معدل الساعة

في مجال الحوسبة ، يُعرف معدل الساعة أو سرعة الساعة بأنه التردد الذي يُولّد به مولد الساعة في المعالج نبضات تُستخدم لمزامنة عمليات مكوناته. ^{[ 1 ]} ويُستخدم كمؤشر لسرعة المعالج. يُقاس معدل الساعة بوحدة التردد في النظام الدولي للوحدات (SI) ، وهي الهرتز (رمزها Hz).

كان معدل تردد المعالج في الجيل الأول من الحواسيب يُقاس بالهرتز أو الكيلوهرتز (kHz)، بينما كانت معدلات تردد المعالج في الحواسيب الشخصية الأولى التي ظهرت في سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي تُقاس بالميغاهرتز (MHz). أما في القرن الحادي والعشرين ، فيُعلن عادةً عن سرعة المعالجات المركزية الحديثة بالجيجاهرتز (GHz). يُعد هذا المقياس مفيدًا للغاية عند مقارنة المعالجات ضمن نفس الفئة، مع تثبيت الخصائص الأخرى التي قد تؤثر على الأداء .

كان أول حاسوب رقمي ميكانيكي بالكامل، وهو Z1 ، يعمل  بتردد ساعة يبلغ 1 هرتز (دورة في الثانية)، بينما كان أول حاسوب كهروميكانيكي للأغراض العامة، وهو Z3 ، يعمل بتردد يتراوح بين 5 و10  هرتز. أما أول حاسوب إلكتروني للأغراض العامة، وهو ENIAC ، فقد استخدم  ساعة بتردد 100 كيلوهرتز في وحدة المعالجة الخاصة به. وبما أن كل تعليمة كانت تستغرق 20 دورة، فقد كان معدل تنفيذ التعليمات فيه 5  كيلوهرتز.

استخدم أول حاسوب شخصي تجاري، وهو Altair 8800 (من شركة MITS)، معالج Intel 8080 بتردد 2  ميجاهرتز (مليوني دورة في الثانية). أما حاسوب IBM الشخصي الأصلي (حوالي عام 1981) فكان بتردد 4.77  ميجاهرتز (4,772,727 دورة في الثانية). في عام 1992، تجاوزت كل من شركتي Hewlett-Packard وDigital Equipment Corporation (DEC) تردد 100  ميجاهرتز باستخدام تقنيات RISC في جهازي PA-7100 وAXP 21064 DEC Alpha على التوالي. وفي عام 1995، وصل تردد معالج Intel P5 Pentium إلى 100  ميجاهرتز (100 مليون دورة في الثانية). وفي 6 مارس 2000، عرضت AMD تجاوزها  حاجز 1 جيجاهرتز قبل أيام قليلة من طرح Intel  لأنظمة بتردد 1 جيجاهرتز. في عام 2002، طُرح معالج إنتل بنتيوم 4 كأول معالج مركزي بتردد 3  جيجاهرتز (ثلاثة مليارات دورة في الثانية، أي ما يعادل 0.33 نانوثانية تقريبًا لكل دورة). ومنذ ذلك الحين، ازداد تردد معالجات الإنتاج بوتيرة أبطأ، مع تحسن الأداء نتيجةً لتغييرات أخرى في التصميم.

سُجّل الرقم القياسي العالمي في موسوعة غينيس لأعلى تردد لوحدة المعالجة المركزية في عام 2011، حيث بلغ 8.42938  جيجاهرتز باستخدام معالج AMD FX-8150 Bulldozer مُعزّز التردد في حمام تبريد بالهيليوم السائل / النيتروجين السائل ، و5 جيجاهرتز في التبريد الهوائي . ^{[ 5 ] [ 6 ]} ثمّ تجاوزه الرقم القياسي في برنامج CPU-Z لأعلى تردد لوحدة المعالجة المركزية، والذي بلغ 8.79433 جيجاهرتز باستخدام معالج AMD FX-8350 Piledriver مُعزّز التردد في النيتروجين السائل ، والذي سُجّل في نوفمبر 2012. ^{[ 7 ] [ 8 ]} كما تجاوزه أيضًا معالج AMD FX-8370 الأبطأ قليلاً، والذي تمّ رفع تردده إلى 8.72 جيجاهرتز، والذي تصدّر تصنيفات HWBOT للترددات. ^{[ 9 ] [ 10 ]} وتمّ تحطيم هذه الأرقام القياسية في عام 2025 عندما تمّ رفع تردد معالج Intel Core i9-14900KF إلى 9.12 جيجاهرتز. ^{[ 11 ]}   

أعلى معدل تردد معزز في معالج إنتاجي هو i9-14900KS ، بتردد 6.2  جيجاهرتز، والذي تم إصداره في الربع الأول من عام 2024. ^{[ 12 ]}

يواصل المهندسون ابتكار طرق جديدة لتصميم وحدات المعالجة المركزية (CPUs) التي تستقر بشكل أسرع قليلاً أو تستهلك طاقة أقل لكل عملية انتقال، مما يدفع تلك الحدود إلى الأمام، وينتج وحدات معالجة مركزية جديدة قادرة على العمل بترددات ساعة أعلى قليلاً. وتُستكشف الحدود القصوى للطاقة لكل عملية انتقال في الحوسبة العكسية .

تم تنفيذ أول وحدة معالجة مركزية قابلة للعكس بالكامل، وهي وحدة Pendulum، باستخدام ترانزستورات CMOS القياسية في أواخر التسعينيات في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

يواصل المهندسون ابتكار طرق جديدة لتصميم وحدات المعالجة المركزية (CPUs) بحيث تُنجز عددًا أكبر من التعليمات في كل دورة ساعة، مما يُقلل من عدد دورات المعالجة لكل تعليمة ( CPI )، على الرغم من أنها قد تعمل بنفس سرعة الساعة أو بتردد أقل من وحدات المعالجة المركزية القديمة. ويتحقق ذلك من خلال تقنيات معمارية مثل تجميع التعليمات وتنفيذها خارج الترتيب، والتي تسعى إلى استغلال التوازي على مستوى التعليمات في الشيفرة البرمجية.

يُعدّ معدل تردد المعالج (CPU) مفيدًا للغاية للمقارنة بين المعالجات من نفس العائلة. مع ذلك، يُعدّ معدل التردد عاملًا واحدًا فقط من بين عدة عوامل تؤثر على الأداء عند مقارنة المعالجات من عائلات مختلفة. على سبيل المثال، سيكون أداء جهاز IBM PC المزود بمعالج Intel 80486 بتردد 50 ميجاهرتز أسرع بمرتين تقريبًا (داخليًا فقط) من أداء جهاز آخر بنفس المعالج والذاكرة بتردد 25 ميجاهرتز، بينما لا ينطبق الأمر نفسه على معالج MIPS R4000 الذي يعمل بنفس التردد، فهما معالجان مختلفان يعتمدان على بنى معمارية وبنى دقيقة مختلفة. علاوة على ذلك، يُفترض أحيانًا استخدام مقياس "التردد التراكمي" بضرب إجمالي عدد النوى في التردد الكلي (مثل معالج ثنائي النواة بتردد 2.8 جيجاهرتز يعمل بتردد تراكمي 5.6 جيجاهرتز). هناك العديد من العوامل الأخرى التي يجب مراعاتها عند مقارنة أداء المعالجات، مثل عرض ناقل بيانات المعالج ، وزمن استجابة الذاكرة، وبنية ذاكرة التخزين المؤقت .    

يُعتبر معدل الساعة وحده مقياسًا غير دقيق للأداء عند مقارنة عائلات المعالجات المركزية المختلفة. وتُعدّ معايير الأداء البرمجية أكثر فائدة. قد يكون معدل الساعة مُضللًا أحيانًا نظرًا لاختلاف كمية العمل التي يمكن للمعالجات المركزية المختلفة إنجازها في دورة واحدة. على سبيل المثال، يمكن للمعالجات فائقة التوازي تنفيذ أكثر من تعليمة واحدة في الدورة الواحدة (في المتوسط)، ومع ذلك، ليس من النادر أن تُنجز "أقل" من ذلك في دورة الساعة الواحدة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤثر المعالجات دون التوازي أو استخدام التوازي على أداء الحاسوب بغض النظر عن معدل الساعة.