في أجهزة الحوسبة ، لدينا وحدة معالجة تعالج البيانات. تُعرف هذه الوحدة بوحدة المعالجة المركزية. تشمل المهام الرئيسية لهذه الوحدة تشفير البيانات وفك تشفيرها ، وتخزين البيانات ، ومعالجة البيانات وتجميعها ، وتنفيذ البيانات ، وما إلى ذلك. وحدة المعالجة المركزية يحدد سرعة معالجة أو عمل الجهاز. عند العمل على كمية كبيرة من البيانات ، فإنه يتطلب مساحة تخزين أكبر للذاكرة. اليوم مع زيادة تقنيات معالجة الصور ، فإننا نتمتع بصور عالية الوضوح ، ورسومات واضحة ، وما إلى ذلك. العملية الحسابية المطلوبة لهذه التقنيات ضخمة للغاية وتتطلب وحدة معالجة أسرع. للتغلب على هذا ، ظهرت وحدة المعالجة الرسومية (GPU) في دائرة الضوء.
ما هي وحدة المعالجة الرسومية؟
يتم استخدام وحدات المعالجة لإجراء العمليات الحسابية في جهاز الكمبيوتر. مع ظهور مفاهيم التكنولوجيا مثل الصور ثلاثية الأبعاد ودفق الفيديو عالي الدقة والرسومات وما إلى ذلك. لتنفيذ هذه المفاهيم على جهاز ما ، يجب إجراء عمليات رياضية كبيرة ومعقدة وبسرعة أكبر.
على الرغم من أن وحدة المعالجة المركزية لديها تردد عالٍ فإنها لا تستطيع معالجة حسابات مثل هذا الحجم الكبير بشكل فعال. لذلك ، تم إدخال وحدة معالجة مخصصة لتنفيذ عمليات حسابية أكبر بتردد عالٍ. كانت وحدة المعالجة هذه تسمى وحدة المعالجة الرسومية. GPU هو جهاز إلكتروني متخصص يستخدم بشكل أساسي للحسابات القائمة على رسومات الكمبيوتر ومعالجة الصور. هذه إما مضمنة في SoC جنبًا إلى جنب مع المعالج الدقيق أو المعالج الرئيسي أو متاح كشرائح قائمة بذاتها مع وحدات ذاكرة مخصصة.
وظائف حسابية
بالنسبة للحسابات المتعلقة برسومات الكمبيوتر ثلاثية الأبعاد ، تستخدم وحدة معالجة الرسومات الترانزستورات الموجودة في تصميمها. تتضمن العمليات الحسابية حول الرسومات ثلاثية الأبعاد عمليات هندسية مثل دوران الرؤوس وترجمتها إلى أنظمة إحداثيات مختلفة ، ورسم خرائط للنسيج ، وعرض مضلعات. تتضمن العديد من وظائف GPU الحديثة أيضًا وظائف وحدة المعالجة المركزية وتقنيات الاستيفاء الزائد والاختزال لتقليل الاسم المستعار.
اليوم ، كانت هناك زيادة هائلة في استخدام وحدة معالجة الرسومات مع زيادة تقنيات التعلم العميق والتعلم الآلي. لتدريب نموذج التعلم العميق ، يجب إجراء عدد أكبر من الحسابات المعقدة. جعل استخدام GPU مهمة تدريب نماذج التعلم الآلي أسهل.
تم العثور على وحدات المعالجة الرسومية لتكون أسرع 250 مرة من وحدة المعالجة المركزية. في فك تشفير الفيديو المسرَّع بواسطة GPU ، تقوم وحدة معالجة الرسومات بأجزاء من عملية فك تشفير الفيديو والمعالجة اللاحقة للفيديو. واجهة برمجة التطبيقات المستخدمة بشكل شائع لهذا الغرض هي DxVA و VDPAU و VAAPI و XvMC و XvBA. هنا DxVA مخصص لنظام التشغيل المستند إلى windows والباقي مخصص لأنظمة التشغيل المستندة إلى Linux و Unix. يمكن لـ XvMC فقط فك تشفير مقاطع الفيديو المشفرة باستخدام MPEG-1 و MPEG-2.
عمليات فك تشفير الفيديو التي يمكن إجراؤها بواسطة وحدة معالجة الرسومات هي كما يلي:
- حركة التعويض
- تحويل جيب التمام المنفصل العكسي
- عكس تحويل جيب التمام المنفصل المعدل.
- مرشح في حلقة deblocking
- توقع داخل الإطار
- التكميم العكسي
- فك متغير الطول
- إزالة التداخل المكاني الزماني
- الكشف التلقائي عن مصدر التشابك
- معالجة دفق البت
- تحديد موضع البكسل المثالي
هندسة وحدة المعالجة الرسومية
عادةً ما يتم استخدام وحدة معالجة الرسومات (GPU) كمعالج مشترك مع وحدة المعالجة المركزية. من خلال هذا ، يمكن لوحدة المعالجة المركزية إجراء الحوسبة العلمية والهندسية للأغراض العامة بتردد أعلى. هنا ، يتم نقل الجزء الذي يستغرق وقتًا طويلاً ويحتاج إلى حساب مكثف من الكود إلى وحدة معالجة الرسومات بينما لا يزال الرمز المتبقي يعمل على وحدة المعالجة المركزية. تقوم GPU بمعالجة موازية للرمز وبالتالي تعزيز أداء النظام. يُعرف هذا النوع من الحوسبة باسم الحوسبة الهجينة.
هندسة وحدة المعالجة الرسومية
على عكس وحدة المعالجة المركزية التي تحتوي على اثنين إلى ثمانية نوى لوحدة المعالجة المركزية ، تتكون وحدة معالجة الرسومات من مئات النوى الأصغر. تعمل كل هذه النوى معًا في معالجة متوازية. من أجل الاستخدام الفعال لوظائف هندسة الحوسبة المتوازية لوحدة معالجة الرسومات ، صمم مطورو التطبيقات في NVIDIA نموذج برمجة متوازي يسمى 'CUDA'.
تختلف بنية GPU بناءً على طرازها. تتكون البنية العامة لوحدة معالجة الرسومات من مجموعات معالجة متعددة. تحتوي هذه المجموعات على العديد من المعالجات المتدفقة. هنا ، كل من الجري المعالجات المتعددة يحتوي على طبقة من ذاكرة التخزين المؤقت لتعليمات الطبقة الأولى جنبًا إلى جنب مع النوى المرتبطة بها.
أشكال GPU
بناءً على وظائفها وطرق معالجتها ، هناك أشكال مختلفة من GPU متوفرة في السوق. هناك نوعان رئيسيان من GPU في أجهزة الكمبيوتر الشخصية - بطاقة رسومات مخصصة ورسومات مدمجة. تُعرف بطاقة الرسومات المخصصة أيضًا باسم وحدة معالجة الرسومات المنفصلة. تُعرف الرسومات المدمجة أيضًا باسم بنية الذاكرة الموحدة وحلول الرسومات المشتركة.
تم تصميم معظم GPU مع الأخذ في الاعتبار تطبيقاتهم مثل معالجة الرسومات ثلاثية الأبعاد والألعاب وما إلى ذلك. تم تصميم GeForceGTX خصيصًا للألعاب ، وتم تصميم Nvidia Titan للحوسبة السحابية ، وتم تصميم Nvidia Quadro لمحطة العمل والرسوم المتحركة ثلاثية الأبعاد ، وتم تصميم Nvidia Tesla للسحابة محطة عمل وتدريب على الذكاء الاصطناعي ، Nvidia Drive PX مصمم للسيارة الآلية ، إلخ ...
بطاقة رسومات مخصصة
تُعرف الأنظمة ذات وحدة معالجة الرسومات المخصصة باسم 'أنظمة DIS'. هنا يشير المكرس إلى حقيقة أن رقائق GPU هذه لها ملف الرامات 'الذاكرة العشوائية في الهواتف والحواسيب تستخدم حصريًا بواسطة البطاقة. عادةً ما يتم توصيلها باللوحة الأم باستخدام فتحات التوسعة مثل PCI Express أو Accelerated Graphics Port. يتم استبدال هذه الرقائق أو ترقيتها بسهولة. نظرًا لقيود الحجم والوزن ، يتم توصيل وحدة معالجة الرسومات المخصصة على أجهزة الكمبيوتر المحمولة من خلال فتحة غير قياسية.
وحدة معالجة الرسومات المتكاملة
لا يحتوي هذا النوع من GPU على وحدة ذاكرة وصول عشوائي مخصصة. بدلاً من ذلك ، يستخدم جزءًا من ذاكرة الكمبيوتر لتشغيله. يمكن دمج وحدة معالجة الرسومات هذه على اللوحة الأم إما كجزء من مجموعة شرائحها أو بناء على نفس القالب باستخدام وحدة المعالجة المركزية. تتمتع هذه بسعة أقل من بطاقة الرسومات المخصصة ولكنها أقل تكلفة في التنفيذ. تعد Intel HD Graphics و AMD وحدة المعالجة المعجلة أمثلة على وحدة معالجة الرسومات هذه.
معالجة الرسومات الهجينة
تكمن وظيفة وحدة معالجة الرسومات هذه بين بطاقة الرسومات المخصصة وبطاقة الرسومات المدمجة. يستخدم هذا جزءًا من ذاكرة النظام ولديه أيضًا ذاكرة تخزين مؤقت صغيرة مخصصة. تعوض ذاكرة التخزين المؤقت المخصصة هذه الكمون العالي لذاكرة الوصول العشوائي. ذاكرة ATI الفائقة و TurboCache من Nvidia هي وحدات معالجة الرسومات الهجينة شائعة الاستخدام.
دفق المعالجة والمعالجة العامة لوحدات معالجة الرسومات
يطلق عليها شعبيا باسم GPGPU. تُستخدم وحدة معالجة الرسومات للأغراض العامة بشكل شائع كمعالج دفق معدل لأداء نوى الكمبيوتر. باستخدام هذا المفهوم ، يتم استخدام القوة الحاسوبية الهائلة لتظليل مسرع الرسومات الحديث كقوة حوسبة للأغراض العامة. بالنسبة لعمليات المتجهات الضخمة ، توفر هذه الطريقة أداءً أعلى من أداء وحدة المعالجة المركزية البسيطة.
وحدة معالجة الرسومات الخارجية
على غرار محرك الأقراص الصلبة الخارجي الكبير ، توجد وحدة معالجة الرسوم هذه أيضًا في الجزء الخارجي من وحدة الكمبيوتر. هذه أيضًا متصلة خارجيًا بأجهزة الكمبيوتر المحمولة. عادةً ما تحتوي أجهزة الكمبيوتر المحمولة على كمية جيدة من ذاكرة الوصول العشوائي ووحدة معالجة مركزية قوية بدرجة كافية. بدلاً من معالج رسومي قوي ، يتم تضمين أجهزة الكمبيوتر المحمولة مع شريحة رسومات مدمجة أقل قوة ولكنها أكثر كفاءة في استخدام الطاقة. هذه ليست قوية بما يكفي لأداء رسومات الألعاب ولا تدعم ألعاب الرسومات الأعلى. لذلك ، يتم استخدام وحدة معالجة الرسومات الخارجية هذه مع أجهزة الكمبيوتر المحمولة للحصول على أداء أعلى.
مع زيادة الطلب على الرسومات العالية ودقة الصورة الجيدة ، يتزايد أيضًا الطلب على وحدات معالجة الرسومات الأكثر قوة. مع توفر وحدة معالجة الرسومات القوية ، يمكن تحقيق الكثير في مجال تقنيات المعالجة العالية مثل التعلم الآلي والتعلم العميق. كما قامت وحدة معالجة الرسوميات GPU بتسريع طفرة هائلة في صناعة الألعاب. تم إطلاق العديد من الألعاب عالية الجرافيك التي تستفيد بشكل كامل من قوة وحدة معالجة الرسومات. ما نوع GPU الذي يمكن توصيله خارجيًا بأجهزة الكمبيوتر المحمولة؟
أسئلة وأجوبة
1). هل وحدة معالجة الرسومات هي بطاقة رسومية؟
تعد بطاقة الرسوم الموجودة على جهاز الحوسبة جزءًا كاملًا من الأجهزة. في حين أن GPU عبارة عن شريحة موجودة على بطاقة الرسوميات.
2). ما هي وحدة المعالجة المركزية (CPU) أو GPU الأسرع؟
يتوفر GPU اليوم بوحدات ذاكرة أكبر ، وقدرة معالجة أكبر ، ونطاق ترددي أكبر للذاكرة مقارنة بوحدة المعالجة المركزية التقليدية. لذلك ، وجد أن GPU أسرع بحوالي 50 إلى 100 مرة من وحدة المعالجة المركزية.
3). كم عدد النوى في وحدة معالجة الرسومات؟
GPU تقوم بالحوسبة المتوازية. لديها المئات من النوى الأصغر تعمل معًا. تمنح هذه الحوسبة المتوازية الهائلة وحدة معالجة الرسومات (GPU) قوة حوسبة فائقة.
4). هل RTX أو GTX أفضل؟
بالمقارنة مع GTX 1080 Ti ، فإن RTX 2080 لديه تقنية أحدث ويقدم أداء أفضل وأسرع. RTX أقل تكلفة مقارنة بـ GTX.
5). هل يمكن لوحدة معالجة الرسومات أن تحل محل وحدة المعالجة المركزية؟
GPU أسرع من وحدة المعالجة المركزية. يؤدون المهمة بسرعة كبيرة عن طريق أداء العديد من المهام في وقت واحد. ولكن يمكن أن يؤدي فقط بعض العمليات ذات التردد العالي وجميع عمليات التنفيذ الأخرى مثل إدارة المقاطعات ، وتخزين البيانات تتم بواسطة وحدة المعالجة المركزية. لا ، لا يمكن لوحدة معالجة الرسومات أن تحل محل وحدة المعالجة المركزية.
