מעבד

מעבד, או יחידת העיבוד המרכזית (CPU), הוא רכיב חומרה במחשב שמבצע פקודות מתוך הזיכרון. המעבדים המודרניים בנויים על שבב יחיד (שבב = חתיכת סיליקון שמכילה מעגלים) ומבצעים קריאה מהזיכרון, חישובים וכתיבה חזרה לזיכרון או התקנים חיצוניים. פקודות אלה הן רצפים קצרים של ביטים בשפת מכונה. שפת מכונה היא השפה הבסיסית שהמעבד יכול להבין.

בשנות ה־50 וה־60 המחשבים היו גדולים ויקרים. המצאת המעגלים המוכללים אפשרה לקבץ טרנזיסטורים על שבב אחד. בסוף שנות ה־60 נוצר המיקרו־מעבד, מעבד שלם על שבב יחיד. המיקרו־מעבד הראשון היה ה־Intel 4004 (1971), שנבנה עבור חברת Busicom והיה עובד על 4 סיביות בלבד. אחריו הופיעו 8008 (1972), 8080 (1974) וגרסאות מתקדמות אחרים. ב־1981 IBM בחרה ב־8086 עבור המחשב האישי שלה והמשפחה x86 הפכה נפוצה. ב־1984 אפל השתמשה ב־68000 של מוטורולה במקינטוש. בשנים הבאות הופיעו משפחות נוספות כמו MIPS, SPARC ו־Alpha.

המעבד עובד במחזור הבאה-ביצוע: הוא מביא פקודה מהזיכרון (Fetch), מפענח אותה, מבצע אותה ושומר תוצאות. במעבדים מודרניים העבודה מחולקת לשלבים (שיטה שנקראת צינור עיבוד או Pipeline). כך אפשר להתחיל לבצע הוראות חדשות עוד לפני שהקודמות הסתיימו.

על השבב יש יחידות שונות שתפקידיהן מובחנים בתכנון. בין היחידות נמצאת ה־ALU (יחידת חישובים אריתמטיים ולוגיים), אוגרים קטנים לזיכרון זמני, ויחידות פענוח ופיקוח. מעבדים מודרניים יכולים להיות סופר־סקלאריים, כלומר לבצע כמה הוראות במקביל על ידי שינוי סדר הביצוע.

מעבדים רבים היום מכילים כמה ליבות. ליבה היא מעבד קטן בתוך השבב. ליבות פועלות במקביל ומגבירות את העוצמה החישובית. בתחילת המאה ה־21 החל המעבר למעבדים מרובי ליבות. AMD הכריזה על מעבדי 64‑ביט דו־ליבתיים ב־2005. גם קונסולות ומשווקי מובייל אימצו ליבות מרובות. ריבוי ליבות משפר ביצועים בעיקר כשיש כמה יישומים שיכולים לרוץ במקביל, או כשהתוכנה מתוכננת לנצל אותו.

מערכת על שבב (SoC) היא שבב שמכיל לא רק מעבד, אלא גם רכיבים נוספים של מחשב. מיקרו־בקרים הם דוגמה ל־SoC עם ביצועים נמוכים וצריכת חשמל נמוכה.

אות שעון הוא אות שמסנכרן את פעולת המעבד. מהירות השעון נמדדת בהרץ (Hz). לדוגמה, ב־IBM‑PC הראשון מהירות השעון הייתה 4.77 MHz (מיליוני מחזורים לשנייה). בנוסף למהירות השעון, מספר הפקודות שמבוצעות במחזור שעון משפיע על המהירות.

מעבדים עברו מהוראות מורכבות לסט פקודות פשוט יותר שתואם לצינור העיבוד. מעבדי RISC הם כאלה עם פקודות פשוטות שניתנות לחלוקה בקלות. מעבדי CISC כוללים פקודות מורכבות יותר. עם הזמן נחלש הפער בין שני הסוגים.

גודל פקודה נמדד בסיביות (bit). כיום נפוצים מעבדים ב־32 או 64 סיביות. סיביות רבות יותר מאפשרות כתובות זיכרון רחבות יותר וכך גישה לזיכרון גדולה יותר.

מעבדים מיוצרים על פרוסות סיליקון (וופרים) בתהליך של פוטוליתוגרפיה. הייצור נעשה בחדרים נקיים מאוד. חלק גדול מהמעבדים בפרוסה לא מתאים בסופו של דבר לתקן הגבוה, ולכן זה מוביל ל'בּינינג', שיווק דגמים במהירויות שונות. ככל שמקטינים את גודל הרכיבים, אפשר להכניס יותר טרנזיסטורים ולחסוך אנרגיה. שמות טכנולוגיים כמו 5nm או 3nm משמשים בעיקר לשיווק, ולא תמיד משקפים מיד את הממדים הפיזיים המדויקים.

מעבד הוא המוח של המחשב. הוא מבצע פקודות ושולח תוצאות לזיכרון או לצגים.

לפני שנים המחשבים היו גדולים. המציאו שבבים קטנים שנקראים מיקרו־מעבדים. ה־4004 של אינטל ב־1971 היה הראשון. אחר כך הגיעו דגמים כמו 8086 שעמד במחשבים ביתיים ומחשב IBM ב־1981.

המעבד לוקח פקודה מהזיכרון. הוא מפענח ומחשב. ואז הוא שומר את התוצאה.

יש מעבדים עם ליבות רבות. ליבה = מעבד קטן בתוך השבב. יותר ליבות עוזרות להריץ כמה דברים ביחד. מערכת על שבב (SoC) היא שבב שמכיל גם מעבד וגם חלקים אחרים.

מעבדים נדפסים על פרוסות סיליקון. את זה עושים בחדרים נקיים. טכנאים לובשים ביגוד מיוחד שנקרא "באני־סווט". לא כל השבבים טובים. שברירים נמכרים במהירויות נמוכות יותר.

מהירות המעבד נקראת מהירות שעון. היא אומרת כמה פעולות אפשר לנסות בשנייה. גודל פקודה נמדד ב־סיביות. יותר סיביות מאפשרות לעבוד עם זיכרון גדול יותר.