Современные информационные технологии/2.
Вычислительная техника и программирование

 

Ободник Н. Д.

Винницкий национальный технический университет

Анализ основных типов графических систем

 

Под графическим ускорителем понимают аппаратную систему построения динамических изображений трехмерных сцен, содержащую графический процессор или серию графических процессоров [1]. Графический ускоритель отвечает за геометрические преобразования трехмерной сцены, растеризацию и передачу обработанных данных в виде изображения на экран.

Среди видов графических ускорителей можно выделить:

−    видеокарты (GPU);

−    встроенные графические ускорители (IGP - Integrated graphics solutions)

−    гибридные графические (Hybrid solutions)

−    гибридные процессоры (APU - Accelerated Processing Unit)

−    графические ускорители общего назначения (GPGPU - General Purpose GPUs).

Современные видеокарты используются для расчета и вывода графической информации в графических станциях, персональных компьютерах, ноутбуках и т.д. Они подключаются к материнской плате с помощью шины PCI Express и имеют свою собственную видеопамять. Основные требования к их производительности диктуются потребностями в сфере конструирования и игровой индустрии. Высокое быстродействие видеокарт обеспечивается в основном за счет распараллеливания вычислений. Современные профессиональные видеокарты содержат до 2048 - 3072 потоковых ядер, количество которых ежегодно растет [2, 3]. Они обеспечивают высокую гибкость программирования многих этапов графического конвейера.

Встроенные графические ускорители интегрированы непосредственно в материнскую плату компьютера. Они используют не специальную графическую память, а основную оперативную память. Такие графические системы не могут обеспечить высокое быстродействие графического конвейера, поэтому обычно используются в персональных компьютерах, а также имеют ряд ограничений в применении. Основным преимуществом таких аппаратных графических решений является невысокая цена по сравнению с видеокартами.

Гибридные графические ускорители подключаются к материнской плате с помощью шины PCI Express, однако не имеют собственной видеопамяти, а используют оперативную память компьютера. Некоторые такие графические архитектуры содержат дополнительную кэш-память, в которой хранится данные, наиболее часто используемые для расчетов. Такие архитектурные решения конкурируют со встроенными графическими ускорителями.

Гибридные процессоры объединяют в себе центральный и графический процессоры на одном кристалле. Результатом такого объединения является снижение общего энергопотребления, а также стоимости за счет уменьшения количества комплектующих. В 2012 году компания AMD выпустила первый гибридный процессор для применения в профессиональной компьютерной графике, рассчитан на использование в рабочих станциях [4].

Графические ускорители общего назначения позволяют выполнять расчеты на графическом процессоре, обычно исчисляются на центральном процессоре [5]. Это стало возможным при введении программируемых шейдерных блоков. Для программирования процессоров такого типа был специально разработан стандарт OpenCL − Open Computing Language. GPGPU поддерживают потоковую обработку данных и обеспечивают высокий уровень распараллеливания вычислений.

Главным блоком любого графического ускорителя является графический процессор или серия таких процессоров. Основными компаниями производителями графических кристаллов (процессоров) являются [6]:

AMD (Advanced Micro Devices) − американская компания, специализирующаяся на производстве графических процессоров для видеокарт, а также гибридных процессоров, встроенных графических систем и процессоров общего назначения. Компания использует 28 нм технологический процесс изготовления чипов и выступает одним из лидеров на рынке.

NVIDIA Corporation специализируется на производстве именно видеокарт и процессоров для них. Современная серия графических процессоров называется Kepler и построена на 28-нанометровом технологическом процессе.

Intel Corporation − американская компания, специализирующаяся на изготовлении центральных процессоров и других компьютерных компонентов. Она выпускает 22-нанометровые гибридные процессоры Ivy Bridge Core i3, i5 и i7, основанные на микроархитектуре Sandy Bridge, которая содержит встроенный графический ускоритель и поддерживает современные графические стандарты. [Долгожданный Ivy Bridge]

VIA Technologies − тайваньская компания, специализирующаяся на изготовлении микросхем (процессоров, чипсетов, памяти). Выпускаемые процессоры ориентированы на рынок малых, легких и низко­энергетических систем. Занимает четвертое место на рынке графических ускорителей после AMD, NVIDIA и Intel. В 2012 году анонсирован выпуск нового процессора VIA VX11H, что поддерживает графический стандарт DirectX 11.

Imagination Technologies Group plc. − Британская компания, занима­ющаяся проектированием графических ускорителей и микропроцессоров. Ее подразделение PowerVR занимается разработкой архитектуры графи­ческих ускорителей. Разработки Imagination Technologies Group широко применяются в производстве мобильных устройств и планшетов, в частности в продукции Apple.

ARM Ltd. − Британская компания, специализирующаяся на разработке архитектур микропроцессоров. Одним из направлений разработок компании есть ряд графических ускорителей Mali GPU. Анонсированные модели
Mali 604 и Mali 678 должны поддерживать современные графические стандарты. Продукция, выпущенная на основе разработок ARM, широко используется китайскими и корейскими производителями цифровой электроники. Сегодня семейство ARM занимает примерно 75% всех портативных 32-битных RISC процессоров.

Современные графические ускорители развиваются в направлении повышения продуктивности за счет внедрения новых архитектурных решений, обеспечивающих все более высокий уровень распараллеливания вычислений. Только профессиональные графические ускорители способны обрабатывать большие объемы информации, необходимые для динамичного воспроизведения фотореалистичных изображений высокополигональные трехмерных сцен. Вместе с тем, новые архитектуры графических ускорителей позволяют применять новые подходы и методы построения изображений, направленых на обработку именно высокодетализированной компьютерной графики.

 

Источники информации:

1.       Tomas Akenine-Möller. Real-Time Rendering. / Tomas Akenine-Möller, Eric Haines, Naty Hoffman  // 3rd edition, A. K. Peters Ltd., ISBN 978-1-56881-424-7, 2008, — 1045 pages. Электронный ресурс: http://www.real-timerendering.com

2.       AMD Radeon™ HD 7970 Graphics // Оф. сайт производителя. Электронный ресурс: http://www.amd.com/us/products/desktop/graphics/7000/7970/Pages/radeon7970.aspx#3

3.       Двухчиповая флагманская видеокарта NVIDIA GeForce GTX 690 представлена официально // Новостная служба Ferra. Электронный ресурс: http://www.fer­ra.ru/ru/video/news/2012/04/29/nvidia-unveils-geforce-gtx-690/

4.       AMD представила первые гибридные процессоры в серии FirePro // Новостная служба Ferra. Электронный ресурс: http://www.ferra.ru/ru/system/news/2012/08/08/­AMD-APU-FirePro-A300-A320/

5.       Боголепов Д. К. Вычисления общего назначения на графических процессорах с использованием шейдерных языков / Д.К. Боголепов, В.Е. Турлапов // Материалы Международной научной конференции «Параллельные вычислительные техноло­гии» (ПАВТ'2009). Электронный ресурс: http://www.ict.edu.ru/vconf/files/11899.pdf

6.        Производители графических процессоров и видеокарт. Электронный ресурс: http://www.chieftec-ru.com/guide/proizvoditeli-graficheskix-processorov-i-videokart/