وحدة معالجة الرسومات
إن وحدة معالجة الرسومات اختصارا (و م ر - GPU) إنگليزية: Graphics processing unit أو Visual processing unit من أنواع المعالج الصغري المكرس للتصيير في أجهزة الحاسوب الشخصي و الحاسوب الإداري و أنظمة ألعاب الفيديو. وإن وحدات معالجة الرسومات الحديثة فعالة جدا في معالجة وعرض رسومات الحاسوب. وإن نظام التحليل المتوازي يجعلها أكثر فعالية من وحدات المعالجة المركزية في مجموعة من الخوارزميات المعقدة. ويمكن وضعها على بطاقة العرض المرئي أو متكاملة مباشرة في اللوحة الأم.[1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
تاريخ
مسرع الرسومات
- إن وحدة معالجة الرسومات هي المعالج الملتصق إلى بطاقة الرسومات مخصصة لحساب عمليات الفاصلة العائمة وما شابه ذلك.
- وهي تضم رقائق الالكترونية التي تتضمن عمليات حسابية خاصة وتستخدم في تقديم الرسومات. وإن جدارة الرقاقة تحدد فعالية مسرع الرسومات. وهي تُستخدم اساسا لألعاب الفيديو ثلاثية الأبعاد وبرامج معالجة الرسومات ثلاثية الأبعاد.
- وإنها تنفذ عددا من العمليات الرسومات البدائية وتجعلها تعمل بشكل أسرع من العرض مباشرة على الشاشة بإدارة وحدة المعالجة المركزية.
السبعينات
إن رقاقات إيه أن تي أي سي (ANTIC) و سي تي أيه إي (CTIA) أمنت أجهزة التحكم بالرسومات المدموجة وصياغة النصوص, وغير ذلك من التأثيرات على الكمبيوتر أتاري بنظام 8 بتات. وكانت رقاقة إيه أن تي أي سي معالجة رسم بينات النصوص و الرسومات على شكل إشارة فيديو. وإن مصمم هذة الرقاقة, جاي ماينور Jay Miner, قام بتصميم رقاقة معالجة الرسومات لجهاز كومودور (Commodore) من شركة أميجا (Amiga).
الثمانينات
كان جهز كومودور أميجا أول جهاز صنع بكثافة يحتوي جهازه الفديو على نظام بليتر (Blitter), وكان نظام أي بي أم 8514 الرسومي من أول أنظمة العرض المرئي بإستطاعتها تنفيذ رسومات بدائية ثنائية الأبعاد. كانت أجهزة أميجا مميزة, في ذاك الوقت, لإحتوائها على ميزة مهمة وهي ما يعرف الآن بنظام تسريع الرسومات متكامل, الذي أمكن تحويل معالج الرسومات إلى المعدات الصلبة, من ذلك الرسم الخطوطي, تعبئة مناطق, نقل قطع الصور, و معالج الرسومات المساعد (Graphics Coprocessors) بمجموعة التعليمات مخصّصة لها. وكانت عملية رسم وعرض الرسومات تعالج كلها بوسطة وحدة المعالجة المركزية من قبل.
التسعينات
في أوائل التسعينات وعندما بدأ مايكروسوفت ويندوز بالبزوخ زاد الإهتمام بالأداء العالي لدى, دقة رسوميات الرستر. وإن هيمنة ويندوز أدت إلى زيادة الإهتمام بتطوير برنامج مواجهة لوحدة معالجة الرسومات, وهو واجهة جهاز الرسومات جرافيكس ديفايس إنترفيس (Graphics Device Interface GDI).
في عام 1991, قامت شركة أس ثري جارفيكس (S3 Graphics) بإنتاج أول رقاقة أحادية مسرعة ثنائية الأبعاد, وهي رقاقة S3 86C911 (رقمت برقم 911 إشارة إلى سيارة بورش 911 علامة على قدرة البطاقة العالية). وإن هذه الرقاقة أنتجة الكثير من المقلدين, فأصبح أغلب وحدات العرض المرئي في نهاية عام 1995 تحتوي على مسرع ثنائي الأبعاد. وبحلول هذا الوقت, تجاوز البرامج المسرعة للويندوز قدرة معالج الرسومات المساعد مما أدى إلى تلاشيها من أنظمة الحسوب الشخصية.
و في خلال التسعينات استمرت واجهة مستخدم رسومية ثنائية الأبعاد بالتطور. وبتحسن قدرات التصنيع, تحسن أيضن مستوى دمج رقاقات الرسومات. وظهر العديد من واجهات البرمجة التطبيقية للعديد من المهمات مثل مكتبة رسومات مايكروسوفت وين جي (WinG) لوندوز 3.x, ولاحقا واجهة دايركت درو (DirectDraw) لتسريع الألعاب ثنائية الأبعاد داخل ويندوز 95 و ما بعده.
في أوائل ومنتصف التسعينات, بدأت الرسومات ثلاثية الأبعاد بالظهور بمساعدة وحدة المعالجة المركزية في أجهزة الحاسوب وأنظمة ألعاب الفيديو, مما أدى إلى إزدياد الطلب على جهاز متخصص مسرع للرسومات ثلالثية الأبعاد. و من أوائل هذه الأنظمة التي تم تسويقها بشكل كبير موجودة في الجيل الخامس من أنظمة ألعاب الفيديو مثل بلايستايشن ونينتندو 64. و من بعض الرقاقات المسرعة ثلاثية الأبعاد الرخيصة لأجهزة الحاسوب التي فشلت: أس ثري فيرجي (S3 ViRGE), إيه تي أي رايج, وماتروكس مستيك (Matrox Mystique). فكانت هذه الرقاقات من الجيل السابق من المعالجات ثنائية الأبعاد مرفقا بها ميزات ثلاثية الأبعاد. و في البداية, لم تكن الرسومات ثلاثية الأبعاد ممكنة إلى عن طريق لوحات منفصلة مخصصة لتسريع وظائف ثلاثية الأبعاد (ولاكن كان ينقصها معالج ثنائي الأبعاد) مثل بطاقة فودو من شركة ثري دي أف أكس (3dfx). وكما تقدمت تكنولوجيا التصنيع, أصبحت المعالجات ثنئية الأبعاد والمعالجات ثلاثية الأبعاد مندمجة في رقاقة واحدة. ومن أول رقاقة التي قامت بذلك رقاقة فيرايت (Verite) من شركة رنديشون (Rendition).
وظهرت في أوائل التسعينات واجهة برمجة التطبيقات محترفة وهي أوبن جي أل (OpenGL), وأصبحة القوة المهيمنة في مجال الحاسوب الشخصي, وقوة دافعة لتطوير معدات العرض المرئي. وكانت البرمجات التنفيذ لواجهة أوبن جيل واسعة في ذلك الوقت, وكن تأثير أوبن جي أل قويا مما أدى في نهاية المطاف إلى دعم هذه الواجهة في أجهزة العرض المرئي على نطاق واسع. و مع مرور الوقت اصبحة الميزات الموجودة داخل بطاقات العرض متساوية مع تلك التي في واجهة أوبن جي أل. و في أواخر التسعينات, أصبح دايركت إكس (DirectX) محبوبا بين مصممي الألعاب لنظام الويندوز. وخلافا لنظام فاير جي أل, فإن مايكروسوفت أجبرت على دعم نظام دايركت إكس في معدات العرض المرئي. وهذه الخطوة جعلت دايركت إكس أقل مرغوبة كواجهة برمجة تطبيقات لأن أغلب الميزات الموجودة فيها موجودة في الأصل في وحدات معالجة الرسومات, والتي كان بإستطاعة واجهة أوبن جي أل الإستفادة منها ومما جعل واجهة دايركت إكس متأخرة عن أوبن جي أل.
مع مرور الوقت أصبحة مايكرسوفت تعمل إلى جانب مصمِّمي وحدات معالجة الرسومات, وبدأت تستهدف إطلاق نظام دايركت إكس مع أجهزة العرض المرئي الداعمة لها. وكان دايركت ثري دي 5.0 (Direct3D 5.0) أول واجهة برمجة تطبيقية حصلت على اعتماد واسع النطاق في سوق الألعاب, وتنافست بشكل مباشر مع العديد من مواصفات معدات العرض المرئي, ولكن حافظة أوبن جي أل على ملحقات قوية. وقدمت دايركت ثري دي 7.0 الدعم لتسريع نظام التحويل والإضائة (Transform and Lighting T&L) بواسطة المعدات. وتخطت المسرعات ثلاثية الأبعاد عملها الرئيسي لتتضمن مصيير لأنابيب رسومات ثلاثية الأبعاد. فإن بطاقة NVIDIA GeForce 256 (المعروف أيضا باسم NV10) أول بطاقة أطلقت في الأسواق مع هذه القدرة.
من الألفين إلى الآن
بعد ظهور واجهة البرمجة التطبيقية أوبن جي أل والوظائف المماثلة لها في دايركت إكس, أضيف إلى وحدا معالجة الرسومات قدرة البرمجة التظليلية. وأصبح بالإستطاعة تحليل العنصورات ببرامج قصيرة يمكن أن تتضمن إكساءات, وكذالك كل النقاط الهندسة يمكن يمكن تحليلها ببرنامج قصير قبل عرضها على الشاشة. وكانت أنفيديا أول شركة أنتجت رقاقات بإستطاعتها برمجة الأظلة وهي GeForce 3 (المعروفة بإسم NV20). وبحلول تشرين الثاني عام 2002, أطلقة شركة إيه تي أي بطاقة Radeon 9700 (المعروفة بإسم R300), وهي أول بطاقة إحتوت على مسرع دايركت ثري دي 9.0, و مظلل العنصورات والنقالت الهندسية بأستطاعتها تنفيذ عمليات حسابية على أعداد الفاصلة العائمة متكررة و طويلة .وسرعان ما أصبحت وحدات معاجة الرسومات مرنة مقارنة مع وحدات المعالجة المركزية. وغالبا ما كان مظلل العنصورات يستعمل في رسم نتوء, التي تضيف إكساءات لتجعل الأحجام تبدو براقة ،باهتة ، خشنة ، أو حتى مبرومة أو مبثوقة. [2]
ومع إزدياد قدرة وحدات معالجة الرسومات على التحليل، إزداد طلبها للطاقة الكهربائية. وإن وحدات معالجة الرسومات عالية الأداء غالبأ ما تستهلك طاقة أكثر من وحدات المعالجة المركزية الحالية.[3]
وحاليا أصبحت وحدالت معالجة الرسومات المتوازية (Parallel GPUs) تبدء بالدخول على قدرات وحدات المعالجة المركزية, بواسطة التحليل لأغراض عامة على وحدة معالجة الرسومات ("General Purpose Computing on GPU "GPGPU). وقد وجدت طريقها إلى مجالات متنوعة مثل التنقيب عن النفط ومعالجة العلمية للصور والجبر الخطي وإعادة البناء ثلاثية الأبعاد وحتى تحديد تسعير خيارات الأسهم. وهاذا ما يزيد الضغط على تطوير قدرة وحدات معالجة الرسومات عن طريق إضافة المزيد من المرونة لنماذج البرمجة.
مصنعوا وحدات معالجة الرسومات
إن الشركات الرئيسية التي تصنع وحدات معالجة الرسومات تحت أسماء تجارية مختلفة, وأهمها إنتل وأنفيديا وإيه أم دي/إيه تي أي وإن نصيب هذه الشركات من السوق هو 49.4 ٪ و 27.8 ٪ و 20.6 ٪ على التوالي. بيد أن هذه الأرقام تشمل وحدات إنتل منخفضة التكاليف للغاية و منخفضة الأداء. فإذا طُرحة تلك الوحدت نجد أن أنفيديا و إيه أم دي تهيمن على كل أسواق هذه الوحدات. وبالإضافة إلى هذه الشركات, فإن فيا تكنولوجيز/أس ثري جرافيكس وماتروكس تصنع أيضا وحدات معالجة الرسومات..[4]
وظائفها التحليلية
إن وحدات معالجة الرسومات الحالية تستعمل معظم مقحلاتها لعمليات حسابية تتعلق بالرسومات ثلاثية الأبعاد. وكانت سابقا تُستخدم لتسريع العمل المكثف لذاكرة إكساء الرسومات و تسريع تصيير المضالع. ولاحقا أضيف إليها وحدات لتسريع العمليات الحسابية الهندسية مثل الدوران وإنزلاق النقطة الهندسية إلى نظام إحداثيات جديدة. والتطوير الحديث لوحدات معاجة الرسومات ضم نظام تظليل قابل للبرمجة الذي يمكنه التلاعب بالنقاط الهندسية و بالإكساءات بواسطة العديد من العمليات التحليلية المطابقة لتلك التي في وحدات المعالجة الرأيسية, و بالإضافة إلى ذلك, الإفرط (Oversampling) والاستيفاء لتخفيض التعرجات ومساحات ألوان عالية الدقة. ولأن هذه العمليت تضمن عمليات حسابية للمصفوفة وللأشعة, بدأ العلماء والباحثون بدراسة استعمال وحدات معالجة الرسومات لعمليات حسابية لا تتعلق بالرسومات.
وبالإضافة إلى معدات الرسومات ثلاثية الأبعاد, تحوي وحدالت معالجة الرسومات على مسرع للرسومات ثنائية الأبعاد وقدرة فرايم بافر (Framebuffer). وبالإضافة إلى ذلك, كل وحدة معالجة الرسومات منذ سنة 1995 تحتوي على نظام واي يو في (YUV) للألوان. و الكثير من هذه الوحدات بدأت منذ عام 2000 دعم أنظمة إم بي إي جي بدائية مثل تعويض الحركة (Motion compensation) وتحويل جيب التمام المتقطع. وتحتوي بعض بطاقات العرض الجديدة على فاكك شفرات الفيديوهات فائقة الجودة (High-definition Video) التي تخفف الضغط عن وحدة المعالجة المركزية.
مظاهر وحدة معالجة الرسومات
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
وحدات العرض المرئي المكرسة
وهي أقوى صيغة لوحدة معالجة الرسومات وتتصل مع اللوحة الأم عن طريق شقوق التوسيع (Expansion Slot) مثل منفذ الملحقات الإضافية السريع (PCI Express) ومنفذ الرسوميات السريع (AGP) ويمكن تغير البطاقات بطريقة سهلة جدا. وبعض هذه البطاقات مازال تستعمل منفذ الملحقات الإضافية ولكن حجم تدفق بياناته بطيء ولا يستعمل إلا عند عدم وجود منفذ الملحقات الإضافية السريع أو منفذ الرسوميات السريع. وإن وحدات العرض المرئي المكرسة لا تعني أنه يمكن فصلها عن الوحة الأم, بل أنها تحتوي على ذاكرة الوصول العشوائي خاصة بها. لأن وحدات معالجة الرسومات المكرسة لحاسوب المحمول في العادة تكون مندمجة مع لوحة الأم .
وهناك تكنلوجيات جديدة نسبي, وهي أس أل أي (SLI) من شركة إنفيديا وكروس فاير (CrossFire) من شركة إيه تي أي, التي تمكن من دمج قدرة تحليل عدة وحدات معالجة الرسومات لترسم صورة واحدة, مما يقوي قدرة تحلل بينات الرسومات.
وحدات معالجة الرسومات المندمجة
وهي تتقاسم ذاكرة الوصول العشوائي بينها وبين وحدات المعالجة المركزية عوضا عن إستعمالها لذاكرة الوصول العشوائي خاصة بها. وإن الحواسيب التي تتضمن وحدات معالجة الرسومات مندمج تكون 90% من مبيعات الحواسيب, لأن كلفتها أرخص من وحدات معالجة الرسومات المكرسة, ولكنها إقل قدرة منها.[5] وهي تعيبر تاريخيا غير صالحة لعرض رسومات الألعاب ثلاثية الأبعاد أو تشيغيل برامج تحتاج إلى تحليل رسومات مكثف. ولكن بعض هذه الوحدات مثل وحدات جي أم إيه إكس 3000 (GMA X3000) من شركة إنتل (في مجموعة شرائح إنتل جي 965 G965) و وحدات ريدون أتش دي 3200 (Radeon HD 3200) من شركة إيه أم دي (في مجموعة شرائح إيه أم دي 780 جي AMD 780G) و وحدات جي فورس 8200 GeForce 8200 من شركة إنفيديا (في مجموعة شرائح إنفيديا أن فورس 730 إيه nForce 730a) تحتوي على قدر ضئيلة نسبيأ ولكن أكبر من غيرها من وحدات وحدات معالجة الرسومات المندمجة في التحليل ثنائي و ثلاثي الأبعاد لبعض البرامج, ولكنها تنازع مع الألعاب ثلاثية المتقدمة. وإن معظم لوحات الأم التي تحتوي على وحدات معالجة الرسومات المندمجة تحتوي أيضا على شقوق التوسيع لضم بطاقات عرض الرسومات مكرسة إذا أراد المستهلك.
ولأن وحدات معالجة الرسومات تتكل بشكل كثيف على ذاكرة الوصول العشوائي, فإن وحدات معالجة الرسومات المندمجة تتنافس مع وحدة المعالجة المركزية على سرعة تضفق بيانات ذاكرة الوصول العشوائي البطيأة نسبيا لأن سرعة تضفق بيانات ذاكرة المنظومة تقع بين 2 Gb/s و 12.8 Gb/s أم سرعة تضفق بيانات ذاكرة وحدات معالجة الرسومات المكرسة تقع بين 10 Gb/s إلى أكثر من 100 Gb/s. وإن وحدات معالجة الرسومات المندمجة القديمة ينقصها نظام التحويل والإضائة, ولكن الوحدات الجديدة تتضمن ذلك.[6]
وحدات هجينة
وهي فئة جديدة تتنافس مع وحدات معالجة الرسومات المندمجة في الحاسوب الشخصي و المحمول. وأكبر مثال على ذالك نظامي تيربو كاتش (TurboCache) من شركة إنفيديا و هايبر ماموري (HyperMemory) من شركة إيه تي أي. فإن وحدات العرض المرئي الهجينة أغلى من وحدات معالجة الرسومات المندمجة ولكنها في نفس الوقت أقل قدرة من وحدات العرض المرئي المكرسة. فهي مثل وحدات معالجة الرسومات المندمجة تشارك منظومة الحاسوب ذاكرتها, ولكن تحوي في نفس الوقت على ذاكرة خاصة بها أصغر من ذاكرة وحدات العرض المرئي المكرسة, للتعويض عن إرتفاع كمون ذاكرة نظام الحاسوب, وإن تكنولوجية منفذ الملحقات الإضافية السريع (PCI Express) تمكنها من ذلك. وفي حين أن هذه الحلول تشير إلى حجم ذاكرة يصل إلى 768MB لكنها تعني كمية الذاكرة التي تشاركها مع منظومة الحاسوب, وليست التي تحويها في البطاقة.
تحليل التدفق والتحليل لأغراض عامة على وحدة معالجة الرسومات
وهي مفهوم جديد يستخدم نظام معدل من نظام التحليل المتدفق (Stream processing) ليمكّن من التحليل لأغراض عامة على وحدة معالجة الرسومات. وإن هذه المنظومة تحوّل قدرة العمليات الحسابية على أعداد الفاصلة العائمة في مسرع الرسومات الحديثة إلى قوة تحليل عامة, بدلا من تكريسها لعمليات حساب الرسومات. في بعض التطبيقات التي تتطلب عمليات حساب نقات هندسية ضخمة, يمكن من الوصول إلى أداء أعل من أداء وحدات المعالجة المركزية التقليدية. وبدأت الشركات التي تصنع وحدات العرض المرئي المكرسة ,إنفيديا و إيه تي أي, التسابق في التوسع في هذا السوق مع سلسلة من التطبيقات. وإن شركتي إنفيديا و إيه تي أي تعملان مع جامعة ستنفرد لتصنع برنامج يستخدم وحدات معالجة الرسومت ليساهم في مشروع الحوسبة الموزعة Folding@home. وفي ظروف معينة, تقوم وحدت معالجة الرسومات بعمليات حسابية أسرع بأربعين مرة من وحدة المعالجة المركزية المخصصة لهذه العمليات.[7][8]
وفي الآونة الأخيرة بدأت شركة إنفيدي تعرض بطاقات العرض المرئي التي تدعم ملحقات واجهة البرمجة التطبيقات (API) للغة البرمجة سي مسمات كودا (Compute Unified Device Architecture), التي تمكن بعض وظائف الخاصة لبرامج السي لتعمل على محلل التدفق في وحدة معالجة الرسومات. وهذا يمكّن برامج السي الإتستفادة من وحدات معالجة الرسومات لمعالجة مصفوفات كبيرة بشكل متوازي, مع استعمال وحدات المعالجة المركزية عندما يقتضي الأمر. وإن برنامج كودا هو أول واجهة برمجة تطبيقات تمكن من عمل برامج مخصصة لوحدات المعالجة المركزية على وحدات معالجة الرسومات للتحليل لأغراض عامة من دون التقيد بإستخدام واجهة برمجة تطبيقات للرسومات.
ومنذ عام 2005 أصبح هنك إهتمام في استعمال الأداء الذي تقدمه وحدة معالجة الرسومات للحساب التطوري بشكل عام ولتسريع تقييم اللياقة البدنية في برمجة الجينات بشكل خاص. وإن معظم النهج تستخدم Linear genetic programming أو Tree-based genetic programming على الحاسوب المضيف ثم تنقل التننفيذ إلى وحدات معالجة الرسومات.
اقرأ أيضا
مراجع
- ^ مقوع computershopper.com
- ^ Bump Mapping Using CG (3rd Edition)
- ^ X-bit labs: Faster, Quieter, Lower: Power Consumption and Noise Level of Contemporary Graphics Cards
- ^ Q3 Sales Report from JRR via TechReport.com
- ^ AnandTech: µATX Part 2: Intel G33 Performance Review
- ^ Bradley Sanford. "Integrated Graphics Solutions for Graphics-Intensive Applications" (PDF). Retrieved 2007-09-02.
- ^ Darren Murph. "Stanford University tailors Folding@home to GPUs". Retrieved 2007-10-04.
- ^ Mike Houston. "Folding@Home - GPGPU". Retrieved 2007-10-04.