Bên cạnh CPU – đơn vị xử lý trung tâm, GPU cũng trở thành một chip xử lý cực kỳ quan trọng trong máy tính hiện đại. GPU là gì? Cấu tạo và cơ chế hoạt động của nó như thế nào? Và điểm gì tạo nên sự khác biệt giữa GPU và CPU? Bài viết này PCMag sẽ giải đáp những thắc mắc trên.
GPU là gì?
GPU (Graphics Processing Unit) là thành phần phần cứng được tìm thấy trong máy tính và thiết bị di động, được tạo ra với mục đích chính là xử lý và quản lý các công việc liên quan đến đồ họa.
Nhiệm vụ chính của GPU bao gồm xử lý hiển thị hình ảnh, video, hoạt ảnh, và các hiệu ứng đồ họa phức tạp khác. GPU là lựa chọn ưu tiên cho các ứng dụng cần đến đồ họa nâng cao như gaming, thiết kế đồ họa, biên tập video và ứng dụng trong nghiên cứu khoa học.
Cấu tạo của GPU
ALU (Arithmetic Logic Unit)
ALU (Arithmetic Logic Unit) là thành phần cốt lõi của GPU, chịu trách nhiệm thực hiện các phép toán số học và logic. Nó xử lý các tác vụ bao gồm cộng, trừ, nhân, chia cũng như các phép toán logic như AND, OR, XOR.
Memory
GPU được trang bị bộ nhớ độc lập, dùng để chứa dữ liệu và chỉ thị xử lý. Bộ nhớ này gồm có VRAM (Video RAM) và bộ nhớ cache. VRAM chủ yếu dành cho việc lưu giữ dữ liệu hình ảnh và video, còn bộ nhớ cache giữ các dữ liệu tạm thời, nhằm mục đích tăng cường tốc độ xử lý.
Rasterizer
Rasterization là một chức năng quan trọng trong GPU, đảm nhận việc biến đổi đối tượng 3D thành hình ảnh 2D hiển thị trên màn hình. Nó xử lý các biến đổi hình học như chiếu, cắt, và vẽ đường viền cũng như điểm ảnh.
Shader Cores
Shader Cores là những đơn vị xử lý chuyên biệt trong GPU, chịu trách nhiệm thực hiện các phép toán đồ họa nâng cao. Chúng được phân loại thành các kiểu khác nhau như: Vertex Shader, Geometry Shader và Pixel Shader, với mỗi loại đảm nhận một phần cụ thể trong quy trình xử lý đồ họa.
Bus Interface
GPU liên kết với các phần khác của máy tính qua giao diện bus, một hệ thống cho phép dữ liệu di chuyển giữa GPU và CPU, bộ nhớ chính, cũng như các thành phần khác.
Cấu trúc và thiết kế của GPU biến đổi theo từng nhà sản xuất và ứng dụng cụ thể. Để đáp ứng yêu cầu ngày càng tăng của đồ họa và xử lý đa phương tiện, công nghệ và các tính năng trong GPU cũng không ngừng được nâng cấp và cải tiến.
Nguyên lý hoạt động của GPU
GPU vận hành theo kiến trúc SIMD (Single Instruction, Multiple Data), nơi một lệnh duy nhất được áp dụng đồng thời cho nhiều dữ liệu. Điều này giúp GPU có khả năng xử lý đồng thời một lượng lớn các công việc đồ họa, cải thiện đáng kể hiệu suất và tốc độ.
- Trong GPU có các đơn vị xử lý chuyên biệt như: Rasterizer, Vertex Shader, Pixel Shader và Texture Mapping Unit.
- Rasterizer đóng vai trò biến đổi các đối tượng đồ họa từ vector sang raster để có thể hiển thị trên màn hình.
- Vertex Shader và Pixel Shader, là các bộ phận chính thực hiện tính toán và biến đổi trên đỉnh và pixel, tạo nên các hiệu ứng đồ họa ấn tượng.
- Texture Mapping Unit chịu trách nhiệm ánh xạ texture lên các đối tượng đồ họa, tăng tính chân thực và chi tiết.
GPU cũng kết hợp với VRAM, bộ nhớ đồ họa dùng để lưu trữ và truy xuất dữ liệu đồ họa một cách nhanh chóng, giảm thiểu độ trễ trong truyền dữ liệu giữa CPU và GPU và nâng cao hiệu suất đồ họa.
Phân loại GPU
Kiến trúc
- GPU dựa trên kiến trúc đồ họa: Được phát triển chủ yếu cho mục đích xử lý đồ họa và hiển thị hình ảnh lên màn hình.
- GPU dựa trên kiến trúc tính toán: Được điều chỉnh để tối ưu hóa khả năng thực hiện các phép tính số học phức tạp, thích hợp cho ứng dụng trong học máy, trí tuệ nhân tạo và các lĩnh vực tính toán khoa học.
Mục đích sử dụng
- GPU dành cho máy tính cá nhân: Sử dụng trong máy tính cá nhân và máy trạm, chủ yếu phục vụ mục đích xử lý đồ họa, chơi game và thực hiện các công việc liên quan đến đa phương tiện.
- GPU dành cho máy chủ và trung tâm dữ liệu: Áp dụng trong máy chủ và trung tâm dữ liệu, chủ yếu để thực hiện xử lý tính toán song song, khai thác tiền điện tử, tính toán khoa học và hỗ trợ các ứng dụng đòi hỏi sức mạnh tính toán lớn.
Nhà sản xuất
- GPU NVIDIA: Sản phẩm của NVIDIA Corporation, một trong những công ty hàng đầu về sản xuất GPU.
- GPU AMD: Phát triển bởi Advanced Micro Devices, Inc., là một trong những tên tuổi lớn trong ngành sản xuất GPU.
- GPU Intel: Thuộc về Intel Corporation, công ty nổi tiếng với việc sản xuất các vi xử lý hàng đầu thế giới.
Tích hợp
- GPU tích hợp: Là loại GPU được tích hợp sẵn trong CPU, giúp cải thiện hiệu quả về tiêu thụ năng lượng và giảm chi phí. Hệ thống hoạt động mượt mà và đơn giản hóa nhờ có iGPU.
- GPU rời: Là GPU độc lập, không gắn liền với CPU hoặc bo mạch chủ. Thiết kế này nhằm mục đích xử lý tác vụ đồ họa và tính toán nâng cao, phù hợp với các ứng dụng cần đến hiệu suất đồ họa mạnh mẽ như gaming, biên tập video, thiết kế đồ họa và ứng dụng trong học máy. GPU rời kết nối với bo mạch chủ thông qua khe cắm PCIe.
Sự khác biệt giữa CPU và GPU
CPU (Central Processing Unit) và GPU (Graphics Processing Unit) là hai loại bộ xử lý với mục đích và kiến trúc hoạt động riêng biệt. Sau đây là những điểm khác biệt chính giữa CPU và GPU:
Chức năng chính
- CPU: Đối với hệ thống, CPU là trung tâm xử lý chịu trách nhiệm thực hiện các tác vụ đa nhiệm, bao gồm tính toán, quản lý bộ nhớ, điều khiển các thiết bị ngoại vi và thực hiện các tác vụ hệ thống.
- GPU: Trái lại, GPU chủ yếu được tối ưu hóa để xử lý và điều khiển các tác vụ đồ họa, như hiển thị hình ảnh, video, game và tính toán song song.
Cấu trúc
- CPU: Thông thường, CPU được trang bị ít nhất một hoặc nhiều nhân xử lý (cores) và các bộ đệm cache lớn, nhằm mục đích xử lý các tác vụ đa nhiệm.
- GPU: Trái lại, GPU thường có hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn nhân xử lý (cores) nhỏ hơn, được tối ưu hóa để xử lý các tác vụ đồ họa song song.
Kiến trúc
- CPU: CPU thường có kiến trúc xử lý tuần tự, nghĩa là nó thực hiện các tác vụ một cách tuần tự từng bước một.
- GPU: Trái lại, GPU có kiến trúc xử lý đồng thời, cho phép nó xử lý nhiều tác vụ đồng thời bằng cách chia nhỏ chúng thành các luồng (threads) riêng biệt.
Hiệu suất
- CPU: Thường có hiệu suất xử lý cao cho cả các tác vụ đơn luồng và các tác vụ đa nhiệm phức tạp.
- GPU: Thường có hiệu suất xử lý cao cho các tác vụ đồ họa song song như hiển thị hình ảnh, video và tính toán khoa học.
Ứng dụng thực tế của GPU
GPU (Graphics Processing Unit) đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực thực tiễn như sau:
- Đồ họa máy tính: GPU rất phổ biến trong công nghệ đồ họa máy tính, xử lý và hiển thị hình ảnh, video và đồ họa 3D. Việc sử dụng GPU giúp tăng tốc độ xử lý đồ họa và nâng cao chất lượng hình ảnh.
- Máy tính cá nhân và máy chủ: GPU được tích hợp trong các máy tính cá nhân và máy chủ để xử lý các tác vụ đồ họa nặng như chơi game, xử lý video, thiết kế đồ họa và tính toán khoa học.
- Học máy (Machine learning) và trí tuệ nhân tạo: GPU được ứng dụng trong các lĩnh vực này để gia tăng tốc độ tính toán và xử lý dữ liệu. Khả năng xử lý song song của GPU cải thiện hiệu suất trong việc huấn luyện mô hình học máy và xử lý dữ liệu lớn.
- Xử lý video và đa phương tiện: GPU được sử dụng trong các ứng dụng xử lý video và đa phương tiện để tăng tốc độ mã hóa, giải mã và xử lý hình ảnh và video, giúp cải thiện chất lượng và hiệu suất của các ứng dụng này.
- Máy khai thác tiền điện tử: GPU đóng vai trò quan trọng trong quá trình khai thác tiền điện tử như Bitcoin và Ethereum bằng cách tăng tốc độ tính toán song song, giúp nâng cao hiệu suất của quá trình này.
Những câu hỏi thường gặp (FAQ)
GPU và VGA khác nhau như thế nào?
Một phần cứng quan trọng trong máy tính được biết đến với tên gọi là Card đồ họa hoặc Card VGA, đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý hình ảnh trên máy tính, bao gồm màu sắc, độ phân giải, độ tương phản, và chất lượng hiển thị trên màn hình. Card VGA kết nối với màn hình để hiển thị hình ảnh, cung cấp người dùng khả năng thao tác và giao tiếp trên máy tính một cách trực quan.
Có hai loại chính của Card VGA: Card onboard và Card rời. Trong đó, Card VGA rời thường được trang bị bộ xử lý GPU (Graphic Processing Unit), giúp xử lý tất cả các vấn đề liên quan đến hình ảnh và cải thiện hiệu suất hoạt động của máy tính.
CPU có thay thế được GPU không?
CPU không thể hoàn toàn thay thế GPU.
Mặc dù cả hai đều là các thành phần quan trọng trong hệ thống máy tính, nhưng chức năng chính của chúng là khác nhau.
CPU chịu trách nhiệm xử lý các tác vụ chung của hệ thống, bao gồm tính toán số học, quản lý bộ nhớ, điều khiển các thiết bị ngoại vi và thực hiện các tác vụ đa nhiệm. Mặc dù có khả năng xử lý đồ họa cơ bản, nhưng hiệu suất đồ họa của CPU thường không cao.
Trong khi đó, GPU được thiết kế đặc biệt để xử lý đồ họa và tính toán song song. GPU có nhiều nhân xử lý đồ họa (CUDA cores hoặc Stream processors) để xử lý các tác vụ đồ họa phức tạp và tính toán đồ họa nhanh chóng.
GPU thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi đồ họa cao như chơi game, xử lý video, thiết kế đồ họa và khai thác dữ liệu.
Mặc dù CPU có thể thực hiện một số tác vụ đồ họa cơ bản, nhưng nó không thể thay thế GPU trong việc xử lý đồ họa cao cấp và tính toán song song. Do đó, trong các ứng dụng đòi hỏi đồ họa cao, GPU là thành phần quan trọng và không thể thay thế bằng CPU.
GPU nằm ở đâu?
GPU (Graphics Processing Unit) có thể được đặt trên bo mạch chủ (motherboard) hoặc tích hợp trực tiếp vào CPU (đối với các CPU có tích hợp đồ họa). Trong trường hợp sử dụng card đồ họa rời, GPU sẽ được đặt trên card đồ họa và cắm vào khe cắm PCI Express trên bo mạch chủ.
