الهندسةهندسة الاتصالات

وحدة المعالجة الرسومية في شبكات الاتصالات Graphical Processing Unit 

اقرأ في هذا المقال
  • ما هي وحدة المعالجة الرسومية؟
  • وظائف حسابية في وحدة المعالجة الرسومية
  • هندسة وحدة المعالجة الرسومية
  • أشكال وحدة المعالجة الرسومية
  • دفق المعالجة والمعالجة العامة لوحدات معالجة الرسومات
  • وحدة معالجة الرسومات الخارجية

في أجهزة حوسبة الاتصالات، تتوفر وحدة معالجة تعالج البيانات، وتُعرف هذه الوحدة بوحدة المعالجة المركزية، حيث تشمل المهام الرئيسية لهذه الوحدة تشفير البيانات وفك تشفيرها وتخزين البيانات ومعالجة البيانات وتجميعها وتنفيذ البيانات، كما يضبط تردد وحدة المعالجة المركزية سرعة المعالجة أو تشغيل الجهاز.

 

ما هي وحدة المعالجة الرسومية؟

 

وحدة المعالجة الرسومية “GPU”: هو جهاز إلكتروني متخصص يستخدم بشكل أساسي للحسابات القائمة على رسومات الكمبيوتر ومعالجة الصور في الاتصالات، وإمّا مضمنة في “SoC” جنباً إلى جنب مع المعالج الدقيق أو المعالج الرئيسي أو متوفرة كشرائح قائمة بذاتها مع وحدات ذاكرة مخصصة.

 

يتم استخدام وحدات المعالجة لإجراء العمليات الحسابية في جهاز الكمبيوتر، ومع ظهور مفاهيم التكنولوجيا، مثل الصور ثلاثية الأبعاد ودفق الفيديو عالي الدقة والرسومات، لتنفيذ هذه المفاهيم على جهاز ما، يجب إجراء عمليات رياضية كبيرة ومعقدة وبسرعة أكبر، وعلى الرغم من أنّ وحدة المعالجة المركزية لديها تردد عالٍ فإنّها لا تستطيع معالجة حسابات مثل هذا الحجم الكبير بشكل فعال.

 

لذلك تم إدخال وحدة معالجة مخصصة لتنفيذ عمليات حسابية أكبر بتردد عالٍ وعند العمل على كمية كبيرة من البيانات، فإنّه يتطلب مساحة تخزين أكبر للذاكرة، ومع الزيادة في تقنيات معالجة الصور تتمتع بصور عالية الوضوح ورسومات واضحة، والعملية الحسابية المطلوبة لهذه التقنيات ضخمة للغاية وتتطلب وحدة معالجة أسرع، وللتغلب على هذا ظهرت وحدة المعالجة الرسومية “GPU” في دائرة الضوء.

 

  • “GPU” هي اختصار لـ “Graphics processing unit”.

 

وظائف حسابية في وحدة المعالجة الرسومية:

 

بالنسبة للحسابات المتعلقة برسومات الكمبيوتر ثلاثية الأبعاد بالاتصالات، تستخدم وحدة معالجة الرسومات الترانزستورات الموجودة في تصميمها، حيث تتضمن العمليات الحسابية حول الرسومات ثلاثية الأبعاد عمليات هندسية، مثل دوران الرؤوس وترجمتها إلى أنظمة إحداثيات مختلفة ورسم خرائط للنسيج وعرض مضلعات.

 

كما كانت هناك زيادة هائلة في استخدام وحدة معالجة الرسومات مع زيادة تقنيات التعلم العميق والتعلم الآلي، ولتدريب نموذج التعلم العميق يجب إجراء عدد أكبر من الحسابات المعقدة، وجعل استخدام “GPU” مهمة تدريب نماذج التعلم الآلي أسهل، كما تم العثور على وحدات المعالجة الرسومية لتكون أقوى بـ “250 مرة” من وحدة المعالجة المركزية.

 

وفي فك تشفير الفيديو المسرع عبر “GPU”، تقوم وحدة معالجة الرسومات بأجزاء من عملية فك تشفير الفيديو والمعالجة اللاحقة للفيديو، وواجهة برمجة التطبيقات المستخدمة بشكل شائع لهذا الغرض هي “DxVA” و”VDPAU”، وكذلك “VAAPI” و”XvMC” و”XvBA”، حيث أنّ “DxVA” مخصص لنظام التشغيل المستند إلى “windows” والباقي مخصص لأنظمة التشغيل القائمة على “Linux” و”Unix”.

 

عمليات فك تشفير في وحدة معالجة الرسومات:

 

  • حركة التعويض.

 

  • تحويل جيب التمام المنفصل العكسي.

 

  • عكس تحويل جيب التمام المنفصل المعدل.

 

  • مرشح فتح القفل في الحلقة.

 

  • توقع داخل الإطار.

 

 

  • طول التشفير المتغير.

 

 

  • الكشف التلقائي عن مصدر التداخل.

 

 

  • تحديد موضع البكسل المثالي.

 

هندسة وحدة المعالجة الرسومية:

 

على عكس وحدة المعالجة المركزية التي تتضمن على اثنين إلى ثمانية نوى لوحدة المعالجة المركزية فإنّ وحدة معالجة الرسومات تتكون من مئات النوى الأصغر، وتعمل كل هذه النوى معاً في معالجة متوازية، ومن أجل الاستخدام الفعال لوظائف هندسة الحوسبة المتوازية لوحدة معالجة الرسومات، صمم مطورو التطبيقات نموذج برمجة متوازي يسمى “CUDA”.

 

تختلف بنية وحدة معالجة الرسومات بناءً على طرازها، كما تتكون البنية العامة لوحدة معالجة الرسومات من مجموعات معالجة متعددة، وتحتوي هذه المجموعات على العديد من المعالجات المتدفقة، كما يحتوي كل من المعالجات المتعددة المتدفقة على طبقة من ذاكرة “Cache” لتعليمات الطبقة 1 جنباً إلى جنب مع النوى المرتبطة بها.

 

أشكال وحدة المعالجة الرسومية:

 

أولاً: بطاقة رسومات مخصصة:

 

تُعرف الأنظمة المزودة بوحدة معالجة رسومات مخصصة باسم أنظمة “DIS”، ويشير إلى أنّ شرائح “GPU” هذه بها ذاكرة وصول عشوائي مخصصة مستخدمة حصرياً بواسطة البطاقة، وعادةً ما يتم توصيلها باللوحة الأم باستخدام فتحات التوسعة مثل “PCI Express” أو “Accelerated Graphics Port”، كما يتم استبدال هذه الرقائق أو ترقيتها بسهولة، ونظراً لقيود الحجم والوزن يتم توصيل وحدة معالجة الرسومات المحددة لأجهزة الكمبيوتر المحمولة عن طريق فتحة غير نموذجية.

 

  • “DIS” هي اختصار لـ “Distributed Interactive Simulation”.

 

ثانياً: وحدة معالجة الرسومات المتكاملة:

 

لا يحتوي هذا النوع من “GPU” على وحدة ذاكرة وصول عشوائي مخصصة، وبدلاً من ذلك يستخدم جزءاً من ذاكرة الكمبيوتر لتشغيله، ويمكن ربط وحدة معالجة الرسومات هذه في اللوحة الأم إمّا كجزء من مجموعة شرائحها أو بناء على نفس القالب باستخدام وحدة المعالجة المركزية، كما تتمتع هذه بسعة أقل من بطاقة الرسومات المخصصة، ولكنّها أقل تكلفة في التنفيذ، كما تُعد “Intel HD Graphics” ووحدة المعالجة المعجلة “AMD” أمثلة على وحدة معالجة الرسومات هذه.

 

  • “AMD” هي اختصار لـ “Advanced Micro Devices”.

 

ثالثاً: معالجة الرسومات الهجينة:

 

تكمن وظيفة وحدة معالجة الرسومات هذه بين بطاقة الرسومات المخصصة وبطاقة الرسومات المدمجة ويستخدم هذا جزءاً من ذاكرة النظام، ويحتوي أيضاً على ذاكرة تخزين مؤقت صغيرة مخصصة، وتعوض ذاكرة التخزين المؤقت المخصصة هذه الكمون العالي لذاكرة الوصول العشوائي، وذاكرة “ATI” الفائقة و”TurboCache” هي وحدات معالجة الرسومات الهجينة شائعة الاستخدام.

 

  • “ATI” هي اختصار لـ “Accelerated Technology Incorporated”.

 

دفق المعالجة والمعالجة العامة لوحدات معالجة الرسومات:

 

يطلق عليها شعبيا باسم “GPGPU”، كما تُستخدم وحدة معالجة الرسومات للأغراض العامة بشكل شائع كمعالج التدفق المعدل لأداء نوى الكمبيوتر، وباستخدام هذا المفهوم يتم استخدام القوة الحاسوبية الهائلة لتظليل شكل الرسومات الحديث كقوة حوسبة لأغراض للاتصالات، وبالنسبة لعمليات المتجهات الضخمة توفر هذه الطريقة أداءً أعلى من أداء وحدة المعالجة المركزية البسيطة.

 

  • “GPGPU” هي اختصار لـ “General-Purpose Graphics Processing Unit”.

 

وحدة معالجة الرسومات الخارجية:

 

توجد وحدة معالجة الرسوم هذه في الجزء الخارجي من وحدة الكمبيوتر، وهذه متصلة خارجياً بأجهزة الكمبيوتر المحمولة، وأحياناً ما تتضمن أجهزة الكمبيوتر المحمولة على كمية جيدة من ذاكرة الوصول العشوائي ووحدة معالجة مركزية قوية بدرجة كافية، وبدلاً من معالج رسومات قوي يتم تضمين أجهزة الكمبيوتر المحمولة مع شريحة رسومات مدمجة أقل قوة، ولكنّها أكثر فعالية في استعمال الطاقة.

 

مع تزايد الطلب على الرسومات العالية ودقة الصورة الجيدة، يتزايد أيضاً الطلب على وحدات معالجة الرسومات الأكثر قوة، ومع توفر وحدة معالجة الرسومات القوية يمكن تحقيق الكثير في مجال تقنيات المعالجة العالية، كما قامت وحدة معالجة الرسوميات “GPU” بتسريع طفرة هائلة في صناعة الاتصالات وتم إطلاق العديد من التطبيقات عالية الجرافيك التي تستفيد بشكل كامل من قوة وحدة معالجة الرسومات.

المصدر
Introduction to Analog and Digital Communications/ Simon HaykinData Communication and Computer NetworkWIRELESS COMMUNICATIONS/ Andreas F. MolischTheory and Problems of Signals and Systems/ Hwei P. Hsu, Ph.D./ JOHN M. SENIOR Optical Fiber Communications Principles and Practice Third Edition

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى