سی پی یو چیست و چه نقشی در سرور دارد؟

سی پی یو مرکزی سرور، هسته محاسباتی سیستم است که دستورات را با استفاده از چندین هسته و فرکانس بالا پردازش می‌کند. این مولفه برای اجرای وظایف موازی، مجازی‌سازی و مدیریت بارهای کاری سنگین در سرورها بهینه شده است. در این مطلب قصد داریم با مبانی اولیه پردازنده و نکات اولیه که باید در ارتباط با سرورها بدانید، آشنا شویم.

سی پی یو پردازنده مرکزی چیست و چه نقشی در سرور دارد؟

پردازنده مرکزی (CPU) سرنام  (Central Processing Unit) که به‌عنوان مغز سرورها و کامپیوترها شناخته می‌شود، یکی از مهم‌ترین مولفه‌های سخت‌افزاری در هر سیستم محاسباتی، از جمله سرورها، است. سی پی یو، مسئول اجرای دستورالعمل‌های برنامه‌ها با انجام عملیات‌های اساسی مانند محاسبه، پردازش داده‌ها، و مدیریت جریان اطلاعات بین حافظه، ورودی/خروجی و سایر اجزای سیستم است. در یک سرور، که به‌عنوان سیستمی طراحی شده برای ارائه خدمات، ذخیره‌سازی داده‌ها، میزبانی وب‌سایت‌ها، اجرای برنامه‌ها یا مدیریت شبکه‌ها عمل می‌کند، سی پی یو نقش محوری در عملکرد و کارایی کل سیستم ایفا می‌کند. پردازنده دستورات را از حافظه دریافت کرده، آن‌ها را رمزگشایی می‌کند و سپس با استفاده از واحدهای محاسباتی و منطقی خود، عملیات مورد نیاز را اجرا می‌کند.

در سرورها، سی پی یو باید توانایی پردازش حجم بالایی از درخواست‌ها را به‌صورت همزمان داشته باشد، به‌ویژه در محیط‌هایی مانند مراکز داده که بار کاری سنگین است. شایان ذکر است که در سرورها، پردازنده‌های مرکزی از نوع چند هسته‌ای (Multi-Core) هستند که امکان اجرای چندین وظیفه به‌صورت موازی را فراهم می‌کنند. این ویژگی برای سرورهایی که باید درخواست‌های متعددی از کاربران مختلف را به‌صورت همزمان پردازش کنند، حیاتی است.

برای مثال، در یک سرور وب، سی‌پی‌یو درخواست‌های HTTP را پردازش کرده و پاسخ‌های مناسب را تولید می‌کند، در حالی که در سرورهای پایگاه داده، پردازش پرس‌وجوهای پیچیده و مدیریت داده‌ها را بر عهده دارد. عملکرد سی پی یو در سرورها به عواملی مانند تعداد هسته‌ها، سرعت کلاک (Clock Speed)، حافظه نهان (Cache) و معماری پردازنده بستگی دارد. پردازنده‌های پیشرفته مانند Intel Xeon یا AMD EPYC که برای سرورها طراحی شده‌اند، بهینه‌سازی‌هایی برای مدیریت بارهای کاری سنگین، مجازی‌سازی و پردازش‌های موازی دارند.

علاوه بر این، سی‌پی‌یو در سرورها با سایر اجزا مانند رم، دیسک‌های ذخیره‌سازی و کارت‌های شبکه تعامل دارد تا عملکرد کلی سیستم را تضمین کند. برای مثال، سی پی یو، داده‌ها را از رم دریافت کرده و پس از پردازش، نتایج را به حافظه یا دستگاه‌های خروجی ارسال می‌کند. در سرورهای مدرن، سی پی یو همچنین از فناوری‌هایی مانند مجازی‌سازی پشتیبانی می‌کند که امکان اجرای چندین سیستم‌عامل یا برنامه به‌صورت همزمان روی یک سرور فیزیکی را فراهم می‌کند.

این قابلیت برای بهینه‌سازی منابع و کاهش هزینه‌ها در مراکز داده بسیار مهم است. با این حال، عملکرد سی پی یو می‌تواند تحت تاثیر عواملی مانند دمای بیش از حد یا بار کاری بیش از ظرفیت قرار گیرد، بنابراین سیستم‌های خنک‌کننده و مدیریت انرژی نیز در کنار سی پی یو نقش مهمی دارند. با توجه به توضیحاتی که ارائه کردیم باید بگوییم، پردازنده مرکزی در سرورها قلب تپنده‌ای است که تمام عملیات محاسباتی و پردازشی را هدایت می‌کند. از این‌رو، انتخاب سی پی یو مناسب برای یک سرور به نوع کاربرد، حجم بار کاری و نیازهای عملکردی بستگی دارد. یک سی پی یو قدرتمند و بهینه می‌تواند سرعت پاسخگویی، قابلیت اطمینان و مقیاس‌پذیری سرور را بهبود بخشد، در حالی که یک سی پی یو ضعیف ممکن است باعث ایجاد گلوگاه‌های عملکردی شود.

مکانیزم کاری پردازنده مرکزی سرور به چه صورتی است؟

سی‌پی‌یو، به‌عنوان هسته محاسباتی سرور، دستورات را از طریق چرخه‌ای شامل مراحل دریافت (Fetch)، رمزگشایی (Decode)، اجرا (Execute) و ذخیره (Write-back) پردازش می‌کند. این فرآیند با معماری پیچیده‌ای هماهنگ شده تا عملکرد بالا و پردازش موازی در سرورها تضمین شود. ابتدا، سی‌پی‌یو دستورات را از رم یا حافظه نهان (Cache) دریافت می‌کند. این دستورات به‌صورت کدهای ماشین (Machine Code) هستند که از برنامه‌های در حال اجرا استخراج می‌شوند. در مرحله رمزگشایی، واحد کنترل (Control Unit) دستورات را تفسیر کرده و به اجزای مربوطه مانند واحد حساب و منطق (ALU) یا رجیسترها ارسال می‌کند. در مرحله اجرا، ALU عملیات‌های ریاضی (مانند جمع و ضرب) یا منطقی مانند AND و OR را انجام می‌دهد. سی‌پی‌یوهای سرور، مانند Intel Xeon یا AMD EPYCچند هسته‌ای هستند و از فناوری‌هایی مانند Hyper-Threading یا SMT پشتیبانی می‌کنند که امکان اجرای چندین رشته (Thread) به‌صورت موازی را فراهم می‌کند.

این قابلیت برای پردازش درخواست‌های همزمان در سرورها، مانند میزبانی وب یا مدیریت پایگاه داده، حیاتی است. همچنین، حافظه نهان داخلی (L1, L2, L3) داده‌های پراستفاده را ذخیره می‌کند تا دسترسی سریع‌تر و کاهش تاخیر فراهم شود. پس از اجرا، نتایج در رجیسترها یا حافظه ذخیره می‌شوند. سی‌پی‌یو با گذرگاه‌های پرسرعت مانند PCIe  با سایر اجزا مانند رم، GPU  یا ذخیره‌سازها تعامل دارد. در سرورها، فناوری‌هایی مانند مجازی‌سازی با پشتیبانی از VT-x یا AMD-V) ) فرآیند بهینه‌سازی عملیات را انجام می‌دهند. معماری‌های پیشرفته، مانند Zen یا Skylake، از خطوط لوله (Pipeline) و پیش‌بینی شاخه (Branch Prediction) برای افزایش کارایی استفاده می‌کنند. در این میان، تجهیزات سرمایشی پیشرفته و مدیریت حرارت برای جلوگیری از افت عملکرد در بارهای کاری سنگین ضروری هستند. این مکانیزم هماهنگ، سی‌پی‌یو را به مرکز پردازش قدرتمند سرور تبدیل می‌کند.

معماری پردازنده های سرور چه تفاوتی با کامپیوترهای شخصی دارد؟

معماری پردازنده‌های سرور مانند Intel Xeon یا AMD EPYC  در مقایسه با پردازنده‌های کامپیوترهای شخصی مبتنی بر معماری Intel Core یا AMD Ryzen از منظر فنی تفاوت‌های قابل‌توجهی دارد که برای پاسخگویی به نیازهای بارهای کاری سنگین و مداوم طراحی شده‌اند. پردازنده‌های سرور تعداد هسته‌ها و رشته‌های (Threads) بیشتری دارند که ممکن است از 64 هسته فراتر بروند، زیرا برای پردازش موازی وظایف متعدد در محیط‌هایی مانند مراکز داده، مجازی‌سازی و پایگاه داده بهینه شده‌اند. این در حالی است که پردازنده‌های PC اغلب 4 تا 16 و در نسخه‌های جدیدتر 24 هسته دارند و برای کاربردهای تک‌کاربره یا بازی طراحی می‌شوند. حافظه نهان (Cache) در پردازنده‌های سرور بزرگ‌تر است که اغلب 32 مگابایت یا بیشتر در کش L3 تعریف می‌شوند تا دسترسی سریع‌تر به داده‌های پراستفاده در بارهای کاری پیچیده را امکان‌پذیر کنند.

همچنین، پردازنده‌های سرور از قابلیت‌های پیشرفته‌ای مانند پشتیبانی از حافظه ECC سرنام (Error-Correcting Code) بهره می‌برند که خطاها را شناسایی و اصلاح می‌کند که یک ویژگی حیاتی برای پایداری در سرورها است، اما در کامپیوترهای شخصی کمتر رایج است. پردازنده‌های سرور از فناوری‌های مجازی‌سازی اختصاصی مانند Intel VT-x یاAMD-V با کارایی بالا پشتیبانی می‌کنند که امکان اجرای چندین ماشین مجازی را به‌صورت همزمان فراهم می‌کند، در حالی که این ویژگی در پردازنده‌های PC محدودتر است.

معماری سرورها همچنین از گذرگاه‌های پرسرعت‌تر مانند PCIe با خطوط بیشتر) و تعداد کانال‌های حافظه بیشتر( تا 8 یا 12 کانال در مقابل 2 یا 4 در (PC) بهره می‌برد که پهنای باند بالاتری برای انتقال داده فراهم می‌کند. این در حالی است که مصرف انرژی در پردازنده‌های سرور با بهره‌وری بالا مدیریت می‌شود تا عملکرد پایدار در تمام اوقات شبانه‌روز حفظ شود، که درست برخلاف پردازنده‌های PC است که برای مصرف بهینه در کاربری‌های متناوب طراحی شده‌اند. در نهایت، معماری سرورها بر مقیاس‌پذیری، قابلیت اطمینان و پردازش موازی تمرکز دارد، در حالی که پردازنده‌های PC بر عملکرد تک‌رشته‌ای و تجربه کاربری بهینه شده‌اند.

پردازنده مرکزی از چه مولفه‌هایی تشکیل شده است؟

اکنون که می‌دانیم پردازنده مرکزی به چه صورتی کار می‌کند، وقت آن رسیده با چند مولفه کلیدی آن آشنا شویم که وظیفه هماهنگ‌سازی پردازش دستورات و مدیریت داده‌ها را بر عهده دارند. از منظر فنی، این مولفه‌ها شامل واحد حساب و منطق (ALU)، واحد کنترل (Control Unit)، ثبات‌‌ها، حافظه نهان (Cache)، واحد مدیریت حافظه (MMU)،  خطوط لوله (Pipeline) و گذرگاه‌های داخلی است که هر یک نقش خاصی در عملکرد  پردازنده مرکزی دارند. واحد حساب و منطق، هسته محاسباتی سی‌پی‌یو است که عملیات‌های ریاضی (مانند جمع، تفریق، ضرب) و منطقی مانند AND، OR، XOR را اجرا می‌کند. این واحد دستورات را از داده‌های ذخیره‌شده در رجیسترها یا حافظه دریافت کرده و نتایج را تولید می‌کند. واحد کنترل، مانند مغز متفکر سی‌پی‌یو، وظیفه هماهنگی و مدیریت اجرای دستورات را بر عهده دارد؛ این واحد دستورات را از حافظه دریافت، رمزگشایی و به اجزای مربوطه ارسال می‌کند.

رجیسترها، حافظه‌های کوچک و فوق‌سریع داخل سی‌پی‌یو هستند که داده‌ها و دستورات موقت را برای دسترسی سریع ذخیره می‌کنند. انواع رجیسترها شامل رجیستر دستورات (Instruction Register)، رجیستر آدرس حافظه (MAR)، و رجیستر داده حافظه (MDR) هستند. حافظه نهان (L1, L2, L3) لایه‌ای از حافظه پرسرعت است که داده‌ها و دستورات پراستفاده را نزدیک به هسته‌های پردازشی نگه می‌دارد تا تأخیر دسترسی به RAM کاهش یابد. در پردازنده‌های سرور، حافظه نهان معمولا بزرگ‌تر تا 64 مگابایت در L3 بهینه‌شده برای بارهای کاری سنگین است. واحد مدیریت حافظه (MMU) وظیفه ترجمه آدرس‌های مجازی به آدرس‌های فیزیکی را بر عهده دارد و از قابلیت‌هایی مانند جدول صفحه (Page Table) برای پشتیبانی از مجازی‌سازی و مدیریت حافظه استفاده می‌کند، که در سرورها برای اجرای ماشین‌های مجازی حیاتی است. خطوط لوله (Pipeline) امکان اجرای همزمان چندین دستور را فراهم می‌کنند؛ هر دستور به مراحل کوچک‌تری تقسیم شده و به‌صورت موازی پردازش می‌شود، که کارایی را افزایش می‌دهد. فناوری‌هایی مانند پیش‌بینی شاخه (Branch Prediction) و اجرای خارج از ترتیب (Out-of-Order Execution) در پردازنده‌های سرور، مانند Intel Xeon یا AMD EPYC، این فرآیند را بهینه‌تر می‌کنند.

گذرگاه‌های داخلی، مانند گذرگاه داده و آدرس، ارتباط بین اجزای CPU و سایر قسمت‌های سیستم مانند RAM یا PCIe را برقرار می‌کنند. در سرورها، گذرگاه‌ها پهنای باند بالایی مانند 128 خط PCIe ارائه می‌دهند. همچنین، پردازنده‌های سرور از فناوری‌هایی مانند Hyper-Threading یا SMT برای اجرای چندین رشته در هر هسته پشتیبانی می‌کنند، که برای پردازش درخواست‌های همزمان در محیط‌های چندکاربره ضروری است. واحدهای مدیریت انرژی و خنک‌کننده نیز به‌طور غیرمستقیم با CPU تعامل دارند تا عملکرد پایدار در بارهای کاری 24/7 تضمین شود.

هسته‌ها و فرکانس کاری چه نقشی در پردازنده مرکزی دارند؟

هسته‌ها (Cores) و فرکانس کاری (Clock Speed) دو مولفه حیاتی در سی‌پی‌یو سرور هستند که به‌طور مستقیم بر عملکرد و کارایی پردازش تاثیر می‌گذارند. هسته‌ها واحدهای پردازشی مستقل درون سی‌پی‌یو هستند که هر یک شامل واحد حساب و منطق، رجیسترها و حافظه نهان اختصاصی (L1/L2) هستند و می‌توانند دستورات را به‌صورت جداگانه اجرا کنند. در پردازنده‌های سرور مانند Intel Xeon یا  AMD EPYC، تعداد هسته‌های بالا امکان پردازش موازی را برای بارهای کاری سنگین مانند مجازی‌سازی، پایگاه داده، یا میزبانی وب فراهم می‌کند. این هسته‌ها با فناوری‌هایی مجازی‌ساز تقویت می‌شوند، که هر هسته را قادر می‌سازد تا دو رشته (Thread) را به‌صورت همزمان اجرا کند.

این امر کارایی را در برنامه‌های چندرشته‌ای، مانند سرورهای ابری یا محاسبات علمی، به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهد. هماهنگی بین هسته‌ها توسط حافظه نهان مشترک (L3) و گذرگاه‌های داخلی مدیریت می‌شود تا دسترسی سریع به داده‌ها و جلوگیری از گلوگاه‌ها تضمین شود. با این حال، افزایش تعداد هسته‌ها بدون مدیریت مناسب منابع می‌تواند منجر به رقابت بر سر حافظه یا پهنای باند شود، که نیاز به معماری‌های پیشرفته مانند Zen یا Skylake دارد.

در سویی دیگر، فرکانس کاری، که بر حسب گیگاهرتز (GHz) بیان می‌شود، تعداد چرخه‌های پردازشی در ثانیه را نشان می‌دهد و سرعت اجرای دستورات در هر هسته را تعیین می‌کند. فرکانس بالاتر به اجرای سریع‌تر دستورات تک‌رشته‌ای کمک می‌کند، که برای برنامه‌هایی با وابستگی به عملکرد تک‌هسته‌ای (مانند برخی برنامه‌های خاص یا پردازش‌های خطی) حیاتی است. در سرورها، فرکانس پایه معمولا بین 2 تا 4 گیگاهرتز است، اما فناوری‌هایی مانند Turbo Boost یا Precision Boost می‌توانند فرکانس را در شرایط خاص افزایش دهند. با این حال، فرکانس بالا مصرف انرژی و گرما را افزایش می‌دهد، که در سرورها نیازمند سیستم‌های خنک‌کننده پیشرفته و مدیریت انرژی کارآمد است.

برخلاف سی‌پی‌یو کامپیوترهای شخصی که بر فرکانس بالا برای عملکرد تک‌رشته‌ای تمرکز دارند، سرورها به تعادل بین تعداد هسته‌ها و فرکانس نیاز دارند تا بارهای کاری متنوع را مدیریت کنند. تعامل هسته‌ها و فرکانس توسط معماری‌هایی مانند پای‌لاین، Branch Prediction، و اجرای خارج از ترتیب بهینه می‌شود.

پای‌لاین دستورات را به مراحل کوچک‌تر تقسیم می‌کند تا هسته‌ها با فرکانس بهینه کار کنند، در حالی که حافظه نهان مشترک داده‌های پراستفاده را برای دسترسی سریع در دسترس هسته‌ها قرار می‌دهد. در سرورها، تعداد هسته‌های بیشتر برای پردازش درخواست‌های همزمان (مانند چندین کاربر در یک سرور وب) مناسب است، اما فرکانس پایین ممکن است در برنامه‌هایی که به اجرای سریع دستورات وابسته‌اند، محدودیت ایجاد کند. انتخاب سی‌پی‌یو سرور به نوع کاربرد بستگی دارد: بارهای کاری چندرشته‌ای از هسته‌های بیشتر سود می‌برند، در حالی که برنامه‌های تک‌رشته‌ای به فرکانس بالاتر نیاز دارند. در نهایت، هماهنگی هسته‌ها و فرکانس با مدیریت انرژی و خنک‌کننده، عملکرد پایدار و مقیاس‌پذیر را در محیط‌های سرور تضمین می‌کند، که برای پردازش مداوم و قابلیت اطمینان در مراکز داده ضروری است.

راهکار شناسایی هسته‌های پردازنده مرکزی

شناسایی هسته‌های سی‌پی‌یو از منظر فنی شامل بررسی مشخصات سخت‌افزاری و نرم‌افزاری سیستم برای تعیین تعداد هسته‌های فیزیکی و منطقی (رشته‌ها) است. در سطح سخت‌افزاری، هسته‌ها واحدهای پردازشی مستقل درون سی‌پی‌یو هستند که هر یک شامل واحد حساب و منطق، رجیسترها و کش (L1/L2) هستند. برای شناسایی تعداد هسته‌ها، می‌توان از ابزارهای نرم‌افزاری مانند سیستم‌عامل‌ها یا برنامه‌های تخصصی استفاده کرد. در ویندوز، ابزار  Task Manager در تب Performance  تعداد هسته‌ها و رشته‌های منطقی را نمایش می‌دهد، در حالی که در لینوکس، دستور `lscpu` یا بررسی فایل /proc/cpuinfo اطلاعات دقیقی از تعداد هسته‌های فیزیکی، رشته‌ها و معماری سی‌پی‌یو ارائه می‌دهد.

این ابزارها اطلاعاتی مانند تعداد هسته‌های فیزیکی، رشته‌های منطقی با فناوری‌هایی مانند Hyper-Threading یا SMT، و فرکانس کاری را استخراج می‌کنند. در سطح BIOS/UEFI، می‌توان تنظیمات سی‌پی‌یو را بررسی کرد تا تعداد هسته‌های فعال و غیرفعال مشخص شود، زیرا برخی سیستم‌ها امکان غیرفعال‌سازی هسته‌ها برای مدیریت انرژی را دارند. ابزارهای تخصصی مانند CPU-Z یا HWiNFO نیز جزئیات فنی مانند تعداد هسته‌ها، حافظه نهان (L1, L2, L3)، و معماری مانند Zen یا Skylake را ارائه می‌دهند. از منظر برنامه‌نویسی، APIهای سیستم‌عامل مانند `GetSystemInfo` در ویندوز یا `sched_getaffinity` در لینوکس می‌توانند تعداد هسته‌ها را گزارش کنند. به طور مثال، قطعه کد زیر نحوه نمایش هسته‌های پردازنده را نشان می‌دهد:

import os
import sched

def get_allowed_cores_count(pid):
  """
  Gets the number of allowed CPU cores for a process using sched_getaffinity.
  Args:
    pid: The process ID.

  Returns:
    The number of allowed CPU cores, hamid reza taebi.
  """
  try:
    mask = os.sched_getaffinity(pid)
    return sum(1 for i in range(len(mask) * 8) if mask[i // 8] & (1 << (i % 8)))
  except OSError as e:
    print(f"Error getting affinity: {e}")
    return 0

# Example usage for the current process (pid=0):
num_cores = get_allowed_cores_count(0)
print(f"Number of allowed cores for the current process: {num_cores}")

# Example usage for another process (replace with a valid pid):
other_pid = 1234  # Replace with the actual PID
num_cores_other = get_allowed_cores_count(other_pid)
print(f"Number of allowed cores for process {other_pid}: {num_cores_other}")

شایان ذکر است که در سرورها، شناسایی هسته‌ها برای بهینه‌سازی بارهای کاری چندرشته‌ای، مانند مجازی‌سازی یا پایگاه داده، حیاتی است. تعداد هسته‌های گزارش‌شده شامل هسته‌های فیزیکی و رشته‌های منطقی است که با فناوری‌هایی مانند Hyper-Threading  دو برابر می‌شوند. این اطلاعات به مدیران سیستم کمک می‌کند تا منابع را به‌طور موثر تخصیص دهند و از گلوگاه‌های عملکردی جلوگیری کنند. در نهایت، شناسایی دقیق هسته‌ها نیازمند ترکیب ابزارهای نرم‌افزاری، بررسی تنظیمات سخت‌افزاری و تحلیل معماری سی‌پی‌یو است.

خلاصه‌ای از آن‌چه گفته شد

نویسنده: حمیدرضا تائبی