وحدة معالجة الرسوميات

إنوحدات معالجة الرسوميات(بالإنجليزية:Graphics Processing Unit أو Visual Processing Unit)‏ من أنواعالمعالج الصغريالمكرسللتصييرفي أجهزةالحاسوب الشخصيوالحاسوب الإداريوأنظمة ألعاب الفيديو. وإن وحدات معالجة الرسوميات الحديثة فعالة جدا في معالجة وعرض رسوميات الحاسوب. وإن نظام التحليل المتوازي يجعلها أكثر فعالية منوحدات المعالجة المركزيةفي مجموعة منالخوارزمياتالمعقدة. ويمكن وضعها على بطاقة العرض المرئي أو متكاملة مباشرة فياللوحة الأم.
إن رقاقاتإيه أن تي أي سي(ANTIC)وسي تي أيه إي(CTIA) أمنت أجهزة التحكم بالرسوميات المدموجة وصياغة النصوص، وغير ذلك من التأثيرات على الكمبيوتر أتاري بنظام 8 بتات. وكانت رقاقة إيه أن تي أي سي معالجة رسم بينات النصوص والرسوميات على شكلإشارةفيديو. وإن مصمم هذة الرقاقة,جاي ماينورJay Miner, قام بتصميم رقاقة معالجة الرسوميات لجهازكومودور(Commodore) من شركةأميجا(Amiga).
كان جهاز كومودور أميجا أول جهاز صنع بكثافة يحتوي جهازه الفديو على نظامبليتر(Blitter), وكان نظامأي بي أم8514الرسومي من أول أنظمة العرض المرئي باستطاعتها تنفيذ رسوميات بدائيةثنائية الأبعاد. كانت أجهزة أميجا مميزة، في ذاك الوقت، لاحتوائها على ميزة مهمة وهي ما يعرف الآن بنظام تسريع الرسوميات متكامل، الذي أمكن تحويل معالج الرسوميات إلى المعدات الصلبة، من ذلك الرسم الخطوطي، تعبئة مناطق، نقل قطع الصور، ومعالج الرسوميات المساعد (Graphics Coprocessors)بمجموعة التعليماتمخصّصة لها. وكانت عملية رسم وعرض الرسوميات تعالج كلها بوسطةوحدة المعالجة المركزيةمن قبل.
في أوائل التسعينات وعندما بدأمايكروسوفت ويندوزبالبزوخ زاد الاهتمام بالأداء العالي لدى، دقةرسوميات الرستر. وإن هيمنة ويندوز أدت إلى زيادة الاهتمام بتطوير برنامج مواجهة لوحدة معالجة الرسوميات، وهوواجهة جهاز الرسومياتجرافيكس ديفايس إنترفيس(Graphics Device Interface GDI).
في عام1991, قامت شركةأس ثري جارفيكس(S3 Graphics) بإنتاج أول رقاقة أحادية مسرعة ثنائية الأبعاد، وهي رقاقة S3 86C911 (رقمت برقم 911 إشارة إلى سيارةبورش 911علامة 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 الرسوميات المساعد مما أدى إلى تلاشيها من أنظمة الحسوب الشخصية.
و في خلال التسعينات استمرتواجهة مستخدم رسوميةثنائية الأبعاد بالتطور. وبتحسن قدرات التصنيع، تحسن أيضن مستوى دمج رقاقات الرسوميات. وظهر العديد منواجهات البرمجة التطبيقيةللعديد من المهمات مثل مكتبة رسوميات مايكروسوفتوين جي(WinG)لوندوز 3.x, ولاحقا واجهةدايركت درو(DirectDraw) لتسريع الألعاب ثنائية الأبعاد داخلويندوز 95وما بعده.
في أوائل ومنتصف التسعينات، بدأت الرسوميات ثلاثية الأبعاد بالظهور بمساعدة وحدة المعالجة المركزية في أجهزة الحاسوب وأنظمة ألعاب الفيديو، مما أدى إلى ازدياد الطلب على جهاز متخصص مسرع للرسوميات ثلالثية الأبعاد. ومن أوائل هذه الأنظمة التي تم تسويقها بشكل كبير موجودة فيالجيل الخامس من أنظمة ألعاب الفيديومثلبلايستايشنونينتندو 64. ومن بعض الرقاقات المسرعة ثلاثية الأبعاد الرخيصة لأجهزة الحاسوب التي فشلت: أس ثريفيرجي(S3 ViRGE),إيه تي أي رايج,وماتروكسمستيك (Matrox Mystique). فكانت هذه الرقاقات من الجيل السابق من المعالجات ثنائية الأبعاد مرفقا بها ميزات ثلاثية الأبعاد. وفي البداية، لم تكن الرسوميات ثلاثية الأبعاد ممكنة إلى عن طريق لوحات منفصلة مخصصة لتسريع وظائف ثلاثية الأبعاد (ولكن كان ينقصها معالج ثنائي الأبعاد) مثل بطاقة فودو من شركةثري 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 رقاقةفيرايت(Verite) من شركةرنديشون(Rendition).
وظهرت في أوائل التسعيناتواجهة برمجة التطبيقاتمحترفة وهيأوبن جي أل(OpenGL), وأصبحة القوة المهيمنة في مجال الحاسوب الشخصي، وقوة دافعة لتطوير معدات العرض المرئي. وكانت البرمجات التنفيذ لواجهة أوبن جيل واسعة في ذلك الوقت، وكن تأثير أوبن جي أل قويا مما أدى في نهاية المطاف إلى دعم هذه الواجهة في أجهزة العرض المرئي على نطاق واسع. ومع مرور الوقت أصبحة الميزات الموجودة داخل بطاقات العرض متساوية مع تلك التي في واجهة أوبن جي أل. وفي أواخر التسعينات، أصبحدايركت 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 الخطوة جعلت دايركت إكس أقل مرغوبة كواجهة برمجة تطبيقات لأن أغلب الميزات الموجودة فيها موجودة في الأصل في وحدات معالجة الرسوميات، والتي كان باستطاعة واجهة أوبن جي أل الاستفادة منها ومما جعل واجهة دايركت إكس متأخرة عن أوبن جي أل.
مع مرور الوقت أصبحة مايكرسوفت تعمل إلى جانب مصمِّمي وحدات معالجة الرسوميات، وبدأت تستهدف إطلاق نظام دايركت إكس مع أجهزة العرض المرئي الداعمة لها. وكان دايركت ثري دي 5.0 (Direct3D 5.0) أول واجهة برمجة تطبيقية حصلت على اعتماد واسع النطاق في سوق الألعاب، وتنافست بشكل مباشر مع العديد من مواصفات معدات العرض المرئي، ولكن حافظة أوبن جي أل على ملحقات قوية. وقدمت دايركت ثري دي 7.0 الدعم لتسريع نظامالتحويل والإضائة(Transform and Lighting T&L) بواسطة المعدات. وتخطت المسرعات ثلاثية الأبعاد عملها الرئيسي لتتضمن مصييرلأنابيبرسوميات ثلاثية الأبعاد. فإن بطاقة NVIDIA GeForce 256 (المعروف أيضا باسم NV10) أول بطاقة أطلقت في الأسواق مع هذه القدرة.
بعد ظهور واجهة البرمجة التطبيقية أوبن جي أل والوظائف المماثلة لها في دايركت إكس، أضيف إلى وحدا معالجة الرسوميات قدرةالبرمجة التظليلية. وأصبح بالاستطاعة تحليلالعنصوراتببرامج قصيرة يمكن أن تتضمنإكساءات, وكذلك كلالنقاط الهندسةيمكن يمكن تحليلها ببرنامج قصير قبل عرضها على الشاشة. وكانت أنفيديا أول شركة أنتجت رقاقات باستطاعتها برمجة الأظلة وهي GeForce 3 (المعروفة باسم NV20). وبحلول تشرين الثاني عام2002, أطلقة شركة إيه تي أي بطاقة Radeon 9700 (المعروفة باسم R300), وهي أول بطاقة احتوت على مسرع دايركت ثري دي 9.0, ومظلل العنصورات والنقالت الهندسية بأستطاعتها تنفيذعمليات حسابية على أعداد الفاصلة العائمةمتكررة وطويلة.وسرعان ما أصبحت وحدات معالجة الرسوميات مرنة مقارنة مع وحدات المعالجة المركزية. وغالبا ما كان مظلل العنصورات يستعمل في رسمنتوء, التي تضيف إكساءات لتجعل الأحجام تبدو براقة، باهتة، خشنة، أو حتى مبرومة أومبثوقة.
ومع ازدياد قدرة وحدات معالجة الرسوميات على التحليل، إزداد طلبها للطاقة الكهربائية. وإن وحدات معالجة الرسوميات عالية الأداء غالبأ ما تستهلك طاقة أكثر من وحدات المعالجة المركزية الحالية.
وحاليا أصبحت وحدالت معالجة الرسوميات المتوازية (Parallel GPUs) تبدء بالدخول على قدرات وحدات المعالجة المركزية، بواسطةالتحليل لأغراض عامة على وحدة معالجة الرسوميات("General Purpose Computing on GPU "GPGPU). وقد وجدت طريقها إلى مجالات متنوعة مثل التنقيب عن النفط ومعالجة العلمية للصوروالجبر الخطيوإعادة البناء ثلاثية الأبعاد وحتى تحديد تسعير خيارات الأسهم. وهاذا ما يزيد الضغط على تطوير قدرة وحدات معالجة الرسوميات عن طريق إضافة المزيد من المرونة لنماذج البرمجة.
إن الشركات الرئيسية التي تصنع وحدات معالجة الرسوميات تحت أسماء تجارية مختلفة، وأهمهاإنتلوأنفيدياوإيه أم دي/إيه تي أيوإن نصيب هذه الشركات من السوق هو 49.4 ٪ و 27.8 ٪ و 20.6 ٪ على التوالي. بيد أن هذه الأرقام تشمل وحدات إنتل منخفضة التكاليف للغاية ومنخفضة الأداء. فإذا طُرحة تلك الوحدت نجد أن أنفيديا وإيه أم دي تهيمن على كل أسواق هذه الوحدات. وبالإضافة إلى هذه الشركات، فإنفيا تكنولوجيز/أس ثري جرافيكسوماتروكستصنع أيضا وحدات معالجة الرسوميات.
إن وحدات معالجة الرسوميات الحالية تستعمل معظممقحلاتهالعمليات حسابية تتعلق بالرسوميات ثلاثية الأبعاد. وكانت سابقا تُستخدم لتسريع العمل المكثف لذاكرةإكساءالرسوميات وتسريعتصييرالمضالع. ولاحقا أضيف إليها وحدات لتسريع العمليات الحسابية الهندسية مثلالدورانوانزلاقالنقطة الهندسيةإلىنظام إحداثياتجديدة. والتطوير الحديث لوحدات معاجة الرسوميات ضم نظام تظليل قابل للبرمجة الذي يمكنه التلاعب بالنقاط الهندسية وبالإكساءات بواسطة العديد من العمليات التحليلية المطابقة لتلك التي في وحدات المعالجة الرأيسية، وبالإضافة إلى ذلك,الإفرط(OverSampling)والاستيفاءلتخفيضالتعرجاتومساحات ألوان عالية الدقة. ولأن هذه العمليات تضمن عمليات حسابيةللمصفوفةوللأشعة, بدأ العلماء والباحثون بدراسة استعمال وحدات معالجة الرسوميات لعمليات حسابية لا تتعلق بالرسوميات.
وبالإضافة إلى معدات الرسوميات ثلاثية الأبعاد، تحوي وحدات معالجة الرسوميات على مسرع للرسوميات ثنائية الأبعاد وقدرةفرايم بافر(Framebuffer). وبالإضافة إلى ذلك، كل وحدة معالجة الرسوميات منذ سنة1995تحتوي على نظامواي يو في(YUV) للألوان. والكثير من هذه الوحدات بدأت منذ عام2000دعم أنظمةإم بي إي جيبدائية مثلتعويض الحركة(Motion Compensation)وتحويل جيب التمام المتقطع. وتحتوي بعض بطاقات العرض الجديدة علىفاكك شفراتالفيديوهات فائقة الجودة(High-Definition Video) التي تخفف الضغط عن وحدة المعالجة المركزية.
وهي أقوى صيغة لوحدة معالجة الرسوميات وتتصل مع اللوحة الأم عن طريقشقوق التوسيع(Expansion Slot) مثلمنفذ الملحقات الإضافية السريع(PCI Express)ومنفذ الرسوميات السريع(AGP) ويمكن تغير البطاقات بطريقة سهلة جدا. وبعض هذه البطاقات ما زال تستعملمنفذ الملحقات الإضافيةولكنحجم تدفق بياناتهبطيء ولا يستعمل إلا عند عدم وجود منفذ الملحقات الإضافية السريع أو منفذ الرسوميات السريع. وإن وحدات العرض المرئي المكرسة لا تعني أنه يمكن فصلها عن الوحة الأم، بل أنها تحتوي علىذاكرة الوصول العشوائيخاصة بها. لأن وحدات معالجة الرسوميات المكرسة لحاسوب المحمول في العادة تكون مندمجة مع لوحة الأم.
وهناك تكنلوجيات جديدة نسبياً, وهيأس أل أي(SLI) من شركةإنفيدياوكروس فاير(CrossFire) من شركةإيه تي أي, التي تمكن من دمج قدرة تحليل عدة وحدات معالجة الرسوميات لترسم صورة واحدة، مما يقوي قدرة تحلل بينات الرسوميات.
وهي تتقاسم ذاكرة الوصول العشوائي بينها وبين وحدات المعالجة المركزية عوضا عن استعمالها لذاكرة الوصول العشوائي خاصة بها. وإن الحواسيب التي تتضمن وحدات معالجة الرسوميات مندمج تكون 90% من مبيعات الحواسيب، لأن كلفتها أرخص من وحدات معالجة الرسوميات المكرسة، ولكنها إقل قدرة منها.وهي تعيبر تاريخيا غير صالحة لعرض رسوميات الألعاب ثلاثية الأبعاد أو تشيغيل برامج تحتاج إلى تحليل رسوميات مكثف. ولكن بعض هذه الوحدات مثل وحداتجي أم إيه إكس 3000(GMA X3000) من شركة إنتل (في مجموعة شرائح إنتل جي 965 G965) ووحداتريدون أتش دي 3200(Radeon HD 3200) من شركةإيه أم دي(في مجموعة شرائح إيه أم دي 780 جي AMD 780G) ووحداتجي فورس 8200سلسلة شرائح جي فورس 8من شركة إنفيديا (في مجموعة شرائح إنفيديا أن فورس 730 إيه nForce 730a) تحتوي على قدر ضئيلة نسبيأ ولكن أكبر من غيرها من وحدات وحدات معالجة الرسوميات المندمجة في التحليل ثنائي وثلاثي الأبعاد لبعض البرامج، ولكنها تنازع مع الألعاب ثلاثية المتقدمة. وإن معظم لوحات الأم التي تحتوي على وحدات معالجة الرسوميات المندمجة تحتوي أيضا على شقوق التوسيع لضم بطاقات عرض الرسوميات مكرسة إذا أراد المستهلك.
ولأن وحدات معالجة الرسوميات تتكل بشكل كثيف على ذاكرة الوصول العشوائي، فإن وحدات معالجة الرسوميات المندمجة تتنافس مع وحدة المعالجة المركزية على سرعة تضفق بيانات ذاكرة الوصول العشوائي البطيأة نسبيا لأن سرعة تضفق بيانات ذاكرة المنظومة تقع بين 2وحدة معدل البيانات‏ و 12.8 Gb/s أم سرعة تضفق بيانات ذاكرة وحدات معالجة الرسوميات المكرسة تقع بين 10 Gb/s إلى أكثر من 100 Gb/s. وإن وحدات معالجة الرسوميات المندمجة القديمة ينقصها نظام التحويل والإضائة، ولكن الوحدات الجديدة تتضمن ذلك.
وهي فئة جديدة تتنافس مع وحدات معالجة الرسوميات المندمجة في الحاسوب الشخصي والمحمول. وأكبر مثال على ذلك نظاميتيربو كاتش(TurboCache) من شركة إنفيدياوهايبر ماموري(HyperMemory) من شركة إيه تي أي. فإن وحدات العرض المرئي الهجينة أغلى من وحدات معالجة الرسوميات المندمجة ولكنها في نفس الوقت أقل قدرة من وحدات العرض المرئي المكرسة. فهي مثل وحدات معالجة الرسوميات المندمجة تشارك منظومة الحاسوب ذاكرتها، ولكن تحوي في نفس الوقت على ذاكرة خاصة بها أصغر من ذاكرة وحدات العرض المرئي المكرسة، للتعويض عن ارتفاعكمون ذاكرةنظام الحاسوب، وإن تكنولوجية منفذ الملحقات الإضافية السريع (PCI Express) تمكنها من ذلك. وفي حين أن هذه الحلول تشير إلى حجم ذاكرة يصل إلى 768ميقابايتلكنها تعني كمية الذاكرة التي تشاركها مع منظومة الحاسوب، وليست التي تحويها في البطاقة.
وهي مفهوم جديد يستخدم نظام معدل من نظامالتحليل المتدفق(Stream Processing) ليمكّن من التحليل لأغراض عامة على وحدة معالجة الرسوميات. وإن هذه المنظومة تحوّل قدرةالعمليات الحسابية على أعداد الفاصلة العائمةفي مسرع الرسوميات الحديثة إلى قوة تحليل عامة، بدلا من تكريسها لعمليات حساب الرسوميات. 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 معجامعة ستنفردلتصنع برنامج يستخدم وحدات معالجة الرسومت ليساهم في مشروعالحوسبة الموزعةفولدنغ@هوم. وفي ظروف معينة، تقوم وحدت معالجة الرسوميات بعمليات حسابية أسرع بأربعين مرة من وحدة المعالجة المركزية المخصصة لهذه العمليات.
وفي الآونة الأخيرة بدأت شركة إنفيدي تعرض بطاقات العرض المرئي التي تدعم ملحقاتواجهة البرمجة التطبيقات(API) للغة البرمجةسيمسماتكودا(Compute Unified Device Architecture), التي تمكن بعض وظائف الخاصة لبرامجالسيلتعمل علىمحلل التدفقفي وحدة معالجة الرسوميات. وهذا يمكّن برامج السي الإتستفادة من وحدات معالجة الرسوميات لمعالجةمصفوفاتكبيرة بشكل متوازي، مع استعمال وحدات المعالجة المركزية عندما يقتضي الأمر. وإن برنامج كودا هو أول واجهة برمجة تطبيقات تمكن من عمل برامج مخصصة لوحدات المعالجة المركزية على وحدات معالجة الرسوميات للتحليل لأغراض عامة من دون التقيد باستخدام واجهة برمجة تطبيقات للرسوميات.
ومنذ عام2005أصبح هنك اهتمام في استعمال الأداء الذي تقدمه وحدة معالجة الرسومياتللحساب التطوريبشكل عام ولتسريع تقييم اللياقة البدنية فيبرمجة الجيناتبشكل خاص. وإن معظم النهج تستخدمLinear Genetic ProgrammingأوTree-Based Genetic Programmingعلى الحاسوب المضيف ثم تنقل التننفيذ إلى وحدات معالجة الرسوميات.
في عام 2007، طورت شركة NVIDIA مكتبةCUDAكمكتبة تعمل على مفهوم الحوسبة المتوازية في إجراء عمليات حاسوبية على المعالجات الرسومية، أصبحت بشكل سريع هذه المكتبة الخيار الأول للمطوريين والباحثين في مجال التعلم العميق، حيث تتفوق النماذج الرياضية التي تعمل على المعالجات الرسومية من حيث السرعة بما يصل إلى عشرة اضعاف مثيلاتها التي تعمل علىوحدة المعالجة المركزية.