU دارای صدها یا هزاران هسته کوچک تر است که توانایی انجام محاسبات هم زمان را دارند.

برای مثال، هنگام اجرای بازی‌های کامپیوتری یا رندر تصاویر سه بعدی،GPU  بار اصلی را بر عهده دارد زیرا این وظایف نیازمند محاسبات گرافیکی سنگین هستند. اما CPU همچنان نقش مهمی در مدیریت کلی سیستم دارد و وظایفی مانند کنترل ورودی، خروجی یا مدیریت حافظه را انجام می‌دهد.

انتخاب درست CPU و GPU نسبت به نوع کاربرد شما اهمیت زیادی دارد؛ اگر کارتان بیشتر شامل محاسبات گرافیکی یا یادگیری ماشین باشد،GPU  قوی تر اولویت دارد؛ اما برای کارهای عمومی یا چند وظیفه ای، CPU قدرتمندتر انتخاب مناسبی خواهد بود.

نقش حافظه کش در عملکرد پردازنده

حافظه کش نوعی حافظه سریع و کم ظرفیت است که داخل یا نزدیک پردازنده قرار دارد و هدف اصلی آن کاهش زمان دسترسی به اطلاعات پرکاربرد است. این حافظه با ذخیره سازی موقت اطلاعاتی که پردازنده به طور مکرر به آنها نیاز دارد، مانع از اتلاف زمان برای دریافت اطلاعات از حافظه رم یا هارد دیسک می شود. حافظه کش در چند سطح L1، L2، L3  سازماندهی شده که هرکدام از نظر سرعت، ظرفیت و موقعیت فیزیکی متفاوت اند.

کش L1 که سریع ترین و کوچک ترین سطح است، مستقیما در هسته های پردازنده تعبیه شده و دسترسی به آن تقریبا بدون تاخیر انجام می شود. نوع دیگر یعنی کش L2 با ظرفیت بیشتر و سرعت کمی کمتر، معمولا بین چند هسته به اشتراک گذاشته می شود. کش L3 نیز به عنوان بزرگ ترین و کند ترین سطح، برای تمام هسته های پردازنده قابل دسترس است و اطلاعات مشترک بین هسته ها را نگهداری میکند. عملکرد بهینه حافظه کش باعث می شود پردازنده کمتر در حالت انتظار بماند و توان محاسباتی آن به طور کامل مورد استفاده قرار گیرد. بدون وجود این حافظه، حتی قدرتمند ترین پردازنده ها به دلیل گلوگاه دسترسی به حافظه اصلی، عملکرد ضعیفی خواهند داشت.

خرید محصولات سرور از مستر اچ پی

مستر اچ پی سایتی معتبر برای خرید سرورهای باکیفیت نو و استوک است. محصولات این مجموعه شامل پردازنده های بهینه شده برای محیط های سازمانی و دیتاسنترهاست. سرورهای عرضه شده در این مرکز، مجهز به سیستم های خنک کننده پیشرفته و قابلیت تنظیم فرکانس هستند. برای خرید، می توان به وبسایت رسمی مستر اچ پی مراجعه کرد.

جمع بندی

فرکانس پردازنده از عوامل مهم در عملکرد سیستم است، اما تنها معیار تعیین کننده نیست. محدودیت های فیزیکی مانند تولید گرما و چالش های مهندسی، افزایش فرکانس را در سال های اخیر به شدت کند کرده اند. تولید کنندگان به جای تلاش برای افزایش فرکانس، روی راهکارهای جایگزین مانند افزودن هسته های بیشتر و بهینه سازی مصرف انرژی تمرکز کرده اند. این تغییر استراتژی باعث شده پردازنده های مدرن بدون نیاز به فرکانس های بسیار بالا، عملکرد بهتری در کارهای پیچیده داشته باشند.

تفاوت بین فرکانس پایه و فرکانس Boost نیز نکته مهمی است. فرکانس پایه سرعت معمول پردازنده در شرایط عادی است، درحالی که فرکانس Boost حداکثر سرعتی است که پردازنده در مواقع ضروری و به صورت موقت به آن می رسد. انتخاب پردازنده مناسب نیازمند توجه به تعادل بین این دو فرکانس، تعداد هسته ها و نوع استفاده کاربر است.

سوالات متداول

1) آیا پردازنده ۴ گیگاهرتزی بهتر از ۳ گیگاهرتزی است؟
نه همیشه. اگر هر دو پردازنده معماری یکسانی داشته باشند، پردازنده ۴ گیگاهرتزی سریع تر است. اما اگر پردازنده ۳ گیگاهرتزی دارای هسته های بیشتر یا معماری پیشرفته تری باشد، ممکن است در کارهای چند وظیفه ای برتر باشد.

2) اورکلاک کردن چقدر عملکرد را بهبود می دهد؟
اورکلاک ممکن است عملکرد را ۱۰ تا ۲۰ درصد افزایش دهد، اما نیاز به سیستم خنک کننده قوی دارد. این کار گارانتی پردازنده را باطل می‌کند و احتمال آسیب دیدن قطعات را بالا می‌برد.

3) چرا برخی پردازنده ها فرکانس Boost بالاتری دارند؟
فرکانس Boost به طراحی و معماری پردازنده بستگی دارد. برخی پردازنده ها برای کارهای تکرارشده (مانند بازی‌ها) ساخته شده اند و فرکانس بالاتری ایجاد می کنند. این ویژگی معمولا در پردازنده های رده بالا بیشتر دیده می‌شود.

4) آیا فرکانس بالا همیشه باعث افزایش سرعت سیستم می شود؟
خیر. فرکانس تنها یکی از عوامل موثر بر سرعت سیستم است. معماری پردازنده، تعداد هسته‌ها و حافظه کش نیز تاثیر زیادی بر عملکرد کلی دارند. برای مثال، یک پردازنده با فرکانس پایین تر اما تعداد هسته های بیشتر ممکن است در برنامه‌های چند وظیفه ای عملکرد بهتری داشته باشد.