لماذا ليس لدينا وحدات المعالجة المركزية 128 بت؟

من بين مفردات الكمبيوتر، تعد كلمة bit بالتأكيد واحدة من أكثر الكلمات شهرة. يتم تعريف أجيال كاملة من وحدات تحكم ألعاب الفيديو وأنماطها الفنية المنقطة بالبتات (مثل 8 بت و16 بت) وتوفر الكثير من التطبيقات كلا الإصدارين 32 بت و64 بت.

إذا نظرت إلى هذا التاريخ، يمكنك أن ترى أن قدرتنا على التعامل مع البتات قد زادت على مر السنين. ومع ذلك، في حين تم طرح شرائح 64 بت لأول مرة في التسعينيات وأصبحت سائدة في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، إلا أننا لا تزال لا تحتوي على وحدات المعالجة المركزية 128 بت. على الرغم من أن الرقم 128 قد يبدو كخطوة طبيعية بعد 64، إلا أنه لا شيء لكن.

ما هو حتى قليلا؟

قبل أن نتحدث عن سبب عدم وجود وحدات المعالجة المركزية 128 بت، نحتاج أن نتحدث عن ماهية القليل. في الأساس، فإنه يشير إلى قدرات وحدة المعالجة المركزية. تتكون من كلمتين ثنائي ورقم، وهي أصغر وحدة في الحوسبة ونقطة البداية لجميع البرمجة. يمكن تعريف البت فقط على أنه 1 أو 0 (وبالتالي ثنائي)، على الرغم من أنه يمكن تفسير هذه الأرقام على أنها صحيحة أو خاطئة، أو تشغيل أو إيقاف، وحتى كعلامة زائد أو علامة ناقص.

إن البت الواحد في حد ذاته ليس مفيدًا جدًا، ولكن استخدام المزيد من البتات هو قصة مختلفة لأنه يمكن تعريف مجموعة من الآحاد والأصفار كشيء، مثل رقم أو حرف أو حرف آخر. بالنسبة للحوسبة 128 بت، نحن مهتمون فقط بالأعداد الصحيحة (الأرقام التي لا تحتوي على علامة عشرية)، وكلما زاد عدد البتات، زاد عدد الأرقام التي يمكن للمعالج تعريفها. يستخدم صيغة 2^x بسيطة جدًا، حيث يمثل x عدد البتات الموجودة. في الحوسبة ذات 4 بت، أكبر عدد صحيح يمكنك العد له هو 15، وهو أقل بمقدار واحد من الرقم 16 الذي توفره لك الصيغة، لكن المبرمجين يبدأون العد من 0 وليس من 1.

إذا كان 4 بت يمكنه تخزين 16 عددًا صحيحًا مختلفًا فقط، فقد لا يبدو أن الانتقال إلى 8 أو 32 أو حتى 128 بت سيكون أمرًا كبيرًا. لكننا نتعامل مع أرقام أسية هنا، مما يعني أن الأمور تبدأ ببطء ثم تنطلق بسرعة كبيرة. لتوضيح ذلك، إليك جدول صغير يوضح أكبر الأعداد الصحيحة التي يمكنك حسابها بالنظام الثنائي من 1 إلى 128 بت.

والآن ربما يمكنك أن ترى لماذا تؤدي مضاعفة كمية البتات إلى القدرة على التعامل مع الأرقام التي لا تتضاعف في الحجم فحسب، بل تكون أكبر من حيث الحجم. ومع ذلك، على الرغم من أن الحوسبة 128 بت من شأنها أن تمكننا من العمل على أعداد أكبر بكثير من الحوسبة 64 بت، إلا أننا ما زلنا لا نستخدمها.

كيف انتقلنا من 1 بت إلى 64 بت

من الواضح تمامًا سبب تحول وحدات المعالجة المركزية (CPUs) من 1 بت إلى وحدات بت أكثر: أردنا أن تقوم أجهزة الكمبيوتر الخاصة بنا بالمزيد من الأشياء. لا يوجد الكثير مما يمكنك فعله باستخدام بت واحد أو اثنين أو أربعة بتات، ولكن عند علامة 8 بت، أصبحت أجهزة الآركيد ووحدات التحكم في الألعاب وأجهزة الكمبيوتر المنزلية ممكنة. بمرور الوقت، أصبح تصنيع المعالجات أرخص وأصغر حجمًا، لذا فإن إضافة الأجهزة اللازمة لزيادة عدد البتات التي يمكن لوحدة المعالجة المركزية التعامل معها كانت خطوة طبيعية جدًا.

تصبح الطبيعة الأسية للبتات واضحة بسرعة كبيرة عند مقارنة وحدات التحكم ذات 16 بت مثل SNES وSega Genesis مع أسلافها ذات 8 بت، وبشكل أساسي NES. سوبر ماريو بروس 3 كانت واحدة من أكثر ألعاب NES تعقيدًا من حيث الميكانيكا والرسومات، وقد تضاءلت تمامًا أمام سوبر ماريو العالم، والذي تم إصداره بعد عامين فقط (على الرغم من أن التحسينات في تقنية GPU كانت أيضًا عاملاً رئيسيًا هنا).

ما زلنا لا نملك وحدات معالجة مركزية 128 بت، على الرغم من مرور ما يقرب من ثلاثة عقود منذ ظهور أول شرائح 64 بت في السوق.

الأمر لا يتعلق فقط بألعاب الفيديو؛ إلى حد كبير كان كل شيء يتحسن مع المزيد من القطع. إن الانتقال من 256 رقمًا بتنسيق 8 بت إلى 65,356 رقمًا بتنسيق 16 بت يعني تتبع الوقت بشكل أكثر دقة، وإظهار المزيد من الألوان على شاشات العرض، ومعالجة الملفات الأكبر حجمًا. سواء كنت تستخدم جهاز كمبيوتر شخصي من IBM، مدعومًا بوحدة المعالجة المركزية Intel 8088 8 بت، أو تقوم ببناء خادم لشركة جاهزة للاتصال بالإنترنت، فإن المزيد من البتات هو الأفضل.

انتقلت الصناعة بسرعة كبيرة من حوسبة 16 بت إلى 32 بت وأخيرًا حوسبة 64 بت، والتي أصبحت سائدة في أواخر التسعينيات وأوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. تم العثور على بعض أهم وحدات المعالجة المركزية (CPUs) المبكرة ذات 64 بت في Nintendo 64 وأجهزة الكمبيوتر التي تعمل بواسطة AMD's Athlon 64 وOpteron وحدات المعالجة المركزية. ومن ناحية البرمجيات، بدأ نظام 64 بت يتلقى الدعم السائد من أنظمة التشغيل مثل Linux وWindows في وقت مبكر العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. ومع ذلك، لم تكن كل محاولات الحوسبة 64 بت ناجحة؛ كانت وحدات المعالجة المركزية لخادم Intel Itanium بمثابة فشل كبير وهي كذلك بعض من أسوأ معالجات الشركة على الإطلاق.

اليوم، وحدات المعالجة المركزية 64 بت موجودة في كل مكان، من الهواتف الذكية إلى أجهزة الكمبيوتر الشخصية إلى الخوادم. لا تزال الرقائق ذات البتات الأقل تُصنع ويمكن أن تكون مرغوبة لتطبيقات محددة لا تتعامل مع أعداد أكبر، ولكنها متخصصة جدًا. ومع ذلك، ما زلنا لا نملك وحدات معالجة مركزية 128 بت، على الرغم من مرور ما يقرب من ثلاثة عقود منذ ظهور أول شرائح 64 بت في السوق.

تبحث الحوسبة 128 بت عن مشكلة لحلها

قد تعتقد أن 128 بت غير قابل للتطبيق لأنه من الصعب أو حتى من المستحيل القيام به، ولكن هذا ليس هو الحال في الواقع. الكثير من الأجزاء في المعالجات ووحدات المعالجة المركزية وغيرها، تكون بحجم 128 بت أو أكبر، مثل ناقلات الذاكرة على وحدات معالجة الرسومات ووحدات SIMD على وحدات المعالجة المركزية التي تتيح تعليمات AVX. نحن نتحدث على وجه التحديد عن القدرة على التعامل مع الأعداد الصحيحة 128 بت، وعلى الرغم من إنشاء نماذج وحدة المعالجة المركزية 128 بت في مختبرات الأبحاث، لم تقم أي شركة بالفعل بإطلاق وحدة المعالجة المركزية 128 بت. قد تكون الإجابة غير متوقعة: وحدة المعالجة المركزية 128 بت ليست مفيدة جدًا.

يمكن لوحدة المعالجة المركزية 64 بت التعامل مع أكثر من 18 كوينتيليون رقم فريد، من 0 إلى 18,446,744,073,709,551,615. على النقيض من ذلك، فإن وحدة المعالجة المركزية 128 بت ستكون قادرة على التعامل مع أكثر من 340 رقمًا دون ديسيليون، وأنا أضمن لك أنك لم ترى أبدًا "أوندسيليون" في حياتك بأكملها. يعد العثور على استخدام لحساب الأرقام التي تحتوي على العديد من الأصفار أمرًا صعبًا للغاية، حتى لو كنت تستخدم واحدًا منها البتات للإشارة إلى العدد الصحيح، والذي يتراوح مداه من سالب 170 ونديسيلون إلى موجب 170 تردد.

حالات الاستخدام الهامة الوحيدة للأعداد الصحيحة 128 بت هي عناوين IPv6 والمعرفات الفريدة عالميًا (أو UUID) التي يتم استخدامها لإنشاء معرفات فريدة للمستخدمين (ماين كرافت هي حالة استخدام رفيعة المستوى لـ UUID)، وأنظمة الملفات مثل ZFS. المشكلة هي أن وحدات المعالجة المركزية 128 بت ليست ضرورية للتعامل مع هذه المهام، والتي كانت قادرة على التواجد بشكل جيد على أجهزة 64 بت. في النهاية، السبب الرئيسي وراء عدم وجود وحدات معالجة مركزية 128 بت هو أنه لا يوجد طلب على النظام البيئي للأجهزة والبرمجيات 128 بت. من المؤكد أن الصناعة يمكنها تحقيق ذلك إذا أرادت ذلك، لكنها ببساطة لا تفعل ذلك.

الباب مفتوح قليلاً لـ 128 بت

على الرغم من أن وحدات المعالجة المركزية 128 بت ليست شيئًا موجودًا اليوم، ويبدو أنه لن تقوم أي شركة بإطلاق واحدة في أي وقت قريب، إلا أنني لن أذهب أبعد من ذلك لأقول إن وحدات المعالجة المركزية 128 بت لن تظهر أبدًا. المواصفات ل RISC-V ISA يترك إمكانية وجود 128 بت في المستقبل بنيان مطروحة على الطاولة ولكنها لا توضح تفاصيل ما سيكون عليه في الواقع، ربما لأنه لم تكن هناك حاجة ملحة لتصميمه.

ثلاثمائة وأربعون وندسيليون، وهو أكبر عدد يمكن إنشاؤه باستخدام 128 بت، وهو أيضًا ليس بنفس القدر حيث أن هناك ذرات في الكون، وهو ما يعتبر أكبر عدد يوجد في أي عالم حقيقي دلالة. إذا أردت محاكاة جزء كبير من الكون وصولاً إلى المستوى الذري، فربما تكون وحدة المعالجة المركزية 128 بت مفيدة حقًا لذلك. أبعد من ذلك، من الصعب تحديد الغرض من استخدام وحدة المعالجة المركزية (CPU) ذات 128 بت، ولكن منذ سنوات عديدة تساءلنا أيضًا عن الغرض من استخدام تيرابايت من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM).