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A Evolução da GPU para um Melhor Consumo e Desenvolvimento 
de Qualidade Gráfica. 
Diego de Almeida Oliveira, Gabriel Torres Peres, Lucas Pereira Silva, Matheus Gabriel Fonseca Báez e Rodolfo 
Fonseca Báez. 
 
 Curso de Sistema de Informação – Universidade Salgado de Oliveira (Universo) 
 ​São Gonçalo – Rio de Janeiro ​– ​Brasil 
 
 
 
 
 
 
 
Resumo 
​No decorrer desse artigo, que visa transmitir mais conhecimento que auxilie a 
dinâmica da sociedade utilizando uma linguagem simples e direta, será apresentado 
os hardwares conhecidos como GPUs (Unidade de Processamento Gráfico) cujo, 
deram origem a uma nova forma de visualizar efeitos e imagens, tanto em 2D quanto 
o 3D. Diante disso, irá abordar a sua trajetória de desenvolvimento, englobando seu 
conceito de definição e funcionamento. Em acréscimo, informará, também, algumas 
das suas principais áreas de atuações e suas arquiteturas. Mediante a isso, será 
possível realizar uma comparação sobre GPU e CPU, assim como, recomendar 
caminhos para a escolha de um chip gráfico adequado. 
 
Palavras-chave: ​GPU – Gráfico – Processamento – Chip 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Introdução 
 
 
​Os avanços tecnológicos acontecem de forma tão rápida que poucos reparam no 
seu progresso. Ainda mais, a sociedade só se atenta a necessidade de algumas 
modernidades quando elas já estão inseridas dentro do cotidiano humano como, por 
exemplo, a melhoria das imagens gráficas, principalmente, no mundo dos jogos. 
É perceptível como o ser humano, inicialmente, não projeta o potencial máximo que 
determinado elemento pode alcançar. Para ilustrar, os primeiros consoles 
apresentavam um gráfico muito básico, consistindo em linhas simples e 
preenchimento de área. Naquele momento, ninguém se questionava se algum 
desenho era parecido com a sua referência do mundo real. 
Na medida em que as pessoas começaram a se relacionar e se inserir mais dentro 
desse ciberespaço, houve uma necessidade maior, tanto dos fornecedores quanto 
dos consumidores, de acrescentar mais realismo no visual dos gamers. A partir 
disso, iniciou-se os múltiplos estudos, pesquisas e projetos para desenvolver os 
melhores e mais detalhados gráficos. 
Diante disso, foi introduzido o chip gráfico como processador das placas de vídeo, 
fazendo com que as CPUs ficassem menos sobrecarregadas em relação a sua 
quantidade de tarefas. Com isso, a GPU especializou-se no processamento de 
imagens, fornecendo gráficos de alta qualidade. E ainda, tornando-se um 
componente essencial para determinados tipos de consumidores e até um 
diferencial na escolha de um produto. 
Mediante ao que foi dito, é evidente a importância de compreender melhor a GPU. 
Tendo em vista, os seus primórdios e a sua funcionalidade mais modernizada. Assim 
como todos as etapas de seu desenvolvimento para chegar a alta capacidade de 
processamento de imagens que possui atualmente. 
 
 
 
 
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A História das GPUs 
 
Na década dos anos 80, houve o surgimento dos primeiros computadores a 
obterem um hardware conhecido como GPU (Unidade de Processamento Gráfico). 
Esse primeiro modelo consistia em desenhos de linhas, preenchimentos de áreas e 
blitter, uma espécie de circuito que servia para aceleração de movimentos, 
combinação e manipulação de diversos bitmaps. Entretanto, precisava-se de auxílio 
de um coprocessador de gráficos que possuía um primitivo set de instruções e 
diante disso, os computadores visaram necessário um GPU que abrangesse todos 
os aspectos de imagem. Com isso, a IBM, através dos sistemas de gráficos, realizou 
a implementação das primeiras placas de vídeo para computadores, que 
visualizavam imagens em 2D de forma primitiva no equipamento. 
A partir disso, nos anos 90, a evolução das imagens em 2D continuaram com a 
sua progressão. Mediante a isso, o processo de oferta e procura aumentou 
consideravelmente, fazendo com que os desenvolvedores buscassem novas formas 
de introduzir as imagens 2D dentro dos chips gráficos visando informação e 
sobrepondo-se à concorrência. Consequentemente, houve uma expansão de tarefas 
advindas desse hardware como, por exemplo, a implementação de maior velocidade 
de jogos 2D. 
Dessa forma, iniciou-se a utilização de imagens em 3D, especialmente, no 
mercado dos jogos, obtendo como principais êxitos os consoles Playstation e 
Nitendo 64. Ainda mais, porque a primeira tentativa para computador foi falha, mas, 
posteriormente, ganhou sucesso com a primogênita placa de vídeo NVIDIA Geforce 
256 que teve total capacidade das placas profissionais 3D. Vale ressaltar, que tais 
placas são advindas do processo de união das imagens 2D e 3D em um único chip 
gráfico. 
Já nos anos 2000, a trajetória de evolução dos gráficos seguiu adiante. Como 
destaque desse período, os chips gráficos trouxeram texturas e sombreamento para 
suas imagens. Além disso, os GPUs foram adquirindo algumas funções das CPUs 
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em relação a vetores de imagens por possuírem maior velocidade, porém com o 
consumo de energia superior. 
 
 
 
 
O que é e como funciona uma GPU 
 
​Inicialmente, antes de explicar o que é um GPU, precisa-se adquirir conhecimento 
sobre uma das principais partes dos computadores, a placa de vídeo. O componente 
citado é um equipamento hardware que armazena a GPU e possui a finalidade de 
organizar e manipular as atividades de exibição de vídeo na tela. É importante 
evidenciar os dois tipos de placas de vídeo: integrada e dedicada. 
As placas de vídeo integradas são localizadas no interior da CPU, oferecendo 
gráficos que não deixam a desejar, sendo assim, elas são capazes de ter um bom 
funcionamento em monitores com resoluções em 4K e até mesmo em mais de um 
display externo full HD, não encontrando necessidade de exigência de capacidade 
do computador. Diferentemente das dedicadas que é um hardware externo a CPU, 
com isso, elas possuem armazenamento próprio, não sendo preciso utilizar a 
memória RAM do computador e incluindo um sistema de refrigeração já que o 
mesmo necessita de mais energia devido ao seu maior processamento de gráficos. 
Diante disso, analisa-se também que as integradas possuem uma vantagem maior 
uma vez que, consomem menos energia, porém são usadas para funções pessoais 
e comerciais que não demandam tanto desempenho gráfico. Devido a isso, as 
integradas apresentam um custo benéfico menor em relação as dedicadas. 
Logo, pode-se compreender que a GPU é um chip gráfico que realiza o 
processamento da imagem para que seja atribuída a tela através de posicionamento 
de pixels, isto é, de cálculos matemáticos, possibilitando a característica de 
desenhos em 3D. Vale ressaltar que, o processamento de imagem mencionado 
anteriormente ocorre devido a determinadas etapas que utilizam o pipeline, uma 
espécie de organizador que permite que a GPU realize a busca de uma ou mais 
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instruções para serem executadas configurando-as como uma fila, portanto, o 
comando que finalizar primeiro dá lugar ao segundo que, consequentemente,ocupará o primeiro estágio. 
Dessa forma, pode-se dizer que as GPUs são capazes de diminuir a sobrecarga 
de tarefas realizadas pela CPU (Unidade Central de Processamento), definida como 
componente mais importante do computador uma vez que, possui a função de 
processar, armazenar e comandar o sistema em tempo real, incluindo os gráficos. 
Enquanto que a GPU tem a finalidade de realizar um processamento gráfico com 
mais qualidade e rapidez. Apesar dos objetivos de os dois hardwares serem, 
aparentemente, distintos, ainda há muitas dúvidas sobre a utilização simultânea de 
ambos. 
 
A utilização simultânea de GPU e CPU 
 
​A explicação para não ocorrer a substituição da CPU pela GPU é simples, um chip 
gráfico não é um processador. Enquanto a GPU é responsável, especificamente, por 
processar imagens de jogos, vídeos e outros, a CPU desempenha mais funções 
como envio de ações para memória RAM, HD e placa de vídeo, e, também, de 
execução de filtros de editores de imagens. Ou seja, a CPU foca em atividades que 
necessitam de operações mais complexas diferentemente da GPU que realiza 
cálculos mais simples. Logo, o benefício de se utilizar os dois hardwares é que a 
GPU retira um pouco da sobrecarga da CPU deixando-a executar suas demais 
tarefas com mais eficiência. 
Todavia, já foi criado um hardware cujo realiza tanto as execuções normais da 
CPU quanto os processamentos gráficos da GPU, reconhecido como APU (Unidade 
de Processamento Acelerado). Tal equipamento foi produzido com a finalidade 
original de atender as demandas modernas que buscavam computadores mais 
compactos, porém com um alto potencial de processamento gráfico. Entretanto, já é 
possível encontrar a APU em consoles da nova geração e ainda há projetos que 
visam expandi-la para smartphones e tablets. Ademais, o hardware apresenta uma 
grave desvantagem, ao dar problema no chip, há a possibilidade de prejudicar o 
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CPU e o GPU simultaneamente uma vez que, ambos se encontram no mesmo 
periférico. 
Além da APU, também há a existência do CHIPSET, que é localizado na placa 
mãe, realizando o barramento, isto é, a comunicação entre os periféricos. Sua 
finalidade é possível devido a dois componentes, são eles, Ponte Norte, 
encarregado dos pontos rápidos do computador, e Ponte Sul, que se responsabilizou 
pelos pontos lentos. Logo, o CHIPSET apresenta uma função essencial para o 
desempenho do computador uma vez que, não é viável possuir um excelente 
processador e um ótimo chip gráfico se a comunicação entre eles não ocorrer da 
forma mais eficiente possível. 
 
 
 
Áreas de atuação da GPU 
 
​Uma das áreas mais conhecidas de atuação da GPU encontra-se no lazer e no 
entretenimento. A evolução de design gráfico nos jogos é evidente. As imagens que 
hoje apresentam alto grau de realismo, apresentando a perfeição em pequenos 
detalhes como texturas de roupas e fios de cabelo, anteriormente, eram resumidas 
em traços simples e alguns preenchimentos de áreas. Como já foi dito no decorrer 
desse artigo, tamanha evolução de imagens só foi possível devido ao progresso das 
GPUs ao lado das CPUs. 
Tendo em vista que já foi mencionado as distinções de tarefas entre CPU e GPU, 
torna-se possível compreender que a CPU se responsabiliza por diversas atividades, 
entre elas, o estabelecimento das regras de um jogo utilizando cálculos matemáticos 
complexos com demarcações regionais, entretanto, não tem a capacidade de 
realizar a ação de processar os gráficos sofisticados. Tal função é designada para a 
GPU que a executa da seguinte forma: considerando os modelos 3D, a GPU se 
encarrega das formas, cores e texturas da imagem, dividindo os planos superiores 
em triângulos com dados específicos e manipula-os através de subnúcleos do 
próprio chip gráfico. 
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Há ainda, outra conhecida área de atuação da GPU, localizada no ambiente de 
trabalho. É perceptível a contribuição de chips gráficos em profissões como 
arquitetura, engenharia e design de interiores, por exemplo, que utilizam plantas em 
3D e, também, cinematográficos, publicitários e produtores de mídia em geral que 
necessitam de edições complexas que demandam muita capacidade do hardware. 
 
As gerações da GPU 
 
Os avanços da GPU foram divididos em cinco gerações, cada uma com suas 
características marcantes, são elas: 
● Primeira geração: iniciou-se entre 1991 e 1998, sendo sua marcante 
característica a sua capacidade de rasterizar triângulos pré-transformados 
colocando até duas texturas sobre eles. Entretanto, essas GPUs ainda 
apresentavam operações matemáticas simples que tinham a finalidade de 
definir as cores dos pixels durante a sua rasterização. Porém, eram 
incapazes de realizar transformações em vértices dos objetos em 3D. 
● Segunda geração: surgiram entre os anos de 1999 e 2000, trouxeram a 
capacidade de executar transformações e efeitos de luz e sombra sobre os 
vértices dos objetos 3D. Com isso, a GPU assumiu uma das funções da 
CPU auxiliando-a em sua sobrecarga de tarefas. 
● Terceira geração: foi a geração mais curta, limitada ao ano de 2001, 
considerada uma geração de transição pelo fato de, possuir uma maior 
configuração de processamento dos pixels cujo não era possível, 
anteriormente, de ser programada e, também, não necessitava de 
oferecimento de suportes para hardwares. Ainda mais, essa geração 
obtinha uma aplicação que definia sequências nas operações sobre os 
vértices. 
● Quarta geração: lançada entre 2002 e 2005, tinha como prioridade a 
programação de vértices e fragmentos. Além disso, surgiu uma nova 
linguagem de programação, criada pela NVIDIA, embasada em C, 
conhecida, também, como Cg (C for graphics). 
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● Quinta geração: compreendendo-se no período de 2006, essa geração 
apresenta uma arquitetura unificada que tem como base o processamento 
de dados e um pipeline cíclico. Em acréscimo, possui, também, uma 
linguagem de programação mais moderna do que a geração anterior. 
 
 ​As arquiteturas da GPU 
 
Tendo em vista o desenvolvimento das arquiteturas das GPUs, é correto dizer 
que elas apresentaram um bom desempenho inicialmente por meio da utilização de 
pipelines cujo dividiam as tarefas do chip gráfico em cinco etapas: 
1- Vertex Transform & Lighting: consiste em realizar o posicionamento de 
vértices e alterações de cores de acordo com a sua iluminação. 
2- Triangle Setup & Rasterization: é a etapa responsável pela formação de 
preenchimento dos triângulos de acordo com o vínculo entre os vértices 
e com isso, gera-se os elementos essenciais para o processo da 
próxima etapa. 
3- Texturing & Pixel Shading: nesse estágio ocorre a adição de texturas e a 
mudança de outros elementos como as cores das partículas. 
4- Depth Test & Blending: compreende a utilização de análises de 
distância entre os objetos de determinada cena, introduzindo efeitos à 
sua composição. 
5- Frame Buffer: a etapa final consiste na exibição no monitor após todo o 
processo percorrido. 
Apesar de já ter sido mencionado anteriormente, é válido ressaltar que aprimeira e 
a terceira etapa tornaram-se programáveis. Diante disso, surgiu novos estágios 
chamados de Tessellation e Geometry. O Tessellation proporciona detalhes mais 
sofisticados e elaborados para alguns modelos em 3D que necessitam de mais 
realismo como, por exemplo, os rostos humanos. Tais detalhes são transformados 
em mais triângulos, o que exige mais capacidade do computador para processar. 
Enquanto que o Geometry, melhora a qualidade dos pixels uma vez que, busca 
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valorizar alguns aspectos esquecidos como luminosidade, sombras e reflexos 
existentes na complexidade da geometria das imagens. 
 
O caminho para escolher uma GPU mais adequada 
 
​Quando falamos de GPU, é correto afirmar que a necessidade de maior 
desempenho gráfico é relativa diante do potencial visual almejado. Também é 
preciso relembrar que o chip gráfico se encontra no interior da placa de vídeo logo, é 
válido uma análise geral, tanto do hardware quanto da GPU. Sendo assim, alguns 
elementos importantes para serem avaliados são: 
● Clock ou Hertz: o clock de uma placa de vídeo é apresentado com uma 
informação em hertz. Sendo assim, ele pode ser visualizado como um 
referencial de potência, podendo indicar tanto a velocidade quanto o poder 
do hardware em questão. Com isso, é possível distinguir uma melhor GPU 
em relação ao seu clock uma vez que, quanto maior a sua potência, a 
resposta do processador gráfico virá com mais rapidez. 
● Quadros por segundo: esse elemento, também conhecido como FPS (Fotos 
por segundo), possui como principal objetivo apresentar uma maior 
quantidade de imagens por segundo para alcançar uma melhor qualidade 
gráfica. Logo, os quadros por segundo tem uma grande importância no 
mundo dos jogos, por exemplo. Sendo assim, quanto mais quadros por 
segundo forem renderizados, consequentemente, o processador obterá uma 
maior qualidade em seus gráficos. 
● Memória: ao falar de memória na GPU, não valorizamos a comparação do 
tamanho do seu armazenamento com a qualidade do funcionamento do chip 
gráfico. Porém, quanto maior o espaço disponível, torna-se possível adquirir 
um melhor fluxo de informações, principalmente, nos jogos que necessitam 
de uma boa quantidade de espaço livre. 
● Clock de memória: funciona quase da mesma forma que o clock em hertz. 
Entretanto, se diferencia, pois utiliza a velocidade de informações, adquiridas 
por hertz, para transmiti-las no monitor. 
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Vale ressaltar que, existem diversas formas de escolher uma GPU ideal. Todavia, o 
que é essencial colocar em questão é a finalidade e o desempenho que a GPU irá 
assumir. Dessa forma, o que irá predeterminar uma escolha sábia e consciente será 
a cautela e a busca por informações do próprio consumidor. 
 
 
Considerações finais 
 
​Diante de tudo o que apresentado, torna-se evidente a importância e a participação 
da atuação da GPU no cotidiano do ser humano. Uma vez que, ela está presente na 
tela de nossos diversos monitores como computadores, celulares, televisões e 
outros e, também, está se tornando um elemento essencial para muitos 
profissionais. 
Portanto, o assunto abordado durante esse artigo, teve como principal objetivo 
mostrar a necessidade de valorização e o desenvolvimento dos chips gráficos no 
decorrer da sua história. Apresentando, também, algumas qualificações que ainda 
estão por vir. Além de demonstrar caminhos para a escolha da GPU mais adequada 
para o tipo de usuário em questão. 
Realizando, para isso, a transmissão de informações sobre esse determinado 
hardware utilizando uma linguagem simples e objetiva para alcançar todo o tipo de 
pessoa. Com isso, todos poderão compreender os aspectos necessários a se 
analisar ao escolher uma GPU para trabalho ou lazer e se beneficiarão disso da 
melhor forma possível. 
Sendo assim, espera-se fornecer uma contribuição para a sociedade: disponibilizar 
o conhecimento para melhorar o desempenho na área de trabalho, especialmente, 
no desenvolvimento de jogos e para aqueles que desfrutam do lazer proporcionado 
da qualidade desse hardware. 
 
Referências 
 
11 
 
 
DEMARTINI, Felipe. O que é GPU e GPU? Qual a diferença entre elas? ​Canaltech​, 
2019. Disponível em: 
https://canaltech.com.br/hardware/o-que-e-cpu-gpu-diferencas-154939/. Acesso em: 
 
ESPARRACHIARI, Sivia e GOMES, Victor H.P. ​Um tutorial sobre GPUs​, 2008. 20f. 
Universidade de São Paulo, Brasil, 2008. 
 
GARRETT, Filipe. Para que serve a placa de vídeo. ​Techtudo​, 2012. Disponível em: 
https://www.techtudo.com.br/artigos/noticia/2012/02/para-que-serve-placa-de-video.h
tml. Acesso em: 
 
Graphics Processing Unit. ​Unidade de Processamento Gráfico​, 2011. Disponível 
em: https://unidadedeprocessamentografico.blogspot.com/. Acesso em: 
 
HART, Evan Part I: Geometry. ​NVIDIA. Developer​, 2019. Disponível em: < 
https://developer.nvidia.com/gpugems/GPUGems3/gpugems3_part01.html​>. Acesso 
em: 
 
JORDÃO, Fabio. O que é e para que serve o clock do processador? ​Techmundo​, 
2017. Disponível em: 
ttps://www.tecmundo.com.br/produto/120233-que-serve-o-clock-processador.htm. 
Acesso em: 
 
JORDÃO, Fabio. Se a GPU é mais rápida, por que ainda usamos CPUs nos PCs? 
Techmundo​, 2017. Disponível em: 
https://www.tecmundo.com.br/produto/119308-gpu-rapida-ainda-usamos-cpus-pcs.ht
m. Acesso em: 
 
MACHADO, Jonathan. O que é GPU? ​Techmundo​, 2012. Disponível em: 
https://www.tecmundo.com.br/hardware/1127-o-que-e-gpu-.htm. Acesso em: 
 
12 
 
https://developer.nvidia.com/gpugems/GPUGems3/gpugems3_part01.html
 
SILVEIRA, Debora Pricila. Qual a diferença entre GPU e CPU? ​Oficina da Net​, 
2016. Disponível em: 
https://www.oficinadanet.com.br/post/16546-qual-a-diferenca-entre-cpu-e-gpu. 
Acesso em: 
 
Tutorial 30: Basic Tessellation. ​Modern OpenGL Tutorials​, 2016. Disponível em: 
<http://ogldev.org/index.html>. Acesso em: 
 
Unidade de processamento gráfico. ​Wikipedia: a enciclopédia livre​, 2012. 
Disponível em: 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Unidade_de_processamento_gr%C3%A1fico​. Acesso 
em: 
 
VALLE, Carla. Qual a diferença entre CPU e GPU? ​Cissa Magazine​, 2015. 
Disponível em: ttps://www.cissamagazine.com.br/blog/gpu-vs-cpu. Acesso em: 
 
 
 
 
 
 
13 
 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Unidade_de_processamento_gr%C3%A1fico