מעבד

מעבד, או בשמו המלא יחידת עיבוד מרכזית (באנגלית: CPU - Central Processing Unit), הוא רכיב חומרה במחשב המבצע את הפקודות המאוחסנות בזיכרון המחשב. המעבדים המודרניים (המכונים גם מיקרו־מעבדים) בנויים על גבי שבב בודד.
בהתאם לארכיטקטורת פון נוימן הפקודות אותן מקבל המעבד מאפשרות לו קריאת מידע מהזיכרון או מהתקנים שונים, ביצוע פעולות חשבוניות ולוגיות על מידע זה וכתיבת תוצאות החישוב בחזרה לזיכרון או לחלופין שליחתו להתקנים חיצוניים. הפעולות הלוגיות מאפשרות בקרת זרימה וחזרה על פקודות ככל שנדרש.
הפקודות הן בסיסיות ביותר ובנויות, כל אחת, מרצף קצר של ביטים. רצף זה קרוי שפת מכונה. כל דגם של מעבד מתאפיין בסט פקודות משלו. בהתאם לתזת צ'רץ'־טיורינג דלות שפת המכונה אינה מהווה מגבלה בביצוע תוכנית מחשב כלשהי וכך מתפתח לו עולם התוכנה בקצב מסחרר.
מבחינה מספרית, הרוב המכריע של המעבדים המיוצרים כיום, משמשים כיחידות בקרה של מוצרי צריכה. חלק ממוצרים אלו הם ציוד הקפי של מחשבים אישיים (כגון: צגים, מדפסות, כרטיסי רשת) ואחרים אינם (מכוניות, מכונות כביסה, טלפונים סלולריים). המעבדים הללו מיועדים לשימושים ייעודיים, למשל - עיבוד אות ספרתי (DSP), מיקרו־בקר, עיבוד רשתות תקשורת (Network Processing), או עיבוד גרפי.

רקע היסטורי

בשנות ה־50 וה־60 המחשבים היו עצומים בנפחם, יקרים ונדירים. כאשר הופיעו המעגלים המוכללים, המאפשרים מזעור טרנזיסטורים רבים על גבי "שבב" יחיד, הם תרמו להקטנת הנפח והוזילו בהדרגה את מחירי המחשב. כך נוצר בסוף שנות ה־60 סוג חדש של מחשב, המיני מחשב, שהורכב יותר ויותר ממעגלים מוכללים. עדיין, יחידת עיבוד מרכזית כללה מספר רב של רכיבים שונים. נקודת המפנה הבאה הייתה דחיסת יחידת עיבוד מרכזית שלמה על גבי מעגל מוכלל, שבב, יחיד. בראשית כונתה יחידה כזו מיקרו־מעבד ואילו כיום מסתפקים במונח מעבד.
המיקרו־מעבד הראשון היה ה־4004 שפותח בשנת 1971 על ידי חברת אינטל, שעסקה עד אז בפיתוח ויצור שבבי זיכרון. במקור פותח ה־4004 עבור מכונת חישוב שולחנית של חברת Busicom היפנית.
לעומת השבבים הייעודיים שקדמו לו הוא תוכנן כיחידת עיבוד רב תכליתית ורק התוכנה שסופקה לו ייעדה אותו למשימה הנדרשת (מעבד של מכונת חישוב). יכולת החישוב של ה־4004 הייתה מוגבלת למדי והוא התבסס על פעולות של ארבע סיביות בלבד. אך מה שמנע ממנו להפוך לליבה נפוצה למחשבים רב־תכלתיים היה בעיקר הצורך ברכיבים רבים יחסית בנוסף אליו כדי להתחבר לזיכרון, רכיבי קלט/פלט וכו'.
ה־8008 שפותח בשנת 1972 הרחיב את יכולת המעבד לעבודה על שמונה סיביות אך עדיין היה במארז קטן של 18 פינים בלבד שלא איפשרו חיבור ישיר לרכיבי זיכרון חיצוני. בשנת 1974 פיתחה אינטל גרסה משוכללת יותר, ה־8080 במארז של 40 פינים. החיבור שלו לזיכרון חיצוני היה פשוט יחסית עובדה שהפכה אותו להצלחה וליחידת העיבוד המרכזית של המיקרו מחשבים הראשונים.
בעקבות ה־8080 פותחו מספר מעבדים מתחרים, ביניהם ה-Z80 של חברת זילוג (שהוקמה על ידי פדריקו פייגין, המהנדס שהיה אחראי על פיתוח ה־4004 וה-8080 באינטל. Z80 תואם ל־8080, ויכול לבצע קוד של 8080 ללא שינוי), ה־6800 של חברת מוטורולה, וה־6502 של חברת MOS Technology, שהיו פופולריים במיקרו מחשבים, כולל במחשבים ביתיים, החל מאמצע שנות ה־70 של המאה ה־20.
בשנת 1981 בחרה חברת IBM ב־8086 של אינטל, יורשו של ה־8080 שהרחיב את יכולת העיבוד ל־16 סיביות, בתור יחידת העיבוד המרכזית עבור המחשב האישי שלה והפכה בכך את משפחת ה־x86 של אינטל למעבדים הפופולריים ביותר. מעט מאוחר יותר, בשנת 1984, בחרה חברת אפל במעבד מתחרה, ה־68000 של חברת מוטורולה עבור מחשבי המקינטוש, מעבד זה היה הראשון במשפחת מעבדים, ביניהם 68020, 68030 ו־68040 שהופיעו בשנים הבאות. סדרת מעבדים זו של מוטורולה הפכה לשנייה בתפוצתה אחרי המעבדים של אינטל, עד שהוחלפה בשנת 1991 במעבד ה־PowerPC שפותח במשותף על ידי מוטורולה, IBM ואפל.
בשנות ה־80 ושנות ה־90 של המאה העשרים הופיעו מעבדים חדשים רבים מחברות שונות. ביניהם MIPS של חברת MIPS Technologies, ‏ SPARC של חברת Sun Microsystems (היום אורקל), Alpha של חברת DEC (היום HP), ועוד מעבדים רבים, כולל משפחות מעבדים של אינטל ומוטורולה בארכיטקטורות שונות מ־x86 או מ־68K.

יחידות המרכיבות את המעבד

במיקרו־מעבד כל היחידות השונות יושבות על אותו השבב, והחלוקה ליחידות קיימת רק בשלב התכנון. החלוקה ושמות היחידות שונות במעט ממעבד אחד למשנהו, אבל מעבדים מודרניים מורכבים בדרך־כלל מהיחידות הבאות:

מעבד מרובה ליבות

בעשור הראשון של המאה ה־21, לאחר שהתברר כי קיימת בעיה פיזיקלית להאיץ את מהירות המעבד מעבר למה שהושג, החלה מגמה בקרב היצרנים לחבר מספר מעבדים על שבב אחד. מעבדים אלו (אשר בתצורה זו מכונים לעיתים גם "ליבות"), פועלים במקביל, תוך שימוש בטכניקות של עיבוד מקבילי ולעיתים אף תוך שיתוף משאבים, כגון זיכרון מטמון, זה עם זה, ומעצימים בכך את היכולות החישוביות של המחשב.
בתחילה הופיעו מעבדים עם שתי ליבות. ביוני 2005 הכריזה חברת AMD על מעבדי 64 ביט כפולי ליבה למחשבים שולחניים. באוקטובר 2005 הכריזה חברת "אינטל" על מעבדים דו־ליבתיים לשרתים. עם שיווק ה"פלייסטיישן 3" של חברת "סוני" בנובמבר 2006, חדרה מגמה זו לשוק קונסולות המשחקים, עם מעבד שבע ליבות עוצמתי של חברת "IBM" שהותקן בקונסולה זו. בתחילת 2008 התפשטה מגמה זו גם למעבדים זעירים למחשבי כף יד וטלפונים סלולריים, כאשר "אינטל" הכריזה על מעבד "Atom". ברבע הראשון של שנת 2008 כבר ניתן היה לרכוש מחשבים אישיים שמותקנים עליהם מעבדים מרובעי ליבות, ובהמשך מעבד בעל 4 ליבות כבר הפך לסטנדרט ובשוק החלו להופיע גם מעבדים משושי ואף מתומני ליבות.
מעבדים מרובי ליבות אינם יכולים להריץ מספר תהליכים, הקשורים לאותו יישום, במקביל בליבות שונות, ללא תכנון מראש על ידי המתכנת. הם כן יכולים לעבוד על שני יישומים במקביל על ידי הפרדת תהליכי הזיכרון שלהם, דבר המסייע בעיקר לתהליכים במחשב שאינם זקוקים לתהליכים נוספים (אשר מורכבים ומתעכבים) וחוסך את זמן ההמתנה לתהליך שמתעכב, ובכך מתקבל ליישום זמן תגובה טוב יותר. רוב היישומים הקיימים כיום אינם מנצלים עדיין יתרון זה, אך מערכות ההפעלה המודרניות דוגמת לינוקס, חלונות ומקינטוש מנצלות ריבוי ליבות כדי להריץ מספר יישומים במקביל. בהיעדר ריבוי ליבות, נאלצות מערכות ההפעלה לחלק את זמן המעבד בין כל היישומים, כדי לתת למשתמש תחושה של פעולה במקביל.

תהליך יצור המעבד

המעבדים, כמו כל המעגלים המשולבים, מיוצרים בתהליך המייצר שכבות שונות של "מזהמים" (חומרים זרים בריכוז נמוך) ב"תמונה" מוגדרת מראש, בתוך פרוסה של חומר מוליך למחצה (לרוב סיליקון), וכמו כן "תוספות" של חומרים נוספים (למשל מוליכים) על פני הפרוסה. את התמונה משליכים על הפרוסה בתהליך המכונה פוטוליתוגרפיה, במהלכו נסרקת התבנית של המעגל באמצעות קרן לייזר באורך גל מסוים ומועתקת אל שכבה דקה של מוליך למחצה, כגון סיליקון. מפאת גודלם הזעיר של הרכיבים, כל גרגיר אבק קטנטן עלול לקלקל את הרכיב, ולכן מייצרים את המעבדים באזורים מיוחדים הנקראים חדרים נקיים, שבהם רמת החלקיקים באוויר נמוכה פי 1,000 מחדר ניתוח והטכנאים לבושים בחליפות מיוחדות המכונות בעגה Bunny-Suits. בתהליך זה מדפיסים מספר רב של מעבדים על פרוסת סיליקון, אותה חותכים למעבדים רבים בסיום התהליך.
למרות הניסיון להקפיד על תנאי יצור אופטימליים, בתהליך הייצור יש נפל רב. לא ניתן לצפות מראש מאילו חלקים מפרוסת סיליקון מסוימת יתקבלו מעבדים טובים. רק חלק מהמעבדים המתקבלים בסוף הייצור עומדים ברף בקרת איכות המיועד, למשל עבור מהירות השעון המקסימלית שתוכננה. מסיבה זו לתוצרים באיכות נמוכה נקבעים מהירויות שעון נמוכות יותר והם משווקים כדגמים חלשים יותר. בנוסף יש גם נפל מוחלט - תוצרים שלא עומדים בדרישה מרכזית אחת, או יותר. זו אחת הסיבות למחיר הגבוה של מעבדים בהשוואה לרכיבים אלקטרוניים אחרים.
עובי ההדפסה של קווי המתאר של מוליכי המעבד קטן משנה לשנה, על מנת שיהיה אפשר לחסוך בהספק, להעלות את מהירות השעון של המעבד ולבנות מעבדים מורכבים יותר על ידי הגדלת מספר הרכיבים או לחלופין להגדיל את מספר המעבדים מפרוסה אחת, דבר המביא לרווחים גדולים יותר. באמצע 2004 רוחב תעלת הטרנזיסטורים של המעבד עמד במעבדי אינטל החדשים על 90nm (ננומטר). ביולי 2005 יוצרו מעבדי אינטל בטכנולוגיה של עד 65nm, חברת AMD התחילה לעבור לטכנולוגיה זו בסוף 2006. בתחילת שנת 2008 החלה "אינטל" לייצר בטכנולוגיית 45nm ובאמצע 2008 גם AMD החלה באותה שיטת יצור. בשנת 2010 חברת Intel החלה לשווק מעבדים שיוצרו בטכנולוגיית 32nm.
ב־2014 הכריזה אינטל על שבבים בטכנולוגיית 14 ננומטר.