همه‌چیز درباره پردازنده گرافیکی و کارت گرافیک : از اصول تا کاربردهای پیشرفته

گرافیک به عنوان یکی از بنیادی‌ترین اجزای دنیای مدرن، نقش مهمی در زندگی روزمره ما ایفا می‌کند. از نقاشی‌ها و تصاویر گرفته تا نمودارها و دیاگرام‌ها، همه با گرافیک در ارتباط هستند. در دنیای دیجیتال امروزی، کارت‌های گرافیک با توانایی‌های فوق‌العاده‌ای که دارند، تبدیل به اجزای حیاتی در سخت افزار کامپیوترها شده‌اند، هرچند پردازنده گرافیکی و کارت‌های گرافیک تاثیر بسزایی در تاریخچه‌ی کامپیوتر نیز داشته‌اند. این مقاله به بررسی جامع پردازنده گرافیکی (GPU)، انواع کارت‌های گرافیک و کاربردهای متنوع آن‌ها در زمینه‌های مختلف می‌پردازد. با هامیا ژورنال همراه باشید تا به دنیای شگفت‌انگیز پردازنده‌های گرافیکی و کارت‌های گرافیک نگاهی بیاندازیم.

گرافیک چیست؟

به طور کلی، کلمه “گرافیک” به نمایش بصری هر نوع داده اشاره دارد و شامل انواع مختلفی از جمله نقاشی‌ها، عکس‌ها، خط‌نگاری‌ها، نمودارها، دیاگرام‌ها، اعداد، نمادها، طرح‌های هندسی، نقشه‌ها و نقشه‌های مهندسی می‌شود. گرافیک ممکن است فقط شامل تصاویر باشد یا ممکن است متن را نیز در برگیرد و می‌تواند برای اهداف تزئینی یا کاربردی، از جمله آموزش، اطلاع رسانی، تصویرسازی یا سرگرمی، مورد استفاده قرار گیرد.

در دنیای کامپیوتر، اصطلاح گرافیک اشاره به تصاویر دیجیتال دو بعدی دارد که توسط سیستم در صفحه نمایش نشان داده می‌شود. در علوم کامپیوتر دو نوع گرافیک وجود دارد: گرافیک بیت‌مپ (bitmap) یا رستری و گرافیک وکتور (vector) یا برداری که می‌توان از هر دو هنگام طراحی تصاویر استفاده کرد.

کارت گرافیک چیست؟

کارت گرافیک شامل یک بُرد مدار چاپی است که پردازنده گرافیکی (GPU)، رم و سایر قطعات را در دل خود جای داده است. کارت گرافیک گاهی اوقات به‌عنوان واحد پردازشگر گرافیک یا GPU نیز شناخته می‌شود، اما در واقع GPU تنها یک جزء (جزء اصلی) از کارت گرافیک است. با نصب کارت گرافیک در رایانه‌ها می‌توان داده‌های تصویری را با وضوح، رنگ و کیفیت بالاتر مشاهده کرد.

کارت گرافیک با پردازش و اجرای داده‌های گرافیکی با استفاده از تکنیک‌ها، ویژگی‌ها و قابلیت‌های پیشرفته گرافیکی، تصویری با کیفیت بالا ارائه می‌دهد. با استفاده از کارت گرافیک می‌توانید از امکاناتی همچون نمایش تصاویر سه بعدی، رسترگیری تصویر (تبدیل تصویر برداری به بیت‌مپ)، رزولوشن بالاتر، طیف رنگ گسترده‌تر و موارد دیگر بهره‌مند شوید.

نقش پردازنده گرافیکی (GPU) در کامپیوتر چیست؟

واحد پردازش گرافیکی یا GPU به یکی از مهم‌ترین فناوری‌های محاسباتی برای مصارف شخصی و تجاری تبدیل شده است. این پردازنده با طراحی موازی (پردازش چند دستور به طور همزمان)، در طیف گسترده‌ای از برنامه‌ها از جمله رندرینگ گرافیکی و ویدیویی کاربرد دارد. هرچند که GPU ها بیشتر برای تواناییشان در اجرای بازی‌های رده بالا شناخته می‌شوند، اما محبوبیت آن‌ها در تولید محتوای بصری و هوش مصنوعی (AI) نیز رو به افزایش است.

GPUها در ابتدا برای تسریع رندر گرافیک‌های سه بعدی طراحی شده بودند. اما با گذشت زمان، قابلیت برنامه‌ریزی و انعطاف‌پذیری آن‌ها بیشتر شد و توانایی‌هایشان افزایش یافت. این ویژگی به برنامه‌نویسان گرافیکی اجازه داد تا جلوه‌های بصری جذاب‌تر و صحنه‌های واقع‌گرایانه‌تری با تکنیک‌های نورپردازی و سایه‌زنی پیشرفته خلق کنند. سایر توسعه‌دهندگان نیز شروع به استفاده از قدرت GPU ها برای تسریع چشمگیر پردازش‌های اضافی در رایانش عملکرد بالا (HPC)، یادگیری عمیق و موارد دیگر کردند.

تفاوت پردازنده گرافیکی (GPU) و پردازنده مرکزی (CPU)

پردازنده گرافیکی (GPU) به عنوان مکمل پردازنده مرکزی (CPU) که از نزدیکان آن به شمار می‌رود، توسعه یافته است. در حالی که پردازنده‌های مرکزی با نوآوری‌های معماری، سرعت کلاک بالاتر و افزودن هسته، همچنان عملکردشان را بهبود می‌بخشند، GPU ها به‌طور خاص برای تسریع پردازش‌های مرتبط با گرافیک کامپیوتری طراحی شده‌اند. هنگام خرید یک سیستم، دانستن تفاوت بین نقش CPU و GPU به شما کمک می‌کند تا از هر دو به بهترین شکل استفاده کنید.

تفاوت پردازنده گرافیکی (GPU) و کارت گرافیک

در حالی که اصطلاحات پردازنده‌ی گرافیکی (GPU) و کارت گرافیک (یا کارت ویدیو) اغلب به صورت مترادف استفاده می‌شوند، اما تفاوت ظریفی بین این دو وجود دارد. همان‌طور که یک مادربورد حاوی پردازنده مرکزی (CPU) است، کارت گرافیک نیز به یک برد الحاقی با واحد پردازش گرافیکی (GPU) اشاره دارد. این برد مجموعه‌ای از اجزا را در خود جای داده که به عملکرد GPU و اتصال آن به سایر اجزای سیستم کمک می‌کند.

انواع پردازنده‌های گرافیکی (GPU)

به صورت کلی سه نوع پردازنده‌ گرافیکی وجود دارد: مجزا (Discrete)، مجتمع (Integrated) و مجازی (Virtual).

پردازنده گرافیک مجزا (Discrete Graphics Processing Unit)

این نوع پردازنده‌ی گرافیکی تراشه‌های مجزایی هستند که به برد مدار چاپی جداگانه‌ای (کارت گرافیک) متصل می‌شوند و از طریق اسلات توسعه‌ی مادربورد (درگاه PCI Express) به CPU وصل می‌گردند. عملکرد پردازنده گرافیکی مجزا، مستقل از پردازنده مرکزی (CPU) است. CPU وظیفه دریافت و پردازش اطلاعات را بر عهده دارد و به عملکرد کلی سیستم رایانه می‌پردازد؛ اما کارت گرافیک مجزا معمولاً در برنامه‌های پیشرفته با نیازهای خاص مانند ویرایش ویدیو، تولید محتوا یا بازی‌های سطح بالا کاربرد دارد.

پردازنده گرافیک مجتمع (Integrated Graphics Processing Unit)

پردازنده گرافیک مجتمع در دهه 2010 توسط شرکت اینتل توسعه یافت و با توجه به مزایای ترکیب GPU با CPU، مورد توجه کمپانی‌های بزرگی مانند ASUS، MSI، NVidia و AMD قرار گرفت. این نوع پردازنده‌ی گرافیکی درون مادربورد تعبیه شده و قابل ارتقاء یا تعویض نیست. وجود پردازنده گرافیکی مجتمع باعث طراحی سیستم‌ها و به خصوص لپ‌تاپ‌های باریک‌تر، سبک‌تر، کم‌مصرف‌تر و در نهایت ارزان‌تر می‌شود.

راهنمای جامع خرید لپ تاپ در سال ۲۰۲۴

در اوایل پیدایش، پردازنده‌های مجتمع معمولاً عملکرد متوسطی داشتند و برای کارهایی مانند بازی‌های سنگین یا تولید محتوای گرافیکی حرفه‌ای مناسب نبودند. با پیشرفت تکنولوژی پردازنده‌های گرافیکی مجتمع نیز پیشرفت کرده‌اند. امروزه کارت گرافیک مجتمع انتخابی محبوب برای کاربران لپ‌تاپ‌ها، گیمرها و افرادی است که برنامه‌هایی با نیاز پردازش گرافیکی بالا را روی رایانه‌های شخصی خود اجرا می‌کنند.

پردازنده گرافیک مجازی (virtual Graphics Processing Unit)

کارت گرافیک مجازی، همان قابلیت‌های کارت گرافیک مجزا یا مجتمع را دارد، اما بدون نیاز به سخت‌افزار فیزیکی عمل می‌کند. این نوع کارت گرافیک در واقع نسخه‌ای نرم‌افزاری از GPU است که برای رایانش ابری (cloud computing) طراحی شده و می‌تواند برای اجرای همان حجم کاری مورد استفاده قرار گیرد. همچنین، از آنجایی که کارت گرافیک مجازی فاقد سخت‌افزار است، نگهداری آن نسبت به همتایان فیزیکی ساده‌تر و ارزان‌تر می‌باشد.

اجزای کارت گرافیک

کارت گرافیک وظیفه اصلی پردازش امور مرتبط با گرافیک را از پردازنده مرکزی (CPU) و حافظه‌ی رم (RAM) برعهده می‌گیرد تا عملکرد کلی سیستم روان‌تر باشد. کارت گرافیک شامل یک واحد پردازش گرافیکی (GPU) اختصاصی و رم اختصاصی (VRAM) است که به پردازش سریع داده‌های گرافیکی کمک می‌کند. مشابه سایر پردازنده‌ها، کارت گرافیک نیز دارای یک خنک‌کننده (فن) اختصاصی است تا گرمای ایجاد شده توسط پردازنده گرافیکی را دفع کند.

اتصال کارت گرافیک به مادربورد

کارت گرافیک یکی از مهم‌ترین اجزای کامپیوتر برای پردازش گرافیکی و ارائه تصاویر با کیفیت بالا است. برای اتصال این قطعه به مادربرد، از درگاه‌های مختلفی استفاده می‌شود که هر کدام ویژگی‌ها و محدودیت‌های خاص خود را دارند. در ادامه به بررسی کامل انواع درگاه‌های اتصال کارت گرافیک به مادربرد می‌پردازیم.

درگاه PCI Express ( Peripheral Component Interconnect Express )

درگاه PCI Express یا به اختصار PCIe، رایج‌ترین نوع درگاه اتصال کارت گرافیک به مادربرد است که در حال حاضر در اکثر سیستم‌های جدید استفاده می‌شود. این رابط از نظر پهنای باند و سرعت انتقال اطلاعات، بسیار قدرتمند‌تر از نسل‌های قبلی خود است و می‌تواند کارت‌های گرافیک پیشرفته را پشتیبانی کند. مزایای قابل توجهی در استفاده از درگاه PCIe وجود دارد، از جمله: سرعت بالا، پهنای باند زیاد و پشتیبانی از طیف گسترده‌ای از کارت‌های جانبی مانند کارت‌های گرافیک، کارت‌های شبکه و کارت‌های صدا. اسلات‌های درگاه PCIe در اندازه‌های مختلفی مانند x1، x4، x8 و x16 تولید می‌شوند که هر کدام تعداد خطوط ارتباطی (Lanes) و پهنای باند متفاوتی را ارائه می‌دهند. به طور کلی، برای کارت‌های گرافیک قدرتمند، به اسلات‌های PCIe x16 (تعداد خطوط بیشتر) نیاز است.

درگاه AGP (منسوخ شده)

Accelerated Graphics Port یا به اختصار AGP، در گذشته درگاه رایجی برای اتصال کارت گرافیک به مادربرد بود، اما امروزه منسوخ شده و به ندرت در سیستم‌های جدید استفاده می‌شود. این درگاه به طور خاص برای کارت‌های گرافیک طراحی شده بود و پهنای باند بیشتری نسبت به درگاه قبل از خود یعنی PCI ارائه می‌داد. اسلات‌های AGP در دو نوع 1.0 و 2.0 موجود بودند که هر کدام پهنای باند متفاوتی را ارائه می‌دادند.

درگاه PCI (منسوخ شده)

درگاه (PCI (Peripheral Component Interconnect از قدیمی‌ترین درگاه‌های اتصال کارت‌های توسعه به مادربرد است که از آن برای اتصال کارت‌های گرافیک، کارت‌های صدا و سایر قطعات جانبی استفاده می‌شد. این درگاه پهنای باند بسیار پایینی داشت و برای کارت‌های گرافیک امروزی مناسب نیست. اسلات‌های PCI در دو نوع 32 بیتی و 64 بیتی موجود بودند که هر کدام پهنای باند متفاوتی را ارائه می‌دادند.

انواع درگاه‌های خروجی‌ کارت گرافیک

کارت‌ گرافیک علاوه بر وظیفه پردازش گرافیکی، برای انتقال محتوای پردازش‌شده به نمایشگر یا سایر دستگاه‌ها به درگاه‌های خروجی، نیاز دارد. معمولاً کارت‌های گرفیک دارای پورت‌های خروجی مختلف تصویر می‌باشند که علاوه‌بر آن در برخی مدل‌ها امکان اتصال به چندین مانیتور و ارائه همزمان چندین تصویر وجود دارد. در ادامه به بررسی انواع درگاه‌های خروجی تصویر می‌پردازیم:

درگاه HDMI

درگاه High-Definition Multimedia Interface یا HDMI، محبوب‌ترین و پرکاربردترین درگاه خروجی کارت گرافیک در حال حاضر است که به دلیل کیفیت تصویر بالا، پهنای باند زیاد و پشتیبانی از انتقال صدا، طرفداران بسیاری دارد. HDMI در تلویزیون‌ها، مانیتورها، پروژکتورها و سایر دستگاه‌های نمایشگر به‌طور گسترده استفاده می‌شود.

درگاه DisplayPort

DisplayPort یا به اختصار (DP) رقیب اصلی HDMI به شمار می‌رود و از نظر کیفیت تصویر و پهنای باند، با آن برابری می‌کند. این درگاه برخلاف HDMI مزایای خاصی مانند قابلیت اتصال چندین مانیتور به طور همزمان (Daisy Chaining) و نرخ بروزرسانی تصویر بالا را ارائه می‌دهد.

درگاه DVI

DVI یا Digital Visual Interface درگاه قدیمی‌تری است که هنوز در برخی از مانیتورها و پروژکتورها یافت می‌شود. این درگاه در دو نوع آنالوگ و دیجیتال موجود است و از نظر کیفیت تصویر و پهنای باند به دو درگاه قبلی نمی‌رسد.

درگاه VGA

پورت VGA (The Video Graphics Array) قدیمی‌ترین درگاه خروجی کارت گرافیک است که به طور کامل منسوخ شده و در هیچ دستگاه جدیدی یافت نمی‌شود. این درگاه کیفیت تصویری پایین و پهنای باند بسیار محدودی دارد.

کاربردهای کارت‌های گرافیک

توان پردازشی و پیچیدگی کارت‌های گرافیک مدرن به این معناست که آن‌ها اغلب پیچیده‌ترین و با عملکردترین قطعه در یک کامپیوتر هستند و می‌توانند با واحد پردازش مرکزی (CPU) رقابت کنند یا حتی از آن فراتر بروند. کارت‌های گرافیک رده بالا علاوه بر رندر کردن تصاویر عادی که روزانه با آن‌ها سروکار دارید، تمام وظایف سنتی همیشگی خود را نیز انجام می‌دهند. آن‌ها همچنین، گرافیک‌های سه بعدی پیشرفته را برای بازی‌های کامپیوتری به صورت بلادرنگ (RealTime) پردازش می‌کنند.

کاربردهای غیرگرافیکی

در دو دهه گذشته، کارت‌های گرافیک عمدتاً برای تسریع عملکرد برنامه‌های سه‌بعدی در زمان واقعی، مانند بازی‌های رایانه‌ای، مورد استفاده قرار می‌گرفتند. با آغاز قرن بیست و یکم، دانشمندان علوم کامپیوتر متوجه شدند که کارت‌های گرافیک پتانسیل حل برخی از پیچیده‌ترین مسائل محاسباتی دنیا را نیز دارند.

این کشف، عصر کارت‌های گرافیک چندمنظوره را رقم زد. اکنون، فناوری گرافیک بر طیف وسیعی از مسائل به شکلی گسترده‌تر اعمال می‌شود. برای مثال، استخراج‌کنندگان ارزهای دیجیتال برای اجرای فرایند پیچیده‌ی استخراج ارز، به کامپیوترهایی با کارت‌های گرافیک رده بالا متکی هستند.

کارت گرافیک برای بازی

بازی‌های ویدیویی با گرافیک‌های فوق‌واقع‌گرایانه و دنیاهای گسترده و پیچیده‌ی درون بازی، نیازمند پردازش‌هایِ محاسباتیِ گرافیکی سنگین‌تری شده‌اند. با ظهور فناوری‌های پیشرفته نمایشگرها مانند صفحات نمایش 4K و نرخ تازه‌سازی بالا به همراه افزایش محبوبیت بازی‌های واقعیت مجازی، تقاضا برای پردازش گرافیکی به سرعت در حال افزایش است.

کارت‌های گرافیک توانایی رندر گرافیک‌های دو بعدی و سه بعدی را دارند. با برخورداری از عملکرد گرافیکی بهتر، بازی‌ها را می‌توان با رزولوشن بالاتر، نرخ فریم سریع‌تر یا هر دو اجرا کرد.

کارت گرافیک برای ویرایش ویدیو و تولید محتوا

سال‌هاست که ویرایشگران ویدیو، طراحان گرافیک و سایر متخصصان خلاق با زمان‌های طولانی رندرینگ دست و پنجه نرم می‌کردند. این تأخیر، منابع رایانه‌ای را درگیر می‌کرد و جلوی جریان خلاقانه کار را می‌گرفت. اما اکنون، پردازش موازی که توسط کارت‌های گرافیک ارائه می‌شود، به همراه قابلیت‌های هوش مصنوعی داخلی و شتاب‌دهی پیشرفته، رندرِ ویدئو و گرافیک را با فرمت‌های باکیفیت‌تر، سریع‌تر و آسان‌تر شده‌است. امروزه، نرم‌افزارهای تولید عکس، ویدیو و گرافیک به جای CPU کامپیوتر، بیشتر روی کارت گرافیک تکیه می‌کنند تا پردازش‌های پیشرفته‌ی تصویری، شامل عکاسی محاسباتی را انجام دهند.

کارت گرافیک برای یادگیری ماشین

برخی از هیجان‌انگیزترین کاربردهای فناوری کارت گرافیک، هوش مصنوعی و یادگیری ماشین را شامل می‌شود. از آنجایی که کارت‌های گرافیک از توان محاسباتی فوق‌العاده‌ای برخوردار هستند، می‌توانند شتاب‌دهی باورنکردنی در حجم کاری که از ماهیت موازی بالای پردازش در GPU بهره می‌برد، مانند تشخیص تصویر، ارائه دهند. بسیاری از فناوری‌های یادگیری عمیق امروزی بر همکاری GPU و CPU متکی هستند.

مروری بر فناوری دیپ فیک، کاربردها و روش‌های شناسایی آن

کارت‌های گرافیک امروزی قابلیت برنامه‌ریزی بیشتری نسبت به گذشته دارند و انعطاف‌پذیری بالاتری برای تسریع عملکرد طیف وسیعی از برنامه‌ها فراتر از رندرینگ گرافیکی سنتی در اختیارشان می‌گذارد. واحدهای پردازش گرافیکی همچنین برای آموزش مدل‌های جدید هوش مصنوعی (AI) و یادگیری عمیق (Deep Learning) ضروری هستند.

کارت گرافیک برای مراکز داده (Data Center)

کارت گرافیک‌های مراکز داده می‌توانند از عملیات موازی، هوش مصنوعی، رسانه، تحلیل رسانه و راه‌حل‌های رندرگیری سه بعدی به شکل بهتری پشتیبانی کنند. این امر باعث می‌شود کارت‌های گرافیک برای موارد استفاده‌ی پیشرفته مانند یادگیری ماشین، مدل‌سازی یا رندرگیری سه بعدی برای بازی ابری (Cloud Gaming) و سایر سرویس‌های محتوا، ضروری شوند.

سخن پایانی

گرافیک و کارت‌های گرافیک با تحولات چشمگیری که در سال‌های اخیر داشته‌اند، از ابزارهای ساده تصویری به اجزای پیچیده و حیاتی برای بسیاری از صنایع تبدیل شده‌اند. از بازی‌های کامپیوتری و تولید محتوای ویدیویی گرفته تا هوش مصنوعی و مراکز داده، همه به توانایی‌های پردازشی کارت‌های گرافیک و واحد پردازنده‌ی گرافیکی وابسته‌اند. با توجه به اهمیت روز افزون گرافیک در زندگی دیجیتال، آگاهی از جزئیات و کاربردهای آن می‌تواند به ما کمک کند تا بهره‌وری و کیفیت کارهای خود را بهبود بخشیم. از این رو، درک عمیق‌تر از گرافیک و کارت‌های گرافیک می‌تواند ما را در مسیر پیشرفت تکنولوژی همراه سازد.