Как устроены процессоры GPU и CPU
Процессор — это одна из важнейших частей компьютера и сервера. Она отвечает за взаимодействие других частей устройства и помогает выполнять машинные операции.
Первоначально при сборке компьютеров и серверов использовались только процессоры, которые выполняли все необходимые действия для работы устройства. Однако по мере усложнения графических интерфейсов спрос на высококачественные графические эффекты существенно вырос. Это послужило началом для создания специального оборудования и первых графических карт. Позже был создан графический процессор: он был предназначен для выполнения ресурсоемких операций и графических задач без задействования центрального процессора.
В статье мы расскажем о каждом из этих типов процессоров. Вы увидите, что каждый из них эффективен при выполнении предназначенных для них задач. Однако специфика CPU и GPU существенно отличается. Поэтому выбирать облачные сервисы стоит с учетом тех операций, которые вы выполняете на регулярной основе.
Что такое CPU и как он устроен
CPU (Central Processing Unit) — это «мозг» компьютера. Он отвечает за все функциональные задачи компьютера, такие как:
- управление операционной системой,
- операции с данными,
- регулирование доступами к ресурсам ПК,
- общие вычисления и многие другие.
Центральный процессор выполняет действия по строгому алгоритму под названием «машинный цикл». Он состоит из трех последовательных действий, например:
- Получение команды от оперативной памяти (ОЗУ).
- Перевод команды в машинный код.
- Выполнение команды.
Архитектура CPU
Центральный процессор выполняет основные вычислительные операции компьютера. Обычно он состоит из следующих компонентов:
- Ядра. В состав центрального процессора входят ядра в качестве самостоятельных исполнительных блоков. Их может быть от одного до нескольких сотен штук. Зачастую каждое ядро выполняет одно действие — за распределение этих задач между ядрами обычно отвечает операционная система либо приложения. Благодаря этому процессор может выполнять несколько разных действий одновременно: например, одно ядро может выполнять системные задачи, другое — принимать команды пользователя, третье — переводить эти команды в машинный код и т. д.
- Кэш-память (буферная память). Центральный процессор имеет встроенную кэш-память: она представляет собой небольшие высокоскоростные блоки. Кэш необходим для того, чтобы уравновесить скорость работы процессора и оперативной памяти, а также для увеличения скорости вычислений. На практике этот тип памяти используется для краткосрочного хранения данных.
Отдельно стоит упомянуть шину данных — она используется в качестве интерфейса доступа к центральному процессору.
Для чего используется CPU
Центральный процессор — это одна из важнейших составных частей компьютера или сервера. Процессор CPU необходим для выполнения всех функциональных задач, среди которых:
- прием данных из оперативной памяти;
- выполнение арифметических, логических и других действий с полученными данными;
- передача обработанных данных внешним устройствам;
- формирование сигналов для внутренних узлов;
- временное хранение результатов выполненных операций;
- прием запросов от внешних устройств;
- обработка полученных запросов и многие другие.
Что такое GPU и как он устроен
GPU (Graphics Processing Unit) — это процессор, который предназначен для выполнения ресурсоемких операций и графических задач без задействования центрального процессора. Существует два основных типа графических процессоров:
- Интегрированные GPU. Графический процессор этого типа встроен в тот же чип, что и центральный процессор: они делят ресурсы памяти между собой, тем самым обеспечивая энергопотребление с высокой эффективностью. Как правило, интегрированные графические процессоры используются при производстве ноутбуков, планшетов, смартфонов и аналогичных устройств.
- Дискретные (или специализированные) GPU. Такой тип GPU имеет встроенные автономные компоненты с собственной выделенной памятью: благодаря этому их производительность выше в сравнении с интегрированными GPU. Как правило, специализированные графические процессоры используются при сборке игровых компьютеров и профессиональных рабочих станций.
Архитектура GPU
GPU полностью адаптирован к работе с графикой, в том числе и благодаря архитектуре. Она состоит из трех основных элементов:
- Ядра. В состав GPU входит большое количество потоковых процессоров: от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч. Эти ядра работают параллельно, и каждое из них отвечает за выполнение конкретных задач. Всё это позволяет выполнять множество вычислительных операций одновременно.
- Видеопамять. В состав GPU входит VRAM — запоминающее устройство, которое кэширует большой объем графических данных.
Также графический процессор имеет широкополосную шину данных — она позволяет оперативно передавать информацию между потоковыми процессорами и видеопамятью. Благодаря этому GPU способен работать с программами, требовательными к графике.
Для чего используется GPU
GPU, как мы писали ранее, используется для работы с графическими данными. Это может пригодиться для большого количества задач:
Обработка графики. GPU поддерживает изображения в высоком разрешении, а также воспроизводит анимацию без потери качества. Это может быть полезно для художников и графических дизайнеров, а также в сфере блоггинга и кинематографа.
Поддержка игр и виртуальной реальности. GPU поддерживает технологию трассировки лучей: она позволяет имитировать освещение, тени и отражения при помощи графики. Также графический процессор обеспечивает высокую частоту кадров и низкую задержку. Этот функционал активно используется при создании игр и миров виртуальной реальности.
Обработка больших массивов данных. GPU работает с потоками параллельно: это позволяет обрабатывать большое количество данных в один момент. Кроме того, GPU подходит для сложных математических вычислений. Все эти преимущества находят применение в научной сфере: математике, физике, химии и других дисциплинах.
Выполнение матричных операций. Так как графический процессор имеет параллельную архитектуру, это позволяет выполнять множество операций одновременно. Это полезно при обучении нейронных сетей и работе с искусственным интеллектом в целом.
Создание математических моделей. GPU подходит для математических вычислений, а также для визуализации полученных данных. Благодаря этому процессор используется в промышленности для ведения учета производственных процессов и составления моделей на основе физических параметров.
Галина Ашмарина
