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        GPU是什么?

        時間:2022-08-16 14:04:32

               GPU也叫圖形處理器(英語:Graphics Processing Unit,縮寫:GPU),又稱顯示核心、視覺處理器、顯示芯片,是一種專門在個人電腦、工作站、游戲機和一些移動設備(如平板電腦、智能手機等)上圖像運算工作的微處理器。
               用途是將計算機系統所需要的顯示信息進行轉換驅動,并向顯示器提供行掃描信號,控制顯示器的正確顯示,是連接顯示器和個人電腦主板的重要元件,也是“人機對話”的重要設備之一。顯卡作為電腦主機里的一個重要組成部分,承擔輸出顯示圖形的任務,對于從事專業圖形設計的人來說顯卡非常重要。
         
        功能作用
         
              顯卡的處理器稱為圖形處理器(GPU),它是顯卡的“心臟”,與CPU類似,只不過GPU是專為執行復雜的數學和幾何計算而設計的,這些計算是圖形渲染所必需的。某些最快速的GPU集成的晶體管數甚至超過了普通CPU。
               時下的GPU多數擁有2D或3D圖形加速功能。如果CPU想畫一個二維圖形,只需要發個指令給GPU,如“在坐標位置(x, y)處畫個長和寬為a×b大小的長方形”,GPU就可以迅速計算出該圖形的所有像素,并在顯示器上指定位置畫出相應的圖形,畫完后就通知CPU “我畫完了”,然后等待CPU發出下一條圖形指令。
               有了GPU,CPU就從圖形處理的任務中解放出來,可以執行其他更多的系統任務,這樣可以大大提高計算機的整體性能。
               GPU會產生大量熱量,所以它的上方通常安裝有散熱器或風扇。
               GPU是顯示卡的“大腦”,GPU決定了該顯卡的檔次和大部分性能,同時GPU也是2D顯示卡和3D顯示卡的區別依據。2D顯示芯片在處理3D圖像與特效時主要依賴CPU的處理能力,稱為軟加速。3D顯示芯片是把三維圖像和特效處理功能集中在顯示芯片內,也就是所謂的“硬件加速”功能。顯示芯片一般是顯示卡上最大的芯片(也是引腳最多的)。時下市場上的顯卡大多采用NVIDIA和 AMD-ATI 兩家公司的圖形處理芯片。
               GPU已經不再局限于3D圖形處理了,GPU通用計算技術發展已經引起業界不少的關注,事實也證明在浮點運算、并行計算等部分計算方面,GPU可以提供數十倍乃至于上百倍于CPU的性能,如此強悍的“新星”難免會讓CPU廠商老大英特爾為未來而緊張, NVIDIA和英特爾也經常為CPU和GPU誰更重要而展開口水戰。GPU通用計算方面的標準目前有OpenCL、CUDA、ATI STREAM。其中,OpenCL(全稱Open Computing Language,開放運算語言)是第一個面向異構系統通用目的并行編程的開放式、免費標準,也是一個統一的編程環境,便于軟件開發人員為高性能計算服務器、桌面計算系統、手持設備編寫高效輕便的代碼,而且廣泛適用于多核心處理器(CPU)、圖形處理器(GPU)、Cell類型架構以及數字信號處理器(DSP)等其他并行處理器,在游戲、娛樂、科研、醫療等各種領域都有廣闊的發展前景,AMD-ATI、NVIDIA時下的產品都支持OPEN CL。
               1985年 8月20日 ATi公司成立,同年10月ATi使用ASIC技術開發出了第一款圖形芯片和圖形卡,1992年 4月 ATi發布了 Mach32 圖形卡集成了圖形加速功能,1998年 4月 ATi被IDC評選為圖形芯片工業的市場領導者,但那時候這種芯片還沒有GPU的稱號,很長的一段時間ATI都是把圖形處理器稱為VPU,直到AMD收購ATI之后其圖形芯片才正式采用GPU的名字。
               NVIDIA公司在1999年發布GeForce 256圖形處理芯片時首先提出GPU的概念。從此NV顯卡的芯就用這個新名字GPU來稱呼。GPU使顯卡削減了對CPU的依賴,并實行部分原本CPU的工作,更加是在3D圖形處理時。GPU所采用的核心技術有硬體T&L、立方環境材質貼圖與頂點混合、紋理壓縮及凹凸映射貼圖、雙重紋理四像素256位渲染引擎等,而硬體T&L技術能夠說是GPU的標志。
         
        工作原理
         
              簡單說GPU就是能夠從硬件上支持T&L(Transform and Lighting,多邊形轉換和光源處理)的顯示芯片,由于T&L是3D渲染中的一個重要部分,其作用是計算多邊形的3D位置與處理動態光線效果,也能稱為“幾何處理”。一個好的T&L單元,能提供細致的3D物體和高級的光線特效;只不過大多數PC中,T&L的大部分運算是交由CPU處理的(這就也就是所謂軟件T&L),因為CPU的任務繁多,除了T&L之外,還要做內存管理和輸入響應等非3D圖形處理工作,所以在實際運算的時候性能會大打折扣,一般出現顯卡等待CPU數據的情況,CPU運算速度遠跟不上時下復雜三維游戲的要求。即使CPU的工作頻率超出1GHz或更高,對它的幫助也不大,因為這是PC本身設計造成的問題,與CPU的速度無太大關系。
         
        產品區別
         
              GPU在幾個主要方面有別于DSP(Digital Signal Processing,簡稱DSP,數字信號處理)架構。其所有計算均使用浮點算法,而且此刻還沒有位或整數運算指令。此外,由于GPU專為圖像處理設計,因此存儲系統實際上是一個二維的分段存儲空間,包括一個區段號(從中讀取圖像)和二維地址(圖像中的X、Y坐標)。此外,沒有任何間接寫指令。輸出寫地址由光柵處理器確定,而且不能由程序改變。這對于自然分布在存儲器之中的算法而言是極大的挑戰。最后一點,不同碎片的處理過程間不允許通信。實際上,碎片處理器是一個SIMD數據并行執行單元,在所有碎片中獨立執行代碼。
               盡管有上述約束,但是GPU還是可以有效地執行多種運算,從線性代數和信號處理到數值仿真。雖然概念簡單,但新用戶在使用GPU計算時還是會感到迷惑,因為GPU需要專有的圖形知識。這種情況下,一些軟件工具可以提供幫助。兩種高級描影語言CG和HLSL能夠讓用戶編寫類似C的代碼,隨后編譯成碎片程序匯編語言。Brook是專為GPU計算設計,且不需要圖形知識的高級語言。因此對第一次使用GPU進行開發的工作人員而言,它可以算是一個很好的起點。Brook是C語言的延伸,整合了可以直接映射到GPU的簡單數據并行編程構造。經 GPU存儲和操作的數據被形象地比喻成“流”(stream),類似于標準C中的數組。核心(Kernel)是在流上操作的函數。在一系列輸入流上調用一個核心函數意味著在流元素上實施了隱含的循環,即對每一個流元素調用核心體。Brook還提供了約簡機制,例如對一個流中所有的元素進行和、最大值或乘積計算。Brook還完全隱藏了圖形API的所有細節,并把GPU中類似二維存儲器系統這樣許多用戶不熟悉的部分進行了虛擬化處理。用Brook編寫的應用程序包括線性代數子程序、快速傅立葉轉換、光線追蹤和圖像處理。利用ATI的X800XT和Nvidia的GeForce 6800 Ultra型GPU,在相同高速緩存、SSE匯編優化Pentium 4執行條件下,許多此類應用的速度提升高達7倍之多。

               對GPU計算感興趣的用戶努力將算法映射到圖形基本元素。類似Brook這樣的高級編程語言的問世使編程新手也能夠很容易就掌握GPU的性能優勢。訪問GPU計算功能的便利性也使得GPU的演變將繼續下去,不僅僅作為繪制引擎,而是會成為個人計算機的主要計算引擎。

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