GPU

Что такое графический процессор (GPU)?

Графический процессор, также известный как графический процессор или GPU, представляет собой тип электронной схемы, предназначенной для ускорения обработки компьютерной графики и изображений на различных устройствах, включая видеокарты, материнские платы, мобильные телефоны и персональные компьютеры (ПК).

Графические процессоры могут быстро выполнять математические вычисления, сокращая время, необходимое компьютеру для запуска нескольких программ. Эта особенность делает GPU важным фактором развития новых и перспективных технологий, таких как машинное обучение (ML), искусственный интеллект (AI) и блокчейн.

До изобретения GPU в 1990-х годах графические контроллеры в ПК и игровых консолях полагались на центральный процессор (CPU) компьютера для выполнения своих задач. С начала 1950-х годов CPU был важнейшим процессором компьютера, выполняя все инструкции, необходимые для запуска программы, включая логические операции, управление и ввод-вывод (I/O). Однако с появлением персональных игр и автоматизированного проектирования (CAD) в 1990-х годах индустрии потребовался более быстрый и эффективный способ объединять пиксели за короткий промежуток времени.

В 2007 году Nvidia разработала CUDA (Compute Unified Device Architecture) — программное обеспечение, предоставившее разработчикам прямой доступ к вычислительной мощности GPU с параллельной обработкой, благодаря чему технологию GPU стало возможно использовать в гораздо более широком спектре приложений, чем когда-либо прежде. В 2010-х годах технология GPU сделала значительный рывок; возможно, важнейшими достижениями стали трассировка лучей (создающая компьютерное изображение путем отслеживания направления света от камеры) и тензорные ядра (предназначенные для обеспечения глубокого обучения).

Благодаря этим достижениям GPU играют важную роль в ускорении ИИ и работе процессоров для глубокого обучения, а также способствуют ускорению разработки приложений ИИ и машинного обучения. Сегодня, помимо обеспечения работы игровых консолей и программного обеспечения для редактирования, GPU предоставляют передовые вычислительные возможности, критически важные для многих организаций.

Как работает GPU?

Современные графические процессоры используют множество мультипроцессоров для обработки всех различных частей задачи, для выполнения которой они предназначены.

Графические процессоры имеют собственную оперативную память (RAM) — специальный тип электронной памяти, используемый для хранения кода и данных, к которым чип может обращаться и которые может изменять по мере необходимости. Современные графические процессоры часто оснащаются RAM, специально предназначенной для хранения больших объёмов данных, необходимых для ресурсоёмких задач, таких как редактирование графики, игры или использование ИИ/ML.

Двумя популярными типами памяти GPU являются синхронная динамическая память с произвольным доступом и двойной скоростью передачи данных для графики шестого поколения (GDDR6) и GDDR6X следующего поколения. GDDR6X потребляет на 15 процентов меньше энергии на передаваемый бит, чем GDDR6, но из-за более высокой скорости GDDR6X общее энергопотребление выше. iGPU может быть интегрирован в ЦП компьютера или установлен в слот рядом с ЦП и подключён через порты PCI Express. iGPU может быть интегрирован в ЦП компьютера или установлен в слот рядом с ЦП и подключён через порт PCI Express.

Какие бывают типы GPU? 

Существует три типа графических процессоров: дискретные графические процессоры, интегрированные графические процессоры и виртуальные графические процессоры.

Дискретный GPU: дискретный GPU, или dGPU, — это графический процессор, независимый от CPU устройства, который отвечает за получение и обработку информации, чтобы компьютер мог работать должным образом. Автономные GPU обычно используются для продвинутых приложений со специализированными требованиями, таких как редактирование видео, создание контента или игры класса high-end. Это отдельные микросхемы с разъёмами для отдельных плат, которые обычно подключаются к CPU с помощью специального слота. Одним из наиболее широко используемых дискретных GPU является бренд Intel Arc, созданный специально для индустрии компьютерных игр.

Интегрированный GPU: интегрированный GPU, или iGPU, встроен в архитектуру компьютера или устройства, обычно рядом с CPU. Конструкция интегрированного GPU была представлена Intel в 2010-х годах. Впоследствии такие производители, как MSI, ASUS и Nvidia, осознали преимущества объединения GPU с CPU (без необходимости устанавливать GPU самостоятельно через слот PCI Express), поэтому интегрированные GPU стали пользоваться все большей популярностью. Сегодня интегрированные GPU остаются популярным выбором для пользователей ноутбуков, геймеров и других пользователей, запускающих ресурсоемкие программы на ПК.

Виртуальный графический процессор: виртуальный графический процессор обладает той же функциональностью, что и дискретный или интегрированный графический процессор, но без аппаратного обеспечения. Виртуальный графический процессор представляет собой программную версию графического процессора, созданную для облачного экземпляра, и может использоваться для выполнения тех же рабочих нагрузок, что и физический графический процессор. Кроме того, поскольку аппаратное обеспечение отсутствует, виртуальные графические процессоры проще и дешевле обслуживать, чем физические продукты.

В чем разница между GPU и CPU?

ЦП и ГП схожи по конструкции: например, оба имеют множество ядер и транзисторов для обработки задач, однако ЦП более универсальны с точки зрения функциональности. ГП, как правило, ориентированы на одну конкретную вычислительную задачу, например обработку графики или машинное обучение.

ЦП является сердцем и мозгом компьютерной системы или устройства. ЦП получает от программы или программного приложения общие инструкции или запросы относительно задачи. В отличие от него, ГП выполняет более конкретные задачи, часто связанные с быстрой обработкой изображений и видео высокого разрешения. Для выполнения своих задач ГП постоянно производит сложные математические вычисления, необходимые для визуализации графики или других вычислительно интенсивных функций.

Одно из наиболее существенных различий между CPU и GPU заключается в том, что CPU обычно используют меньше ядер и выполняют задачи последовательно, тогда как GPU имеют сотни или даже тысячи ядер и поддерживают параллельную обработку, обеспечивая молниеносную скорость обработки.

Первые графические процессоры создавались для ускорения рендеринга 3D-графики, делая фильмы и сцены видеоигр более реалистичными и увлекательными. Первый чип GPU, Nvidia's GeForce, был выпущен в 1999 году, после чего быстро начался период стремительного развития, позволивший расширить возможности GPU на другие области благодаря его высокоскоростным возможностям параллельной обработки.

Параллельная обработка, или параллельные вычисления, — это тип вычислений, основанный на использовании двух или более процессоров для выполнения различных подмножеств общей вычислительной задачи. До появления графических процессоров компьютеры предыдущих поколений могли запускать только одну программу одновременно, и выполнение задачи часто занимало несколько часов. Возможности графических процессоров по параллельной обработке позволяют выполнять множество вычислений или задач одновременно, благодаря чему они работают быстрее и эффективнее, чем центральные процессоры в старых компьютерах.