Что такое GPU?
Графический процессор (GPU) — это электронная схема, которая может выполнять математические вычисления с высокой скоростью. Вычислительные задачи, такие как рендеринг графики, машинное обучение (МО) и редактирование видео, требуют применения сходных математических операций к большому набору данных. Конструкция графического процессора позволяет параллельно выполнять одну и ту же операцию с несколькими значениями данных. Это повышает эффективность обработки многих задач, требующих больших вычислительных ресурсов.
В чем заключается важность графических процессоров?
Графический процессор отлично справляется с параллельной обработкой общего назначения, но так было не всегда. Как следует из названия, графические процессоры изначально разрабатывались для одной конкретной задачи: управления отображением изображений.
Происхождение графического процессора
До появления графического процессора использовались матричные экраны, выпущенные в 1940-х и 1950-х годах. Позже появились векторные и растровые дисплеи, а затем – первые консоли для видеоигр и ПК. В то время отображение на экране контролировалось с помощью непрограммируемого устройства под названием графический контроллер. Для обработки в данных устройствах традиционно использовался центральный процессор, а в некоторых – внутрикристальный.
Примерно в то же время был реализован проект 3D визуализации, связанный с созданием одного пикселя на экране с помощью одного процессора. Цель состояла в том, чтобы создать изображение, объединяющее множество пикселей за короткий промежуток времени. В данном проекте использовался графический процессор в том виде, в каком мы его знаем.
Первые графические процессоры появились только в конце 1990-х годов и предназначались для продажи на рынках игр и систем автоматизированного проектирования (CAD). В графический процессор были интегрированы ранее графический движок на основе программного обеспечения, а также движок трансформации и освещения с графическим контроллером – и все это на программируемом чипе.
Эволюция технологии графических процессоров
В 1999 году компания Nvidia первой выпустила на рынок одночиповые графические процессоры GeForce 256. 2000-е и 2010-е годы стали эпохой роста. Графические процессоры были дополнены такими функциями, как трассировка лучей, затенение ячеек и аппаратная тесселяция, что привело к повышению производительности генерации изображений и графики.
Только в 2007 году Nvidia выпустила архитектуру CUDA – программный уровень, делающий параллельную обработку доступной на графическом процессоре. Примерно в это же время стало ясно, что графические процессоры очень эффективны при выполнении достаточно специфических задач. В частности, они преуспели в задачах, требующих большой вычислительной мощности для достижения определенного результата.
Выпуск CUDA компанией Nvidia открыл программирование графических процессоров для более широкой аудитории. Затем разработчики смогли программировать технологию графического процессора для различных практических приложений, требующих больших вычислительных ресурсов. Вычисления на графических процессорах стали все более распространенными.
Кроме того, они являются востребованным чипом для блокчейна и других новых приложений. Графические процессоры все больше ориентируются на искусственный интеллект (ИИ) и машинное обучение (МО).
Каковы практические применения графического процессора?
Графические процессоры можно использовать в широком спектре приложений, требующих больших вычислительных ресурсов, включая крупномасштабные финансовые, оборонные приложения и исследовательскую деятельность. Вот некоторые из наиболее распространенных вариантов использования графических процессоров на сегодняшний день.
Игры
Первые приложения графического процессора, выходящие за рамки приложений визуализации в крупных компаниях и государственных учреждениях, были в персональных играх. Они использовались в игровых консолях 1980-х годов и до сих пор используются в ПК, а также современных игровых консолях. Графические процессоры необходимы для сложного графического рендеринга.
Профессиональная визуализация
Графические процессоры используются в профессиональных приложениях, таких как система автоматизированного проектирования, монтаж видео, пошаговые руководства по продуктам и интерактивность, медицинские изображения и сейсмическая визуализация. Они также применяются к другим сложным приложениям для редактирования и визуализации изображений и видео. Браузерные приложения могут даже использовать графический процессор с помощью таких библиотек, как WebGL.
Машинное обучение
Обучение модели машинного обучения (МО) требует больших вычислительных мощностей. Теперь они могут работать на графических процессорах для ускорения результатов. Хотя обучение модели на оборудовании, приобретенном самостоятельно, может занять много времени, вы можете быстро достичь результатов, используя облачный графический процессор.
Технологии блокчейн
Криптовалюты построены на блокчейнах. Определенный тип блокчейна, Proof of Work, обычно в значительной степени зависит от работы графических процессоров. Специализированные микросхемы (ASIC), похожие, но отличающиеся друг от друга чипы, теперь являются обычной заменой графических процессоров для блокчейна.
Алгоритмические доказательства блокчейна Proof of Stake устраняют необходимость в огромных вычислительных мощностях, но доказательство работоспособности все еще широко распространено.
Имитационное моделирование
Продвинутые приложения для моделирования, такие как приложения, используемые в молекулярной динамике, прогнозировании погоды и астрофизике, могут быть реализованы с помощью графических процессоров. Графические процессоры также лежат в основе множества приложений в дизайне автомобилей и крупных транспортных средств, включая гидродинамику.
Каков принцип работы графического процессора?
Современные графические процессоры обычно состоят из нескольких мультипроцессоров. Каждый из них имеет блок общей памяти, а также несколько процессоров и соответствующих регистров. Сам графический процессор имеет постоянную память, а также память устройства на плате, на которой он размещен.
Каждый графический процессор работает немного иначе в зависимости от назначения, производителя, особенностей микросхемы и программного обеспечения, используемого для координации графического процессора. Например, программное обеспечение Nvidia для параллельной обработки CUDA позволяет разработчикам специально программировать графический процессор практически для любого приложения параллельной обработки общего назначения.
Графические процессоры могут быть автономными чипами, известными как дискретные графические процессоры, или интегрированными с другим вычислительным оборудованием, известным как интегрированные графические процессоры (iGPU).
Дискретные графические процессоры
Дискретные графические процессоры представляют собой чип, полностью предназначенный для решения поставленных задач. В то время как этой задачей традиционно была графика, теперь дискретные графические процессоры можно использовать в качестве специализированной обработки для таких задач, как МО или сложное моделирование.
При использовании в графике графический процессор обычно находится на видеокарте, которая вставляется в материнскую плату. В других задачах графический процессор может находиться на другой карте или слоте непосредственно на самой материнской плате.
Интегрированные графические процессоры
В начале 2010-х годов наблюдался отход от дискретных графических процессоров. Производители становились сторонниками внедрения комбинации ЦПУ и графического процессора на микросхеме, известной как iGPU. Первые графические процессоры для ПК были представлены брендами Intel Celeron, Pentium и Core. Они по-прежнему часто используются в ноутбуках и ПК.
Другой тип iGPU – это система на микросхеме (SoC), которая содержит такие компоненты, как процессор, графический процессор, память и сеть. Эти типы микросхем обычно используются в смартфонах.
Виртуальное обучение
Как и другие типы вычислительной аппаратной инфраструктуры, графические процессоры также можно виртуализировать. Виртуализированные графические процессоры – это программное представление графического процессора, которое разделяет пространство с другими виртуальными графическими процессорами на инстансах облачных серверов. Их можно использовать для выполнения рабочих нагрузок, не беспокоясь об обслуживании базового оборудования.
В чем разница между графическим процессором и ЦПУ?
Основное различие между ЦПУ и графическим процессором заключается в их назначении в компьютерной системе. Они играют разные роли в зависимости от системы. Например, они служат разным целям в портативном игровом устройстве, ПК и суперкомпьютере с несколькими серверными шкафами.
В целом, процессор обеспечивает полный контроль над системой, а также управление и выполнение задач общего назначения. И наоборот, графический процессор выполняет ресурсоемкие задачи, такие как редактирование видео или машинное обучение.
В частности, процессоры оптимизированы для выполнения следующих задач:
- управление системой;
- многозадачность в разных приложениях;
- операции ввода и вывода;
- сетевые функции;
- управление периферийными устройствами;
- многозадачность памяти и системы хранения.
В чем разница между графическим процессором и графическим контроллером?
Названия графического процессора и графического контроллера часто используются как синонимы, но это не одно и то же.
Графический контроллер – это расширительная плата (AIB), которая вставляется в специальное место на материнской плате компьютера. Графические контроллеры не встроены в сам компьютер, а являются взаимозаменяемыми. Графический контроллер идет в комплекте с графическим процессором.
Графический процессор является основным компонентом графического контроллера. Он существует вместе с другими компонентами, такими как память изображения (VRAM), порты (например, HDMI или DisplayPort) и компонент охлаждения. Однако графический процессор также может быть встроен непосредственно в материнскую плату или интегрирован в виде микросхемы «все в одном» вместе с другими компонентами.
Как AWS обеспечивает соответствие вашим требованиям к графическим профессорам?
Amazon Web Services (AWS) предлагает Эластичное вычислительное облако (Amazon EC2), самую масштабную и разноплановую вычислительную платформу.
Amazon EC2 насчитывает более 500 инстансов и позволяет выбрать новейший процессор, систему хранения данных, сетевую систему, операционную систему и модель покупки. Он может легко удовлетворить потребности вашей рабочей нагрузки.
С Amazon EC2 можно легко арендовать графические процессоры в облаке и запускать их. Используйте преимущества графических процессоров при обработке видео, рендеринге графики, работе с искусственным интеллектом (ИИ) и применении других возможностей параллельной обработки.
Инстансы Amazon EC2 подходят практически для любого типа рабочей нагрузки.
- Инстансы P2 предназначены для вычислительных приложений общего назначения, требующих наличия графических процессоров.
- Инстансы Amazon EC2 P5 оснащены восемью встроенными графическими процессорами. Они представляют собой последнее поколение инстансов на базе графического интерфейса. Они обеспечивают самую высокую производительность в Amazon EC2 для глубокого обучения и высокопроизводительных вычислений (HPC).
- Инстансы Amazon EC2 G5 работают на базе процессоров AWS Graviton2 и оснащены графическими процессорами NVIDIA T4G Tensor Core. Они обеспечивают лучшее соотношение цены и производительности в Amazon EC2 для графических рабочих нагрузок, таких как потоковая трансляция игр для Android.
Начните использовать графические процессоры на AWS, создав аккаунт уже сегодня.
AWS: дальнейшие шаги
Получите мгновенный доступ к уровню бесплатного пользования AWS.
