تفاوت سی پی یو با پردازنده گرافیکی

در این پست از بلاگ زیبوکالا ، به تفاوت سی پی یو با پردازنده گرافیکی خواهیم پرداخت. در صورتی که به دنبال تفاوت سی پی یو با پردازنده گرافیکی هستید ، تا پایان این متن همراه ما باشید.

سی پی یو واحدی برای انجام پردازش های اصلی در کامپیوتر می باشد. جی پی یو نیز واحدی برای پردازش گرافیکی با قابلیت انجام محاسبه های ریاضی پیشرفته و نیز یادگیری ماشین است. این واحد ها مسئولیت های شبیه به هم بر عهده دارند که همان پردازش اطلاعات می باشد. در حقیقت تفاوت اصلی CPU  با  GPU در نوع اطلاعاتی بوده که هر کدام پردازش می کنند. به همین علت ، این دو پردازنده را جایگزین دیگری کرد. اما بهره گیری از سی پی یو و پردازنده ی گرافیکی به صورت همزمان ترکیبی ایدئال و مناسب را برای اشخاص مهیا می کند و بهترین عملکرد را در اختیار شما قرار می دهد.

پردازنده ی گرافیکی ، گرافیک های بهره گیری شده در ویدئوها ، بازی ها ، محتوا و حتی هوش مصنوعی را پردازش و سی پی یو هم برنامه های عملکردی کامپیوتر مثل پردازش های سیستم عامل را مدیریت می کند. پردازنده ی گرافیکی یا همان GPU نمی تواند مثل سی پی یو پردازش ها را به صورت مداوم انجام بدهد و برای عملکردهای کاملا متفاوتی ساخته شده اند. کامپیوترها می توانند بدون واحد پردازش گرافیکی کار کنند. با این حال، در این مورد، شما نباید انتظار داشته باشید که سیستم ، عملکرد گرافیکی چشمگیر و قدرتمندی را به شما ارائه دهد.

از سوی دیگر، رایانه‌های بدون CPU قادر به مدیریت داده‌های ورودی و خروجی یا اجرای برنامه‌ها نیستند. آن چیزی که منجر می شود تا پردازنده های گرافیکی را به عنوان واحدی مهم در کامپیوتر بشناسیم ، قابلیت انجام پردازش های موازی این واحد بوده که به لطف تعداد هسته های قوی بیشتر ، پردازش بسیار سریع اطلاعات را امکان پذیر می کند.

پردازنده ( CPU ) چیست؟

سی پی یو به عنوان مغز کامپیوتر محسوب می شود و پردازش ها و محاسبه های اصلی را در یک سیستم کامپیوتری هدایت می کند. کامپیوتر ها به کمک پردازش اطلاعات باینری ( صفر و یک ) کار می کنند. برای ترجه این داده های باینری به زبانی که برای انیمیشن ها، گرافیک ها ، نرم افزار ها و سایر فرآیند های دیگر مفهوم باشد ، به عملکرد منطقی پردازنده احتیاج داریم. این عملکرد های منطقی توابع اساسی منطقی و احساسی ( OR , AND , NOT ) و عملیات ورودی و خروجی را شامل می شود.

به عنوان مثال زمانی که برنامه ای را می بندید و یا اجرا می کنید ، سی پی یو دستورالعمل های درست را برای فراخوانی داده ها از هارد دیسک ارسال و کد های اجرایی لازم را از رم جدا می کند. زمان اجرای بازی ها ، سی پی یو اطلاعات گرافیکی را برای نمایش بر روی نمایشگر پردازش و زمان کامپایل کد و پردازنده همه ی محاسبات و ریاضی های مربوط به آن کد را مدیریت می کند. به صورت کلی ، هر سی پی یو از مولفه های استاندارد زیر تشکیل شده اند.

• هسته ها

هسته های پردازنده که تمامی محاسبات و پردازش های منطقی را انجام می دهند، ارتباط مستقیمی با معماری اصلی پردازنده دارند. هسته ها به چیزی که به عنوان “چرخه دستورالعمل” شناخته می شود، پایبند هستند. دستورالعمل ها در طول این چرخه از حافظه خوانده می شوند و سپس با استفاده از اجزای منطقی هسته رمزگشایی می شوند. همه پردازنده ها در ابتدای توسعه، تک هسته ای بودند و با افزایش پردازنده های چند هسته ای، قدرت پردازش این دستگاه ها نیز افزایش یافت.

• حافظه کش

حافظه کش ، حافظه بسیار سریعی بوده که داخل سی پی یو و یا بر روی بردی نزدیک به آن قرار دارد و امکان دسترسی سریع به اطلاعات مورد نیاز را برای CPU مهیا می کند. هر مقدار ظرفیت این حافظه بیشتر باشد ، این واحد محاسبه های بیشتری را در ثانیه پردازش می کند.

• واحد مدیریت حافظه

واحد مدیریت حافظه انتقال اطلاعات میان پردازنده و رم را در طول فرآیند چرخه ی دستورالعمل مدیریت می کند.

• فرکانس سی پی یو و واحد کنترل

هر سی پی یو محاسبه ها و پردازش ها را با فرکانسی معین انجام می دهد. این فرکانس تعداد پالس های الکتریکی تولید شده در یک بازه مشخص را نشان می دهد. همچنین روش اصلی پردازش و انتقال اطلاعات و سرعت عملکرد CPU را تعیین می کند. هر مقدار فرکانس سی پی یو بیشتر باشد ، پردازش ها سریع تر انجام می شوند. ترکیب ایدئالی از همه ی این مولفه ها شرایطی را مهیا می کند که واحد پردازش مرکزی بتواند محاسبه های موازی را با سرعت بسیار زیادی انجام دهد. با همین فرآیند همزمان چندین برنامه را اجرا می کنند ، دسکتاپ را نمایش می دهند ، امکان وبگردی را مهیا می کنند و… .

 پردازنده گرافیکی چیست؟

پردازنده گرافیکی ، عملکردی شبیه به سی پی یو دارد که از مولفه های مشابهی تشکیل شده اند. اساسی ترین و مهم ترین برتری GPU بر CPU را می توان امکان مدیریت همزمان چندین کار و پردازش های موازی داده ها به لطف مقدار هسته های زیادی آن دانست. در حقیقت شاخص ترین عملکردی که پردازنده گرافیک عرضه می کند ، یکی از وظیفه های پیچیده پردازشی بوده که سی پی یو به سختی از پس آن بر می آید. پردازنده گرافیکی مکملی برای سی پی یو بوده که بار کاری این واحد را بسیار سبک تر می کند.

موضوعی که در پردازش گرافیک مطرح می شود ، محاسبه موازی ریاضی های پیچیده ای بوده که برای رندر گرافیکی فراخوان می شوند. برای مثال ، بازی های ویدئویی با گرافیکی پیچیده امکان دارد در بازه ی معینی صدها یا هزاران چند ضلعی را بر روی نمایشگر رندر کند که هر کدام حرکت ، رنگ ، نور و… مجزا و جدا دارند. از آن جایی که سی پی یو ها برای تحمل این حجم کاری ساخته نشده اند ، پردازنده های گرافیکی وارد عمل می شوند.

هسته پردازنده های گرافیکی اصولا از هسته های CPU ها ، عملکرد ضعیف تری دارند و خود پردازنده های گرافیکی هم اصولا در تعامل با API های سخت افزاری خیلی موفق عمل نمی کنند. همان گونه که گفته شد ، پردازنده های گرافیکی به صورت خاص در پردازش هم زمان حجم بسیاری از داده ها عملکرد شاخصی دارند ، این واحد پردازشی به جای جابه جایی بین چندین کار ، به راحتی دستورالعمل ها را دسته دسته می گیرد و آن ها را در حجم زیادی پردازش کرده و در آخر ، گرافیک مد نظر را به نمایش می گذارد.

تفاوت ها و شباهت های CPU با GPU

این واحد ها از ساختار های شبیه به هم در لایه های کش بهره گیری می کنند. هر دو از کنترلری برای حافظه و یک رم اصلی بهره گیری می کنند. عکس پایین تعداد هسته های یک سی پی یو و تعداد هسته های یک پردازنده گرافیکی را نمایش می دهد.

نمای کلی از معماری سی پی یو های مدرن حاکی از آن بوده که در این واحد با تمرکز بر حافظه و لایه های کش ، دسترسی به حافظه با تاخیر کم مهم ترین عامل در طراحی سی پی یو ها محسوب می شود. پردازنده های گرافیکی در مقایسه با سی پی یو ها ، لایه های حافظه کش کم تر و کم ظرفیت تری به همراه دارند. این واحد ها از ترانزیستور های بیشتری برای محاسبه ها استفاده می کنند و بازیابی داده ها از حافظه در آن ها اهمیت خیلی زیادی ندارد.  پردازنده های گرافیکی با رویکرد انجام محاسبه های موازی توسعه داده شده اند و محاسبه ها با کارایی بالا یکی از کاربرد های موثر و قابل اطمینان در پردازش های موازی برای اجرای برنامه های کاربردی پیشرفته می باشد.

تصور کنید که برای انجام نوعی از محاسبه های سنگین ، مقدار اندکی هسته قوی با قابلیت پردازش سریالی داشته باشید. در این مواقع ، در صورتی که یکی از هسته ها را از دست بدهیم ، عملکرد دو هسته دیگر تحت الشعاع قرار می گیرد و قدرت پردازش کلی هم به شدت کاهش پیدا می کند. در صورتی که هسته زیاد اما نه خیلی قوی داشته باشیم و بتوانیم چندین پردازش را به صورت همزمان انجام دهیم ، در صورت از دست دادن یک هسته تغییر خیلی زیادی در روند پردازش به وجود نمی آید و سایر هسته ها به کار خود ادامه می دهند.

علاوه بر این موضوع ، پهنای باند GPU از پهنای باند CPU بیشتر بوده و پردازش های موازی با حجم زیاد را بسیار بهتر انجام می دهند. همان گونه که گفتیم ، اساسی ترین و مهم ترین موضوع در مورد پردازنده های گرافیکی این است که پردازش های موازی را به خوبی انجام می دهند و چنانچه که الگوریتم یا محاسبه ها سری باشد و امکان موازی سازی نداشته باشد ، به هیچ عنوان اجرا نمی شوند و منجر به کندی سیستم می شوند. هسته های سی پی یو از هسته های پردازنده گرافیک قوی تر بوده و پهنای باند این واحد هم از پهنای باند GPU خیلی کمتر می باشد.

مزایا و معایب سی پی یو

با این که در دنیای امروز پردازنده های گرافیکی به طور فزاینده ای به ابزاری برای پردازش با کارایی بالا تبدیل شده اند ، اما هنوز علت های مختلفی و بسیار مهمی وجود دارد که نمی توان از این واحد ها به عنوان جایگزینی برای سی پی یو ها بهره گیری کرد. برخی از این علت ها عبارت اند از :

1. سرعت در پردازش های خاص

سی پی یو ها گاهی در برخی شرایط بهتر از GPU ها عمل می کنند. به عنوان مثال ، سی پی یو در مدیریت چندین مدل مختلف عملیات سیستم بسیار سریع تر از پردازنده گرافیکی عمل می کند.

2. دسترسی به حافظه

از آن جایی که حافظه کش سی پی یو ها ظرفیت بسیار زیادی دارد ، این واحد ها می توانند مجموعه بزرگ تری از دستورالعمل های خطی را انجام بدهند. در نتیجه ، سیستم ها و عملیات محاسباتی پیچیده تری را انجام می دهند.

3. دقت در انجام محاسبه ها

CPU ها محاسبه های معادلات ریاضی متوسط را با دقت بیشتری انجام می دهند و می توانند عمق و پیچیدگی محاسبات را راحت تر کنترل کنند. این موضوع در راه اندازی برخی از برنامه ها ، از اهمیت بسیار زیادی برخوردار می باشد.

4. انعطاف پذیری در انجام پردازش های گوناگون

CPU ها می توانند به غیر از پردازش های گرافیکی ، سایر پردازش ها و محاسبه ها را نیز انجام بدهند. قابلیت پردازش سریالی این توانایی را برای سی پی یو ها مهیا می کند تا بتوانند چندین کار را در حیطه های گوناگون مدیریت کنند.

5. در دسترس بودن و هزینه کم

پردازنده ها برای کاربری معمولی و سازمانی راحت تر در دسترس اند و به صورت گسترده تر تولید می شوند. همچنین مقرون به صرفه تر نیز هستند. سی پی یو ها علاوه بر خصوصیت هایی که در مقایسه با GPU ها عرضه می کنند ، معایبی نیز دارند که شامل موارد زیر می شود.

1. ناسازگاری با برخی از سیستم ها

هر نرم افزار یا سیستمی با همه ی پردازنده های سازگاری ندارند. به عنوان مثال ، برنامه های توسعه داده شده برای سی پی یو های X86 اینتل بر روی پردازنده های ARM اجرا نمی شوند. البته این موضوع خیلی هم دردسر ساز نمی باشد؛ زیرا در دنیای امروز اکثر تولید کنندگان از مجموعه هایی استاندارد برای گسترش نرم افزار های خود بهره گیری می کنند.

2. ناتوانی در انجام پردازش موازی

سی پی یو ها نمی توانند پردازش های موازی را به خوبی GPU ها انجام بدهند. بر این اساس ، بهره گیری از این واحد ها برای پردازش هزاران یا میلیون ها عملیات یکسان کارآمد نمی باشد.

3. روند آهسته تکامل

براساس قانون مور ، گسترش پردازنده های قوی روزبه روز کند تر می شود و روند بهبود آن ها هم هر سال در مقایسه با سال قبل آهسته تر خواهد بود ، البته گسترش پردازنده های چند هسته ای تا حدودی این نگرانی را کمتر کرده اند.

مزایا و معایب پردازنده گرافیکی

در دنیای امروز GPU ها جایگاه رو به رشدی در میان کاربرها و سازمان ها پیدا کرده اند که به دنبال بهره گیری از محاسبه ها با کارایی بالا برای رفع مشکلات منحصر به فرد هستند. خصوصیت GPU ها عبارت است از:

• محاسبه های موازی گسترده

همان گونه که در بالاتر گفتیم ، سی پی یو ها محاسبه های پیچیده تر را نسبت به پردازنده های گرافیکی بهتر انجام میدهند. با این حال ، GPU ها در انجام محاسبه های گسترده برتری دارند که در آن ها عملیات مشابه معتددی تکرار می شود.

• توان عملیاتی بالا

پردازنده های گرافیکی از تعداد زیادی هسته تشکیل شده اند که می توانند عملیات یکسانی به را به شکل موازی انجام بدهند و در مقایسه با CPU ها حجم اطلاعات بسیار زیادی را با سرعت زیاد پردازش می کنند. علاوه بر خصوصیت های گفته شده ، ساختار پردازنده گرافیکی منجر می شود تا توسعه دهندگان و مهندسان از فناوری این واحد برای اجرای برخی برنامه های کاربردی با کارایی بالایی بهره گیری کنند.

• استخراج بیت کوین

فرآیند استخراج بیت کوین به قدرت محاسبه های بسیار زیادی برای حل هش های رمزنگاری پیچیده احتیاج دارد. توان عملیاتی بالا و انرژی مورد نیاز نسبتا کم پردازنده های گرافیکی ، این واحد ها را برای انجام فرآیند استخراج به مناسب ترین وسیله تبدیل کرده است.

• یادگیری ماشینی

پردازنده های گرافیکی مدرن در یادگیری ماشینی کاربرد دارند. یادگیری ماشین شکلی از تجزیه و تحلیل داده بوده که ساخت مدل های تحلیلی را به شکل اتوماتیک انجام می دهد. در اصل یادگیری ماشینی از داده ها برای یادگیری و شناسایی الگوها و تصمیم گیری هایی مستقل از ورودی انسان بهره گیری می کنند و به علت ماهیت بسیار پر مصرف این سیستم و احتیاج به پردازش های موازی آن ، GPU ها را می توان جزئی ضروری از این فناوری دانست.