گرافیک کامپیوتر زیر ذره‌بین: بررسی ساختار، اجزا و نحوه عملکرد

واحد پردازش گرافیکی یا GPU (مخفف Graphics Processing Unit) یکی از اجزای کلیدی در کامپیوترهای مدرن محسوب می‌شود که وظیفه بهبود رندر تصاویر و ویدئوها را بر روی صفحه‌نمایش بر عهده دارد. این قطعه برای فعالیت‌هایی نظیر بازی‌های ویدئویی، خلق آثار هنری دیجیتال و حتی تماشای فیلم‌های با کیفیت بالا ضروری است. کارت گرافیک، سخت‌افزاری تخصصی است که گرافیک را در خود جای داده و امکان پردازش وظایف گرافیکی سنگین را به‌صورت کارآمد فراهم می‌کند. گرافیک داده‌های بصری پیچیده را پردازش می‌کند تا اطمینان حاصل شود که تصاویر نمایش‌داده‌شده روی کامپیوتر، از بافت‌های موجود در بازی‌ها تا روان بودن ویدئوها، واضح، دقیق و روان باشند.

اگر متوجه شده‌اید که برخی بازی‌ها زنده‌تر به نظر می‌رسند یا ویدئوها در سیستم‌های خاصی با کیفیت بهتری پخش می‌شوند، گرافیک نقش مهمی در این امر ایفا می‌کند. این مقاله به بررسی فنی عملکرد کارت‌های گرافیک پرداخته و نقش حیاتی آن‌ها را در محیط‌های محاسباتی شخصی و حرفه‌ای توضیح می‌دهد.

واحد پردازش گرافیکی (GPU) چیست؟

واحد پردازش گرافیکی (GPU) یک مدار الکترونیکی تخصصی است که برای دستکاری سریع و تغییر حافظه طراحی شده تا تصاویر را برای نمایشگر تولید کند. هدف اصلی آن رندر گرافیک و داده‌های بصری است که امکان نمایش تصاویر با وضوح بالا و ساختارهای سه‌بعدی پیچیده را با کمترین فشار بر واحد پردازش مرکزی (CPU) فراهم می‌کند. گرافیک‌ها نه‌تنها در کنسول‌های بازی و کامپیوترهای شخصی، بلکه در سرورها و دستگاه‌های همراه که نیاز به رندر کارآمد گرافیک و ویدئو دارند، به اجزای ضروری تبدیل شده‌اند. همچنین، این واحدها به‌طور فزاینده‌ای برای انجام محاسبات پیچیده ریاضی مورد نیاز در مدل‌سازی علمی، هوش مصنوعی و یادگیری ماشین به کار می‌روند.

گرافیک‌ها در دهه‌های 1970 و 1980 ظهور کردند و در ابتدا برای بازی‌های آرکید و گرافیک‌های ساده کامپیوتری استفاده می‌شدند. اصطلاح گرافیک‌ توسط انویدیا در سال 1999 با عرضه GeForce 256، اولین کارت گرافیک در سطح مصرف‌کننده که قادر به پردازش حداقل گرافیک‌های سه‌بعدی بدون نیاز قابل‌توجه به پردازنده بود، رواج یافت. انویدیا این محصول را به‌عنوان «اولین گرافیک‌ جهان» معرفی کرد. این کارت برای اولین بار قابلیت‌های تبدیل، نورپردازی، تنظیم/برش مثلث‌ها و موتورهای رندر را در یک تراشه واحد ترکیب کرد.

تکامل گرافیک‌ها با قابل‌برنامه‌ریزی شدن آن‌ها ادامه یافت و کاربردشان را از رندر صرف گرافیک به محاسبات عمومی در زمینه‌هایی مانند تحقیقات علمی و یادگیری ماشین گسترش داد. این پارادایم به‌عنوان GPGPU (محاسبات عمومی بر روی واحدهای پردازش گرافیکی) شناخته می‌شود و نقش گرافیک‌ها را به‌عنوان واحدهای محاسباتی قدرتمند و چندمنظوره تثبیت کرده است.

گرافیک‌های امروزی، چه به‌صورت یکپارچه در پردازنده‌ها و چه به‌صورت سخت‌افزار مجزا، بسیار پیچیده بوده و قادر به پردازش موازی عظیم هستند. این واحدها در صنایع و کاربردهای مختلف، از بازی و تولید فیلم گرفته تا تصویربرداری پزشکی و هوش مصنوعی، پیشرفت‌های چشمگیری را به ارمغان آورده‌اند.

پردازش موازی چیست؟

پردازش موازی را می‌توان به تهیه یک وعده غذایی بزرگ برای یک مهمانی تشبیه کرد. اگر یک نفر (نمایانگر پردازنده) بخواهد هر غذا را به‌صورت متوالی آماده کند، کل فرآیند زمان زیادی طول خواهد کشید. اما اگر چندین آشپز (نمایانگر هسته‌های گرافیک) به‌طور هم‌زمان روی غذاهای مختلف کار کنند، عده غذا بسیار سریع‌تر آماده می‌شود. این همان نحوه عملکرد پردازش موازی است؛ گرافیک‌ با تقسیم یک وظیفه بزرگ به وظایف کوچک‌تر و انجام هم‌زمان آن‌ها، توان عملیاتی و کارایی بالاتری نسبت به پردازنده در وظایفی که برای این رویکرد مناسب هستند، به دست می‌آورد.

این تفاوت اصلی بین پردازنده‌ها و گرافیک‌ها است و نشان می‌دهد چرا گرافیک‌ها برای انواع خاصی از محاسبات مناسب‌تر هستند. پردازنده‌ها معمولاً تعداد کمی هسته قدرتمند دارند که قادر به مدیریت تعداد محدودی از رشته‌های نرم‌افزاری با سرعت بالا هستند و برای وظایفی که نیاز به پردازش متوالی دارند، ایده‌آل‌اند. در مقابل، گرافیک‌ها دارای هزاران هسته کوچک‌تر و کارآمدتر هستند که برای پردازش موازی طراحی شده‌اند و برای وظایفی که می‌توانند به عملیات کوچک‌تر تقسیم شوند، مناسب‌اند. پردازنده‌ها برای مدیریت طیف گسترده‌ای از وظایف محاسباتی، از محاسبات اولیه تا الگوریتم‌های پیچیده تصمیم‌گیری طراحی شده‌اند؛ در حالی که گرافیک‌ها برای محاسباتی که شامل بردارها و ماتریس‌ها هستند، مانند رندر گرافیک و برخی محاسبات علمی، کاربرد دارند.

تفاوت گرافیک (GPU) و کارت گرافیک (Graphics Card) چیست؟

هرچند اصطلاحات GPU (پردازنده گرافیکی) و کارت گرافیک (Graphics Card) اغلب به جای یکدیگر به کار می‌روند، اما GPU به‌طور خاص تراشه‌ای است که داخل کارت گرافیک قرار دارد. این تمایز نشان می‌دهد که کارت گرافیک تنها گرافیک‌ نیست، بلکه مجموعه‌ای از چندین جزء حیاتی است که برای رندر تصاویر و انجام وظایف مرتبط با هم کار می‌کنند. گرافیک‌ هسته اصلی مسئول وظایف محاسباتی مرتبط با گرافیک است؛ اما کارت گرافیک کامل شامل اجزای بیشتری است که گرافیک‌ را همراهی کرده و عملکرد آن را ممکن می‌سازند.

اجزای تشکیل‌دهنده کارت گرافیک چیست؟

اجزای کلیدی یک کارت گرافیک عبارت‌اند از:

واحد پردازش گرافیکی (GPU)

گرافیک‌ در قلب کارت گرافیک قرار دارد و پردازنده‌ای تخصصی است که برای تسریع رندر گرافیک طراحی شده است. معماری آن امکان انجام سریع محاسبات ریاضی و هندسی پیچیده را فراهم می‌کند و برای رندر گرافیک و همچنین محاسباتی مانند یادگیری ماشین مناسب است. گرافیک‌ مجهز به هزاران هسته کوچک و کارآمد است که برای چندوظیفگی و مدیریت هم‌زمان وظایف متعدد بهینه شده‌اند. این هسته‌ها برای تسریع وظایف در کاربردهای مختلف با پردازش موازی اطلاعات، مانند پردازش هم‌زمان چندین پیکسل یا راس در یک تصویر، حیاتی هستند.

حافظه ویدئویی (VRAM)

حافظه ویدئویی (Video Random Access Memory) به ذخیره داده‌های تصویری که گرافیک‌ به آن‌ها نیاز دارد، اختصاص دارد. مقدار و نوع VRAM تأثیر زیادی بر عملکرد کارت گرافیک دارد و بر سرعت و وضوح رندر تصاویر اثر می‌گذارد.

سیستم خنک‌کننده

با توجه به اینکه پردازش گرافیک وظیفه‌ای سنگین است، کارت‌های گرافیک دارای سیستم‌های خنک‌کننده داخلی برای جلوگیری از گرمای بیش‌ازحد هستند. این سیستم‌ها می‌توانند از هیت‌سینک‌های غیرفعال تا سیستم‌های خنک‌کننده فعال مبتنی بر فن و در مدل‌های پیشرفته، راه‌حل‌های خنک‌کننده مایع باشند.

کانکتور PCIe

کانکتور PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) رابطی برای ارتباط کارت گرافیک با مادربرد را فراهم می‌کند. این اتصال پرسرعت امکان تبادل داده بین گرافیک‌ و پردازنده‌ را فراهم کرده و عملکرد بهینه کارت گرافیک را تضمین می‌کند. همچنین بخشی از توان مورد نیاز گرافیک‌ را تأمین می‌کند. اکثر گرافیک‌های مدرن دارای کانکتورهای قدرت تکمیلی هستند، زیرا اسلات PCIe روی مادربرد تنها تا 75 وات توان تأمین می‌کند.

کانکتورهای برق

کارت‌های گرافیک با عملکرد بالا به توان بیشتری نسبت به آنچه اسلات PCIe مادربرد می‌تواند تأمین کند، نیاز دارند؛ بنابراین، این کارت‌ها دارای یک یا چند کانکتور برق هستند که باید مستقیماً به واحد منبع تغذیه (PSU) متصل شوند.

رابط خروجی

کارت‌های گرافیک دارای کانکتورهای خروجی مانند HDMI، DisplayPort، DVI یا VGA هستند تا تصاویر رندرشده را به نمایشگر منتقل کنند. کارت‌های مدرن معمولاً از HDMI و DisplayPort پشتیبانی می‌کنند، زیرا این کانکتورها از وضوح و نرخ تازه‌سازی بالاتری پشتیبانی می‌کنند.

برد مدار چاپی (PCB)

PCB جایی است که تمام اجزای کارت گرافیک روی آن نصب شده‌اند. این برد حاوی مدارهای لازم برای ارتباط گرافیک‌، حافظه و سایر اجزا با یکدیگر و با سایر قسمت‌های کامپیوتر است.

کنترل‌کننده حافظه

کنترل‌کننده حافظه، ترافیک داده بین گرافیک‌ و VRAM را مدیریت می‌کند. کنترل‌کننده‌های حافظه کارآمد برای حفظ عملکرد بالا حیاتی هستند، زیرا تضمین می‌کنند که گرافیک‌ به‌طور مداوم به داده‌های مورد نیاز دسترسی دارد.

بایوس

تراشه بایوس (Basic Input/Output System) فریم‌ور کارت گرافیک را ذخیره می‌کند. این فریم‌ور نحوه تعامل کارت با سایر قسمت‌های کامپیوتر را کنترل کرده و اطلاعات ضروری را در زمان راه‌اندازی به سیستم ارائه می‌دهد.

کارت گرافیک یک فناوری پیچیده است که هر جزء آن نقش مهمی در ارائه گرافیک‌های پرسرعت و با وضوح بالا ایفا می‌کند. چه برای بازی، کارهای گرافیکی حرفه‌ای یا استفاده‌های چندرسانه‌ای عمومی، درک این اجزا می‌تواند به کاربران در انتخاب یا ارتقای کارت گرافیک کمک کند.

گرافیک چگونه کار می‌کند؟

عملکرد گرافیک‌ را می‌توان از طریق چند مرحله کلیدی که در تبدیل داده‌ها به خروجی گرافیکی دخیل هستند، توضیح داد. ابتدا، گرافیک‌ داده‌ها و دستورالعمل‌هایی را از پردازنده‌ درباره صحنه‌ای که باید رندر شود، دریافت می‌کند. این داده‌ها معمولاً شامل اطلاعات مربوط به بافت‌ها، مختصات مدل‌های سه‌بعدی، نورپردازی و نیازهای سایه‌زنی هستند. وقتی کامپیوتر می‌خواهد یک تصویر سه‌بعدی را بسازد، اول اطلاعات مربوط به نقاط اصلی (که به آن‌ها «رأس» می‌گویند) را بررسی می‌کند؛ این کار در بخشی به نام «سایه‌زن رأس» انجام می‌شود. این مرحله شامل محاسبه موقعیت رئوس در فضای سه‌بعدی و تبدیل آن‌ها بر اساس دیدگاه دوربین است و شکل اشیاء را تعیین می‌کند.

سایه‌زنی هندسی امکان دستکاری هندسه در صحنه‌ها، از جمله ایجاد رئوس و اشکال اولیه اضافی را فراهم می‌کند و انعطاف‌پذیری بیشتری در خط لوله رندر ایجاد می‌کند. پس از پردازش مدل‌های سه‌بعدی، اطلاعات به پیکسل‌های دوبعدی یا «قطعات» که روی صفحه نمایش داده می‌شوند، رستریزه (Rasterisation) می‌شوند. این فرآیند شامل تعیین پیکسل‌های متناظر با هر مثلث از مدل‌های سه‌بعدی روی صفحه است.

سپس، در مرحله سایه‌زن قطعه (یا سایه‌زن پیکسل)، گرافیک رنگ و سایر ویژگی‌های هر پیکسل را محاسبه می‌کند و بافت‌ها، نورپردازی و سایه‌ها را اعمال می‌کند تا تصویر دقیقی ایجاد شود. در نهایت، قطعات پردازش‌شده به یک بافر فریم خروجی داده می‌شوند و عملیات ترکیب در صورت نیاز انجام می‌شود. سپس تصویر به دستگاه نمایشگر ارسال می‌شود.

گرافیک‌های یکپارچه در مقابل گرافیک‌های مجزا

گرافیک‌های یکپارچه در همان تراشه پردازنده‌ ساخته می‌شوند و منابع، از جمله حافظه (RAM)، را با پردازنده‌ به اشتراک می‌گذارند. این گرافیک‌ها برای کارایی بهینه شده‌اند و برای وظایف روزمره مانند پخش ویدئو، بازی‌های ساده و ویرایش اولیه عکس عملکرد مناسبی ارائه می‌دهند.

گرافیک‌های اختصاصی (یا مجزا) از پردازنده‌ جدا بوده و دارای حافظه اختصاصی هستند که به آن‌ها امکان می‌دهد وظایف گرافیکی پیچیده را بدون تأثیر بر عملکرد پردازنده‌ مدیریت کنند. این گرافیک‌ها برای بازی‌های سنگین، مدل‌سازی سه‌بعدی، طراحی گرافیکی حرفه‌ای و ویرایش ویدئو با وضوح بالا ترجیح داده می‌شوند.

گرافیک‌های موبایل در مقابل کارت‌های گرافیک دسکتاپ

تمام کارت‌های گرافیک به‌عنوان گرافیک‌های اختصاصی در نظر گرفته می‌شوند، اما همه گرافیک‌های اختصاصی کارت گرافیک نیستند. برخی گرافیک‌ها در قالب کوچک‌تری طراحی شده‌اند تا در لپتاپ‌ها یا سایر دستگاه‌های همراه جای گیرند. این گرافیک‌ها که به گرافیک‌های همراه یا موبایل معروف‌اند، مرزهای گیمینگ پرتابل و خلق محتوا را بازتعریف کرده‌اند.

گرافیک‌های دسکتاپ، گرافیک‌های بزرگ‌تر و قدرتمندتری هستند که برای کامپیوترهای دسکتاپ طراحی شده‌اند. این گرافیک‌ها مصرف انرژی بالاتری دارند، اما اندازه بزرگ‌تر آن‌ها امکان پردازش قوی‌تر، دفع بهتر گرما و معمولاً قابلیت ارتقا یا تعویض قطعات را فراهم می‌کند. گرافیک‌های دسکتاپ برای گیمرها، طراحان و حرفه‌ای‌هایی که به عملکرد بالا نیاز دارند، ترجیح داده می‌شوند.

گرافیک‌های موبایل معمولاً در لپتاپ‌ها، گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها یافت می‌شوند. این گرافیک‌ها برای کارایی انرژی و فشردگی طراحی شده‌اند. گرچه به اندازه همتایان دسکتاپ خود قدرتمند نیستند، پیشرفت‌های فناوری عملکرد آن‌ها را به‌طور قابل‌توجهی بهبود داده و دستگاه‌های همراه مدرن را قادر به انجام بازی‌های پیچیده و وظایف حرفه‌ای کرده است.

انویدیا، AMD و اینتل پیشروهای صنعت گرافیک‌ هستند؛ بنابراین، اگر قصد خرید گرافیک‌ برای ساخت یک کامپیوتر جدید یا ارتقای کامپیوتر فعلی خود را دارید، احتمالاً گزینه شما از محصولات این شرکت‌ها خواهد بود.

گرافیک در چه زمینه‌هایی کاربرد دارد؟

گرافیک‌ در طیف گسترده‌ای از برنامه‌های نیازمند پردازش سنگین، از جمله امور مالی در مقیاس بزرگ، کاربردهای دفاعی و فعالیت‌های پژوهشی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه، به برخی از رایج‌ترین کاربردهای گرافیک‌ در حال حاضر اشاره می‌شود.

بازی‌های ویدیویی

نخستین کاربردهای گرافیک‌ که فراتر از برنامه‌های تصویرسازی تجاری و دولتی بود، در حوزه بازی‌های ویدیویی شخصی ظهور کرد. این واحدها در کنسول‌های بازی دهه 1980 مورد استفاده قرار گرفتند و همچنان در کامپیوترهای شخصی و کنسول‌های بازی امروزی کاربرد دارند. گرافیک‌ها برای رندرینگ گرافیکی پیچیده ضروری هستند.

تصویرسازی حرفه‌ای

گرافیک‌ها در برنامه‌های حرفه‌ای مانند طراحی به کمک کامپیوتر (CAD)، ویرایش ویدیو، ارائه تعاملی محصولات، تصویربرداری پزشکی و تصویرسازی لرزه‌نگاری به کار می‌روند. همچنین، در سایر برنامه‌های پیچیده ویرایش تصویر و ویدیو و تصویرسازی استفاده می‌شوند. برنامه‌های مبتنی بر مرورگر نیز می‌توانند با استفاده از کتابخانه‌هایی مانند WebGL از توان گرافیک‌ بهره ببرند.

یادگیری ماشین

آموزش یک مدل یادگیری ماشین (ML) به توان پردازشی بالایی نیاز دارد. این مدل‌ها اکنون می‌توانند روی گرافیک‌ها اجرا شوند تا نتایج سریع‌تری حاصل شود. در حالی که آموزش مدل روی سخت‌افزارهای خریداری‌شده توسط کاربر ممکن است زمان‌بر باشد، استفاده از گرافیک‌های ابری یا کلاد می‌تواند نتایج را به سرعت ارائه دهد.

بلاکچین

ارزهای دیجیتال بر پایه فناوری بلاکچین ساخته شده‌اند. نوع خاصی از بلاکچین، یعنی اثبات کار (Proof of Work)، معمولاً به شدت به گرافیک‌ها برای عملکرد خود وابسته است. مدارهای مجتمع ویژه‌منظور (ASIC)، که تراشه‌ای مشابه اما متفاوت هستند، اکنون جایگزین رایجی برای پردازش گرافیک‌ در بلاکچین محسوب می‌شوند. الگوریتم‌های اثبات سهام (Proof of Stake) نیاز به توان پردازشی عظیم را حذف کرده‌اند؛ اما اثبات کار همچنان رایج است.

شبیه‌سازی

برنامه‌های شبیه‌سازی پیشرفته مانند دینامیک مولکولی، پیش‌بینی آب‌وهوا و اخترفیزیک همگی از طریق گرافیک‌ها قابل اجرا هستند. گرافیک‌ها همچنین در طراحی خودرو و وسایل نقلیه بزرگ، از جمله دینامیک سیالات، نقش مهمی ایفا می‌کنند.

تفاوت بین گرافیک (GPU) و پردازنده (CPU) چیست؟

تفاوت اصلی بین پردازنده و گرافیک‌ در نقش آنها در یک سیستم کامپیوتری نهفته است. این دو بسته به سیستم، وظایف متفاوتی دارند. برای مثال، در یک کنسول بازی دستی، کامپیوتر شخصی یا ابررایانه با چندین کابینت سرور، نقش‌های متفاوتی ایفا می‌کنند.

به طور کلی، پردازنده مدیریت کل سیستم، وظایف عمومی و کنترل را بر عهده دارد؛ در مقابل، گرافیک‌ وظایف پردازشی سنگین مانند ویرایش ویدیو یا یادگیری ماشین را انجام می‌دهد. پردازنده‌ها برای انجام وظایفی مانند مدیریت سیستم، چندوظیفگی بین برنامه‌های مختلف، عملیات ورودی و خروجی، توابع شبکه، کنترل دستگاه‌های جانبی، چندوظیفگی سیستم‌های حافظه و ذخیره‌سازی بهینه شده‌اند.

جمع‌بندی بررسی گرافیک کامپیوتر

کارت گرافیک یکی از اجزای حیاتی سیستم‌های کامپیوتری است؛ حتی در دستگاه‌های کوچک مثل لپتاپ‌های اقتصادی یا کنسول‌های بازی، وجود آن ضروری است. این قطعه اساس رندر تصاویر، پردازش گرافیک و اجرای بازی‌ها و نرم‌افزارهای سنگین را فراهم می‌کند و ارتباط بین پردازنده، حافظه و نمایشگر را مدیریت می‌نماید. تولید و ارتقای کارت گرافیک قدرتمند هزینه‌بر است، اما به عنوان یکی از بادوام‌ترین و تأثیرگذارترین اجزا در عملکرد کلی سیستم، سرمایه‌گذاری روی آن ارزشمند است.