با تلفن‌های هوشمند و تبلت‌هایمان صمیمی شویم بخش دوم: GPU - پردازشگر گرافیکی

کاربرد پردازنده گرافیکی به دو مورد عمده مربوط است: ساختار اصلی به کار رفته در چیپ و سیستم عامل

گاهی پیش می‌آید که تراشه تولید شده از سخت‌افزارهایی همچون رمزگشایی فایل‌های چندرسانه‌ای یا media decoding بی‌بهره است و در اینجا این پردازنده گرافیکیست که وظیفه پردازش رزولوشن‌های بالا و موارد گرافیکی را بر عهده می‌گیرد.

همچنین گاهی بعضی پردازش‌ها و فرامین به پردازنده گرافیکی (GPU) واگذار می‌شود و به این طریق از بار روی هسته‌های پردازنده کاسته می‌شود .

زمانی که به کاربرد وجود پردازنده گرافیکی در سیستم عامل‌ها می‌رسیم قضیه اندکی پیچ و تاب بیشتری به خود می‌گیرد. اولین و اصلی‌ترین کاربرد پردازنده گرافیکی در نمایش و رندر کردن بازی‌ها و برنامه‌‌های 3D است. در واقع، هسته‌های پردازشی پردازنده‌های Cortex طوری طراحی نشده‌اند که توانایی انجام پردازش‌های اینچنین را داشته باشند و به همین خاطر، غالب پردازش‌های گرافیکی مربوط به سیستم عامل و بازی‌ها به پردازنده گرافیکی واگذار می‌شود. در این موارد، پردازش‌ها و محاسبات اصلی به CPU و رندر کردن 3D به GPU سپرده می‌شود.

در غیر از این موارد، اغلب رندرهای دو بعدی در محیط سیستم عامل‌ها نیز به GPU واگذار می‌شود. برای مثال بزرگنمایی روی عکس‌ها و انمیشن‌های به کار رفته در آیکون‌ها و رابط کاربری سیستم عامل نمونه‌ای از این موضوع است. البته بنا بر سیستم عامل مورد نظر ممکن است که این وظایف نیز بر عهده CPU سپرده شود. اما GPUها این دست امور را نیز به مراتب بهتر و بهینه تر از CPUها انجام می‌دهند.

ویندوز فون، از انیمیشن و رابط کاربری گرافیکی و نسبتاً سنگینی بهره می‌برد. مدل‌های قدیمی‌تر تلفن‌های مبتنی بر این سیستم عامل به SoC‌های ضعیفی تجهیز شده‌اند، این SoCها مجهز به CPU نسبتاً ضعیفی هستند و از این رو اینجا است که GPU نقش اصلی را ایفا می‌کند و بار اجرای رابط کاربری را بر دوش می‌کشد. بدین‌ترتیب با وجود اینکه بسیاری از ابزارهای مبتنی بر ویندوز فون دارای پردازنده ضعیف تک یا حداکثر دو هسته‌ای هستند بازهم رابط کاربری سیستم عامل کاملاً نرم و روان اجرا می‌شود.

در سیستم عامل اندروید به‌طور کامل با داستان متفاوتی رو‌به‌رو هستیم. با توجه به اینکه طیف وسیعی از مدل‌های قدیمی‌تر اندروید از پردازنده گرافیکی قدرتمندی بهره‌مند نیستند، پردازش رابط کاربری و اجرای آن به پردازنده واگذار می‌شود که عملکرد این بخش در مقایسه با پردازنده گرافیکی چندان قابل قبول نیست. البته از اندروید 4.1 به بعد شرایط کمی تغییر کرد و با تعریف پروژه کره (Project Butter) و رابط کاربری 60 فریم از پردازنده گرافیکی برای رندر صفحات استفاده شد که درنتیجه آن با رابط کاربری قوی‌تر و سریعتری رو‌به‌رو هستیم.

تاکنون باید خود شما هم متوجه شده باشید که یکی از دلایلی که به‌روزرسانی سیستم عامل اندروید برای همه مدل‌ها ارائه نمی‌شود یا با تأخیر همراه است،‌ به همین موضوع بر می‌گردد.

در نسخه‌های قدیمی این سیستم عامل رابط کاربری به CPU واگذار می‌شد ولی در مدل‌های جدید این کار به پردازنده گرافیکی واگذار می‌شود. در همین راستا،‌ عدم وجود پردازنده گرافیکی یکسان در تمامی مدل‌ها یا عدم وجود آن در بعضی مدل‌ها،‌ سبب می‌شود که امکان ارائه این سیستم عامل برای همه مدل‌ها وجود نداشته باشد یا زمان بیشتری برای رفع مشکلات آن و هماهنگ سازی نسخه جدید سیستم عامل با سخت افزار باشد.

سیستم عامل اپل و محصولاتش، به رابط کاربری روان و سریع خود مشهور هستند. این موضوع از آنجا ناشی می‌شود که پردازش‌های مربوط به رابط کاربری در این سیستم عامل به GPU واگذار شده است. در طرف دیگر، اپل با سخت افزار محدودتر و تنوع محصولاتی کمتر به نسبت اندروید، سبب می‌شود که راحت‌تر آپدیت‌های نرم‌افزاری دراختیار کاربران قرار گیرد.

خانواده آدرنو یکی از محبوترین پردازنده‌های گرافیکی‌ست که در SoCهای شرکت Qualcomm به کار می‌رود. این پردازنده‌ها در ابتدا توسط شرکت AMD و با نام ATI تولید می‌شد و پس از خرید این بخش AMD توسط کوالکوم، این پردازنده‌ها به کوالکوم واگذار شدند. در حال حاضر غالبا سری Adreno 2XX در خانواده اسناپدراگون به کار می‌روند. نکته اصلی در مورد سری‌های مختلف پردازنده گرافیکی آدرنو، دو برابر شدن سرعت سری جدید نسبت به سری قبلی است. برای مثال ادرنو 205 دو برابر از 200 سریع‌تر و سری ۲۲۰ چهار برابر سریع‌تر از سری ۲۰۰ است.

در سری اول اسنپدارگون، از پردازنده گرافیکی Adreno 200، در سری دوم از 205 و در سری سوم از Adreno 220 استفاده شد. نکته قابل توجه در پردازنده گرافیکی به کار رفته در Snapdragon S3، قابلیت‌هایی همچون OpenGL ES 2.0 به همرا Direct3D 9.3 است که برای پردازش بهتر بازی‌ها مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد.

Adreno 220: این پردازنده گرافیکی اولین بار در سومین سری از تراشه‌های اسناپداراگون در نقش پردازنده گرافیکی ظاهر شد و شامل پیشرفت‌های بسیاری از جمله پردازش سه بعدی و اجرای بازی‌های HD می‌شود. همچنین در مقایسه با پردازنده گرافیکی قبلی، یعنی Adreno 220 از کارآیی گرافیکی 2 برابر و توانایی بیشتر در پردازش ویدیوها و بازی‌ها بهره می‌برد.

Adreno 225، که همراه با مدل جدید پردازنده Krait در چهارمین سری از تراشه‌های کوالکوم(Snapdragon S4) به کار رفته، از ۵۰ درصد سرعت بیشتر و کارآیی بالاتر نسبت به مدل قبلی بهره می‌برد که قدرت پردازش گرافیکی دستگاه را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد.

جدیدترین عضو خانواده آدرنو که در تراشه‌های S4 Prime و S4 Pro به کار گرفته شده، پردازنده گرافیکی آدرنو ۳۲۰ است که با همراه داشتن معماری جدید و قابل برنامه‌ریزی، از کارآیی چهاربرابری به نسبت آدرنو ۲۲۵ بهره می‌برد. این پردازنده گرافیکی به خوبی از عهده پردازش وب‌سایت‌هایی طراحی شده با فناوریHTML5 ، رابط کاربری سه بعدی و اجرای روان بازی‌های سه بعدی بر می‌اید و در عملکرد بهتر دوربین و اضافه کردن امکانات بیشتر برای پردازش عکس‌ها در نور کم نقش دارد.

Imagination Tech دومین تولید کننده بزرگ پردازنده‌های گرافیکی که محصولات فعلی آن‌ها بیشتر با نام PowerVR SGX 5 یا 5XT شناخته می‌شود.

محصولات این خانواده در دستگاه‌های مختلفی دیده می‌شود. صنایع تگزاس که تراشه‌های آن در مقالات قبلی بررسی شد، به صورت اختصاصی از این پردازنده گرافیکی استفاده می‌کند. همچنین در برخی از تراشه‌های Exynos سامسونگ و تراشه‌های فعلی شرکت اپل همانند A4 و A5 از این پردازنده گرافیکی استفاده شده است.

سری MBX: این سری از پردازنده‌های گرافیکی را به نوعی می‌توان شروع ماراتن موفقیت‌های تولید کننده PowerVR دانست که در محصولات بسیاری از شرکت‌های تولید کننده تراشه از جمله Intel, Texas Instruments, Samsung به کار گرفته شد. این محصول همچنین پردازنده بخش گرافیکی محصولات مهم و معروفی از جمله اولین آیفون، Nokia N95, Sony Ericsson P1 بوده است.

سری ۵ (SGX): این سری با پشتیبانی از DirectX 10.1 و OpenGl 2 به‌عنوان پردازنده گرافیکی بسیاری از تراشه‌های مدل‌های به نسبت قدیمی قرار گرفته است. از جمله مدل‌هایی که در تراشه‌های آن‌ها سری ۵ به‌عنوان پردازنده گرافیکی قرار دارد می‌توان به تراشه A4 اپل و اولین نسل از تراشه‌های Exynos ‌ سامسونگ اشاره نمود.

پردازنده گرافیکی سری5XT: در دستگاه‌های معروفی همچون کنسول دستی جدید سونی(PS Vita)، آیفون 4S و آیپد ۲ به کار رفته است. این سری تا ۱۶ هسته پردازشی را پشتیبانی می‌کند که هر کدام از این هسته‌ها دو برابر مدل‌های قبلی سرعت دارند. انتهای نام مدل‌های مختلف این سری به صورت MPx نوشته می‌شود که X نمایانگر تعداد هسته‌هاست. برای مثال مدل SGX543MP2 که در آیفون 4S به کار رفته است دارای دو هسته است و مدل PowerVR SGX543 MP4+ به کار رفته در PSvita دارای هشت هسته (البته عدد ۴ در کنار یک مثبت قرار گرفته که این موضوع بخاطر سفارشی بودن این پردازنده برای سونی و استفاده از هشت هسته به جای چهارهسته است) است. از دیگر مدل‌هایی که از این پردازنده گرافیکی در تراشه خود استفاده می‌نمایند می‌توان به آیپد نسل سوم ( چهارهسته SGX543MP4) و آیفون ۵( SGX554MP4)‌ اشاره کرد. همچنین مدل دارای تراشه Exynos گالاکسی اس ۴ نیز از SGX544MP3 سه هسته‌ای به‌عنوان پردازنده گرافیکی استفاده می‌کند.

پردازنده‌های گرافیکی Mali که توسط ARM طراحی می‌شوند، از محبوبیت بسیاری در بین تولیدکنندگان بهره می‌برد و طیف وسیعی از دستگاه‌ها، از تلفن‌های هوشمند مثل Galaxy SII، Galaxy Note و Galaxy Tab 7.7 گرفته تا کنسول‌های بازی همچون PS3 و Xbox 360 را شامل می‌شود.

Mali-300 قشر متوسط تلفن‌های هوشمند را مورد هدف قرار گرفته است. در حقیقت محصولات این خانواده با بهره‌گیری از معماری ،Mali400 پلی بین Mali400 و Mali200 محسوب می‌شوند که البته در رتبه بالاتری از Mali200‌ قرار می‌گیرند. این پردازنده گرافیکی با وجود قیمت ارزان‌، کارایی مناسبی در اجرای بازی‌های HD، پردازش گرافیک سیستم عامل‌ و استفاده از استاندارد 1080P دارد.

Mali-400 MP: پردازنده‌های گرافیکی این خانواده، با قدرت بسیار بالا، وجود چند هسته پردازشی،‌ مصرف انرژی کمتر پا به قلب تراشه‌های مختلفی از جمله تراشه‌های شرکت سامسونگ گذاشته‌اند. این پردازنده‌های گرافیکی بسته به مدل انتخابی از یک تا چهارهسته پردازشی را در خود جای می‌دهند و از لحاظ استفاده از هسته‌های متعدد هیچ خلالی در روند توسعه برنامه ایجاد نمی‌نمایند. همچنین تکنولوژی CCI-400 شرکت ARM، با تلفیق پردازنده اصلی Cortex با پردازشگرگرافیکی Mali، سبب اشتراک‌گذاری راحت‌تر امور پردازش برنامه‌ها و بازی‌ها بین پردازنده اصلی و پردازنده گرافیکی می‌شوند. این موضوع خود سبب ایجاد توازن بسیار مناسب و دستیابی به کارآیی و قدرت بالاتری می‌گردد.

Mali-450 MP: با صرف نظر از موارد فنی، جدیدترین پردازنده گرافیکی خانواده Mali، با افزایش تعداد هسته‌ها تا هشت عدد و دو برابر کردن کارآیی OpenGL® ES 2.0 قدرتمندترین عضو این خانواده محسوب می‌شود. محصولات این شاخه با هدف افزایش کارایی و قدرت و کاهش مصرف انرژی به بازار امده‌اند و رزولوشن‌هایی حتی تا اندازه 2K و 4Kرا نیز در صفحه‌نمایش پشتیبانی می‌نمایند.

شاید انتظار داشته باشید که تراشه‌هایی که توسط غول دنیای سخت‌افزار PC تولید می‌شوند، باید بهترین پردازنده گرافیکی را داشته باشند. اما بر خلاف انتظار شما، پردازنده‌های تگرا تا قبل از تگرا ۳ آنچنان که باید و شاید قدرت خود را نشان نداده‌اند.

مقایسه بین تگرا ۲ و دیگر تراشه‌های همسطح، نشان از قدرت کمتر پردازنده در این تراشه‌ها دارد. این پردازنده گرافیکی از فرکانش ۳۰۰ تا ۴۳۳ مگاهرتز برخوردار است.

البته پردازنده به کار رفته در تراشه‌های تگرا ۳ تغییرات عمده‌ای را برای دستیابی به موقعیتی برتر ایجاد کرده‌اند که سبب ایجاد تغییرات شگرفی در نگرش به این خانواده شدند. این پردازنده‌های گرافیکی را می‌توان انقلابی نسبت به پردازنده گرافیکی تگرا ۲ دانست . این پردازنده گرافیکی علاوه بر سه برابر کردن واحدهای pixel shader ، تا رزولوشن 2560×1600 را پشتیبانی می‌کند. همچنین بسیاری از انکودهای اختصاصی فایل‌های مدیا و پردازش بازی‌های HD که بعضی از آن‌ها به صورت اختصاصی برای تراشه تگرا ۳ تولید می‌شوند،‌ از قابلیت‌های این پردازنده گرافیکی قدرتمند محسوب می‌گردد.

Tegra 4: پردازنده گرافیکی به کار رفته در نسل بعدی تراشه‌های انویدیا یک پردازنده گرافیکی با هفتاد و دو هسته پردازشی‌ست که می‌تواند عملکرد خارق‌العاده‌ای در پردازش بخش گرافیکی گجت شما داشته باشد. همچنین پشتیبانی از ویدیوها با فرمت‌های رایج جدید همچون WebM با استاندارد 1080p از جمله دیگر قابلیت‌های این پردازنده گرافیکی است. نکته قابل توجه در هر دوی این پردازنده‌های گرافیکی، کاربرد ۶۴ بیتی در آن‌ها است.