Cpu چو بیرون رود، gpu در آید!
اشاره :
استفاده از کارت گرافیکی برای پردازش به جای پردازنده! راحت‌تر بگوییم، استفاده از GPU به جای CPU! آیا کارت‌های گرافیکی، پردازنده‌ها را حذف خواهند کرد؟ مطالب و آزمایشات ارایه شده در این مقاله، حول محور فوق دور می‌زند.
مقدمه
مدتی است که زمزمه استفاده از GPU به جای CPU، نقل بسیاری از سایت‌ها و پیش‌قراولان سخت‌افزار شده است. دلیل آن هم بدیهی است. امروزه پیشرفته‌ترین پردازنده‌های دسکتاپ اینتل یا AMD فقط 4 هسته دارند در حالی که کارت‌های گرافیکی موجود صدها هسته دارند. پس اگر بشود پردازش‌های رایج یا حتی تنها بخشی از آنها را توسط GPU انجام داد، اولاً راندمان بسیار بالایی به دست می‌آید و ثانیاً بار پردازشی از دوش CPU برداشته شده و امکان انجام پردازش‌های دیگر توسط آن فراهم می‌شود.
جنگGPU بین ATI و nVIDIA که از اوایل سال 2000 شروع شده، منجر به افزایش قدرت پردازشیGPUها شده است. به موازات این افزایش قدرت و سرعت، هر دو شرکت مذکور نیاز به افزایش کیفیت ویدیویی مخصوصاً در برنامه‌های گرافیکی سه‌بعدی نيز داشتند که اين امر در بحث AntiAliasing و AntiSotropic بروز کرد. اگرچه فناوری‌های عرضه شده توسط آنها در مقاطع مختلف، باعث افزایش کیفیت شده است، اما تحولي اساسی ايجاد نکرده است. اینک هر دو با فناوری جدیدی (هر چند با اسامی متفاوت) قصد انقلاب در حیطه پردازش‌های سنگین را دارند.
هر دو غول گرافیکی دنیا یعنی nVIDIA و ATI (یا بهتر بگوییم AMD) این ایده را در مرحله عمل آورده‌اند و امکان انجام برخی از پردازش‌های CPU را توسط کارت‌های گرافیکی خود میسر کرده‌‌اند. nVIDIA نام فناوري خود را CUDA گذاشته است و ATI هم نام Stream را انتخاب کرده است. باید دید که آیا GPUها موفق می‌شوند CPUها را از دور خارج کنند؟
nVIDIA CUDA
CUDA که مخفف عبارت Compute Unified Device Architecture است، یک معماری جدید پردازش موازی است که توسط nVIDIA ابداع شده است. CUDA موتور پردازشی در GPUهای nVIDIA است که توسط برنامه‌نویسان و در زبان برنامه‌نویسی خاص خود قابل دسترسی است. برنامه‌نویسان در نسخه خاصی از زبان قدرتمند C که دارای ضمیمه (nVIDIA (C with nVIDIA extensions است، برنامه‌های خود را می‌نویسند و بعد از کامپایل قادرند آنها را روی GPU اجرا کنند. البته به زودی با سایر زبان‌های برنامه‌نویسی مثل C++ و Fortran هم می‌توان روی GPU برنامه نوشت.
آخرین نسخه درایورها، همگی دارای تمامی اجزای مورد نیاز برای CUDA هستند. CUDA با تمامی GPUهای سری 8 به بعد شرکت nVIDIA در هر سه خط تولید GeForce، Quadro و Tesla کار میکند. nVIDIA تصریح میکند که تمامی برنامه‌هایی که برای GeForce سری 8 نوشته شده‌اند، همچنان بدون نیاز به تغییر روی کارت‌های جدیدتر اجرا خواهند شد. CUDA همچنین امکان دسترسی برنامه‌نویسان به مجموعه دستورالعمل‌های Native و اجزای حافظه در پردازش موازی را نيز فراهم میکند که این امر توانایی برنامه‌نویس را در کنترل سخت‌افزار بسیار بالا می‌برد. بنابراین با استفاده از CUDA، معماری GPUها هم مثل CPUها باز می‌شود، گرچه GPUها برخلاف CPUها داراي یک معماری "بسیار-هسته‌ای" موازی هستند که طي آن هسته‌ها توانایی پردازش هزاران Thread را به طور همزمان دارند. بنابراین اگر برنامه‌اي منطبق با اين معماری باشد، می‌تواند راندمانی بسیار بالاتر از اجرا بر روی CPU را به ارمغان بیاورد.
با بیش از 100 میلیون GPU فروخته شده با قابلیت CUDA در سراسر دنیا، بسیاری از برنامه‌نویسان با استفاده از کیت(SDK (Software Development Kitبرنامه‌نویسی روی GPU که توسط nVIDIA فراهم شده است، در حال نوشتن برنامه‌های متفاوتی از سطح خانگی تا حرفه‌ای از پردازش‌های صوتی و تصویری گرفته تا شبیه‌سازی‌های فیزیکی، اکتشاف نفت و گاز، طراحی محصول، تصاویر پزشکی و تحقیقات علمی هستند.
بسیاری از کاربردهای فوق حداقل 256 مگابایت حافظه اختصاصی گرافیکی نیاز دارند که امروزه این مقدار حافظه را روی تمامي کارت‌های گرافیکی می‌توان يافت.
در دنیای بازی‌های کامپيوتري، کارت‌های گرافیکی علاوه بر رندر تصاویر گرافیکی، برای محاسبات فیزیکی بازی (افکت‌های فیزیکی مثل دود، آتش، حرکت آب، شن و ...) که اصطلاحاً PhysX نامیده می‌شوند، نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. CUDA همچنین برای افزایش سرعت کاربردهای غیر گرافیکی مثل محاسبات بیولوژیکی و رمزنگاری هم استفاده می‌شود.
CUDA هم APIهای سطح پایین و هم APIهای سطح بالا را فراهم کرده است. در 15 فوریه 2007 کیت SDK مربوط به CUDA در محیط ویندوز و لینوکس ارایه شد و سپس در نسخه 2.0 که در تاریخ 14 فوریه 2008 ارایه شد، MacOS هم مورد پشتیبانی قرار گرفت (شکل 1).
مراحل پردازش CUDA در شکل 1 به ترتیب زیر است:
1ـ کپی داده‌ها از حافظه اصلی به حافظه GPU
2ـ دستور انجام پردازش توسط CPU به GPU
3ـ انجام پردازش موازی در هسته‌های GPU
4ـ کپی نتایج از حافظه GPU به حافظه اصلی
ویژگی‌های CUDA
• استفاده از زبان C استاندارد برای نوشتن برنامه‌های پردازش موازی بر روی GPU
• کتابخانه‌های عددی استاندارد برای انجام تبدیل فوریه سریع و ساب‌روتین‌های اصلی جبر خطی
• درایور CUDA اختصاصی برای انتقال سریع داده‌ها بین GPU و CPU
• درایور CUDA اختصاصی برای عمل متقابل با OpenGL و DirectX
• پشتیبانی از ویندوز و لینوکس و Mac OS
مزایای CUDA
CUDA دارای چندین مزیت نسبت به روش‌های معمول پردازش توسط(GPU (GPGPU است که در ادامه ذکر شده‌اند:
• خواندن پراکنده: کدها می‌توانند از چندین آدرس مختلف از حافظه خوانده شوند.
• حافظه اشتراکی: CUDA می‌تواند بخشی از حافظه را بین Threadها با سرعت بالا به اشتراک بگذارد که در واقع مثل کشی عمل میکند که توسط کاربر کنترل می‌شود و پهنای باند بالاتری را ایجاد میکند.
• دانلود و بازخوانی سریع‌تر به و از GPU
• پشتیبانی کامل از عملیات صحیح و بیتی
محدودیت‌های CUDA
• CUDA از یک زبان C، بدون توابع بازگشتی و بدون اشاره‌گر استفاده میکند و یک پردازش ساده، در بخش‌های پراکنده حافظه پخش می‌شود، بر خلاف حالت عادی که از یک بخش یکپارچه از حافظه استفاده می‌گردد.
• رندر بافت‌ها (Texture rendering) پشتیبانی نمی‌شود.
• پهنای باند و تاخیر گذرگاه بین CPU و GPU می‌تواند گلوگاه سیستم شود.
• در دقت مضاعف (double precision) هیچ مشکلی وجود ندارد اما در دقت تکی
(single precision) به دلیل مشکلات ساختاری، کمی عدم دقت پيش می‌آید.
• برای راندمان بالا، Threadها باید در گروه‌‌های حداقل 32تایی اجرا شوند در حالی که نیاز به هزارها thread است. انشعاب‌ها در کد برنامه باعث افت راندمان مي‌شوند و هر 32 تا thread یک مسیر اجرایی را طلب میکند. مدل اجراییSIMD در زمان اجرای یک برنامه ذاتاً انشعاب‌پذیر، دچار محدودیت‌های قابل توجهی می‌شود.
• GPUهای دارای CUDA فقط در تولیدات سری 8 به بعد nVIDIA قابل پشتیبانی هستند.
تبديل کننده Badaboom
nVIDIA در تولید نرم‌افزارهای مبتنی بر GPU پیش‌قدم شده و ابزاري به نام Badaboom برای تبدیل فرمت‌های مختلف فایل‌های ویدیویی به یکدیگر عرضه کرده است. nVIDIA می‌‌گوید Badaboom تا 20 برابر سریع‌تر از سایر نرم‌افزارهای رایج تبديل‌کننده (Convertor) عمل میکند. البته دوستان برنامه‌نویس می‌‌دانند که چرا nVIDIA تبديل فایل‌های ویدیویی را به عنوان نمونه‌ای از کاربردهای CUDA عرضه کرده است، چرا که عمل تبديل فرمت‌های ویدویی بسیار مناسب برنامه‌نویسی موازی است و هیچ انشعابی در برنامه پیش نمی‌آید. البته کار عجیبی که انجام داده، این است که قیمت 30 دلار را برای این نرم‌افزار تعیین کرده است. معمولاً شرکت‌ها برای توسعه یک فناوري جدید، از سودهای ناچیز چشم‌‍‌پوشی کرده و شرایط را برای معرفی بیشتر فناوري مورد نظر مساعد می‌کنند.
ATI Stream Acceleration
ATI هم با همان ایده nVIDIA اقدام به پردازش موازی توسط GPU کرده است و آن را ATI Stream Acceleration نامیده است.
Stream مجموعه‌ای از فناوري‌هاي پیشرفته سخت‌افزاری و نرم‌افزاری است که امکان همکاری پایاپای پردازنده‌های گرافیکی AMD ATI سابق را با CPU فراهم میکند تا بسیاری از کاربردها و مهم‌تر از همه، پردازش‌های گرافیکی با سرعت بالایی انجام شوند. در واقع AMD ا***یستمي طراحی کرده که کارایی بالا، کاربردهای متنوع، نرم‌افزارهای خاص و ابزارهای ویژه از جمله ویژگی‌های آن است.
در واقع Stream به یک گروه از مسایل، کاربردها یا پردازش‌ها اشاره میکند که می‌توانند به عملیاتهای موازی و مجزا شکسته شوند و به طور همزمان روی یک پردازنده اجرا شوند. این جریان‌های داده موازی وارد پردازنده می‌شوند و به صورت موازی در هسته‌های آن پردازنده اجرا شده و نتایج به صورتی قابل اتصال به هم از پردازنده خارج می‌شوند.
در واقع مزیت اصلی Stream در پردازش‌های
(SIMD(Single Instruction Multiple Data بروز میکند. چون CPU براساس روش
(SISD(Single Instruction Single Data کار میکند، بنابراین در پردازش‌های موازی Stream عالی ظاهر مي‌شود (شکل 2).
برنامه‌هایی که می‌خواهند برای Stream طراحی شوند، باید دو مشخصه اصلی داشته باشند:
• درجه بالایی از محاسبات ریاضی در هر واکشی (Fetch) از حافظه
• محاسبات مستقل: انجام محاسبات روی هر واحد پردازشی بدون نیاز به بررسی یا تایید هر واحد پردازشی دیگر
ویژگی‌های Stream عبارتند از:
• امکان اجرای برنامه‌های جدید بر روی معماری جدید
• امکان اجرای پردازش‌های موازی که با معماری GPUهای جدید مطابقت دارند
• انتقال از توابع ثابت به پایپ‌لاین قابل برنامه‌نویسی
• کاربردهای وسیع در تحقیقات و صنایع تحت عنوان
(GPGPU (General-Purpose Computation on Graphics Processing Unit
• پشتیبانی از 320 هسته پردازشی (واحد محاسباتی یا ALU)
• پشتیبانی از GPUهای سری R600 به بعد
مهم‌ترین مزایای Stream
• مزایای سخت‌افزاری:
انجام محاسبات ممیز شناور با دقت مضاعف
پشتیبانی از 2 گیگابایت حافظه اختصاصی GDDR3
مصرف توان پایین در پردازش‌های سنگین (پردازش بیش از 5 میلیارد عملیات ممیز شناور با یک وات توان)
نیاز به یک کانکتور برق برای Stream
DMA غیر همزمان (انتقال داده‌ها بدون نیاز به وقفه پردازنده)
امکان استفاده از حافظه‌هایی با اندازه متفاوت برای نگهداری نتایج میانی
استفاده از یک بورد کوچک (فقط 23.5 سانتی‌متر)
پشتیبانی از اینترفیس PCI Express 2.0 x16
• مزایای نرم‌افزاری:
قابل برنامه‌نویسی با محیطی شبیه C با یک کامپایلر سطح بالا
پشتیبانی از سیستم عامل‌های ویندوز و لینوکس 32 و 64 بیتی
در دسامبر 2008 شرکت AMD با عرضه ATI Catalyst نسخه 8.12 امکان استفاده از قابلیت Stream را در کارت‌های خود فعال کرد. شرکت AMD برای تمرکز بر روی قابلیت Stream دو خط تولید جدید کارت گرافیکی به نام‌های ATI FirePro و AMD FireStream را راه‌اندازی کرد تا به صورت کاملاً حرفه‌ای کارت‌هایی طراحی کند که نهایت راندمان را براساس Stream به ارمغان بیاورد.
ATI Avivo
Avivo هم نمونه‌ای از کاربردهای قابلیت Stream است که توسط ATI برای تبدیل فرمت‌های مختلف فایل‌های ویدیویی به یکدیگر عرضه شده است. Avivo معادل Badaboom شرکت nVIDIA است.
Avivo در GPUهای سری Radeon R520 به بعد ارایه شده است. Avivo برای برداشتن بار پردازشی از دوش پردازنده اصلی طراحی شده است. از جمله این بار پردازشی می‌توان عملیات رمزنگاری یا رمزگشایی فایل‌های ویدیویی
(Video Decoding/Encoding) و پردازش‌های محاسباتی سنگین را نام برد. اگر با سیستمی که دارای یک GPU با قابلیت Avivo است، اقدام به پخش و کدگشايي یک فایل ویدیویی توسط نرم‌افزار خاص Avivo کنید، می‌بینید که درصد استفاده از پردازنده اصلی بسیار کمتر از حالتی است که از نرم‌افزارهای رایج استفاده می‌کنید.
نکته جالب آنکه ATI این نرم‌افزار را برخلاف nVIDIA به صورت رایگان عرضه میکند.
تست Avivo
ما در لابراتوار تصمیم گرفتیم که به ارزیابی قدرت GPU در کاربردهایی که تا به حال توسط CPU انجام می‌شده است، بپردازیم.
معمولاً شرکت‌های ارایه کننده فناوري‌هاي جدید کمی در مورد نوآوری‌های خود اغراق می‌کنند و ATI و nVIDIA هم از این قائده مستثنی نیستند.
هر دو شرکت ادعا می‌کنند که مثلاً در مقوله تبدیل فرمت‌های مختلف فایل‌های ویدیویی به یکدیگر، حدود 20 برابر نسبت به نرم‌افزارهای رایج که از CPU استفاده می‌کنند، سریع‌تر عمل می‌کنند. البته تنها قابلیتی که فعلاً می‌توان تست کرد، همان تبديل فایل‌های ویدیویی است، چرا که نرم‌افزار آن توسط شرکت‌های فوق ارایه شده است.
مشخصات سیستم تست
تست با فرمت‌های مختلف
ما برای تست از یک فایل 200 مگابایتی با فرمت MPEG2 و یک فایل یک گیگابایتی با فرمت VOB (فرمت DVD) استفاده کردیم و آنها را به فرمت‌های مختلف تبدیل کردیم. هر تبدیل را یکبار با نرم‌افزار ATI Avivo و یکبار با نرم‌افزار Main Concept Reference تکرار کردیم و نهایت دقت را در یکسان بودن تمامي تنظیمات تبدیل انجام دادیم. بدیهی است که برای کدینگ ATI Avivo از GPU و Main Concept Reference از CPU استفاده می‌کنند. نتایج آزمایشات به شرح زیر است:
تبدیل فایل 200 مگابایتی با فرمت MPEG2 به فرمت‌های مختلف:
تبدیل فایل یک گیگابایتی با فرمت VOB به فرمت‌های مختلف:
پس چرا راندمان، 20 برابر نشد؟
همانطور که قبلاً اشاره شد، ATI و nVIDIA مدعی هستند که در تبدیل فرمت‌های مختلف فایل‌های ویدیویی به یکدیگر، حدود 20 برابر نسبت به نرم‌افزارهای رایج که از CPU استفاده می‌کنند، سریع‌تر عمل می‌کنند. اما آزمایشات ما این را نشان نمی‌دهد!
البته با کمی تعمق می‌توان فهمید که چرا این‌گونه نشده است.
آنها اختلاف قوی‌ترین GPU را با ضعیف‌ترین CPU در نظر می‌گیرند. بنابراین اگر از CPU قوی‌تر و یا از GPU ضعیف‌تر استفاده کنیم، این اختلاف کاهش می‌یابد، هر چند همیشه و در همه حال GPU بهتر از CPU عمل میکند. در سیستم تست ما هم گرچه از کارت گرافیک خیلی خوبی استفاده کردیم، اما پردازنده خوبی هم داشتیم که به طبع مانع از ايجاد اختلاف فاحش مي‌شد.
ضمناً آنها کدینگی را در نظر می‌گیرند که بیشترین اختلاف را در GPU نسبت به CPU دارد (کدینگ‌های مختلف، دارای نسبت‌هاي متفاوتی از اختلاف بین GPU و CPU هستند.)
نتیجه
استفاده از GPU به جای CPU علی‌رغم تمام محدودیت‌هایی که دارد، سرعت و راندمان بالایی را به ارمغان می‌آورد. اگر بتوان روزی تمامی پردازش‌های CPU را توسط GPU انجام داد، تحولی شگرف در سرعت پردازش به وجود می‌آید و دیگر چیزی به عنوان CPU وجود خارجی نخواهد داشت. البته مشروط بر اینکه برنامه‌ها قادر به ارسال تعداد زیادی دستورالعمل به GPU باشند و در سطح بسیار بالایی از پردازش موازی پشتیبانی کنند.
اگر قصد خرید کارت گرافیکی دارید، حتماً مدلی که CUDA یا AVIVO را پشتیبانی میکند، خریداری کنید. هر چند با خرید این نوع کارت‌ها به تنهایی امکان استفاده از قابلیت فوق را ندارید، اما می‌توانید از برنامه‌هایی که برنامه‌نویسان و تولیدکنندگان براساس این قابلیت نوشته‌اند، استفاده کنید و لذت سرعت بالا را حس کنید. مثلاً برنامه‌هایی که برای تبدیل فرمت‌های مختلف ویدیویی به یکدیگر وجود دارند، با استفاده از CPU این کار را انجام می‌دهند، حال آنکه برنامه‌های دیگری براساس CUDA یا AVIVO نوشته شده‌اند که همان کار را بدون استفاده از CPU چندین برابر سریع‌تر انجام می‌دهند. ضمناً دوستداران بازی هم می‌توانند بازی‌های جدیدتر را که براساس قابلیت فوق عرضه می‌شوند، بسیار طبیعی‌تر و روان‌تر بازی کنند.
به طور خلاصه می‌توان گفت که استفاده از GPU به جای CPU دو مزیت اصلی دارد:
• سرعت بسیار بالاتر در انجام محاسبات
• آزاد شدن CPU و امکان استفاده از آن در پردازش‌های دیگر
کلام پاياني
تا چندی پیش در جوامع علمی مطرح بود که پردازنده‌‍‌ای طراحی شود که دارای GPU هم باشد و برای کاربردهای سبک گرافیکی مورد استفاده قرار گیرد، اما حالا قضیه برعکس شده است. GPUها کار پردازنده را انجام می‌دهند.
هر چند GPUها فعلاً تمامی پردازش‌های CPU را نمی‌توانند انجام دهند، اما دورنمای این فناوری چیز دیگری را نشان می‌دهد. آری، شمارش مع*** برای به تاریخ پیوستن CPU شروع شده است. البته نگارنده معتقد است که GPU جای CPU را نمی‌گیرد (به دلیل تفاوت معماری آنها و کاربردهای متفاوت آنها) بلکه GPU نقش پردازنده کمکی یا Coprocessor را بازی خواهد کرد، با این تفاوت که این پردازنده کمکی در بسیاری از پردازش‌ها از پردازنده اصلی قوی‌تر عمل میکند!
