Arquitetura e Organização de Computadores - GPUs (1 ADS - Noite Luigi Belanda)

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ARQUITETURA E ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES
PESQUISA - GPU
CARACTERIZAÇÃO, FUNÇÃO, VANTAGENS ETC.
Luigi Enrico Alves Belanda Milani
1º ADS (Noite) - FATEC de Taquaritinga
CARACTERIZAÇÃO DA GPU
Antes de necessariamente partirmos direto para a explicação das
características gerais de uma GPU, muitas pessoas podem ainda se perguntar o
básico, mas afinal, o que é uma GPU?
Uma GPU (Graphics Processing Units) ou no português como costumamos
ver Unidade de Processamento Gráfico ou até mesmo Chip Gráfico, são as mesmas
coisas, agora sim, sendo um pouco mais específico dentro de uma placa de vídeo
temos diversos circuitos / elementos / componentes elétricos, mas talvez a parte
mais importante da placa de vídeo seja a GPU, que nada mais é que um
processador dedicado, podendo às vezes até ter menos núcleos que uma CPU, mas
que trabalha especificamente para os cálculos, rotinas e renderização de gráficos
em tempo real, vídeos, atividades gráficas em jogos, softwares de edição de vídeo,
modelagem 3D e muito mais, de modo geral podemos dizer que sua função é
processar as informações gráficas gerais de uma máquina / computador.
Figura 1: exemplo de uma placa de vídeo com sua GPU a mostra
Um ponto importante que vale ser comentado é que existem dois tipos de
GPUs: dedicadas e integradas. Basicamente a GPU / placa de vídeo dedicada é
aquela que encontramos em PCs mais comuns e principalmente os PCs Gamers,
como o próprio nome já indica ela é uma GPU dedicada exclusivamente às funções
citadas acima (conhecida como “offboard”), não exigindo muito da RAM ou CPU do
computador, ela fica separada do processador. Por outro lado temos as placas de
vídeo / GPUs integradas, estas como o próprio nome sugere também são integradas
com algo, nesta com a CPU, ela é “embutida” no processador (conhecido por isso
como “onboard”), esses tipos de GPUs são encontrados facilmente em notebooks,
nesta caso elas não oferecem uma performance tão elevada quanto as placas de
vídeo dedicadas, normalmente servem para tarefas básicas pelo fato de
compartilharem memória RAM com todo o resto do sistema.
Figura 2: exemplo da diferença principal entre GPUs dedicadas e integradas
Uma outra característica das placas de vídeo que acaba ajudando as GPUs é
que elas possuem uma memória própria, conhecidas como GDDRs (Graphics
Double Data Rate), elas não são muito diferentes das memórias RAM (DDR) que
encontramos normalmente em nossos computadores, basicamente podemos
encontrar diferenças como voltagem e frequência entre elas.
As GPUs por si só precisam passar por diversas etapas para processar as
imagens e muito mais, durante essas etapas podemos encontrar vários termos,
como por exemplo: Pixel Shader (este é um programa que trabalha com a geração
de efeitos com base em pixels), Vertex Shader (programa que trabalha com
estruturas formadas por vértices, lidando, portanto, como figuras geométricas),
Render Output Unit (ROP, manipula os dados armazenados na memória de vídeo
para que eles se "transformem" no conjunto de pixels que formará as imagens a
serem exibidas na tela), Texture Mapping Unit (TMU, componente capaz de
rotacionar e redimensionar bitmaps).
FUNÇÃO DA GPU
Apesar de já termos comentado brevemente algumas funções da GPU
anteriormente, vale a pena ressaltar-las.
As primeiras GPUs tinham como principal função tirar um pouco da carga da
CPU sobre as questões de geração de gráficos 2D e 3D, imagens, vídeos etc. que
seriam utilizados pelo sistema, ou seja, ela agora era a responsável por isso, tirando
assim diversas tarefas da CPU que até então era responsável por tudo.
Com o passar dos anos o hardware foi se aprimorando e hoje uma GPU é um
processador com grande capacidade de se realizar contas aritméticas e não só
restrito a questões gráficas, se formos ver as GPUs em si são feitas para se realizar
diversos cálculos com pontos flutuantes / floating points, a sua estrutura em si é
adaptada para isso, esses cálculos são necessários para a renderização de imagens
e outras coisas.
Hoje em dia as GPUs são usadas também para jogos, produção de gráficos,
renderização de vídeos, geoprocessamento, visão computacional, deep learning e
até mineração de criptomoedas e treinamento de inteligências artificiais (pelo seu
alto poder de processamento comentado anteriormente) e muitas outras funções.
DIFERENÇAS ENTRE CPU E GPU
Sobre a questão das diferenças podemos começar dizendo que apesar de o
CPU e a GPU serem construídas com base em bilhões de transistores e outros
componentes ambas tem suas arquiteturas de construção diferentes, o que muda
como ambas funcionam, como realizam as tarefas e aí que surge as diferenças de
cada uma delas.
Se pararmos para pensar tantos as CPUs quanto as GPUs lidam com muitas
tarefas diariamente, mas se focarmos na CPU vemos que suas tarefas normalmente
são distintas e não tão repetitivas, são tarefas que vão desde aquelas mais básicas
para o sistema operacional que estamos usando (Mac, Linux ou Windows) e vai até
no caso de abrir uma planilha no EXCEL, executar o Chrome, escrever um
documento no WORD etc. e tudo isso ainda ocorre de forma seriada, uma por vez
em um esquema de filas (por exemplo igual vemos em bancos, onde a pessoa que
chegou primeiro está mais à frente na fila e será atendida primeiro), mas é claro que
existem sim alguns desvios pois algumas tarefas podem ter maior prioridade do que
outras (novamente se formos usar como exemplo filas em bancos, quando uma
pessoa idosa chega ao local ela tem prioridade para ser atendida, seja pelos mais
variados motivos), a CPU é muito boa para tarefas com um certo foco em latência
e/ou desempenho em seus núcleos, nesta caso a CPU concentra seu menor número
de núcleos em tarefas individuais e em realizas rapidamente. No geral uma CPU
precisa agir de forma genérica, pois as tarefas que ela executa ou precisará
executar dependem exclusivamente dos aplicativos / sistemas que estão rodando na
máquina e como vimos nos exemplos, as tarefas no dia a dia podem variar muito de
caso a caso, a CPU é versátil de certa forma então.
As GPUs por sua vez como já dito anteriormente são especializadas no
quesito gráfico do computador, servem quase que unicamente a esse propósito, uma
outras diferença é que uma GPU usa muitas unidades de processamento menores
em comparação a uma CPU, sendo assim elas buscam realizar múltiplas tarefas
simultaneamente em vez de ser apenas uma tarefa por vez igual no exemplo da
CPU, chamamos isso de processamento paralelo (esse é o grande, se não o maior,
diferencial entre CPU e GPU), as GPUs são feitas para pegar um “problema”
complexo e dividir em diversas partes e resolver isso de uma vez só, isso se torna
essencial por que se formos parar para pensar a GPU muitas vezes irá precisar
aplicar texturas, iluminação e renderizar as formas tudo de uma vez, seja para dar a
sensação de movimento em um vídeo ou para mostrar a imagem já completa para o
usuário.
De modo geral, a CPU é composta por apenas alguns núcleos com mais
memória cache que lidam com algumas threads por vez, já a GPU é feita com
centenas de núcleos que lidam com muitas threads simultaneamente, abaixo está de
forma resumida algumas diferenças entre CPU e GPU, como já vimos as diferenças
vão das funções que ambas executam, como executam suas tarefas, como dividem
suas tarefas, como são construídas no quesito de suas arquiteturas etc.
CPU GPU
Unidade central de processamento Unidade de processamento gráfico
Diversos núcleos Muitos núcleos
Foco em baixa latência de operação Foco em altíssima taxa de transferência
Bom para processamento em série Bom para processamento paralelo
Pode realizar diversas operações de
uma vez
Pode processar milhares de operações
de uma só vez
Tabela baseada em uma das fontes utilizadas
Por fim, como visto em um dos links usados para a realização deste trabalho,
poderíamos definir CPU e GPU como: “CPU é o cérebro e a GPU são os olhos. Seu
cérebro entende o mundo,como ele funciona, física etc. Enquanto seu olho cria as
imagens, você vê o mundo.”
FORNECEDORES
Existem no mundo muitas fabricantes / fornecedoras de GPUs / Placas de
vídeo, mas as três mais famosas são: NVIDIA, AMD e Intel.
Apenas falando um pouco sobre cada uma delas, primeiro sobre a NVIDIA,
está é uma empresa fundada em 1993 nos EUA, seu primeiro sucesso foi o
lançamento em 1995 do NV1 (primeiro chip gráfico da empresa), após isso se
passaram muitos anos com até mesmo outros sucesso como o RIVA 128 e RIVA
128ZX (primeiros chipsets gráficos 3D produzidos pela empresa) até os dias atuais
com as suas placas mais potentes, como por exemplo, placas da série GTX e RTX.
Sobre a AMD, a empresa foi fundada nos EUA em 1969, seu primeiro
lançamento foi o processador K5 e durante sua trajetória teve sucessos também,
como os processadores da série RYZEN e ATHLON.
Por fim, a Intel é mais uma empresa fundada nos EUA, mas dessa vez no ano
de 1968, a empresa em si é muito conhecida por seus processadores da série
CORE I3, I5, I7 etc. e um ponto forte da empresa é sua GPU integrada, a Intel HD
Graphics, presentes nos processadores citadas anteriormente, por exemplo.
PROCESSAMENTO 3D
É impossível não falar de GPUs / Placas de vídeo sem falar de
processamento / gráficos 3D, tudo hoje no nosso dia a dia diante do computador
envolve 3D, seja um filme que estamos vendo, um jogo que está rodando em nosso
PC e muito mais.
Uma das questões do processamento 3D é saber até que ponto sua GPU
consegue ir, renderizando / criando imagens e formas 3D ou coisas do tipo,
acontece que hoje já estamos com gráficos 3D muito realistas e o ponto negativo
disso é que assim será necessário mais processamento gráfico, com isso é
necessário você levar em conta as especificações técnicas da placa de vídeo / GPU,
ver se ela é o suficiente para o que você quer fazer de tarefas em seu PC etc.
Além de entender as características técnicas da placa de vídeo é importante
entendermos também as características do processamento 3D em sua essência
podemos dizer, alguns termos que podemos ver normalmente são: Fillrate, Frames
Per Second (FPS), V-Sync, Antialiasing e Anisotropic Filtering.
Falando um pouco sobre Fillrate, quando tocamos neste assunto basicamente
podemos dizer que se consiste na medida da quantidade de pixels que o chip gráfico
é capaz de renderizar por segundo. Em outras palavras, trata-se da medição do
processamento de pixels.
Sobre Frames Per Second (FPS), como o nome indica, o FPS indica a
quantidade de frames por segundo que é exibida na tela. Por exemplo, quando
estamos vendo um filme em nosso computador o que estamos vendo na realidade é
um monte de imagens passando rapidamente dando a sensação de movimento,
cada uma dessas imagens é um “frame” e o FPS como dito mede quantos frames
por segundo estão sendo exibidos na tela.
Outra coisa importante é o V-Sync, uma maneira de tornar a exibição de
imagens mais confortável aos olhos humanos é ativando o V-Sync. Este recurso
sincroniza a taxa de FPS com a frequência de atualização do monitor de vídeo
(refresh rate).
Algo que deixa os gráficos mais bonitos é o Antialiasing, este é um recurso
extremamente importante para melhorar a qualidade da imagem a ser exibida. Às
vezes por alguma limitações as imagens e objetos 3D podem aparecer na tela com
bordas um pouco estranhas e até talvez com alguma qualidade baixa, os filtros de
Antialiasing conseguem diminuir um pouco esse problema, mas é claro que exige
mais recursos para isso.
Por fim, o Anisotropic Filtering, com este recurso conseguimos amenizar o
efeito de “imagem borrada” existente em algumas texturas / imagens, esse tipo de
situação pode ocorrer por exemplo em jogos por exemplo, piorando quando o
jogador se aproxima para ver a textura, este recurso ameniza isso deixando as
imagens mais nítidas e maior sensação de profundidade (até por que normalmente
esse problema pode ocorrer ao representar imagens / modelos 3D em superfícies
inclinadas).
VANTAGENS
Uma das vantagens mais claras de se usar uma GPU é deixar que ela tome
conta de todas as questões, principalmente gráficas, que já comentamos neste
trabalho, isso é ainda melhor quando estamos falando de GPUs dedicadas, essas
ajudam ainda mais por realmente tirar um peso grande da CPU e da RAM principal
do computador, deixando assim mais processamento da CPU livre para outras
tarefas.
Outro ponto é que imagens / vídeos e até alguns programas podem ser
carregados mais rápido por conta da GPU, um exemplo disso é a utilização da
aceleração de hardware, resumidamente a aceleração de hardware é a transferência
/ remoção de alguns processos e/ou tarefas que estão na CPU para um chip
dedicado, especializado naquela tarefa, um exemplo disso são as próprias placas de
vídeo / GPUs, ou seja, a GPU pode ser usada para agilizar outras tarefas do PC.
DESVANTAGENS
Sendo bem sincero, acho que temos vantagens muito boas em relação às
desvantagens de uma GPU, mas como possíveis desvantagens em relação a GPUs
/ placas de vídeo temos os seguintes pontos abaixo.
Primeiro, o custo do computador no geral pode aumentar, óbvio que isso vem
atrelado à uma melhora de desempenho, mas mesmo assim algumas pessoas
podem não gostar tanto de ver o preço tão alto.
Segundo, quando tratamos de GPUs integradas essas não oferecem um
desempenho tão bom quanto uma dedicada. São mais baratas? Sim, mas acaba as
vezes até atrapalhando um pouco o uso geral do PC por usar a mesma RAM que
todo o resto do sistema, sendo recomendadas em último caso ou serem usadas
apenas em notebooks.
Terceiro, talvez com uma GPU dedicada seja necessário melhorar a questão
de ventilação / resfriamento de seu PC, pois ela provavelmente irá gerar mais calor,
ou seja, isso pode ser um custo extra no futuro, além é claro de consumir mais
energia etc.
Como disse no começo as vantagens que temos se saem muito acima das
desvantagens, uma GPU dedicada, por exemplo, com certeza vale a pena mesmo
levando em conta essas possíveis desvantagens.
FONTES
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● https://quenotebookcomprar.com.br/placa-de-video-integrada-notebook/
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https://www.ic.unicamp.br/~ducatte/mo401/1s2011/T2/Artigos/G02-121498-09
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● https://blogs.nvidia.com/blog/2009/12/16/whats-the-difference-between-a-cpu-
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