پردازنده گرافیکی چیست؛ هر آنچه باید درباره GPU بدانید
پردازنده گرافیکی چیست؛ هر آنچه باید درباره GPU بدانید: پردازنده گرافیکی یا GPU (Graphics Processing Unit) یک نوع پردازنده است که برای پردازش تصاویر و گرافیکهای مرتبط با ویدئو و بازیهای رایانهای استفاده میشود. این نوع پردازندهها ابتدا برای افزایش کارایی در پردازش گرافیکی طراحی شدند، اما به مرور زمان، استفاده از آنها در حوزههای دیگر نیز گسترش یافته است. همچنین، GPU در حوزه علم محاسبات موازی نیز کاربردهای زیادی دارد و برای انجام محاسبات علمی یا محاسبات مرتبط با یادگیری عمیق (Deep Learning) نیز استفاده میشود.
-638bb88fa7331cd9fb2ce706.jpg)
تصویر سه بعدی
تصویر سهبعدی (3D) یک تصویر است که به دلیل حضور اطلاعات اضافی در فضا، به طوری که شما احساس میکنید اشیاء در ابعاد عمق، عرض و ارتفاع وجود دارند، اطلاعات سه بعدی را ارائه میدهد. این نوع تصاویر معمولاً با استفاده از تکنیکهای مختلفی مانند پراکندگی نور، تعداد کاهشی لایهها (layers)، یا استفاده از اطلاعات فاصله (depth information) برای ایجاد تاثیر عمق ایجاد میشوند.
برای ایجاد تصاویر سهبعدی، اغلب از تکنیکهایی مانند انتزاع (rendering) گرافیک کامپیوتری استفاده میشود. در این فرآیند، اطلاعات سه بعدی از یک صحنه به تصویر دوبعدی تبدیل میشود که به چشم انسان این تاثیر را میدهد.
استفاده از تصاویر سهبعدی در زمینههای مختلف از جمله بازیهای ویدئویی، فیلمها، شبیهسازها، طراحی صنعتی، پزشکی و غیره رایج است. این تصاویر امکان بهبود تجربه کاربری و بهتر فهمیدن فضا و اشیاء را فراهم میکنند.
گرافیک بیت مپ شده
گرافیک بیت مپ شده (Bitmap Graphics) یا نیز به نام تصویر پیکسلی شناخته میشود، یک نوع تصویر دیجیتال است که از مجموعهای از پیکسلها یا نقاط رنگی تشکیل شده است. هر پیکسل در یک تصویر بیت مپ دارای اطلاعات رنگ است و مجموعه پیکسلها به ترتیب خاص تصویر را شکل میدهند.
ویژگیهای یک تصویر بیت مپ شده عبارتند از:
1. رزولوشن (Resolution): تعداد پیکسلها در هر اینچ مربع تصویر. رزولوشن بالا منجر به تصاویر با جزئیات بیشتر میشود.
2. عمق رنگ (Color Depth): تعداد بیتی که برای نمایش هر پیکسل در تصویر استفاده میشود. عمق رنگ بالا به این معناست که هر پیکسل میتواند از طیف گستردهتری از رنگها استفاده کند.
3. فرمت فایل: تصاویر بیت مپ شده معمولاً در فرمتهایی مانند BMP، JPEG، PNG و GIF ذخیره میشوند.
4. اندازه فایل: اندازه فایل تصویر بیت مپ مستقیماً به تعداد پیکسلها و عمق رنگ وابسته است.
از طریق تغییر رنگ، رزولوشن، و دیگر ویژگیها، میتوان تصاویر بیت مپ را ویرایش و تغییر داد. این نوع تصاویر برای نمایش تصاویر و طراحیهای که به دقت بالا نیاز دارند، مناسب هستند.
گرافیک برداری
گرافیک برداری (Vector Graphics) یک نوع تصویر دیجیتال است که از الگوها، خطوط، و اشکال هندسی ابتدایی برای نمایش تصویر استفاده میکند. در تصاویر برداری، اطلاعات تصویر به صورت ماتریس از اشکال هندسی مختلف (مثل خطوط، دایرهها، مستطیلها و ...) نمایش داده میشوند. این اشکال هندسی با استفاده از ایجاد نقاط و توصیف روابط ریاضی میان آنها تعریف میشوند.
ویژگیهای گرافیک برداری شامل موارد زیر میشوند:
1. قابلیت بزرگنمایی بدون افت کیفیت: یکی از ویژگیهای مهم گرافیک برداری این است که تصاویر به صورت ریاضی توصیف شدهاند و میتوانند بدون افت کیفیت بزرگنمایی شوند. این بدان معناست که در صورت بزرگ کردن تصویر، خطوط و اشکال هندسی به دقت بالا حفظ میشوند.
2. کوچکترین حجم فایل: تصاویر برداری به طور عمومی حجم کمتری نسبت به تصاویر بیتمپ دارند، چرا که اطلاعات به صورت ریاضی و با استفاده از معادلات ذخیره میشوند.
3. ویرایش آسان: چون تصاویر برداری از اشکال هندسی تشکیل شدهاند، ویرایش و تغییر در آنها بسیار آسان است. میتوانید ابعاد، رنگ، و شکل اشیاء را با دقت ویرایش کنید.
4. کاربردهای چندرسانهای: تصاویر برداری در طراحیهای چندرسانهای مانند لوگوها، آیکونها، و تصاویر متحرک معمولاً استفاده میشوند.
برنامههای معروفی مانند Adobe Illustrator و CorelDRAW برای ایجاد و ویرایش تصاویر برداری به کار میروند.

رندرینگ
رندرینگ (Rendering) یک فرآیند در حوزه گرافیک کامپیوتری است که شامل تبدیل اطلاعات سه بعدی یا مدلهای سه بعدی به تصویر دو بعدی (تصویر نهایی) میشود. این فرآیند برخی از ویژگیهای مدل سه بعدی را مانند رنگ، نور، و مواد به تصویر نهایی اعمال میکند.
مراحل اصلی رندرینگ شامل موارد زیر میشوند:
1. مدلسازی (Modeling): این مرحله شامل ایجاد یک مدل سه بعدی از اشیاء، سطوح، و فضا است. این مدل ممکن است به وسیله نرمافزارهای مدلسازی سه بعدی ایجاد شود.
2. نورپردازی (Lighting): در این مرحله، نورها و منابع نور در صحنه تعیین میشوند. این نورها بر روی اشیاء سه بعدی تأثیر میگذارند و سایهها و نوردهی به صحنه را ایجاد میکنند.
3. مواد و متریالها (Materials): اطلاعات مربوط به مواد و خصوصیات سطوح اشیاء مانند بازتاب، شفافیت، و رنگ در این مرحله تعیین میشوند.
4. دوربین (Camera): دوربین و پارامترهای مربوط به دید دوربین نیز در نظر گرفته میشوند. دید دوربین تعیین میکند که چگونه صحنه از دید دوربین دیده میشود.
5. رندرینگ و پراکندگی نور (Rendering and Shading): این مرحله شامل ترکیب اطلاعات نورپردازی، مواد، و دوربین به منظور تولید تصویر نهایی است. شیوه پراکندگی نور (Shading) به تخصص در تعیین رنگ و سایه اشیاء میپردازد.
6. پستپردازش (Post-processing): در این مرحله، تصویر نهایی به وسیله افکتها و فیلترهای اضافی بهبود داده میشود.
رندرینگ در حوزههای مختلفی از طراحی صنعتی، انیمیشن، بازیهای ویدئویی، معماری و حوزههای دیگر استفاده میشود.
API گرافیکی
API گرافیکی (Graphics API) یک رابط برنامه نویسی است که به توسعهدهندگان اجازه ارتباط با سختافزار گرافیکی را میدهد تا بتوانند تصاویر و گرافیکها را در برنامههای خود ایجاد، نمایش، و کنترل کنند. این APIها به طور گسترده در انواع نرمافزارها از بازیهای ویدئویی گرفته تا برنامههای مدلسازی سه بعدی و تجربه واقعیت مجازی مورد استفاده قرار میگیرند.
برخی از معروفترین API های گرافیکی عبارتند از:
1. OpenGL: یک استاندارد باز برای تولید گرافیکهای سه بعدی. OpenGL بسیار قدرتمند است و در انواع سیستمعاملها از جمله ویندوز، لینوکس، و macOS پشتیبانی میشود.
2. DirectX: یک API گرافیکی توسعه یافته توسط مایکروسافت، به ویژه برای سیستمعامل ویندوز. DirectX برای بازیهای ویدئویی در پلتفرم ویندوز به کار میرود.
3. Vulkan: یک API گرافیکی جدید و قدرتمند که توسط گروه Khronos توسعه یافته است. Vulkan امکان کنترل دقیقتر بر روی سختافزار را نسبت به OpenGL فراهم میکند و برای سیستمعاملهای مختلف قابل استفاده است.
4. Metal: یک API گرافیکی توسعه یافته توسط اپل برای سیستمعامل macOS و iOS. Metal برای بهینهسازی نرمافزارهای گرافیکی بر روی سختافزارهای اپل طراحی شده است.
این APIها به توسعهدهندگان امکان انجام عملیاتهای گرافیکی متنوعی را میدهند از جمله رندرینگ سه بعدی، مدلسازی، انیمیشن، و بسیاری از وظایف گرافیکی دیگر.
GDDR چیست؟
GDDR به اختصار "Graphics Double Data Rate" است و به نوعی از حافظه RAM (Random Access Memory) استفاده میکند که برای نگهداری دادههای مرتبط با گرافیک در کارتهای گرافیک (GPU) به کار میرود. GDDR حافظههای بهکاررفته در کارتهای گرافیک هستند و توانایی انتقال داده با سرعت بالا را فراهم میکنند.
نسلهای مختلف از GDDR وجود دارد که هر کدام سرعت انتقال دادههای بالاتری ارائه میدهند. برخی از نسخههای شناختهشده GDDR عبارتند از:
1. GDDR3: یکی از نسخههای اولیه GDDR بوده و برای اولین بار در کارتهای گرافیک دهه 2000 مورد استفاده قرار گرفت.
2. GDDR4: نسخهای با سرعت انتقال داده بالاتر نسبت به GDDR3. این نسخه در کارتهای گرافیک دهه 2000 مورد استفاده قرار گرفت.
3. GDDR5: یکی از پراکندهترین نسخهها در دهه 2010 بوده و سرعت انتقال داده بالایی ارائه میدهد. بسیاری از کارتهای گرافیک میانرده و بالارده از این نسخه استفاده کردهاند.
4. GDDR5X: یک ارتقاء به GDDR5 با سرعت انتقال داده بیشتر. برخی از کارتهای گرافیک پیشرفته از این نسخه استفاده کردهاند.
5. GDDR6: یکی از جدیدترین نسخهها با سرعت انتقال داده بالا و بهبودهای در کارایی. این نسخه در کارتهای گرافیک پرچمدار و پیشرفته مورد استفاده قرار میگیرد.
این نسخههای مختلف GDDR بر اساس نیازهای کارتهای گرافیک مختلف و نوع کاربری (مانند بازیها، حوزههای علمی، یادگیری عمیق و...) انتخاب میشوند.
تاریخچه گرافیک سه بعدی
تاریخچه گرافیک سه بعدی (3D Graphics) به تازگی در دهههای اخیر نشاندهندهٔ پیشرفتهای بسیار زیاد در علم کامپیوتر و صنعت گرافیک میباشد. در زیر یک چکیده از تاریخچه گرافیک سه بعدی آورده شده است:
1. دهه 1960: آغاز تحقیقات در زمینهٔ گرافیک سه بعدی در دهه 1960 است. اولین تجربیات در این زمینه به عنوان پروژه "Sketchpad" توسط ایوان ساترلند در دانشگاه ماساچوست انجام شد. این پروژه نخستین برنامه مبتنی بر دستورالعمل برای ایجاد تصاویر سه بعدی با استفاده از دستگاههای ورودی/خروجی تجربی بود.
2. دهه 1970: در این دهه، با پیشرفت تکنولوژی کامپیوترها، تحقیقات در زمینه گرافیک سه بعدی به رشد قابل توجهی دست یافت. ظهور الگوریتمهای سه بعدی و تکنیکهای نمایش و پردازش تصاویر بهبودهای چشمگیری در این حوزه ایجاد کرد.
3. دهه 1980: با پیدایش اولین گرافیکهای سه بعدی در بازیهای ویدئویی، این صنعت گام مهمی برداشت. بازیهایی مانند "Battlezone" و "Pacman 3D" تجربیات گرافیکی سه بعدی جدیدی به بازیها اضافه کردند.
4. دهه 1990: دهه 1990 با انتشار بازیهایی مانند "Wolfenstein 3D" و "Doom"، شاهد آغاز دورهٔ طلایی گرافیکهای سه بعدی در بازیهای ویدئویی بود. این بازیها توانستند ابزارهای نمایش گرافیکی پیشرفتهتری مثل تکنیکهای نقشه زنی سه بعدی (3D mapping) و نورپردازی را معرفی کنند.
5. دوران مدرن (از دهه 2000 به بعد): در دهههای اخیر، پیشرفتهای فراوان در فناوری گرافیک سه بعدی ایجاد شده است. با ظهور GPU های قدرتمند، استفاده از تکنولوژیهای نظیر شیادهی (Shader)، تکنیکهای رندرینگ پیشرفته، و واقعیت مجازی (VR)، تجربه گرافیک سه بعدی به سطح جدیدی از واقعیت و کیفیت رسیده است. امروزه، گرافیکهای سه بعدی در انواع برنامهها از بازیهای ویدئویی گرفته تا شبیهسازها، انیمیشن و طراحیهای مهندسی به کار گرفته میشوند.
نحوه تولید گرافیک سهبعدی
تولید گرافیک سهبعدی یک فرآیند پیچیده است که از چندین مرحله تشکیل شده است. این مراحل به طور کلی عبارتند از مدلسازی (Modeling)، نورپردازی (Lighting)، متریال و شیادهای (Shaders)، رندرینگ (Rendering) و نهایتاً پستپردازش (Post-processing). در زیر به این مراحل به صورت کلی توضیح داده میشود:
1. مدلسازی (Modeling):
- مدلسازی هندسی: شامل ایجاد شیاهها و اشکال هندسی مثل مربع، مثلث، دایره، و اشکال سه بعدی پیچیدهتر مانند کرهها و مخروطها است. این مدلها معمولاً با استفاده از نرمافزارهای مدلسازی سه بعدی ایجاد میشوند.
- مدلسازی سطح: این مرحله شامل ایجاد سطوح دقیقتر روی مدلهای هندسی میشود. این مرحله به طور معمول شامل ایجاد جزئیات مانند حفرهها، رشتهها، و خطوط میشود.
2. نورپردازی (Lighting):
- تعیین نورها و منابع نور: تعیین جهت و نوع نورهای محیط و نورهای نقطهای در صحنه.
- محاسبه سایهها: محاسبه سایهها و تأثیر نورها بر روی اشیاء و سطوح مختلف.
3. متریال و شیادها (Materials and Shaders):
- تعیین مشخصات متریال: تعیین ویژگیهای مانند بازتاب، شفافیت، رنگ و... برای سطوح مختلف مدلها.
- استفاده از شیادها: ایجاد و استفاده از شیادها (Shaders) که نقش اصلی در نمایش نورها و ویژگیهای مختلف متریال دارند.
4. رندرینگ (Rendering):
- تبدیل مدلهای سه بعدی به تصاویر دو بعدی: این مرحله شامل استفاده از الگوریتمهای رندرینگ برای تولید تصاویر دو بعدی از مدلهای سه بعدی است.
- تطبیق دوربین: تنظیمات مربوط به دوربین و دیدگاه برای ایجاد زاویه دلخواه تصویر.
- اعمال تکنیکهای رنگآمیزی: اعمال رنگها، ترکیبهای رنگی، و افکتهای دیگر به تصویر نهایی.
5. پستپردازش (Post-processing):
- اعمال افکتهای نهایی: اعمال افکتها و تغییرات نهایی به تصویر، مثل افکتهای حرکت، نویز، یا افکتهای نوری.
- تصحیح رنگ و کنتراست: اصلاح رنگ، روشنایی، و کنتراست تصویر نهایی.
هر یک از این مراحل نقش مهمی در ایجاد گرافیکهای سه بعدی با کیفیت دارد و ترکیب صحیح آنها به تولید تصاویر واقعگرایانه و زیبا منجر میشود.
تفاوت GPU و CPU
GPU (Graphics Processing Unit) و CPU (Central Processing Unit) هر دو نوعی از واحدهای پردازش هستند که در کامپیوترها برای انجام کارهای مختلف به کار میروند، اما هر یک وظایف و نقشهای خاص خود را دارند. در زیر به برخی از تفاوتهای اصلی بین GPU و CPU اشاره شده است:
1. منظور اصلی:
- CPU: برای انجام کارهای عمومی و گسترده مانند مدیریت سیستم عامل، اجرای برنامههای کاربردی، مدیریت حافظه و وظایف سیستمی به کار میرود.
- GPU: برای پردازش گرافیکی و انجام محاسبات موازی، به ویژه در زمینههای گرافیک سهبعدی، بازیهای ویدئویی، و حوزههایی که نیاز به پردازش موازی دادههای بسیار زیاد دارند، به کار میرود.
2. معماری پردازنده:
- CPU: معمولاً دارای تعداد کمی هسته پردازنده با فرکانس بالا و قدرت پردازش عالی برای وظایف متعدد و پیچیده است.
- GPU: دارای تعداد بسیار زیادی هسته پردازنده با فرکانس نسبتاً کم است، اما برای پردازشهای موازی و گرافیکی بهبود یافتهاند.
3. پردازش موازی:
- CPU: برای پردازش موازی کمتر مناسب است و معمولاً برنامهها در سطح کد موازی نوشته میشوند.
- GPU: به دلیل تعداد بیشتر هستهها و قابلیتهای پردازش موازی بالا، برای کارهایی که نیاز به پردازش موازی دارند مثل گرافیک سهبعدی و محاسبات علمی بسیار مناسب است.
4. حافظه:
- CPU: دارای حافظه کش کوچک و سریع برای ذخیره دادهها و دسترسی به آنها است.
- GPU: دارای حافظه گرافیکی (VRAM) بزرگتر و بهینهتر برای ذخیره و دسترسی به دادههای مورد نیاز برای پردازش گرافیکی است.
5. برنامهنویسی:
- CPU: برنامهها معمولاً به صورت سریال و توالی نوشته میشوند.
- GPU: برنامهها میتوانند به صورت موازی و بهینه بر روی هستههای گرافیکی اجرا شوند اگر برنامهنویس از APIهایی مانند CUDA یا OpenCL استفاده کند.
در کل، CPU و GPU هر کدام برای کارهای خاص و با ویژگیها و قابلیتهای منحصر به فردی طراحی شدهاند. این دو با همکاری میتوانند کارایی کلی سیستم را افزایش دهند.
-638bb88e1d67bb742b22ca2e.jpg)
CUDA چیست؟
CUDA به اختصار "Compute Unified Device Architecture" است و یک پلتفرم محاسباتی توسعه یافته توسط شرکت NVIDIA است. این پلتفرم به توسعهدهندگان اجازه میدهد تا از قدرت پردازشی گرافیکی (GPU) NVIDIA در انجام محاسبات عددی موازی بهرهمند شوند. CUDA به وسیله یک مدل برنامهنویسی موازی و APIهای متنوعی که برای توسعه برنامههای موازی بر روی GPU تعبیه شدهاند، این امکان را فراهم میکند.
برخی از ویژگیها و کاربردهای CUDA شامل موارد زیر است:
1. برنامهنویسی موازی: CUDA اجازه میدهد تا توسعهدهندگان از قابلیت پردازش موازی بسیار بالای GPUهای NVIDIA بهرهمند شوند. این بهینهسازی معمولاً برای مسائل محاسباتی موازی مانند محاسبات علمی، یادگیری عمیق (Deep Learning)، پردازش تصویر و سایر کاربردهاست.
2. مدل برنامهنویسی C/C++: برنامههای نوشته شده با استفاده از CUDA با زبانهای برنامهنویسی C/C++ تعامل دارند. این به توسعهدهندگان این امکان را میدهد که با استفاده از دانش و مهارتهای خود در این زبانها، برنامههای موازی بر روی GPU بنویسند.
3. کتابخانههای موازی: NVIDIA تعدادی از کتابخانههای موازی را در اختیار توسعهدهندگان CUDA قرار داده است. این کتابخانهها برای کاربردهای مختلف از جمله علوم علوم رایانهای، علوم فیزیکی، و یادگیری عمیق استفاده میشوند.
4. پشتیبانی از مدل اجرایی PTX:
- CUDA به توسعهدهندگان این امکان را میدهد تا کد خود را به مدل اجرایی PTX ترجمه کنند. این قابلیت به توسعهدهندگان این امکان را میدهد تا برنامههای خود را بر روی تعدادی از GPUهای NVIDIA اجرا کنند.
استفاده از CUDA برای موازیسازی و بهینهسازی کارهای محاسباتی در زمینههای مختلف توسعه دادهشده و در پروژههایی که نیاز به پردازش موازی بالا دارند، بسیار موثر است.
انواع پردازندهی گرافیکی
پردازندههای گرافیکی (GPU) به دلیل توانمندی در پردازشهای موازی و مخصوصاً برای تسریع عملیات گرافیکی و محاسبات علمی، در زمینههای مختلف مورد استفاده قرار گرفتهاند. هر یک از این پردازندهها دارای ویژگیها و نقاط قوت خود هستند. در زیر به برخی از انواع پردازندههای گرافیکی اشاره شده است:
1. پردازندههای گرافیکی مصرفی (Consumer GPUs): این نوع GPU برای استفاده در کارتهای گرافیکی مصرفی، گیمینگ، و برنامههای روزمره طراحی شدهاند.
- توسط شرکتهایی مانند NVIDIA و AMD تولید میشوند.
- معمولاً توان مصرفی کمتری نسبت به پردازندههای حرفهای دارند و قابلیتهای گرافیکی برتری دارند.
2. پردازندههای گرافیکی حرفهای (Professional GPUs): این GPUها برای استفاده در کارتهای گرافیکی حرفهای برای کاربردهای مهندسی، طراحی، شبیهسازی و گرافیکهای سه بعدی توسعه دادهشدهاند.
- معمولاً توسط شرکتهایی مانند NVIDIA (با خط محصول Quadro) و AMD (با خط محصول Radeon Pro) تولید میشوند.
- دارای پشتیبانی از درایورها و ویژگیهای بهینهسازی شده برای برنامههای مخصوص حرفهای هستند.
3. پردازندههای گرافیکی محاسباتی (Compute GPUs): این نوع GPU برای انجام محاسبات علمی و کاربردهای موازی در حوزههایی مانند یادگیری عمیق (Deep Learning) و پردازش موازی توسعه دادهشدهاند.
- معمولاً دارای ساختار و ویژگیهایی هستند که بهینهسازی برای انجام محاسبات موازی را فراهم میکنند.
- مثالهایی از این GPUها عبارتند از NVIDIA Tesla و AMD Instinct.
4. پردازندههای گرافیکی مخصوص بازی (Gaming GPUs): این GPUها برای اجرای بازیهای ویدئویی با کیفیت بالا و تجربه گیمینگ بهینه توسعه دادهشدهاند.
- اغلب در کارتهای گرافیک معروف برای بازیها (Gaming Graphics Cards) استفاده میشوند.
- NVIDIA GeForce و AMD Radeon به عنوان دو تولیدکننده معروف در این حوزه شناخته میشوند.
هر یک از این انواع پردازندههای گرافیکی بر اساس نیازهای خاص مختلف مورد استفاده قرار میگیرند و هرکدام ویژگیها و امکاناتی را برای نوع خاصی از کاربردها ارائه میدهند.