GPU (Graphic Processor Unit) — что это такое и для чего нужен?

Что такое GPU?

Ни для кого не секрет, что центральный процессор, который является мозгом любого компьютера, имеет аббревиатуру CPU. Данное буквосочетание пошло из английского языка и расшифровывается оно как Central Processor Unit. Почему процессор называют центральным? Все очень просто. Данное «звание» вычислитель получил, потому что именно он управляет всеми подсистемами компьютера. Это и является основной функцией данного устройства. Управление осуществляется через чипсет и шины.

Если проводить аналогию с центральным процессором, то можно догадаться что такое GPU в домашнем компьютере. Данная аббревиатура расшифровывается как Graphic Processor Unit. Если говорить простым языком, то это графический чип, который в простонародье также именуется видеокартой (что неверно, так как видеокарта – отдельный аппаратный модуль)

Чем графический адаптер отличается от центрального процессора? Главное различие между этими двумя компонентам – архитектура. Структура CPU выполнена таким образом, что он обрабатывает порции информации последовательно, поочередно. А видеочип, в свою очередь, способен сразу же взаимодействовать с большими объемами данных. Это стало возможно благодаря огромному количеству ядер, которые проводят параллельные вычисления. Если с функциями ЦПУ мы уже разобрались, то появляется вопрос: а для чего нужен ГПУ?

Как узнать какой GPU в компьютере

Пользователи часто интересуются, какой GPU используется в их компьютере. При этом под термином GPU чаще всего понимают видеокарту. Это связано с тем, пользователи обычно имеют дело с видеокартой в целом, а не конкретно с GPU. Например, название видеокарты необходимо для установки подходящих драйверов и проверки минимальных требований компьютерных игр. В то время как название GPU пользователю практически никогда не требуется.

Существует несколько способов узнать название видеокарты. Самый простой – это посмотреть в диспетчере устройств. Для этого нужно нажать комбинацию клавиш Windows-R и выполнить команду «mmc devmgmt.msc». Также «Диспетчер устройств» можно открыть и другими способами.

В результате должно открыться окно «Диспетчера устройств». Здесь в разделе «Видеоадаптеры» будет указано название видеокарты.

Но, вариант с диспетчером устройств не самый надежный. Если вы не установили драйверы для видеокарты, то система может ее не опознать и в диспетчере устройств не будет информации о ее названии. В таком случае лучше обратиться к сторонним программам. Например, можно установить программу GPU-Z, которая покажет всю возможную информацию об установленной видеокарте. Например, в GPU-Z название видеокарты можно узнать в строке «Name» в самом верху окна программы. На скриншоте внизу показано название видеокарты, это NVIDIA GTX GeForce 950.

Также в GPU-Z можно узнать название самого GPU (графического процессора). Например, на скриншоте внизу показано, что видеокарта NVIDIA GTX GeForce 950 построена на базе графического процессора GM206.

Специфика

Графический процессор расположен на видеокарте, его основная задача — обработка 2D и 3D графики. Если на компьютере установлен графический процессор, процессор устройства не выполняет лишней работы, поэтому работает быстрее. Главная особенность графики в том, что ее основное предназначение — увеличение скорости вычисления объектов и текстур, то есть графической информации. Архитектура процессора позволяет им работать намного эффективнее, обрабатывать визуальную информацию. Обычный процессор не может этого сделать.

Графический процессор  и видеокарта одно и то же

Многие считают, что графический процессор (GPU)  и видеокарта — это синонимы. Но это — ошибочное мнение. Графический процессор  (GPU) — это микрочип, который представляет собой кремниевый кристалл. Визуально схож на CPU. Но архитектура GPU кардинально отличается от той, что используется в обычном центральном процессоре. В видео это объясняется простым языком

Видеокарта — это плата, которая включает в себя графический процессор, оперативную память, линию питания, шлюз для обмена информации (по линии PCI Express), а также набор видеовыходов для подключения мониторов.

То есть GPU — это часть видеокарты. С технической стороны, видеоадаптер — это мини-компьютер. Ведь у него есть собственный процессор (графический), ОЗУ, шина данных.

Единственное его отличие: он адаптирован для работы с графическими данными, в частности, с векторной, растровой графикой.

Что такое дискретный графический процессор

Дискретный графический процессор — это тот, который устанавливается отдельно от CPU. Поставляется в форме платы, чаще всего — с портом PCI Express для подключения к материнской плате.

Такие GPU обеспечивает на порядок выше производительность, нежели iGPU. Но и потребляют примерно в 10 раз больше электроэнергии.

Дискретные видеокарты сегодня используются не только в видеоиграх. На их основе создают суперкомпьютеры. А ещё их задействуют в майнинге криптовалют.

Графический процессор и видеокарта – одно и то же?

В разговорной речи графический процессор часто используется в качестве синонима к видеокарте. Но технически это не совсем правильно.

Графический процессор на самом деле является частью видеокарты. Он отвечает за рендеринг графики, а видеокарта обеспечивает необходимую мощность и доступ к высокоскоростной памяти.

Кроме того, видеокарта подключает сам графический процессор к другим частям компьютера, которые требуют к нему доступ (центральный процессор, системная память и накопитель) для выполнения нужных задач.

Принцип работы

Что делает графический процессор? Он занимается обработкой 2D и 3D графики. Благодаря графическому процессору компьютер может выполнять важные задачи быстрее и проще. Особенность графического процессора в том, что он увеличивает скорость вычисления графической информации до высочайшего уровня. Его архитектура разработана таким образом, что позволяет обрабатывать визуальную информацию более эффективно, чем центральный процессор компьютера.

он отвечает за размещение 3D-моделей в кадре. Кроме того, каждый из типов графических процессоров фильтрует включенные в него треугольники. Определите, какие из них находятся на виду, удалите те, которые спрятаны за другими предметами. Нарисуйте источники света, определите, как эти источники света влияют на цвет. Графический процессор создает изображение, показывает его пользователю на экране.

GPU: не путать с CPU

Несмотря на сходство аббревиатур, не путайте предмет нашего разговора с CPU (Central Processor Unit). Да, они похожи, как в названии, так и в функциях. Последний тоже может воспроизводить графику, правда, слабее в этом деле. Все же это абсолютно разные устройства.

Они отличаются архитектурой. CPU является многоцелевым девайсом, который отвечает за все процессы в компьютере. Для этого ему хватает нескольких ядер, с помощью которых он последовательно обрабатывает одну задачу за другой.

В свою очередь, GPU изначально разработан как специализированное устройство, предназначенное для выполнение графического рендеринга, с высокой скоростью обрабатывающее текстуры и сложные изображения. Для таких целей его оснастили многопоточной структурой и множеством ядер, чтобы он работал с большими массивами информации единовременно, а не последовательно.

В виду этого преимущества, лидеры среди производителей видеоадаптеров выпустили модели, в которых графические процессоры могут стать усовершенствованной заменой центральным. У бренда nVidia такой девайс называется GTX 10xx, а у его главного конкурента AMD — RX.

Эффективность работы

Чем обусловлена эффективная работа графического процессора? Температурой. Одна из проблем ПК и ноутбуков — перегрев. Именно это становится главной причиной того, почему устройство и его элементы быстро выходят из строя. Проблемы с GPU начинаются, когда температура процессора превышает 65 °С. В этом случае пользователи замечают, что процессор начинает работать слабее, пропускает такты, чтобы самостоятельно понизить увеличенную температуру.

Температурный режим 65-80 °С — критический. В этом случае начинается перезагрузка системы (аварийная), компьютер выключается самостоятельно. Пользователю важно отслеживать, чтобы температура графического процессора не превышала 50 °С. Нормальной считается t 30-35 °С в простое, 40-45 °С при многочасовой нагрузке. Чем ниже температура, тем выше производительность компьютера. Для материнской платы, видеокарты, корпуса и жестких дисков — свои температурные режимы.

Но многих пользователей также беспокоит вопрос, как же уменьшить температуру процессора, чтобы повысить эффективность его работы. Для начала нужно выяснить причину перегрева. Это может быть засорение системы охлаждения, высохшая термопаста, вредоносная программа, разгон процессора, сырая прошивка БИОСа. Самое простое, что может сделать пользователь, — это заменить термопасту, которая находится на самом процессоре. Кроме того, нужно произвести чистку системы охлаждения. Еще специалисты советуют установить мощный кулер, улучшить циркуляцию воздуха в системном блоке, увеличить скорость вращения на графическом адаптере кулера. Для всех компьютеров и графических процессоров одинаковая схема понижения температуры. Важно следить за устройством, вовремя его чистить.

Виды графических процев

Чтобы вы могли ориентироваться на рынке GPU, предлагаю ознакомиться с видами этого устройства:

• Дискретный. Входит в состав видеоадаптера. Подключается к системной плате через специально отведенный разъем (чаще всего PCIe или AGP). Имеет собственную оперативную память. Вы требовательный геймер или работаете со сложными графическими редакторами? Берите дискретную модель.
• Интегрированный (IGP). Раньше впаивался в материнскую плату, теперь встраивается в центральный процессор. Изначально не годился для воспроизведения реалистичных игр и тяжелых графических программ, однако новые модели справляются с этими задачами. Все же учтите, что такие чипы несколько медлительнее, потому что не имеют личной оперативки и обращаются к памяти CPU.
• Гибридная графическая обработка. Это 2 в 1, то есть когда в компьютере устанавливается и первый вид, и второй вид GPU. В зависимости от выполняемых задач, включается в работу или один, или другой. Однако бывают ноутбуки, в которых могут работать сразу 2 вида устройств.
• Внешний тип. Как несложно догадаться, это графический процессор, расположенный снаружи компа. Чаще всего такую модель выбирают обладатели ноутбуков, которым сложно впихнуть в свое железо дискретную видеокарту, но очень хочется получить достойную графику.

Память

Единственные два типа памяти, которые фактически находятся на чипе GPU, – это регистровая и разделяемая. Локальная, глобальная, постоянная и текстурная память находятся вне чипа. Интегрированный GPU не имеет собственной памяти для выполнения расчетов, а для графики и связанных с ней вычислений, особенно в 3D играх, требуется огромное количество памяти. Такой графический процессор (интегрированный GPU) использует оперативную память в качестве собственной.

Но у оперативки есть несколько ключевых особенностей:

• Объем. Этот показатель несколько переоценен, другие характеристики более важны;
• Ширина шины – параметр важнее, чем объем. Чем шире шина, тем большее количество информации отправит оперативная память чипу за промежуток времени, и наоборот. Для воспроизведения большинства игр требуется минимум: 128 бит;
• Частота, от нее завист пропускная способность оперативной памяти. Однако, 256-битная шина при частоте 800 (3200) МГц оказывается продуктивнее, чем 128-битная при 1000 (4000) МГц.
• Тип. Оптимальные на 2019 год типы — это 3-е и 5-е поколения GDDR.

Геометрические блоки

В графических процессорах 2 вида геометрических блоков:

1. Пиксельные,
2. Текстурные.

В современных GPU пиксельных блоков меньше. Они заняты блендингом, т.е. записью рассчитанных видеоадаптером пикселей в оперативку и перемешивании их. Текстурные блоки выбирают и фильтруют текстуры и прочую информацию для построения сцен и общих расчетов.

До появления DirectX 11 мало кто вообще знал, что DirectX – это программная среда (т.е. набор инструментов) для разработки компьютерных игр. В 2015-м появился DirectX 12. Чем выше тесселяция, т.е. дробление плоскости экрана на части для тщательного заполнения их графической информацией, тем выше реализм игры.

Т.е., чтобы с головой погрузиться в атмосферу таких продвинутых игр, как Metro 2033 и т.п., нужно учитывать число геометрических блоков при подборе GPU.

Предназначение GPU

Графический процессор предназначен для обработки специального формата данных – графики. То есть данный аппаратный модуль отвечает за изображение, которое вы видите на экране компьютера. ГПУ способен принимать и обрабатывать команды, которые формируют трехмерную графику.

Стоит заметить, что графический процессор – ключевой компонент видеосистемы компьютера. Именно от видеочипа зависит то, насколько быстро и качественно будет прорисовываться изображение во время игры или же при просмотре видеоролика высокого качества. В общем ЦПУ отвечает за обработку графики. Однако это далеко не все на что способен данный аппаратный модуль. GPU можно найти уйму применений, которые никак не связаны с обработкой графики. Например, графический процессор используется для добычи криптовалюты.

Отличие CPU и GPU

Графический процессор может выполнить лишь часть операций, которые может выполнить центральный процессор, но он делает это с невероятной скоростью. GPU будет использовать сотни ядер, чтобы выполнить срочные вычисления для тысяч пикселей и отобразить при этом сложную 3D графику. Но для достижения высоких скоростей GPU должен выполнять однообразные операции.

Возьмем, например, Nvidia GTX 1080. Данная видеокарта имеет 2560 шейдерных ядер. Благодаря этим ядрам Nvidia GTX 1080 может выполнить 2560 инструкций или операций за один такт. Если вы захотите сделать картинку на 1% ярче, то GPU с этим справится без особого труда. А вот четырехъядерный центральный процессор Intel Core i5 сможет выполнить только 4 инструкции за один такт.

Тем не менее, центральные процессоры более гибкие, чем графические. Центральные процессоры имеют больший набор инструкций, поэтому они могут выполнять более широкий диапазон функций. Также CPU работают на более высоких максимальных тактовых частотах и имеют возможность управлять вводом и выводом компонентов компьютера. Например, центральный процессор может интегрироваться с виртуальной памятью, которая необходима для запуска современной операционной системы. Это как раз то, что графический процессор выполнить не сможет.

Как выбирать?

Когда будете подбирать для себя видеоадаптер, обращайте внимание на такие характеристики:

• Тактовая частота. Указывается в мегагерцах. Чем цифра выше, тем больше информации за секунду сможет обработать устройство. Правда, не только она влияет на его результативность. Архитектура также имеет значение.
• Число вычислительных блоков. Они призваны обрабатывать задачи — шейдеры, отвечающие за вершинные, геометрические, пиксельные и универсальные расчеты.
• Быстрота заполнения (филлрейт). Этот параметр может рассказать, с какой скоростью GPU может вырисовывать картинку. Он делится на 2 вида: пиксельный (pixel fill rate) и текстурный (texel rate). На первый влияет количество ROP-блоков в структуре проца, а на второй — текстурных (TMU).

Обычно в последних моделях GPU первых блоков меньше. Они записывают рассчитанные видеоадаптером пиксели в буферы и смешивают их, что по-умному называется блендинг. TMU выполняют выборку и фильтрацию текстур и другой информации, требуемой для выстраивания сцены и общих расчетов.

Геометрические блоки

Раньше на них никто не обращал внимания, потому что виртуальные игры имели простую геометрию. Этот параметр стали учитывать после появления в DirectX 11 тесселяции. Не понимаете, о чем я? Давайте по порядку.

DirectX является средой (набором инструментов) для написания игр. Чтобы вы ориентировались в теме, скажу, что последняя версия продукта — 12-я, которая вышла в 2015 году.

Тесселяция — это деление плоскости на части для заполнения их новой информацией, что повышает реализм игры.

Таким образом, если вы захотите с головой окунуться в атмосферу Metro 2033, Crysis 2, HAWX 2 и т. п., при выборе GPU учитывайте количество геометрических блоков.

Память

Собрались брать новую видеокарту? Значит, вам нужно учесть еще несколько характеристик оперативки:

• Объем. Важность RAM несколько переоценена, так как не только ее емкость, но также тип и свойства влияют на производительность карты.
• Ширина шины. Это более весомый параметр. Чем шире, тем больше информации сможет отправить память чипу и наоборот за определенное время. Для воспроизведения игр необходимо минимум 128 бит.
• Частота. Тоже определяет пропускную способность оперативки. Но учтите, что память с 256-битной шиной и частотой 800(3200) МГц работает продуктивнее, чем со 128 битами на 1000(4000) МГц.
• Тип. Не буду грузить вас лишней информацией, а лишь назову оптимальные на сегодня типы — это GDDR 3 и 5 поколения.