پردازنده گرافیکی لپ تاپ چیست؟

واحد پردازش گرافیک یا GPU

واحد پردازش گرافیک یا GPU یک مدار الکترونیکی خاص است که به منظور دستکاری و تغییر حافظه برای تسریع کردن ایجاد تصاویر در یک frame buffer (بخشی از حافظه رم) که به عنوان خروجی یک نمایشگر است، ساخته شده است. GPUها در سیستم های توکار (embedded systems)، موبایل ها، کامپیوترهای شخصی، workstationها و کنسول های بازی استفاده میشود. GPUهای مدرن در تغییر گرافیک کامپیوتر و پردازش تصاویر بسیار کارآمد هستند و ساختار یکسان این گرافیک های مدرن آنها را نسبت به گرافیک های معمولی کارآمدتر میسازد. در یک کامپیوتر شخصی GPU یا به شکل یک کارت و یا متصل به مادربرد ظاهر میشود.

اصطلاح GPU در سال ۱۹۹۹ توسط Nvidia مورد استفاده قرار گرفت، شرکتی که GeForce 256 را به عنوان اولین کارت گرافیک دنیا تولید و معرفی کرد. این GPU به صورت یک پردازنده تک هسته ای به همراه ترانسفرم، نور، ست آپ مثلثی و موتورهای تبدیل دهنده عرضه شد. رقیب این کمپانی یعنی ATI Technologies با ساخت Radeon 9700 در سال ۲۰۰۲ اصطلاح “واحد پردازش تصویری” یا VPU را به دنیا معرفی کرد.

جهت مشاهده و مطالعه اصطلاحات تخصصی به این لینک مراجعه نمایید.

 

دهه ۱۹۷۰

از دهه ۱۹۷۰ سیستم های Arcade از چیپ های گرافیکی خاصی استفاده کرده اند. در سخت افزار ویدئو گیم ها رم برای فریم بافرها گران بود بنابراین همانطور که صفحه نمایش بر روی مانیتور در حال اسکن شدن بود چیپ های ویدئویی اطلاعات را با هم ترکیب کردند.

ویدئو شیفتر یا کنترل کننده ویدئو Fujitsu’s MB14241 در راستای سرعت بخشیدن به ترسیم گرافیک های sprite (تکنیکی در بازی های کامپوتری) مانند برای گیم های arcade متفاوت Taito و Midway ،دهه ۱۹۷۰ مانند Gun Fight (1975), Sea Wolf (1976) و Space Invaders (1978)برنامه ریزی شده بود.

سیستم arcade Namco Galaxian در سال ۱۹۷۹ از سخت افزار گرافیکی خاص که از استاندارد رنگ RGB پشتیبانی میکند به همراه تصاویر پس زمینه tilemap وsprites استفاده کرد. کمپانی های Namco, Centuri, Gremlin, Irem, Konami, Midway, Nichibutsu, Sega و Taito سخت افزار Galaxian را به طور وسیعی در اوج استفاده از ویدئو گیم های arcade مورد استفاده قرار میدادند.

در سال ۱۹۷۷ Atari 2600 از یک video shifter (کنترل کننده ویدئو) به نام Television Interface Adaptor استفاده کرد. کامپیوترهای Atari 8-bit در سال ۱۹۷۹ دارای یک ANTIC بود، یک پردازنده ویدئویی که دستورالعمل های گرافیکی که نمایشگر را توصیف میکنند را پردازش میکند. ۶۵۰۲ زیر روال (subroutine) یا دستورالعمل با قرار گرفتن بر روی دستورالعمل های گرافیکی نمایشگر بر روی الگوهای اسکن تاثیر میگذارند. ANTIC نیز اسکرولینگ عمودی و افقی را بدون در نظر گرفتن پردازنده ساپورت میکند.

 

 

پردازنده کارت گرافیکی

 

 

buy.png

 

 

دهه ۱۹۸۰

NEC µPD7220 به عنوان یک پروسه یکپارچه سازی(Large Scale Integration) مدار یکپارچه (integrated circuit) یا همان آی سی یکی ازاولین اجراهای کنترل کننده گرافیک نمایشگر بود که طراحی کارت های گرافیک کم هزینه و با عملکرد بالا مانند Number Nine Visual Technology را ممکن میساخت، و این به یکی از بهترین و معروف ترین گرافیک ها در دهه ۸۰ تبدیل شد.

بازی های آرکید Williams Electronics مانندRobotron 2084, Joust, Sinistar و Bubbles همگی در سال ۱۹۸۲ به بازار آمدند که شامل چیپ های معمولی blitter برای اجرا درbitmapهای ۱۶ رنگ بودند.

در سال ۱۹۸۵، Commodore Amiga دارای یک چیپ گرافیک معمولی به همراه یک blitter unit برای تسریع بخشیدن عملکرد bitmap و ترسیم الگو به علاوه یک پردازنده کمکی با دستورالعمل های خاص خود و با توانایی رجیستر کردن سخت افزار گرافیک در همگام سازی با پرتو ویدئو و یا اجرای blitter بود.

در سال ۱۹۸۶، Texas Instruments، اولین میکرو پردازنده با قابلیت های گرافیکی TMS34010 را وارد بازار کرد که دارای دستورالعملهای خاص خود بود. در سال های ۱۹۹۰ تا ۱۹۹۲ این چیپ پایه و اساس کارت های Texas Instruments Graphics Architecture (“TIGA”) Windows accelerator شد.

در سال ۱۹۸۷، سیستم گرافیک IBM 8514 به عنوان یکی از کارت های ویدئویی سازگاری با IBM PC به منظور اجرای گیم های ابتدایی دو بعدی fixed-function در سخت افزار الکترونیکی (electronic hardware) به بازار عرضه شد. در همان سال، Sharp کامپیوتر خانگی X68000 را با بازار داد که دارای یک چیپ ست گرافیکی معمولی برای استفاده در کامپیوترهای خانگی و نیز دارای یک طیف رنگ ۶۵,۵۳۶ ، سخت افزار پشتیبان sprites، اسکرولینگ و چندین playfieldبود و در نهایت به عنوان یک سیستم ارتقا یافته برای برد آرکید Capcom’s CP System به کار رفت.

بعدها Fujitsu با کامپیوترFM Towns به رقابت پرداخت و در سال ۱۹۸۹ با پشتیبانی کامل از طیف رنگی ۱۶,۷۷۷,۲۱۶ وارد بازار شد.در سال ۱۹۸۸، اولین گرافیک اختصاصی polygonal 3D به همراه Namco System 21 و Taito Air System در حوزه آرکیدها معرفی شدند.

 

دهه ۱۹۹۰

در سال ۱۹۹۱، S3 Graphics گرافیک S3 86C911 را معرفی کرد که طراحان آن را بعد ازPorsche 911 برای افزایش عملکرد در نظر گرفتند. تا سال ۱۹۹۲ همه تولیدکنندگان کارت های گرافیک PC تکنولوژی سرعت بخشیدن به گیم های دو بعدی را به چیپ ست ها اضافه کردند. تا قبل از این زمان Windows accelerators (نوعی GPU) fixed-function از پردازنده های گرافیکی معمولی دارای عملکرد بهتری بودند و این پردازنده های کمکی دیگر در PC استفاده نشدند.

در دهه ۹۰، سرعت ۲D GUI همواره رو به افزایش بود. به عبارت دیگر هرچه توانایی و امکانات تولیدکنندگان رو به بهبود میرفت سرعت چیپ های گرافیکی نیز رو به افزایش میرفت. رابطان برنامه نویسی کاربردی یا همان application programming interfaces (APIs) وظایف متعددی برای انجام داشتند، از جمله میتوان به کتابخانه گرافیکی WinG مایکروسافت برای Windows 3.x، و رابط DirectDraw برای سرعت بخشیدن به سخت افزار گیم های دو بعدی درWindows 95 اشاره کرد.

در اوایل تا اواسط دهه ۹۰، گرافیک های سه بعدی شروع به رایج شدن در گیم های آرکید، کامپیوترها و گیم های کنسول شدند که باعث افزایش تقاضای گرافیک های سه بعدی و تسریع سخت افزار شد. نمونه های اولیه این گرافیک ها در بوردهای آرکید مانندSega Model 1, Namco System 22 و و Sega Model 2 و در کنسول های بازی های ویدئویی نسل ۵ مانند Saturn, PlayStationو Nintendo 64 قابل مشاهده هستند.

سیستم های آرکید مانند Sega Model 2 و Namco Magic Edge Hornet Simulator در سال ۱۹۹۳ دارای سخت افزار T&L (transform, clipping, وlighting) بودند و این سال ها قبل از استفاده این سخت افزار در کارت های گرافیکی consumer بود. برخی از سیستم ها برای تسریع تبدیل ازDSPs استفاده میکردند. Fujitsu

که بر روی سیستم آرکید Sega Model 2 کار کرد شروع به بررسی کردن یکپارچه سازی T&L با LSI کرد تا در سال ۱۹۹۵ در کامپیوترهای خانگی مورد استفاده قرار گیرد. Fujitsu Pinolite اولین پردازنده هندسی سه بعدی برای کامپیوترهای شخصی در سال ۱۹۹۷ به بازار آمد. اولین T&L GPU در کنسول های بازی خانگی Nintendo 64’s Reality Coprocessor بود که در سال ۱۹۹۶ وارد بازار شد.

در سال ۱۹۹۷، Mitsubishi گرافیک ۳Dpro/2MP با قابلیت تبدیل و نوردهی تصویری برای استفاده در ایستگاه های کاری (workstation) و دسکتاپ های Windows NT را معرفی کرد. ATi این چیپ را برای گرافیک کارت FireGL 4000 که در سال ۱۹۹۷ به بازار آمد استفاده کرد.

بر طبق PC world، اولین تلاش ها برای چیپ های گرافیکی سه بعدی ارزان قیمت S3 ViRGE ATI Rage, و Matrox Mystiqueبا شکست مواجه شد. این چیپ ها اساسا تسریع کننده های دو بعدی نسل قبلی با ویژگی های سه بعدی بودند.

بسیاری از آنها با چیپ های نسل های قبلی برای سهولت در استفاده و قیمت پایین سازگار شده بودند. در ابتدا، گرافیک های سه بعدی فقط با بوردهای مجزا قابل استفاده بودند که به سرعت بخشیدن کاربردهای سه بعدی مانند PowerVR و the 3dfx Voodoo اختصاص داده شده بودند. با این حال، با ارتقا تکنولوژی، ویدئو، تسریع ۲D GUI و کاربرد سه بعدی همگی در یک چیپ جای داده شدند.

چیپ ست های Rendition’s Verite جز اولین چیپ ها بودند که که این ویژگی را به خوبی دارا بودند. در سال ۱۹۹۷، Rendition با همکاری با Hercules و Fujitsu در یک پروژه یک گام جلوتر نهاد، این پروژه یک پردازنده هندسی Fujitsu FXG-1 Pinolite را با یک هسته Vérité V2200 ترکیب کرد تا یک کارت گرافیک با موتور T&L تولید کند و این سالها قبل از تولید Nvidia’s GeForce 256 بود. این کارت برای کاهش بار CPU تولید شد.

در دهه ۹۰، گرافیک OpenGL به عنوان یک API گرافیکی حرفه ای ساخته شد اما در اصل فاقد عملکردی بود که باعث میشد Glide API یک نیروی غالب در کامپیوتر باشد. با این حال، بر این مشکلات غلبه شد و دیگر نیازی به Glide API نبود.در طول این زمان کاربرد نرم افزار OpenGL رایج بود، گرچه رابط OpenGL در نهایت منجر به پشتیبانی وسیع سخت افزاری شد.

در طول زمان بین ویژگی های سخت افزار و OpenGL یک هماهنگی ایجاد شد. DirectX در میان توسعه دهندکان گیم ویندوز در دهه ۹۰ محبوب شد. برخلاف OpenGL، مایکروسافت بر روی پشتیبانی یک به یک سخت افزار پافشاری کرد. این شیوه از محبوبیت DirectX به عنوان یک API گرافیکی مجزا کاست، زیرا بسیاری از GPUها ویژگی های خاص خود را دارا میباشند که برنامه های OpenGL موجود از قبل از آن گرافیک بهره میبردند.

در طول زمان مایکروسافت شروع به کار با توسعه دهندگان سخت افزار کرد و هدف آن عرضه DirectX بود که با توسعه دهندگان سخت افزار گرافیکی پشتیبان مطابقت داشته باشد. Direct3D 5.0 اولین نسخه API بود که بتواند در بازار گیم مورد توجه گسترده قرار بگیر و مستقیما با سخت افزارهای تخصصی تر رقابت کند، اما OpenGL طرفداران خود را داشت. Direct3D 7.0 پشتیبانی خود را از نوردهی تصویری و تبدیل تسریع سخت افزار را برایDirect3D اعلام کرد، و این در حالی بود که OpenGL از ابتدا دارای این قابلیت بود.

کارت های تسریع کننده به منظور اضافه کردن یک ویژگی مهم دیگر به برنامه های سه بعدی یک گاه فراتر نهادند. Nvidia GeForce 256 اولین کارت consumer بود که با داشتن T&L به بازار آمد، در حالی که کارت های سه بعدی حرفه ای قبلا این قابلیت را دارا بودند. ویژگی های نوردهی تصویری و تبدیل سخت افزار از قبل بر روی OpenGL بوده اند اما در دهه ۹۰ در سخت افزارهای consumer مورد استفاده قرار گرفتند و بعدها درpixel shader و vertex shader مورد استفاده قرار گرفتند.

 

۲۰۰۰ تا ۲۰۱۰

Nvidia اولین کمپانی تولید کننده تراشه GeForce 3 بود که قابلیت برنامه نویسی داشت. هر پیکسل میتواند با یک برنامه مختصر پردازش شود که شامل بافت های تصویری اضافه به عنوان ورودی ها میشود و در این صورت هر گراف قبل از به نمایش درآمدن در نمایشگر توسط یک برنامه مختصر پردازش میشود. این تراشه با استفاده در کنسول Xbox با PlayStation به رقابت پرداخت.

جالب است بدانید که تصور بر این بود که اولین شیدرهای استفاده شده درXbox معمولی نبودند و نتوانستند کد پیکسل اختیاری را اجرا کنند. گراف ها و پیکسل ها توسط واحدهای مختلفی پردازش شدند که همراه با پیکسل شیدرهایی که محدودیت های بیشتری دارند، منابع مخصوص خود را دارا بودند. موتورهای شیدینگ (تنظیم کننده نور، متریال و رندر) پیکسل در واقع بیشتر شبیه به یک قطعه کاربردی قابل تنظیم بود که در واقع اجرا نشد. بسیاری از این اختلاف های بین گراف و پیکسل شیدینگ تا زمان تولید Unified Shader Model مشخص نشد.

تا اکتبر ۲۰۰۲، با معرفی ATI Radeon 9700، اولین تسریع کننده Direct3D 9.0 ، پیکسل و گراف شیدرها توانستند looping (توالی دستور العمل ها) و floating point math (ممیز شناور) را اجرا کنند و با سرعت به همان ندازه CPUها انعطاف پذیر شدند. پیکسل شیدینگ اغلب برای bump mapping استفاده میشود تا یک جسم را براق، تیره، سخت و یا گرد و بافت دار کند.

با معرفی سری GeForce 8 که توسط Nvidia تولید شد، GPUهای معمولی به یک وسیله کامپیوتری معمولی تر تبدیل شدند. امروزه، پردازنده های مشابه به رقابت با GeForce 8 پرداخته اند و GPGPU (یک نوع پردازش) به عنوان زیرشاخه ای در میان حوزه های متفاوت تحقیق راه پیدا کرده است. GPGPU در آن زمان برای آنچه ما الان compute shaders (مانندCUDA OpenCL, DirectCompute ) می نامیم پیشرو بود. در طول سالها، مصرف انرژی GPUها افزایش پیدا کرده است و برای کنترل آن چندین تکنیک پیشنهاد شده است.

پلتفرم Nvidia’s CUDA اولین بار در سال ۲۰۰۷ معرفی شد و اولین مدل با قابلیت برنامه نویسی بود. بعد از آن OpenCL به طور گسترده ای مورد حمایت قرار گرفت که یک استاندارد تعریف شده توسط Khronos Group است که ارتقا GPU و CPUبا تاکید بر قابل حمل بودن را ممکن ساخت. OpenCL توسط اینتل، AMD, Nvidia و ARM پشتیبانی میشود و بر طبق یک گزارش اخیر توسط Evan’s Data، OpenC یک پلتفرم ارتقا یافته GPGPU است که به طور وسیعی توسط توسعه دهندگان در آمریکا و آسیا مورد استفاده قرار میگیرد.

 

 

پردازنده گرافیکی لپ تاپ

 

۲۰۱۰ تا کنون

در سال ۲۰۱۰، Nvidia شروع به همکاری با Audi کرد که داشبوردهای خودروهایشان را قوی تر کنند. این Tegra GPUها داشبورد خودروها را قدرتمنتر میکردند، سیستم جهت یابی و سرگرمی خودروها را ارتقا میدادند. ارتقا در تکنولوژی GPU در خودروها به فن آوری self-driving کمک شایانی کرد. کارت های سریAMD’s Radeon HD 6000 در سال ۲۰۱۰ روانه بازار شدند، و در سال ۲۰۱۱، AMD سری ۶۰۰۰M GPUهای مجزای خود را که در وسایل متحرک استفاده میشدند به بازار عرضه کرد.

مدل Kepler گرافیک کارتهای Nvidia در سال ۲۰۱۲ عرضه شدند و در سری های ۶۰۰، ۷۰۰ و ۸۰۰ مورد استفاده قرار گرفتند. یک ویژگی جدید این GPU جدید تقویت GPU است، تکنولوژی که سرعت کلاک کارت ویدئو را برای افزایش یا کاهش آن تنظیم میکند. Kepler microarchitecture با استفاده بر اساس پروسه ۲۸نانومتری ساخته شده است.
PS4 و Xbox Oneدر سال ۲۰۱۳ معرفی شدند و هر دو در GPUهای AMD’s Radeon HD 7850 و ۷۷۹۰استفاده شدند. GPUهای Nvidia’s Kepler توسط Maxwell که در یک پروسه مشابه تولید میشد دنبال میشدند.

چیپ های ۲۸ نانومتری Nvidia توسط TSMC، یک شرکت تایوانی، ساخته شدند. در مقایسه با تکنولوژی ۴۰ نانومتری مورد استفاده در گذشته، این پروسه جدید در حالی که انرژی کمتری مصرف میکند باعث افزایش ۲۰ درصدی در عملکرد میشود. هدست های واقعیت مجازی از جمله Oculus Rift و HTC Viveدارای الزامات سیستمی بسیار بالایی هستند. تولیدکنندگان هدست ها برای داشتن یک تجربه خوب واقعیت مجازی GPUها را پیشنهاد میکنند. این هدست ها هنگام عرضه به GTX 970 Nvidia و R9 290 AMD مجهز بودند.

Pascal جدیدترین نسل کارت های گرافیک Nvidia در سال ۲۰۱۶ است. سری GeForce 10 کارت ها از این نسل هستند. برای ساخت آنها از پروسه ۱۶ نانومتری استفاده شده است. Polaris 11 و Polaris 10 AMD نیز با استفاده از پروسه ۱۴ نانومتری ساخته شده اند.

 

کمپانی‌های تولیدکننده GPU

کمپانی های Intel, Nvidia و AMD/ATI پرچمداران ساخت GPU هستند به ترتیب دارای ۴۹٫۴%, ۲۷٫۸% و ۲۰٫۶%سهم بازار هستند. با در نظر گرفتن این مقادیر اینتل بیشتذین سهم را دارد اما بدون توجه آنها Nvidia و ATI از سال ۲۰۰۸ صد در صد هسم بازار را به خود اختصاص داده اند.

به علاوه، S3 Graphics، تولید شده توسط VIA Technologies، وMatrox نیز GPU تولید میکنند. در گوشی های هوشمند نیز عمدتا از Adreno GPU Qualcomm، PowerVR و Mali GPU ARM استفاده میشود.

توابع محاسباتی

GPUهای مدرن از اکثر ترانزیستورهایشان برای محاسبات مربوط به گرافیک های سه بعدی استفاده میکنند. آنها در ابتدا برای تسریع عملکرد فشرده حافظه texture mapping و رندر کردن polygon (تکنیکی در گرافیک کامپیوتر برای ایجاد تصاویر سه بعدی) مورد استفاده قرار میگیرند و سپس با اضافه کردن واحدهای محاسبات هندسی مانند دوران ( rotation) و ترجمه گراف ها در دستگاه های مختصات (coordinate systems) مختلف را تسریع میبخشد.

ارتقا اخیر GPUها شامل ساپورت کردن شیدرهای برنامه نویسی است که این امر میتواند گراف ها، بافت ها وبسیاری ازعملکردهایی که CPU آنها را پشتیبانی میکند،oversampling ، تکنیک های interpolation (درونیابی) برای کاهش الایزینگ (دندانه‌دارشدن یا پلکانی‌شدن لبه‌های تصویر) و فضاهای رنگی بسیار دقیق را کنترل و اجرا کند.
به دلیل اینکه اکثر این محاسبات شامل ماتریکس و وکتور هستند، مهندسان و متخصصان در مورد استفاده از GPUها برای محاسبات غیر گرافیکی مطالعات زیادی را انجام داده اند؛ انجام این محاسبات نیز با مشکلات مشابه دیگر همگام میشوند.
GPUهای امروزی علاوه بر سخت افزار سه بعدی دارای قابلیت های تسریع دو بعدی و فریم بافر نیز هستند. کارت های جدیدتر مانند AMD/ATI HD5000-HD7000 حتی فاقد تسریع دو بعدی هستند. انتظار میرود آنها از لحاظ سخت افزار سه بعدی برتری داشته باشند.

 

رمزگشایی ویدئویی با GPU

بیشتر GPUهای تولید شده از سال ۱۹۹۵ تا کنون از فضاهای رنگی YUV و تکنیکhardware overlay یا همان پوشش سخت افزاری که برای پخش ویدئوهای دیجیتالی بسیار مهم است، پشتیبانی می‌کنند، و بسیاری از GPUهای تولید شده از سال ۲۰۰۰ نیز از فرمت‌های MPEG مانند تکنیک motion compensation (تکنیکی برای ایجا یک فریم در ویدئو) وDCT پشتیبانی می‌کنند. این روند رمزگشایی ویدئو توسط سخت‌افزار که از دوبخش رمزگشایی و پردازش ویدئو تشکیل شده و توسط یک GPU انجام می‌گیرد را «رمزگشایی ویدئو توسط GPU یا رمزگشایی سخت‌افزاری ویدئو با GPU می‌نامند.

کارت‌های گرافیکی جدیدتر حتی می‌توانند ویدئوهای کیفیت بالای HD را نیز به صورت سخت‌افزاری بر روی خود کارت رمزگشایی نمایند، تا پردازنده درگیر آن نشود. مهم‌ترین APIها برای رمزگشایی ویدئو با GPU عبارتند از DxVA برای سیستم‌عامل مایکروسافت ویندوز، VDPAU، VAAPI، XvMC و XvBA برای لینوکس و سیستم‌عامل‌های مبتنی بر یونیکس. همه این رابط‌ها به غیر از XvMC قادرند ویدئوهای رمزگذاری شده با فرمت‌های MPEG-1، MPEG-2، MPEG-4 ASP، H.264 یا DivX 6، VC-1، WMV، Xvid و DivX 5 را رمزگشایی کنند.

 

کارت گرافیک های اختصاصی

پردازنده‌های گرافیکی بسیار قدرتمند معمولاً به طور جداگانه تهیه شده و بوسیله یک درگاه اختصاصی مانند PCI Express یا AGP یا HDMI به بورد اصلی متصل می‌شوند. بدین ترتیب به راحتی می‌توان آنها را تعویض نموده یا در صورتی که مادربورد از مدل‌های جدیدتر پشتیبانی کند آنها را ارتقا داد. تعداد کمی از کارت های گرافیک هنوز از اسلات های Peripheral Component Interconnect (PCI) استفاده میکنند اما پهنای باند آنها آنقدر محدود است که فقط هنگامی که اسلات PCIe یا AGP در دسترس نباشند مورد استفاده قرار میگیرند.

یک پردازنده گرافیکی اختصاصی لزوماً جداشدنی نیست و حتی می‌تواند از طریق درگاه‌های دیگری به غیر از موارد استاندارد مذکور به بورد اصلی متصل گردد. کلمه اختصاصی برای این استفاده می‌شود که در این نوع GPUها یک حافظه RAM اختصاصی برای استفاده کارت گرافیک در نظر گرفته شده است. البته اکثر پردازنده‌های گرافیکی اختصاصی جداشدنی و قابل تعویض هستند. در کامپیوترهای شخصی کوچکتر مثل لپ‌تاپ‌ها معمولاً برای اتصال GPU اختصاصی به بورد اصلی از رابط‌های غیر استاندارد استفاده می‌شود تا حجم کمتری اشغال کنند، ولی اغلب آنها با وجود تفاوتی که در شکل و اندازه دارند از همان منطق ارتباطی PCIe و AGP بهره می‌برند.

تکنولوژی هایی مانند SLI by Nvidia و CrossFire AMD این امکان را برای GPU فراهم میکند تا با افزایش قدرت پردازش گرافیک تنها بر روی یک نمایشگر تصاویری را به طور همزمان ترسیم کند.

 

قیمت پردازنده کارت گرافیک

 

گرافیک های یکپارچه یا مجتمع

پردازنده‌های گرافیکی مجتمع یا مشترک(IGP ) که با نامهای shared graphics solutions integrated graphics processors (IGP), و یا unified memory architecture (UMA) نیز شناخته میشوند از بخشی از حافظه RAM کامپیوتر برای محاسبات خود استفاده می‌کند و دیگر مثل پردازنده‌های گرافیکی اختصاصی به یک حافظه RAM جداگانه مجهز نیست. اکثر این نوع پردازنده‌های گرافیکی به صورت مجتمع با بورد اصلی ارائه می‌شوند. البته در APUها از این هم فراتر می‌روند و در داخل خود CPU ساخته می‌شوند.

امروزه ۹۰٪ کامپیوترها مجهز به پردازنده گرافیکی مجتمع هستند. این نوع پردازنده‌های گرافیکی نسبت به نوع اختصاصی باعث کاهش هزینه سیستم می‌شوند ولی از سویی قابلیت‌های آنها نیز کمتر است. سابقاً این نوع GPUها در اجرای بازی‌های سه‌ بعدی و ویدئوهای HD با مشکل مواجه می‌شدند ولی با رشد تکنولوژی و معرفی نسل‌های جدیدتر، این پردازنده‌های گرافیکی نیز بهبود یافته و قدرتمندتر شدند. با این حال هنوز هم کاربران حرفه‌ای گرافیک و علاقه‌ مندان به بازی‌های سنگین کامپیوتری باید یک پردازنده گرافیکی اختصاصی برای رایانه خود تهیه کنند.

پردازنده های گرافیکی اختصاصی مدرن مانند AMD Accelerated Processing Unit و Intel HD Graphics قوی تر از گرافیک های کنترل کننده دو یا سه بعدی عمل میکنند.از آنجا که GPUها میزان ارجاع به حافظه بالاتری را دارند، ممکن است نوع مجتمع آنها در مواقعی که فضای خالی حافظه رم کاهش می‌یابد، برای استفاده از آن با CPU وارد رقابت شود. IGPها می‌توانند تا ۲۹.۸۵۶ گیگابایت بر ثانیه از پهنای باند حافظه را به خود اختصاص دهند.

این در حالی است که کارت‌های گرافیکی اختصاصی می‌توانند تا ۲۶۴ گیگابایت از پهنای باند حافظه اختصاصی خود بهره گیرند. در انواع پردازنده گرافیکی لپ تاپ قدیمی تر مجتمع، امکان انتقال و نوردهی تصویر به صورت سخت‌ افزاری وجود نداشت، اما مدل‌های جدیدتر این قابلیت‌ها را دارا می‌باشند.

 

پردازش گرافیکی مرکب یا هیبریدی

سری جدید GPUها با گرافیک های یکپارچه در بازار دسکتاپ ها و نوت بوک های پایین رده به رقابت میپردازند که رایج ترین آنها ATI’s Hyper Memory و Nvidia’s TurboCache هستند. کارت‌های گرافیک هیبریدی نسبت به IGPها قیمت بالاتری دارند و از کارت‌های گرافیک اختصاصی ارزان‌تر هستند.

این نوع GPUها از حافظه مشترک با سیستم استفاده می کنند و در کنار آن یک حافظه کش اختصاصی نیز برای خود دارند، تا با استفاده از آن تاخیر بالای ناشی از دسترسی به حافظه رم را جبران کنند. در تبلیغات این نوع محصولات گاهی گفته می‌شود که حجم حافظه رم آنها ۷۶۸ مگابایت است، ولی در واقع این میزان حجمی از رم سیستم است که این نوع پردازنده گرافیکی می‌تواند از حافظه اصلی رایانه اشغال کند.

 

پردازش جریانی و GPUهای همه منظوره (GPGPU)

استفاده از پردازنده‌های گرافیکی همه‌ منظوره(GPGPU) به عنوان پردازنده جریانی، رشد روزافزونی دارد و هر روز فراگیرتر می‌شود. این نوع واحدهای پردازش گرافیکی، به جای آن که صرفاً برای عملیات گرافیکی طراحی شده باشند، قدرت محاسباتی یک shader گرافیکی مدرن را برای محاسبات و رایانش‌های عمومی به کار می‌گیرند.

در برخی کاربردهای خاص که نیاز به عملیات برداری پیچیده دارند، این نوع پردازنده گرافیکی می‌تواند عملکرد بسیار بهتری نسبت به یک CPU داشته باشد. دو کمپانی مهم تولیدکننده GPU، یعنی ATI و Nvidia، برای پوشش کاربردهای بیشتر استفاده از GPGPU، وارد یک رقابت جدی شده‌اند و هر دو کمپانی در پروژه ایجاد یک پردازشگر توزیعی به نام en:Folding@home با دانشگاه استنفورد همکاری می‌کنند. در برخی موارد ویژه پیش می‌آید که یک پردازنده گرافیکی، ۴۰ برابر سریع‌تر از یک پردازنده معمولی عمل می‌کند.

GPGPU می‌تواند در بسیاری از وظایف مشابه مثل ردیابی اشعه، دینامیک سیال محاسباتی و مدل‌ سازی آب‌ و هوا مورد استفاده قرار گیرد. عموماً این ابزار برای رایانش‌های نیازمند به قدرت محاسباتی بالا استفاده می‌شود، چرا که GPUها به خاطر ساختار ویژه ‌ای که دارند، قابلیت‌های موازی ‌سازی بالایی دارند. به علاوه کامپیوترهایی با عملکرد بالای GPU نیز در این زمینه نقش مهمی را ایفا میکنند. ۳ مورد از ۱۰ کامپیوتر برتر دنیا دارای قابلیت تسریع GPU هستند.

GPU از API های برنامه ‌نویسی به زبان C مثل CUDA (معماری دستگاه محاسبه یکپارچه) و OpenCL پشتیبانی می‌کنند. CUDA به طور اختصاصی در پردازنده‌های گرافیکی انویدیا به کار می‌رود، در حالی که OpenCL طوری طراحی شده که در معماری‌های متفاوتی مثل GPU، CPU و DSP مورد استفاده قرار گیرد. این فناوری‌ها به شما این امکان را می‌دهند تا از توابع مشخص یک برنامه معمولی C برای اجرا در پردازنده های جریانی استفاده کنید.

این موضوع باعث می‌شود که برنامه های C از قابلیت‌های GPU استفاده کرده و بر روی ماتریس‌های بزرگ به صورت موازی اجرا شوند، در حالی که هنوز هم می‌توانند هنگام نیاز از CPU نیز استفاده نمایند. CUDA اولین API است که اجازه می‌دهد اپلیکیشن‌های مبتنی بر CPU به طور مستقیم از منابع یک GPU برای محاسبات عمومی‌تر، بدون محدودیت‌های استفاده از API گرافیکی استفاده نمایند.

از سال ۲۰۰۵ به طور کلی تمایل برای استفاده از GPUها در محاسبات و به طورر خاص در برنامه نویسی به وجد آمد. اکثر شیوه ها برنامه های خطی (linear) و یا درختی (tree) را بر روی کامپیوتر مقصد جمع اوری میکنند و اجرای جی پی یو را ممکن میسازند. عموما عملکرد خوب تنها با اجرای یک برنامه فعال همزمان با بروز مشکلات مشابه و با استفاده از ساختار GPU’s SIMD به دست می آید.

با این حال تسریع اصلی با جمع آوری نکردن برنامه ها به دست می آید و به جای انتقال آنها به جی پی یو در جای خود پردازش شوند. پس تسریع یا با پردازش چندین برنامه به طور همزمان ویا با ترکیب آنها به دست می آید. یک جی پی یو مدرن میتواند همزمان صدها هزار برنامه کوچک را پردازش کند.

 

GPU جانبی

یک جی پی یو جانبی یک پردازنده گرافیکی است که در بیرون از سیستم کامپیوتر قرار میگیرد. پردازنده های گرافیکی جانبی گاهی با لپ تاپ ها استفاده میشوند. ممکن است لپ تاپ ها دارای رم کافی و لازم و سی پی یو قوی باشند اما اغلب فاقد بهترین پردازنده های گرافیکی لپ تاپ هستند و به جای آن یک چیپ گرافیکی ضعیف تر اما دارای انرزی کافی هستند.

چیپ های گرافیکی اغلب برای اجرای جدیدترین گیم ها و یا کارهای گرافیکی فشرده مانند ادیت فیلم به اندازه کافی قوی نیستند. بنابراین، داشتن یک جی پی یو جانبی در صورت نیاز مناسب است. PCI Express تنها گزینه رایجی است که برای این منظور استفاده همیشود. این پورت ممکن است ExpressCard ،mPCIe و یا یک Thunderbolt 1, 2, یا ۳باشد واین پورت ها تنها بر رویی سیستم های خاصی قابل استفاده هستند. یک جی پی یو پردازنده ایست که برای انجام کارهای گرافیکی تولید شده است و شامل محاسبات دو و سه بعدی نیز میشود، گرچه در سه بعدی قوی تر عمل میکنند.

 

تاریخچه

اولین کامپیوترها دارای جی پی یو نبودند و سی پی یو می بایست تمامی وظایف را محاسباتی و گرافیکی را انجام دهد. با افزایش ضرورت استفاده از نرم افزار و توجه بیشتر به گرافیک، نیاز به یک پردازنده جداگانه احساس شد. در ۳۱ آگوست ۱۹۹۹، NVIDIA اولین جی پی یو را برای دسکتاپ به نام GeForce 256 معرفی کرد که میتوانست ۱۰ میلیون polygons (چند ضلعی) را در هر ثانیه پردازش کند.

موفقیت اولین جی پی یوها باعث شد که توسعه دهنگان سخت و نرا افزار از این پردازنده حمایت کنند. مادربردها مجهز به اسلات های PCI سریعتر وAGP شدند. APIهای نرم افزاری مانند OpenGL و Direct3Dبرای کمک به توسعه دهندگان در استفاده از جی پی یو در برنامه های خود تولید شدند. امروزه پردازش گرافیک های اختصاصی نه تنها در دسکتاپ ها بلکه در لپ تاپ ها و گوشی های هوشمند نیز استاندارد است.

 

کاربرد

اولین هدف ساخت GPU، رندر کردن گرافیک سه بعدی است که ازpolygon یا همان چند ضلعی تشکیل شده است. GPUها برای وظایف مربوط به floating point طراحی و ساخته شده اند و این طراحی و کاربرد خاص رندر کردن کارامد گرافیک را حتی بهتر از سریع ترین CPUها ممکن میسازد و محول کردن وظایف پردازش گرافیکی به GPU اجرای گیم های مدرن را امکان پذیر کرده است.

در حالی که GPUها در رندر کردن گرافیک برتری دارند، توانایی انجام وظایف دیگر را نیز دارا میباشند. بسیاری از سیستم عاملها و نرم افزارها از GPGPU پشتیبانی میکنند. فن آوری هایی مانند OpenCL و CUDAامکان استفاده از GPU در راستای کمک به پردازنده در محاسبات غیر گرافیکی را ممکن میسازند و باعث بهبود عملکرد سیستم میشوند.
یک GPU یا واحد پردازنده گرافیکی اساسا برای اجرای برنامه های سه بعدی به کار میرود.

این یک پردازنده تک تراشه ایست که دارای قابلیت نوردهی تصویری و تبدیل است. وظایف مربوط به جی پی یو کارهای محاسباتی پیچیده هستند که در نبود جی پی یو به عهده CPU است و برداشتن این بار سنگین از شانه سی پی یو باعث میشود که آن بر روی کارهای دیگر متمرکز شود!

 

اولین GPU

NVIDIA اولین شرکت سازنده جی پی یو است و GeForce 256 اولین پردازنده گرافیکی nvidia ساخته شده این شرکت است که با بیش از ۲۲ میلیون ترانزیستور قابلیت پردازش میلیون ها polygon و میلیاردها محاسبه را در هر ثانیه دارد. نسخه workstation آن Quadro نامیده میشود که برای اجرای برنامه های CAD طراحی و ساخته شده است و میتواند بیش از ۲۰۰ میلیارد عملیات را در هر ثانیه پردازش کند و تا ۱۷ میلیون سه ضلعی را در هر ثانیه آماده میکند.

نوشته پردازنده گرافیکی لپ تاپ چیست؟ اولین بار در عصر دیجیتال مگ. پدیدار شد.

Powered by WPeMatico