CPU มีชื่อเต็มๆ ว่า Central Processing Unit ทำหน้าที่ประมวลผลข้อมูล หรือชุดคำสั่งต่างๆ ทั้งทางคณิตศาสตร์และลอจิก มีหน่วยความจำหลักและความจำสำรองในตัว ที่เรียกว่า รีจิสเตอร์ กับ แรม เพราะซีพียูเองไปคุยกับหรือทำงานกับอุปกรณ์ต่อพ่วงอื่นๆเองไม่ได้
ประวัติความเป็นมาของซีพียู
ซีพียู หรือ หน่วยประมวลผลกลาง ถือเป็นส่วนสำคัญที่ทำให้คอมพิวเตอร์สามารถทำงานได้ตามที่ต้องการ โดยในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนาคอมพิวเตอร์
- ปี 1940 ซีพียูยังมีสถาปัตยกรรมที่เรียบง่ายและมีกำลังประมวลผลไม่สูงนัก นั่นก็เป็นผลจากชิ้นส่วนอุปกรณ์ซึ่งส่วนใหญ่ใช้หลอดสูญญากาศเพื่อประมวลผลข้อมูลเป็นหลัก ตัวอย่างคอมพิวเตอร์ที่มีชื่อเสียงในยุคนั้นคือ ENIAC ที่สามารถทำการคำนวณได้อย่างมหาศาล แต่มีข้อจำกัดในด้านความเร็วและขนาด
- เข้าสู่ทศวรรษ 1950 ซีพียูได้พัฒนาเข้าสู่ยุคของทรานซิสเตอร์ ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและประสิทธิภาพของซีพียู จะเห็นได้จากสถาปัตยกรรมของซีพียูที่มี่ขนาดโครงสร้างเล็กลงแต่ประสิทธภาพดีขึ้น ตัวอย่างคอมพิวเตอร์ในช่วงนี้คือ IBM 701 ที่เริ่มใช้ทรานซิสเตอร์แทนหลอดสูญญากาศ
- ในปี 1970 การถือกำเนิดของไมโครโปรเซสเซอร์ได้สร้างการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในประวัติศาสตร์ของซีพียู ตัวอย่างเช่น Intel 4004 ที่เป็นซีพียูตัวแรกที่มีสถาปัตยกรรมการรวมฟังก์ชันการประมวลผลลงในวงจรเดียว นอกจากนั้นยังได้พัฒนาความเร็วและขนาดให้เล็กลง ช่วยให้สามารถนำไปใช้งานในอุปกรณ์ที่หลากหลายมากขึ้น โดยเริ่มต้นจากคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล
- ในช่วงทศวรรษ 1990 จนถึงปัจจุบัน การพัฒนาซีพียูได้มีการใช้เทคโนโลยีการผลิตที่ทันสมัย ทำให้สามารถผลิตซีพียูที่มีความเร็วสูงและมีการใช้พลังงานต่ำลง ซึ่งนำไปสู่การเกิดขึ้นของซีพียูหลายคอร์ที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการประมวลผลในระบบคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ ตลอดจนการรองรับการประมวลผลข้อมูลขนาดใหญ่ที่สำคัญในยุคดิจิทัล
หลักการทำงานของซีพียู
สาเหตุจาก ซีพียู ทำงานด้วย speed ที่สูงมากๆ ความถี่ของ speed ซีพียู ใช้ clock เป็นตัววัดมีหน่วยเป็น เฮิรตซ์(Hz) เป็นหน่วยอนุพัทธ์เอสไอ ซึ่งเป็นหน่วยของค่าความถี่ โดย 1 Hz คือ ความถี่ที่เท่ากับ 1 ครั้ง ต่อวินาที ถ้า 1 GHz (1 GHz = 1000000000 Hz) มีความเร็วที่สูงมากๆ เพราะฉะนั้นซีพียูจะคุยกับอุปกรณ์อื่นๆได้ จะต้องมี หน่วยความจำสำรองที่เรียกว่า RAM (Random-Access Memory)
สงสัยกันไหม ซีพียูกับแรม คุยกันแบบใหน คุยกันยังไง ถึงได้สื่อสารกันรู้เรื่อง หลักการ คือ การสร้าง address บน RAM เองจะมี address ในการจัดเก็บ address เปรียบเสมือนเป็นที่อยู่นะ ด้วยในปัจจุบัน ซีพียูมีสถาปัตยกรรม 64 บิต เพราะฉะนั้นจากเดิมที่มีสถาปัตยกรรม 32 บิต ซึ่งสามารถสร้าง address ได้ ไม่เกิน 4,294,967,296 สังเกต RAM จะใช้งานได้ไม่เกิน 4GB พอเป็น 64 บิต (18,446,744,073,709,551,616) สามารถสร้าง address ได้เยอะมากๆ ซึ่งสามารถรองรับการใช้งานได้อีกหลายปี กว่าจะเป็นสถาปัตยกรรมไปเป็น 128บิต
อย่างที่ทราบแล้วว่า ซีพียู คุยกับ RAM โดยใช้ address เป็นส่วนสำคัญเมื่อซีพียูระบุ address ที่ต้องการ แล้ว RAM สามารถไปดึง Data ตาม address ที่ซีพียูร้องขอถูกต้อง ในส่วนนี้จะมี Data bus เป็นตัวรับ-ส่ง จากนั้นจะมีการตรวจสอบความถูกต้อง Control bus สรุปส่วนสำคัญที่ต้องใช้ในการคุยกันระหว่าง ซีพียู กับ อุปกรณ์ต่อพ่วงอื่นๆผ่าน RAM สิ่งที่ต้องใช้คือ
- Address bus
- Data bus
- Control bus
หนึ่งในคำสั่งที่เก็บอยู่ในหน่วยความจำ คือ คำสั่งสำหรับสำหรับการคำนวณทางลอจิก และ คณิตศาสตร์ เป็นชุดคำสั่ง(Instruction set)
โครงสร้างซีพียูและฟังก์ชันการทำงาน
ภายในคอมพิวเตอร์ จะมีซีพียู (Central Processing Unit) เป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุด ซึ่งทำหน้าที่เป็น “สมอง” ในการประมวลผลข้อมูล โดยโครงสร้างภายในของซีพียูประกอบไปด้วยหลายส่วนที่สำคัญ ได้แก่ หน่วยประมวลผลเลข (Arithmetic Logic Unit – ALU), หน่วยควบคุม (Control Unit – CU) และหน่วยความจำแคช (Cache Memory) ที่ทำงานร่วมกันเพื่อให้กระบวนการประมวลผลข้อมูลเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ
- ALU เป็นส่วนที่รับผิดชอบในการดำเนินการทางคณิตศาสตร์และตรรกศาสตร์ มันสามารถทำการบวก, ลบ, คูณ, และหาร รวมถึงการเปรียบเทียบข้อมูลต่าง ๆ ซึ่งเป็นฟังก์ชันที่มีความสำคัญในการตัดสินใจในกระบวนการประมวลผล ข้อมูลที่ส่งมายัง ALU จะถูกประมวลผลและส่งกลับไปยังหน่วยควบคุมหรือหน่วยความจำได้อย่างรวดเร็ว
- CUs มีบทบาทในการจัดการการทำงานของซีพียู และคอยควบคุมการทำงานระหว่าง ALU และหน่วยความจำ โดยจะมีหน้าที่ในการส่งคำสั่งไปยัง ALU และเก็บผลลัพธ์ที่ได้จากการประมวลผล นอกจากนี้ CU ยังมีการจัดการความถี่ และการตรวจสอบสถานะของการประมวลผล เพื่อให้การทำงานของซีพียูเป็นไปตามลำดับและมีประสิทธิภาพสูงสุด
การส่งข้อมูล ระหว่าง CPU – Cache memory – Main Memory
- ในขณะที่หน่วยความจำแคช cache memory ให้บริการพื้นที่เก็บข้อมูลชั่วคราวสำหรับข้อมูลและคำสั่งที่ใช้บ่อย เนื่องจาก CPU ไปคุยกับ Main Memory โดยตรงต้องใช้เวลาในการ รับ-ส่ง เข้าใจง่ายๆ คือต้องรอ จึงใช้ cache memory เข้ามาช่วยแก้ปัญหาคำสั่งที่เรียกใช้งานบ่อยๆ cpu ไม่ต้องเสียเวลารอนาน ก็จะเอามาเก็บไว้ที่ cache memory ทำงานด้วย speed ที่ไวกว่า main memory อธิบายง่ายๆก็เพื่อเพิ่มความเร็วในการประมวลผล โดยการเข้าถึงข้อมูลจากแคชนั้นเร็วกว่าการเข้าถึงจากหน่วยความจำหลัก โดยรวมแล้ว การทำงานร่วมกันของส่วนประกอบเหล่านี้ช่วยให้ซีพียูสามารถดำเนินการประมวลผลข้อมูลได้อย่างราบรื่นและมีประสิทธิภาพในระดับสูง
วิวัฒนาการด้านเทคโนโลยีของซีพียู
ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีของซีพียูได้มีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว อันเป็นผลมาจากการนำเทคโนโลยีใหม่ ๆ เข้ามาใช้ ทั้งนี้ การผลิตซีพียูด้วยเทคโนโลยีขนาดเล็ก หรือ nanotechnology นั้นเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้สามารถลดขนาดของวงจรและเพิ่มประสิทธิภาพในการประมวลผล โดยการใช้กระบวนการที่สามารถสร้างทรานซิสเตอร์ด้วยขนาดเพียงไม่กี่นาโนเมตร ส่งผลให้สามารถบรรจุทรานซิสเตอร์จำนวนมากภายในพื้นที่เล็กได้ ถือเป็นการยกระดับสมรรถนะและลดการใช้พลังงานลง ถือเป็นประโยชน์อย่างยิ่ง
นอกจากนี้ การพัฒนาสถาปัตยกรรมซีพียูแบบหลายแกน หรือ multi-core ถือเป็นอีกหนึ่งการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญ ทุกวันนี้ ซีพียูส่วนใหญ่มีแกนประมวลผลหลายแกนซึ่งรองรับการประมวลผลแบบขนาน ทำให้สามารถประมวลผลข้อมูลในหลายด้านพร้อมกันได้ ส่งผลให้เกิดประสิทธิภาพที่สูงขึ้นในงานที่ต้องใช้ทรัพยากร ซีพียูแบบหลายแกนได้สร้างบรรทัดฐานใหม่ในการพัฒนาแอปพลิเคชันที่สามารถใช้ความสามารถจากซีพียูได้อย่างเต็มที่
สุดท้ายนี้ การนำปัญญาประดิษฐ์หรือ AI เข้ามาใช้ในซีพียูได้แทนที่แนวทางการพัฒนาที่ผ่านมา โดยซีพียูสามารถเรียนรู้และปรับตัวได้ตามการใช้งานของผู้ใช้ อันส่งผลให้การประมวลผลมีประสิทธิภาพมากขึ้นในระยะยาว การพัฒนาดังกล่าวไม่เพียงแค่ทำให้เกิดการใช้งานที่สะดวกและมีประสิทธิภาพสูงขึ้นเท่านั้น แต่ยังเป็นการเปิดกว้างสำหรับการสร้างสรรค์นวัตกรรมใหม่ ๆ ที่จะมีบทบาทสำคัญในอนาคต
แนวโน้มและอนาคตของซีพียู
การพัฒนาซีพียูในอนาคตได้นำเทคโนโลยีใหม่ ๆ และการวิจัยที่มีอยู่แล้ว เพื่อเปลี่ยนแปลงวงการนี้อย่างมาก หนึ่งในแนวโน้มที่เห็นได้ชัดคือการประมวลผลควอนตัม (quantum computing) ซึ่งคาดว่าจะสามารถจัดการข้อมูลได้อย่างมีประสิทธิภาพเหนือกว่าซีพียูทั่วไปในหลาย ๆ ด้าน เช่น การแก้ปัญหาที่ยุ่งเหยิง การทำวิจัยทางสถิติ และการจำแนกและเลือกข้อมูลที่มีความซับซ้อน
นอกจากนี้ การพัฒนาซีพียูในด้านการลดการใช้พลังงานยังเป็นอีกหนึ่งทางเลือกที่มีความสำคัญ โดยเฉพาะด้วยการเพิ่มความตระหนักรู้เกี่ยวกับสุขภาพของสิ่งแวดล้อมและความต้องการพลังงานที่ยั่งยืนในอนาคต นักวิจัยและนักพัฒนาจึงมุ่งมั่นที่จะสร้างซีพียูที่มีประสิทธิภาพในการใช้พลังงานสูง โดยการสร้างสถาปัตยกรรมที่มีการใช้ทรัพยากรอย่างเหมาะสม ซึ่งอาจจะส่งผลลดต้นทุนการดำเนินงานในระบบขนาดใหญ่ได้
ในอีกด้านหนึ่ง ความก้าวหน้าทางด้านปัญญาประดิษฐ์ (AI) ก็เป็นอีกแนวโน้มที่มีผลต่อการพัฒนาซีพียู โดยการออกแบบที่สามารถเรียนรู้และปรับตัวได้จะทำให้ระบบสามารถจัดการกับข้อมูลที่มีความไม่แน่นอนได้ดีขึ้น ซีพียูในอนาคตอาจรวมความสามารถในการทำงานไปพร้อมกันหลาย ๆ ฟังก์ชันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ โดยสามารถวิเคราะห์พฤติกรรมและการใช้งานจากข้อมูลจริง เพื่อพัฒนาความสามารถในการตอบสนองต่อการใช้งานที่หลากหลายได้
การพัฒนาซีพียู มองได้หลากหลายมุม ไม่ว่าจะเป็นการพัฒนาเรื่องของขนาดชิปในตัวซีพียู การประหยัดพลังงาน การประมวลผล การทำงานที่รวดเร็ว หลายๆค่ายที่ผลิตซีพียู จะทราบกันดี เรื่องของข้อจำกัด เส้นทางการรับ-ส่งข้อมูล bus ระหว่างซีพียู กับ อุปกรณ์ที่เกี่ยวของ โดยการคิดค้นนำหน่วยความจำใส่ไว้ในตัวซีพียู การสร้างชุดคำสั่งเพื่อให้ซีพียูทำงานได้แบบคู่ขนาน(parallel) ที่ทำให้ซีพียูทำงานได้รวดเร็วยิ่งขึ้น จะเห็นได้ในปัจจุบันความเร็วสัญญาณนาฬิกา ไม่เกิน 4-5 GHz แต่จะเพิ่มจำนวน core ซีพียู บทความนี้ น้ำใสดอทคอมอยากให้คุณผู้อ่านทำความเข้าใจส่วนของซีพียูคร่าวๆ ให้ได้รู้ว่า ซีพียู มีหน้าที่อะไรในเครื่องคอมพิวเตอร์ เข้าใจโครงสร้างในตัวซีพียู สามารถนำไปต่อยอดเพื่อทำความเข้าใจในบทความต่อๆไปได้ และหวังเป็นอย่างยิ่งว่าคุณผู้อ่านทุกท่านจะได้ประโยชน์จากบทความนี้ไม่มากก็น้อย
