Графический процессор: устройство и назначение¶

Графический процессор (GPU, от англ. Graphics Processing Unit) — специализированный процессор, предназначенный для обработки компьютерной графики и выполнения параллельных вычислений. В отличие от центрального процессора (ЦП), который имеет небольшое число мощных ядер и ориентирован на последовательное выполнение сложных задач, GPU содержит тысячи относительно простых ядер, способных одновременно обрабатывать множество однотипных операций. Эта архитектурная особенность делает графические процессоры эффективными не только для рендеринга изображений, но и для научных расчётов, машинного обучения и майнинга криптовалют.

¶История

Первые графические процессоры появились в 1990-х годах и выполняли узкий набор функций: преобразование координат, растеризацию примитивов и наложение текстур. К ним относятся чипы 3dfx Voodoo (1996), NVIDIA RIVA 128 (1997) и ATI Rage (1996). Такие устройства назывались ускорителями 3D (3D accelerators), поскольку работали в связке с 2D-видеоадаптером.

Примерно с 1999 года, начиная с NVIDIA GeForce 256, производители стали называть свои чипы именно GPU. В 2001 году NVIDIA выпустила GeForce 3 с поддержкой программируемых вершинных и пиксельных шейдеров, что превратило GPU в универсальное программируемое устройство.

Ключевым событием стало появление технологии CUDA (Compute Unified Device Architecture) от NVIDIA в 2006 году, а также открытого стандарта OpenCL в 2009 году. Эти платформы позволили использовать графические процессоры для произвольных вычислений, не связанных с графикой, — так зародилось направление GPGPU (General-Purpose computing on Graphics Processing Units).

¶Устройство и архитектура

Современный GPU построен по принципу массива параллельных вычислительных блоков. В зависимости от архитектуры они называются потоковыми процессорами (stream processors), CUDA-ядрами (у NVIDIA) или потоковыми процессорами (у AMD). Количество таких ядер в потребительских видеокартах исчисляется тысячами, в профессиональных и серверных решениях — десятками тысяч.

Основные компоненты GPU:

• Вычислительные ядра — выполняют арифметические операции над пикселями, вершинами или произвольными данными;
• Блоки растеризации и вывода кадра — преобразуют геометрические примитивы в пиксели;
• Блоки текстурной выборки (TMU) — осуществляют выборку данных из текстур;
• Блоки вывода кадра (ROP) — записывают готовые пиксели в видеопамять;
• Контроллер памяти — управляет доступом к видеопамяти (как правило, GDDR6, GDDR6X или HBM);
• Кэш — многоуровневая система кэшей (L1, L2, в некоторых архитектурах — неограниченный кэш).

GPU работает по модели SIMT (Single Instruction, Multiple Threads) — одна инструкция выполняется одновременно множеством потоков. Это обеспечивает высокую пропускную способность при обработке больших массивов однотипных данных.

¶Классификация

По назначению графические процессоры делятся на несколько категорий:

¶Применение

¶Компьютерные игры

Основная область применения потребительских GPU — рендеринг трёхмерной графики в играх. Современные GPU поддерживают трассировку лучей (ray tracing) в реальном времени, технологию масштабирования изображения (DLSS у NVIDIA, FSR у AMD, XeSS у Intel) и программно-аппаратные интерфейсы DirectX, Vulkan, OpenGL.

¶Машинное обучение

Начиная с 2012 года (проект AlexNet) GPU стал основной платформой для обучения нейронных сетей. Специализированные серверные ускорители NVIDIA Tesla, затем A100 и H100, используются в центрах обработки данных крупнейших технологических компаний. Тензорные ядра (Tensor Cores), впервые появившиеся в архитектуре Volta (2017), ускоряют операции с матрицами, лежащие в основе глубокого обучения.

¶Научные вычисления

GPU применяются в молекулярном моделировании, обработке сигналов, финансовых расчётах, гидродинамических симуляциях и других задачах, допускающих широкий параллелизм.

¶Майнинг криптовалют

До перехода Ethereum на алгоритм Proof-of-Stake (сентябрь 2022 года) GPU широко использовались для добычи криптовалют на алгоритмах, чувствительных к пропускной способности памяти.

¶Основные производители

Рынок графических процессоров контролируют три компании:

• NVIDIA (США) — абсолютный лидер рынка GPU, особенно в сегментах профессиональных и серверных решений; основные серии — GeForce, RTX, Quadro (ранее), Tesla (ранее), H100;
• AMD (США) — вторая по величине компания, серии Radeon и Instinct; использует архитектуру RDNA для потребителей и CDNA для ЦОД;
• Intel (США) — с 2022 года присутствует на рынке дискретных GPU с серией Arc (архитектура Alchemist), ранее поставляла встроенные графические ядра в процессоры серии Core.

В мобильном сегменте также значительную роль играют Qualcomm (Adreno), ARM (Mali) и Apple (собственные GPU в чипах серии A и M).

¶Отличие от ЦП

GPU не заменяет ЦП, а дополняет его: ЦП управляет системой и выполняет логику программы, GPU берёт на себя массово-параллельные вычисления.

Источники:

• NVIDIA CUDA C++ Programming Guide
• Hennessy J., Patterson D. Computer Architecture: A Quantitative Approach
• Фурсов В. П. Архитектура графических процессоров
• Спецификации Vulkan и OpenGL от Khronos Group