وحدة معالجة الرسومات

وحدة معالجة الرسومات GeForce 6600GT NV43

إن وحدة معالجة الرسومات اختصارا (وم ر - GPU) بالإنگليزية: Graphics processing unit أوVisual processing unit من أنواع المعالج الصغري المكرس للتصيير في أجهزة الحاسوب الشخصي والحاسوب الإداري وأنظمة ألعاب الصوت والصورة. 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 أومتكاملة مباشرة في اللوحة الأم.

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 الصوت والصورة 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 حتى تي أي سي (ANTIC) وسي تي أيه إي (CTIA) أمنت أجهزة التحكم بالرسومات المدموجة وصياغة النصوص, وغير ذلك من التأثيرات على الكمبيوتر أتاري بنظامثمانية بتات. وكانت رقاقة إيه حتى تي أي سي معالجة رسم بينات النصوص والرسومات على شكل إشارة فيديو. وإن مصمم هذة الرقاقة, جاي ماينور Jay Miner, قام بتصميم رقاقة معالجة الرسومات لجهاز كومودور (Commodore) من شركة أميجا (Amiga).

الثمنينات

كان جهز كومودور أميجا أول جهاز خلق بكثافة يحتوي جهازه الفديوعلى نظام بليتر (Blitter), وكان نظام أي بي أم 8514 الرسومي من أول أنظمة العرض المرئي بإستطاعتها تطبيق رسومات بدائية ثنائية الأبعاد. كانت أجهزة أميجا مميزة, في ذاك الوقت, لإحتوائها على ميزة مهمة وهي ما يعهد الآن بنظام تسريع الرسومات متكامل, الذي أمكن تحويل معالج الرسومات إلى المعدات الصلبة, من ذلك الرسم الخطوطي, تعبئة مناطق, نقل بتر الصور, ومعالج الرسومات المساعد (Graphics Coprocessors) بمجموعة التعليمات مخصّصة لها. وكانت عملية رسم وعرض الرسومات تعالج كلها بوسطة وحدة المعالجة المركزية من قبل.

التسعينات

بطاقة Diamond Stealth 32 VLB من شركة تسينج لابز

بطاقة Stealth3D 2000 من شركة دايموند

بطاقة Voodoo3 من شركة ثري دي أف أكس

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 لقاءة لوحدة معالجة الرسومات, وهوقابلة 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.

وفي خلال التسعينات استمرت قابلة مستخدم رسومية ثنائية الأبعاد بالتطور. وبتحسن قدرات التصنيع, تحسن أيضن مستوى دمج رقاقات الرسومات. وظهر الكثير من قابلات البرمجة التطبيقية للعديد من المهمات مثل مخطة رسومات مايكروسوفت وين جي (WinG) لوندوز 3.x, ولاحقا قابلة دايركت درو(DirectDraw) لتسريع الألعاب ثنائية الأبعاد داخل ويندوز 95 وما بعده.

في أوائل ومنتصف التسعينات, بدأت الرسومات ثلاثية الأبعاد بالظهور بمساعدة وحدة المعالجة المركزية في أجهزة الحاسوب وأنظمة ألعاب الصوت والصورة, مما أدى إلى إزدياد الطلب على جهاز متخصص مسرع للرسومات ثلالثية الأبعاد. ومن أوائل هذه الأنظمة التي تم ترويجها بشكل كبير موجودة في الجيل الخامس من أنظمة ألعاب الصوت والصورة مثل بلايستايشن ونينتندو64. ومن 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. وفي 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 فودومن 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 قابلة برمجة التطبيقات محترفة وهي أوبن جي أل (OpenGL), وأصبحة القوة المهيمنة في مجال الحاسوب الشخصي, وقوة دافعة لتطوير معدات العرض المرئي. وكانت البرمجات التطبيق لقابلة أوبن جيل واسعة في ذلك الوقت, وكن تأثير أوبن جي أل قويا مما أدى في نهاية المطاف إلى دعم هذه القابلة في أجهزة العرض المرئي على نطاق واسع. ومع مرور الوقت اصبحة الميزات الموجودة داخل بطاقات العرض متساوية مع تلك التي في قابلة أوبن جي أل. وفي 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 المستوى جعلت دايركت إكس أقل مرغوبة كقابلة برمجة تطبيقات لأن أغلب الميزات الموجودة فيها موجودة في الأصل في وحدات معالجة الرسومات, والتي كان بإستطاعة قابلة أوبن جي أل الإستفادة منها ومما جعل قابلة 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 قابلة برمجة تطبيقية حصلت على اعتماد واسع النطاق في سوق الألعاب, وتنافست بشكل مباشر مع الكثير 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

وحدة معالجة الرسومات GeForce 3 المعروفة بإسم NV20

بعد ظهور قابلة 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 حتى تتضمن إكساءات, وكذالك جميع النقاط الهندسة يمكن يمكن تحليلها ببرنامج قصير قبل عرضها على الشاشة. وكانت أنفيديا أول شركة أنتجت رقاقات بإستطاعتها برمجة الأظلة وهي GeForce ثلاثة (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, ومظلل العنصورات والننطقت الهندسية بأستطاعتها تطبيق عمليات حسابية على أعداد الفاصلة العائمة متكررة وطويلة .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 تبدوبراقة ،باهتة ، خشنة ، أوحتى مبرومة أومبثوقة.

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.

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 الفهمية 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 هو49.4 ٪ و27.8 ٪ و20.6 ٪ على التوالي. بيد حتى هذه الأرقام تضم وحدات إنتل منخفضة التكاليف للغاية ومنخفضة الأداء. فإذا طُرحة تلك الوحدت نجد حتى أنفيديا وإيه أم دي تهيمن على جميع أسواق هذه الوحدات. وبالإضافة إلى هذه الشركات, فإن فيا تكنولوجيز/أس ثري جرافيكس وماتروكس تصنع أيضا وحدات معالجة الرسومات..

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 وتسريع 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 وبالإكساءات بواسطة الكثير من العمليات التحليلية المطابقة لتلك التي في وحدات المعالجة الرأيسية, وبالإضافة إلى ذلك, الإفرط (Oversampling) والاستيفاء لتخفيض التعرجات ومساحات ألوان عالية الدقة. ولأن هذه العمليت تضمن عمليات حسابية للمصفوفة وللأشعة, بدأ الفهماء 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, جميع وحدة معالجة الرسومات منذ سنة 1995 تحتوي على نظام واي يوفي (YUV) للألوان. والكثير من هذه الوحدات بدأت منذ عام 2000 دعم أنظمة إم بي إي جي بدائية مثل تعويض الحركة (Motion compensation) وتحويل جيب التمام المتبتر. وتحتوي بعض بطاقات العرض الجديدة على فاكك شفرات الصوت والصورةهات فائقة الجودة (High-definition Video) التي تخفف الضغط عن وحدة المعالجة المركزية.

مظاهر وحدة معالجة الرسومات

وحدات العرض المرئي المكرسة

بطاقة العرض المرئي GeForce 6600GT تستخدم منفذ الملحقات الإضافية السريع

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 بسيطة جدا. وبعض هذه البطاقات مازال تستعمل منفذ الملحقات الإضافية ولكن حجم تدفق بياناته بطيء ولا يستعمل إلا عند عدم وجود منفذ الملحقات الإضافية السريع أومنفذ 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

وحدة معالجة الرسومات إنتل GMA X3000 IGP

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. وهي تعيبر تاريخيا غير صالحة لعرض رسومات الألعاب ثلاثية الأبعاد أوتشيغيل برامج بحاجة 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) ووحدات ريدون أتش دي 3200 (Radeon HD 3200) من شركة إيه أم دي (في مجموعة شرائح إيه أم دي 780 جي AMD 780G) ووحدات جي فورس 8200 GeForce 8200 من شركة إنفيديا (في مجموعة شرائح إنفيديا حتى فورس 730 إيه nForce 730a) تحتوي على قدر ضئيلة نسبيأ ولكن أكبر من غيرها من وحدات وحدات معالجة الرسومات المندمجة في التحليل ثنائي وثلاثي 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 و12.8 Gb/s أم سرعة تضفق بيانات ذاكرة وحدات معالجة الرسومات المكرسة تقع بينعشرة Gb/s إلى أكثر من 100 Gb/s. وإن وحدات معالجة الرسومات المندمجة القديمة ينقصها نظام التحويل والإضائة, ولكن الوحدات الجديدة تتضمن ذلك.

وحدات هجينة

وهي فئة جديدة تتنافس مع وحدات معالجة الرسومات المندمجة في الحاسوب الشخصي والمحمول. وأكبر مثال على ذالك نظامي تيربوكاتش (TurboCache) من شركة إنفيديا وهايبر 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 حتى 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 حديث 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 وإيه تي أي, التسابق في التوسع في هذا السوق مع سلسلة من التطبيقات. وإن شركتي إنفيديا وإيه 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.

وفي الآونة الأخيرة بدأت شركة إنفيدي تعرض بطاقات العرض المرئي التي تدعم ملحقات قابلة 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 هوأول قابلة برمجة تطبيقات تمكن من عمل برامج مخصصة لوحدات المعالجة المركزية على وحدات معالجة الرسومات للتحليل لأغراض عامة من دون التقيد بإستخدام قابلة 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 أوTree-based genetic programming على الحاسوب المضيف ثم تنقل التننفيذ إلى وحدات معالجة الرسومات.

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.