Bộ xử lý đồ họa (GPU)

GPU là gì?

Bộ xử lý đồ họa (GPU) là một bộ xử lý chuyên dụng được thiết kế để thực hiện nhiều phép tính song song, ban đầu là để kết xuất hình ảnh, video và đồ họa 3D. GPU giờ đây cũng tăng tốc các tác vụ song song cao khác, bao gồm học máy, mô phỏng khoa học và mã hóa video.

Trong một trò chơi hoặc ứng dụng thực tế 3D, GPU xử lý dữ liệu cảnh để tạo ra các pixel mà người chơi nhìn thấy, kết xuất hình ảnh hàng chục lần mỗi giây.

GPU hoạt động như thế nào?

GPU đạt được tốc độ của nó từ tính song song. Thay vì dựa vào một số lượng nhỏ các lõi CPU mạnh để xử lý các tác vụ tuần tự, GPU chia các khối lượng công việc lớn thành nhiều thao tác nhỏ hơn có thể được xử lý song song.

GPU hoạt động cùng với CPU, bộ xử lý này xử lý các tác vụ như logic trò chơi và gửi chỉ dẫn đến GPU cho đồ họa và các tác vụ song song khác. Để xem phân tích song song của hai bộ xử lý, hãy xem CPU so với GPU.

Một GPU dựa vào một số thành phần và lớp phần mềm chính:

• Cores: Các đơn vị xử lý thực hiện nhiều thao tác song song. Kiến trúc và cách đặt tên của chúng khác nhau tùy theo nhà sản xuất GPU, chẳng hạn như các lõi CUDA trên GPU NVIDIA và các bộ xử lý luồng trên GPU AMD.
• Bộ nhớ video (VRAM): Bộ nhớ băng thông cao chuyên dụng lưu trữ các texture, lưới, dữ liệu khung hình và các tài nguyên khác gần GPU. GPU tích hợp thường chia sẻ bộ nhớ hệ thống.
• Shaders: Các chương trình chạy trên GPU để thực hiện các tác vụ như định vị các đỉnh, tính toán màu pixel và xử lý các khối lượng công việc đa dụng, bao gồm cả những tác vụ được xử lý bởi compute shaders.
• Trình điều khiển và API đồ họa: Các lớp phần mềm cho phép ứng dụng giao tiếp với GPU. Các API như DirectX, Vulkan, Metal và OpenGL cung cấp giao diện để gửi các lệnh đồ họa, trong khi trình điều khiển dịch các lệnh đó cho phần cứng GPU cụ thể.

Điều gì xảy ra khi một GPU kết xuất một khung hình?

Việc kết xuất một khung hình tuân theo graphics pipeline, một chuỗi các giai đoạn biến đổi dữ liệu cảnh 3D thành hình ảnh 2D:

1. Gửi: CPU gửi các lệnh vẽ chỉ định các lưới, vật liệu và cài đặt kết xuất nào cần sử dụng.
2. Xử lý các đỉnh: Các shader đỉnh biến đổi các đỉnh của mỗi lưới từ không gian cảnh 3D thành các vị trí được sử dụng để kết xuất hình ảnh.
3. Rasterize: GPU chuyển các tam giác kết quả thành các mảnh tương ứng với các pixel tiềm năng trên màn hình.
4. Tô bóng các pixel: Các shader fragment tính toán màu sắc của từng fragment bằng cách sử dụng thông tin như texture, ánh sáng và vật liệu.
5. Xuất: Hình ảnh kết quả được ghi vào bộ đệm khung và hiển thị trên màn hình.

Các loại GPU là gì?

GPU có thể được phân loại thành ba loại phổ biến dựa trên vị trí của GPU, cách nó truy cập bộ nhớ và cách các tài nguyên tính toán của nó được cung cấp:

GPU tích hợp chia sẻ tài nguyên hệ thống với CPU, điều này thường làm cho chúng tiết kiệm điện hơn và phù hợp với các thiết bị có không gian hoặc nguồn điện hạn chế.

GPU rời có phần cứng xử lý riêng và bộ nhớ chuyên dụng, cung cấp hiệu suất đồ họa và tính toán cao hơn nhưng phải trả giá bằng mức tiêu thụ điện năng và nhiệt cao hơn.

GPU ảo cung cấp tài nguyên tính toán GPU từ xa, cho phép các ứng dụng sử dụng phần cứng GPU được lưu trữ trong trung tâm dữ liệu thay vì trên thiết bị cục bộ.

Sự khác biệt giữa GPU và card đồ họa là gì?

Các thuật ngữ GPU và card đồ họa thường được sử dụng thay thế cho nhau, nhưng chúng đề cập đến những thứ khác nhau:

Mọi card đồ họa đều chứa một GPU, nhưng không phải mọi GPU đều có trên card đồ họa. GPU tích hợp được tích hợp vào cùng một chip hoặc gói với CPU và chia sẻ tài nguyên hệ thống thay vì sử dụng card đồ họa riêng biệt.

GPU được sử dụng để làm gì?

GPU được sử dụng ở bất cứ nơi nào khối lượng công việc chứa nhiều phép tính có thể được thực hiện song song:

• Trò chơi và 3D thời gian thực: Kết xuất khung hình cho trò chơi và trải nghiệm tương tác trên điện thoại, PC, máy chơi game và các thiết bị khác.
• VR và AR: Kết xuất các chế độ xem sống động và duy trì tốc độ khung hình cao, ổn định cần thiết cho trải nghiệm thoải mái, đặc biệt là trong VR.
• AI và học máy: Tăng tốc quá trình huấn luyện và suy luận của các mô hình học máy, vốn liên quan đến số lượng lớn các phép toán toán học song song.
• Sáng tạo video và nội dung: Tăng tốc mã hóa video, kết xuất, hiệu ứng hình ảnh và quy trình làm việc tăng tốc GPU trong các ứng dụng sáng tạo.
• Mô phỏng và Digital Twins: Chạy các mô phỏng tính toán về vật lý, hạt, ánh sáng và các lĩnh vực khác cho trực quan hóa kỹ thuật, ô tô và công nghiệp.
• Đồ họa web: Sử dụng các API như WebGL để cho phép các trình duyệt hiển thị đồ họa 2D và 3D tương tác với tăng tốc GPU.

GPU và Unity

Trong Unity, GPU kết xuất các khung hình theo cấu hình Universal Render Pipeline (URP) hoặc High Definition Render Pipeline (HDRP) đang hoạt động. Module Hồ sơ Sử dụng GPU cho thấy thời gian GPU mà các phần khác nhau của một khung hình chiếm dụng, giúp các nhà phát triển xác định các điểm nghẽn kết xuất. Ngăn kéo cư trú trên GPU sử dụng tính năng nhân bản GPU để giảm số lần gọi vẽ và chi phí CPU khi kết xuất số lượng lớn đối tượng.

Các câu hỏi thường gặp (FAQ)

Điều đó có nghĩa là gì khi một trò chơi bị giới hạn bởi GPU?

Một trò chơi bị giới hạn bởi GPU khi GPU mất nhiều thời gian hơn để kết xuất một khung hình so với thời gian CPU cần để chuẩn bị nó. Các yêu cầu kết xuất như độ phân giải cao, shader phức tạp và overdraw có thể làm tăng thời gian khung hình của GPU và giới hạn tốc độ khung hình. Profiling giúp xác định xem CPU hay GPU là nút thắt cổ chai, và hướng dẫn của Unity về quản lý việc sử dụng GPU bao gồm các kỹ thuật tối ưu hóa phổ biến.

Máy tính có thể chạy mà không cần GPU không?

Một máy tính có thể chạy mà không cần card đồ họa chuyên dụng, nhưng hầu hết các máy tính hiển thị đồ họa đều sử dụng card đồ họa tích hợp hoặc rời. Một số máy chủ hoạt động mà không cần GPU vì chúng không cần kết xuất đồ họa, và việc kết xuất phần mềm có thể sử dụng CPU để tạo hình ảnh thay thế. Tuy nhiên, kết xuất dựa trên CPU nhìn chung kém hiệu quả hơn tăng tốc GPU đối với đồ họa 3D thời gian thực đòi hỏi khắt khe.

Trình chuẩn GPU là gì?

Bài kiểm tra GPU là một bài kiểm tra đo lường hiệu suất đồ họa hoặc tính toán bằng các chỉ số như tốc độ khung hình, thời gian khung hình hoặc điểm số tổng hợp. Các tiêu chuẩn tổng hợp chạy các khối lượng công việc tiêu chuẩn để so sánh GPU, trong khi các tiêu chuẩn thực tế đo hiệu suất trong các trò chơi hoặc ứng dụng thực tế. Kết quả có thể khác nhau tùy thuộc vào độ phân giải, cài đặt đồ họa, trình điều khiển và khối lượng công việc cụ thể.