Графический процессор

Специализированные графические схемы начали применяться на игровых автоматах с 1970-х годов. Оперативная память для кадровых буферов в раннем оборудовании была дорогой, поэтому видеочипы собирали изображение в процессе вывода на монитор^[1].

Специализированная схема barrel shifter помогала ЦП анимировать графику в буфере кадров для ряда игр 1970-х годов (например, Gun Fight (1975), Sea Wolf (1976) и Space Invaders (1978))^[2]. Аппаратная платформа Namco Galaxian в 1979 году использовала специализированное графическое оборудование, поддерживающее RGB-цвета, многоцветные спрайты и фоновые тайлы^[3]. Графика Galaxian использовалась рядом компаний в «золотой эре» игровых автоматов, включая Namco, Centuri, Gremlin, Irem, Konami, Midway, Nichibutsu, Sega и Taito^[4].

Atari 2600 (1977) применяла видеошифер Television Interface Adaptor^[5]. Atari 8-bit (1979) получила видеопроцессор ANTIC, интерпретировавший специальные инструкции «display list», задающие режимы, отображаемые на каждой строке^[6]. ANTIC позволял реализовывать плавную вертикальную и горизонтальную прокрутку без участия центрального процессора^[7].

NEC μPD7220 стал первой реализацией процессора графического вывода для персональных компьютеров на одном кристалле LSI; он лёг в основу ряда высокопроизводительных видеокарт. Это был первый полностью интегрированный VLSI графический процессор для ПК, поддерживающий разрешения до 1024×1024^[8]. Его клоны создавались другими компаниями, включая Intel 82720^[9].

Процессоры-блиттеры для ускорения графики применялись в автоматах Williams Electronics и других компаниях^[10].^[11].

Hitachi ARTC HD63484 (1984) стал первым массовым CMOS-графическим процессором для ПК, а Amiga (1985) получила кастомный чип с поддержкой блиттера и сопроцессора для работы с видеорегистрами^[12].

Texas Instruments TMS34010 (1986) — первый полностью программируемый графический процессор^[13].

IBM 8514 — одна из первых видеоадаптеров для ПК с аппаратной поддержкой примитивов. Sharp X68000, FM Towns и другие японские ПК конца 1980-х демонстрировали расширенные графические возможности^[14].

Первое специализированное оборудование для полигональной 3D-графики появилось в аркадных автоматах Namco System 21 и Taito Air System (1988)^[15].^[16].

IBM представила свой графический стандарт VGA в 1987 году. В 1988 году создан консорциум VESA для развития стандарта Super VGA^[17].

В 1991 году S3 Graphics представила ускоритель S3 86C911, за которым последовали массовые 2D-ускорители других производителей^[18].

В начале 1990-х ускорение реального времени 3D-графики становится востребованным, что привело к появлению специализированных 3D-чипов в игровых автоматах и домашних консолях (Sega Saturn, PlayStation, Nintendo 64). Аппаратное ускорение T&L появилось в Nintendo 64 Reality Coprocessor (1996) и видеокартах FireGL 4000^[19].

Термин «GPU» (graphics processing unit) впервые официально использовала компания Sony для обозначения процессора своей приставки PlayStation (1994)^[20].

В 2002 году ATI Radeon 9700 стал первым ускорителем Direct3D 9.0, с поддержкой сложных шейдеров и операций с плавающей точкой^[21].

В 2006—2007 годы появляются универсальные вычисления на GPU (GPGPU), платформы CUDA (Nvidia), OpenCL (Khronos Group), DirectCompute. Графические процессоры стали применять для машинного обучения^[22], анализа изображений, линейной алгебры, статистики, 3D-восстановления, ценообразования опционов^[23].

В 2010 году Nvidia начала применять Tegra GPU для автомобильных мультимедийных систем (Audi)^[24].

Рынок видеокарт пережил технический прорыв: AMD Radeon HD 6000, Nvidia GeForce серий Kepler, Maxwell, Pascal (28-16 нм), а также внедрение аппаратного трассирования лучей (Nvidia RTX 20, AMD Radeon RX 6000)^[25].

Sony PlayStation 4 и Microsoft Xbox One (2013), PlayStation 5 и Xbox Series X/S (2020) используют графические процессоры архитектур семейства AMD Radeon.

В 2020-х GPU активно используются для массовых параллельных вычислений, в частности для обучения нейронных сетей и языковые модели в искусственном интеллекте. В рабочих станциях появились тензорные ядра для глубокого обучения, достигнув производительности до сотен TFLOPS^[26].

Крупнейшими производителями GPU в XXI веке являются Intel, Nvidia и AMD/ATI Technologies; к ним также относятся Matrox, Jingjia Micro и ряд других (например, китайские производители)^[27].

Производительность GPU определяется топологией соединений, тактовой частотой, количеством и размером кэш-памяти, а также числом вычислительных блоков — потоковых мультипроцессоров (SM) у Nvidia, вычислительных блоков (CU) у AMD, Xe-ядра у Intel. Основной показатель — FLOPS, современные модели достигают производительности в десятки терафлопс^[28].

Ранние GPU поддерживали низкоуровневые API для ускорения 2D-графики: GDI, DirectDraw и др^[29].

Изначально термин «GPU» (graphics processor unit) обозначал самостоятельный программируемый процессор, отвечающий за обработку и вывод графики^[30][31] После 1994 года термин прочно закрепился за специализированными микросхемами от Sony, Nvidia, AMD и др^[20]. ATI использовала альтернативный термин VPU («визуальный процессор»).

В ПК различают два основных типа GPU^[32]:

• Дискретные (dedicated/discrete) графические процессоры;
• Интегрированные (integrated/shared, IGP/UMA) решения.

Используют выделенную память специального типа (чаще всего GDDR). В многопроцессорных системах (SLI, CrossFire, NVLink) несколько GPU совместно формируют изображение на одном экране, однако подобные конфигурации постепенно утрачивают популярность из-за высокой стоимости и поддержки далеко не всеми играми^[33][34][35].

Тем не менее, многографические конфигурации востребованы на суперкомпьютерах (Summit), рабочих станциях для работы с видео и визуальными эффектами, также они находят применение в GPGPU-задачах, рендеринге и ИИ-обучении^[36][37][38].

Интегрированные графические процессоры (IGP/UMA) используют часть системной памяти ПК либо выделенную область на материнской плате. Чаще всего встроены в чипсет (northbridge) или в одно кристалле вместе с ЦП (AMD APU, Intel HD Graphics). Интегрированные GPU в большинстве ПК (данные на 2007 год — около 90 % всех поставок)^[39].

Исторически IGP не поддерживали современные игры, но современные интегрированные решения AMD и Intel справляются с 2D и некоторой 3D-графикой. Ограничения таких GPU связаны с меньшей пропускной способностью общей памяти по сравнению с выделенной памятью видеокарт^[40].

Ужиная архитектура памяти (UMA) включает совместное использование ЦП и GPU общей памяти и адресного пространства (например, современные процессоры AMD, Intel, Apple, PS5, Xbox Series)^[41][42].

Современные GPU применяются не только для графики, но и как stream/openCL-процессоры для запуска вычислительных ядер (kernels), где при большом числе векторных операций достигается ускорение на порядки по сравнению с ЦП. Как AMD, так и Nvidia активно развивают это направление, в том числе для распределённых проектов (например, Folding@home)^[43].

GPU также ускоряют высокопроизводительные вычисления — три из десяти самых мощных суперкомпьютеров мира применяют GPU-ускорители^[44].

Для повышения графической производительности ноутбуков используются внешние корпуса (eGPU), подключаемые по шине PCI Express через специальные порты (ExpressCard, Thunderbolt, OCuLink). Внешние GPU требуют собственного блока питания^[45][46].

См. статью Производительность на ватт.

В 2013 году было отгружено 438 миллионов GPU, прогноз на 2014—414 миллионов; к третьему кварталу 2022 года поставки составили около 75,5 миллиона, что меньше на 19 % по сравнению с годом ранее^[47][48].