تفاوت CPU و GPU ؛ مقایسه عملکرد سی پی یو و جی پی یو

برای پی بردن به تفاوت CPU و GPU ابتدا لازم است که تعریف هر یک از این اصطلاحات تخصصی به طور جداگانه بررسی شوند. سپس می‌توان تفاوت سی پی یو و جی پی یو را بیان کرد. به همین منظور، تعاریف این دو اجزاء داخلی کامپیوتر به طور کامل شرح داده می‌شوند.

سی پی یو (CPU) یا پردازنده و جی پی یو (GPU) یا کارت گرافیک، دو بخش داخلی از سیستم کامپیوتر بشمار می‌روند و تفاوت‌هایی میان آن‌ها وجود دارد. اما شباهت‌هایی هم با یکدیگر دارند. به عنوان مثال، هر دو دارای میلیاردها ترانزیستور هستند و می‌توانند هزاران عملیات را در هر ثانیه انجام دهند. با این حال، هر دو نقش‌های کاملاً متفاوتی در کامپیوتر دارند. به این ترتیب، در این مقاله از پلازا فرق بین CPU با GPU مورد بررسی قرار گرفته و بیان می‌شود.

آنچه در ادامه می‌خوانید:

سی پی یو چیست؟

اما CPU چیست؟ واحد پردازنده مرکزی یا سی پی یو (CPU)، ریز پردازنده‌ای است که اجرای اولیه بیشتر برنامه‌های (مجموعه‌ای از دستورالعمل‌ها) فرمان داده شده توسط نرم‌افزار کامپیوتر و سایر دستگاه‌های جانبی را انجام می‌دهد. بیشتر این دستورالعمل‌ها به عملیات‌هایی نظیر محاسبات، الگوریتم‌ها، منطق، کنترل و مدیریت دستورات ورودی و خروجی مرتبط هستند.

از آنجا که سی پی یو مسئولیت اجرای تمام عملکردهای اولیه یک کامپیوتر را بر عهده دارد، اغلب به عنوان مغز ماشین شناخته می‌شود. سی پی یو ها می‌توانند انواع محاسبات و عملیات محاسباتی را انجام دهند. توسعه‌دهندگان نرم‌افزار و برنامه‌نویسان برای نوشتن، پردازش و اجرای عملکرد برنامه نویسی شده در نرم افزار به سی پی یو وابسته هستند.

اگر برنامه‌ها به قدرت پردازش خیلی بالایی نیاز نداشته باشند، از کاربردهای CPU این است که اکثر دستورات و دستورالعمل‌ها را اجرا کند. به طور کلی سرعت استاندارد سی پی یو بین 1 تا 4 گیگاهرتز است. بیشتر سی پی یوها بیش از یک هسته پردازش دارند و هر هسته به صورت یک واحد پردازش جداگانه عمل می‌کند. اما با وجود قابلیت چند رشته‌ای ممکن است هر واحد نیز به چند واحد پردازش کوچک‌تر تقسیم شود.

جی پی یو چیست؟

با توجه به تعریفی که از سی پی یو داده شد، ممکن است با خود بگویید که خوب حالا تعریف GPU چیست؟ واحد پردازنده گرافیکی یا جی پی یو (GPU) یک ریز پردازنده منحصر به فرد است که پردازش‌های بسیار پیچیده را اجرا می‌کند. از نامش کاملاً پیدا است که برای پردازش گرافیک با رزولوشن بالا بکار می‌رود، اما برنامه‌نویسان نیز از آن برای پردازش سایر اموری که به محاسبات داده‌های گسترده نیاز دارند، استفاده می‌کنند.

در بیان فرق بین CPU با GPU می‌توان گفت که جی پی یو می‌تواند انواع کارها را از رندر کردن ویدیوهای با کیفیت بالا تا اجرای عملیات ریاضیاتی پیچیده انجام دهد. جی پی یوها معمولاً همان سرعت کلاک (Clock) هسته‌های سی پی یوها را ندارند. در نتیجه، هر هسته در جی پی یو کُندتر از یک هسته در سی پی یو است. با این حال، با افزایش تعداد هسته‌های یک واحد پردازنده، جی پی یوها می‌توانند اموری را که به محاسبات سنگین نیاز دارند، اجرا کنند.

رندر گرافیکی توسط جی پی یو

در پاسخ به این پرسش که پردازنده گرافیکی چیست؟ می‌توان گفت که یک جی پی یو می‌تواند حاوی هزاران هسته باشد. این هسته‌ها امور ریاضیاتی چند بعدی لازم برای رندر گرافیکی را مدیریت کرده و به نحوی کارآمد آن‌ها را اجرا می‌کنند. به عنوان مثال، یک جی پی یو مانند Nvidia GTX 1080 یا مدل RTX دارای 2560 هسته سایه‌زن است. واحد پردازنده با کمک این هسته‌ها می‌تواند 2560 عملیات را به طور همزمان در طول یک چرخه ساعت اجرا کند.

از سایر کاربردهای GPU، علاوه بر رندر کردن گرافیکی، می‌توان به اجرای الگوریتم‌های یادگیری پیچیده ماشین مانند Neural Nets اشاره کرد. این الگوریتم‌ها معمولاً کُند هستند، اما پردازنده‌های گرافیکی این امکان را به برنامه‌نویسان داده‌اند که با تقویت توانایی محاسبات ماشین‌ها، مدل‌های AI خودآموز را آموزش دهند. جی پی یوها می‌توانند در پردازش کارهای محاسباتی سنگین نظیر کرک کردن رمزها و استخراج ارزهای رمزنگاری شده بکار بروند.

تفاوت پردازنده مرکزی CPU و پردازنده گرافیکی GPU

تا اینجا عملکرد کارت گرافیک یا سی پی یو بیان شد. اکنون این سوال مطرح می‌شود که CPU و GPU چه تفاوت هایی با هم دارند؟ یا تفاوت CPU و GPU در چه چیزهایی‌ است؟ تمایز اصلی میان معماری سی پی یو و جی پی یو و یا به عبارت بهتر فرق بین CPU و GPU این است که سی پی یو اساساً برای اجرا و مدیریت سریع امور طراحی می‌شود (همانطور که در سرعت کلاک سی پی یو مشاهده شد). با این حال، در تعداد پردازش‌هایی که همزمان انجام می‌شوند، محدودیت دارد.

از طرف دیگر، فرق سی پی یو و جی پی یو این است که جی پی یو برای رندر کردن ویدیو و گرافیک با رزولوشن بالا و پردازش داده‌های زیاد ساخته می‌شود. جی پی یوها اغلب برای کارهای غیرگرافیکی نیز نظیر یادگیری ماشین و محاسبات علمی بکار می‌روند؛ زیرا می‌توانند عملیات موازی را در چندین مجموعه داده اجرا کنند. در مورد دیگر تفاوت CPU و GPU می‌توان گفت که از جی پی یو حتی برای استخراج ارز دیجیتال نیز استفاده می‌کنند؛ زیرا به عملکرد بالایی نیاز دارد.

یک فرق بین CPU با GPU این است که جی پی یوها با فراهم کردن امکان فعالیت هزاران هسته پردازنده به طور همزمان، از قابلیت موازی‌سازی برخوردار هستند. هر هسته به انجام چندین عملیات کارآمد اختصاص دارد. اما دیگر تفاوت CPU و GPU در چیست؟ به دلیل قابلیت موازی‌سازی، جی پی یوها می‌توانند اطلاعات بیشتری را سریع‌تر از سی پی یوها انجام دهند، اما به اندازه سی پی یوها سازگار و قابل تنظیم نیستند. به این ترتیب، کاملاً معلوم است که استفاده از GPU بجای CPU ممکن نیست؛ زیرا هر یک عملکرد جداگانه‌ای دارند.

از دیگر تفاوت سی پی یو و جی پی یو می‌توان به این موضوع اشاره کرد که سی پی یوها مجموعه دستورالعمل‌های جامع و گسترده‌ای دارند. به علاوه، سی پی یو، تمام ورودی و خروجی یک کامپیوتر را مدیریت می‌کند، درحالی‌که جی پی یو از چنین قابلیتی برخوردار نیست و این هم فرق بین CPU با GPU بشمار می‌رود. یک سرور قدرتمند می‌تواند جمعاً به 32 تا 64 هسته پردازنده مرکزی پر سرعت (دو سوکت برای هر سرور) مجهز باشد.

از طرف دیگر، از دیگر فرق سی پی یو با جی پی یو می‌توان این موضوع را بیان کرد که یک کارت گرافیک می‌تواند 700 تا 4000 هسته در هر جی پی یو داشته باشد. این نشان دهنده چندین عملیات موازی است که می‌توانند با یک GPU اجرا شوند.

به این ترتیب، دیگر تفاوت CPU و GPU در این است که هسته‌های سی پی یو می‌تواند سریع‌تر و هوشمندتر از هسته‌های جی پی یو (با توجه به سرعت کلاک CPU) عمل کند. سی پی یو فقط از چند هسته ولی با حافظه پنهان زیاد ساخته می‌شود؛ بنابراین، فقط چند رشته نرم‌افزار را به صورت همزمان می‌تواند مدیریت کند. از طرف دیگر با توجه به تفاوت سی پی یو و جی پی یو می‌توان گفت که GPU از چند صد هسته ساخته می‌شود. این چند صد رشته هم می‌توانند هزاران رشته را به طور همزمان مدیریت کنند. در ادامه مقایسه کلی سی پی یو با جی پی یو ارائه می‌شود.

نکات کلی سی پی یو در مقایسه با جی پی یو:

• سی پی یو مخفف «واحد پردازنده مرکزی» است.
• یک مجموعه دستورالعمل گسترده دارد، چند جانبه‌تر است و می‌تواند چند کار را اجرا کند.
• به عنوان یک پردازنده با هدف عمومی شناخته می‌شود.
• هر نوع کاری از جمله کارهای گرافیکی (نه به روشی کارآمد) را مدیریت می‌کند.
• ممکن است حاوی چند هسته قدرتمند برای تقسیم سنگینی کار باشد.
• سرعت پردازش بالایی دارد. با سرعت کلاک بالا حدود 3 تا 5 گیگاهرتز عمل می‌کند، هرچند تعداد کمی هسته پردازنده دارد.
• در مقایسه با جی پی یو، به مموری رم اضافه نیاز دارد.
• پردازنده مرکزی اساساً به ایجاد تأخیر کمتر کمک می‌کند (فاصله زمانی میان دستورالعمل‌ها و انتقال داده‌ها).
• سی پی یو برای اجرای دستورالعمل‌های متوالی طراحی می‌شود.
• بر محاسبه تمام داده‌های دریافتی تمرکز دارد.
• برای اجرای دستورالعمل‌ها، با اجزاء مختلف کامپیوتر از جمله رم، رام و پورت‌های I/O تعامل می‌کند.

نکات کلی جی پی یو در مقایسه با سی پی یو:

• جی پی یو مخفف «واحد پردازنده گرافیکی» است.
• مجموعه دستورالعمل محدودی دارد و اساساً قادر به انجام کارهای گرافیکی است.
• به عنوان یک پردازنده با هدف تخصصی شناخته می‌شود.
• هدف اصلی آن پردازش تصاویر و گرافیک سه بعدی با سرعت بیشتری از سی پی یو است.
• از صدها هسته ضعیف‌تر برای انجام فرآیند اجرای اولیه ساخته می‌شود.
• صدها تا هزاران هسته پردازنده دارد و با سرعت کمتری حدود 800 تا 1000 مگاهرتز عمل می‌کند.

• در مقایسه با سی پی یو به رم کمتری نیاز دارد. به همین دلیل، جی پی یوهای یکپارچه رم را با سی پی یو به اشتراک می‌گذارند.
• جی پی یو بر دستیابی به بالاترین توان عملیاتی تمرکز دارد (موازی‌سازی، مجموع اجرای دستورالعمل‌ها در یک بازه زمانی).
• جی پی یو برای اجرای دستورالعمل‌های موازی طراحی می‌شود.
• داده‌ها را از سی پی یو دریافت می‌کند و تصاویر بصری تولید می‌کند.
• برای نمایش پیکسل در مانیتور، فقط با مموری تعامل می‌کند و داده را به تصویر می‌کشد.

سوالات متداول در مورد تفاوت CPU و GPU

جمع بندی

به طور کلی، سی پی یو و جی پی یو دو واحد پردازنده جداگانه هستند. این دو واحد از اهمیت برابری در کامپیوتر برخوردار هستند. در این مقاله نیز سعی شد علاوه بر بیان تفاوت CPU و GPU، با شرح عملکرد هر دو بر اهمیت آن‌ها عملکرد درست سیستم تأکید شود. اما اگر سوال یا نظری در مورد تفاوت سی پی یو و جی پی یو دارید، می‌توانید در پایین صفحه در قسمت دیدگاه‌های پلازا بیان کنید.