ما الفرق بين وحدات معالجة الرسومات (GPUs) ووحدات المعالجة المركزية (CPUs)؟
وحدة المعالجة المركزية (CPU) هي أحد مكونات الأجهزة التي تمثل الوحدة الحاسوبية الأساسية في الخادم. وهي تعالج جميع أنواع مهام الحوسبة المطلوبة لتشغيل نظام التشغيل والتطبيقات. تعدّ وحدة معالجة الرسومات (GPU) أحد مكونات الأجهزة المشابهة ولكنها أكثر تخصصًا. فيمكنها التعامل بكفاءة أكبر مع العمليات الحسابية المعقدة التي تعمل بالتوازي مقارنةً بوحدة المعالجة المركزية العامة. مع أنّ الغرض الأساسي من إنشاء وحدات معالجة الرسومات كان في البداية تنفيذ مهام عرض الرسومات في الألعاب والرسوم المتحركة، فإن استخداماتها الآن تتجاوز ذلك بكثير.
أوجه التشابه بين وحدات معالجة الرسومات ووحدات المعالجة المركزية
تعد كل من وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات (GPU) وحدات أجهزة تجعل الكمبيوتر يعمل. يمكن اعتبارها كدماغ جهاز كمبيوتر. يحتوي كلاهما على مكونات داخلية متشابهة، بما في ذلك الأنوية والذاكرة ووحدات التحكم.
النواة
تحتوي كل من بنية وحدة معالجة الرسومات ووحدة المعالجة المركزية على أنوية تشغّل جميع العمليات الحسابية والوظائف المنطقية. تسحب النواة التعليمات من الذاكرة في شكل إشارات رقمية تُسمى وحدات البت. وتفك تشفير التعليمات وتشغّلها من خلال البوابات المنطقية في إطار زمني يُسمى دورة التعليمات. كانت وحدات المعالجة المركزية في البداية تحتوي على نواة واحدة، ولكن أصبحت اليوم وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات المتعددة الأنوية شائعة.
الذاكرة
تُكمل كل من وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات ملايين العمليات الحسابية كل ثانية وتستخدم الذاكرة الداخلية لتحسين أداء المعالجة. ذاكرة التخزين المؤقت هي الذاكرة المدمجة التي تسهل الوصول السريع للبيانات. في وحدات المعالجة المركزية، تشير التصنيفات L1 أوL2 أوL3 إلى ترتيب ذاكرة التخزين المؤقت. التصنيف L1 هو الأسرع، بينما التصنيف L3 هو الأبطأ. تتحكم وحدة إدارة الذاكرة (MMU) في حركة البيانات بين نواة وحدة المعالجة المركزية وذاكرة التخزين المؤقت وذاكرة الوصول العشوائي في كل دورة تعليمات.
وحدة التحكم
تزامن وحدة التحكم مهام المعالجة وتحدد مدى تكرار النبضات الكهربائية التي تولدها وحدة المعالجة. توفر وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات ذات التردد العالي أداءً أفضل. ومع ذلك، يختلف تصميم هذه المكونات وتكوينها في وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات، لذا فإن الاثنين مفيدان في حالات مختلفة.
الاختلافات الرئيسية بين وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات
أدى ظهور رسومات الكمبيوتر والرسوم المتحركة إلى أعباء العمل الأولى التي تتطلب الكثير من الحوسبة والتي ببساطة لم يتم تصميم وحدات المعالجة المركزية للتعامل معها. على سبيل المثال، تتطلب الرسوم المتحركة لألعاب الفيديو تطبيقات لمعالجة البيانات بهدف عرض آلاف وحدات البكسل، يختلف في كل منها اللون وكثافة الضوء والحركة. وأدت الحسابات الرياضية الهندسية على وحدات المعالجة المركزية في ذلك الوقت إلى مشاكل في الأداء.
بدأت الشركات المصنعة للأجهزة تدرك أن تخفيف العب عن المهام الشائعة المصممة للوسائط المتعددة يمكن أن يخفف العبء عن وحدة المعالجة المركزية ويحسّن أداءها. أما اليوم، فأصبحت أعباء عمل وحدة معالجة الرسومات (GPU) قادرة على التعامل مع العديد من التطبيقات التي تتطلب قدرة حوسبة مكثفة، مثل تعلّم الآلة والذكاء الاصطناعي، بكفاءة أكبر من وحدات المعالجة المركزية.
الوظيفة
يكمن الاختلاف الرئيسي بين وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات في وظائفها. لا يمكن تشغيل الخادم بدون وحدة المعالجة المركزية. تعالج وحدة المعالجة المركزية جميع المهام المطلوبة لتشغيل جميع البرامج على الخادم بشكل صحيح. من ناحية أخرى، تدعم وحدة معالجة الرسومات وحدة المعالجة المركزية لإجراء عمليات حسابية متزامنة. يمكن لوحدة معالجة الرسومات (GPU) إكمال المهام البسيطة والمتكررة بسرعة أكبر لأنها قادرة على تقسيم المهمة إلى مكونات أصغر وإنهائها بالتوازي.
التصميم
تتفوق وحدات معالجة الرسومات في المعالجة المتوازية من خلال العديد من الأنوية أو وحدات المنطق الحسابي (ALU). تعد أنوية GPU أقل قوة وقدرة من أنوية وحدة المعالجة المركزية ولديها ذاكرة أقل منها. بينما يمكن لوحدات المعالجة المركزية التبديل بين مجموعات التعليمات المختلفة بسرعة، فإن وحدة معالجة الرسومات تأخذ ببساطة حجمًا كبيرًا من نفس التعليمات وتدفعها بسرعة عالية. ونتيجة لذلك، تلعب وظائف GPU دورًا مهمًا في الحوسبة المتوازية.
مثال على الاختلافات
لفهم الاختلافات بشكل أفضل، يمكنك الاطلاع على المقارنة التالية. تشبه وحدة المعالجة المركزية رئيس الطهاة في مطعم كبير الذي عليه التأكد من قلب مئات البرغر. حتى لو كان رئيس الطهاة قادرًا على القيام بهذه المهمة شخصيًا، فهذه ليس أفضل طريقة للاستفادة من الوقت. قد تتوقف جميع عمليات المطبخ أو تتباطأ بينما يكمل رئيس الطهاة هذه المهمة البسيطة ولكن التي تستغرق وقتًا طويلاً. لتجنب ذلك، يمكن لرئيس الطهاة الاستعانة بمساعدين صغار يقلبون العديد من البرغر بالتوازي. تشبه وحدة معالجة الرسومات (GPU) مساعدًا مبتدئًا بعشرة أيادي يمكنه قلب 100 برغر في 10 ثوانٍ.
حالات استخدام وحدات معالجة الرسومات بدلاً من وحدات المعالجة المركزية
من المهم ملاحظة أن ليس عليك الاختيار بين وحدات المعالجة المركزية (CPU) ووحدات معالجة الرسومات (GPU). يتطلب كل خادم أو مثيل خادم في السحابة وحدة معالجة مركزية لتشغيله. ومع ذلك، تتضمن بعض الخوادم أيضًا وحدات معالجة الرسومات كمعالجات إضافية. تعد أعباء العمل المحددة أكثر ملاءمةً للتشغيل على الخوادم المزودة بوحدات معالجة الرسومات التي تؤدي وظائف معينة بكفاءة أكبر. على سبيل المثال، يمكن أن تعمل وحدات معالجة الرسومات بشكل جيد جدًا عند إجراء حسابات أرقام النقاط العائمة، أو معالجة الرسومات، أو مطابقة أنماط البيانات.
فيما يلي بعض التطبيقات التي قد يكون من المفيد فيها استخدام وحدات معالجة الرسومات بدلاً من وحدات المعالجة المركزية.
التعليم العميق
التعليم العميق هو وسيلة في الذكاء الاصطناعي (AI) تُعلِّم أجهزة الكمبيوتر معالجة البيانات بطريقة مستوحاة من الدماغ البشري. تتعرف مثلاً نماذج التعلم العميق على الخوارزميات المعقدة في الصور والنصوص والأصوات والبيانات الأخرى لتقديم رؤى وتنبؤات دقيقة. توفر الخوادم المستندة إلى GPU أداءً عاليًا لتعلّم الآلة والشبكات العصبونية ومهام التعلم العميق.
اقرأ عن التعليم العميق »
اقرأ عن تعلّم الآلة »
اقرأ عن الشبكات العصبونية »
الحوسبة عالية الأداء
يشير مصطلح الحوسبة عالية الأداء إلى المهام التي تتطلب قدرة حوسبة عالية جدًا. إليك بعض الأمثلة:
تحتاج إلى تشغيل عمليات المحاكاة الجيولوجية والمعالجة الزلزالية بسرعة وعلى نطاق واسع
تحتاج إلى عرض عمليات محاكاة مالية لتحديد مخاطر محفظة المنتجات وفرص التحوط والمزيد
تحتاج إلى تطوير تطبيقات علم البيانات التنبؤية أو في الوقت الفعلي أو بأثر رجعي في مجال الطب وعلم الجينوم واكتشاف الأدوية
يكون نظام الكمبيوتر المستند إلى GPU مناسبًا أكثر لإجراء مهام الحوسبة عالية الأداء مثل تلك المذكورة.
اقرأ عن الحوسبة عالية الأداء »
وحدة المعالجة المركزية (CPU) هي أحد مكونات الأجهزة التي تمثل الوحدة الحاسوبية الأساسية في الخادم. وهي تعالج جميع أنواع مهام الحوسبة المطلوبة لتشغيل نظام التشغيل والتطبيقات. تعدّ وحدة معالجة الرسومات (GPU) أحد مكونات الأجهزة المشابهة ولكنها أكثر تخصصًا. فيمكنها التعامل بكفاءة أكبر مع العمليات الحسابية المعقدة التي تعمل بالتوازي مقارنةً بوحدة المعالجة المركزية العامة. مع أنّ الغرض الأساسي من إنشاء وحدات معالجة الرسومات كان في البداية تنفيذ مهام عرض الرسومات في الألعاب والرسوم المتحركة، فإن استخداماتها الآن تتجاوز ذلك بكثير.
أوجه التشابه بين وحدات معالجة الرسومات ووحدات المعالجة المركزية
تعد كل من وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات (GPU) وحدات أجهزة تجعل الكمبيوتر يعمل. يمكن اعتبارها كدماغ جهاز كمبيوتر. يحتوي كلاهما على مكونات داخلية متشابهة، بما في ذلك الأنوية والذاكرة ووحدات التحكم.
النواة
تحتوي كل من بنية وحدة معالجة الرسومات ووحدة المعالجة المركزية على أنوية تشغّل جميع العمليات الحسابية والوظائف المنطقية. تسحب النواة التعليمات من الذاكرة في شكل إشارات رقمية تُسمى وحدات البت. وتفك تشفير التعليمات وتشغّلها من خلال البوابات المنطقية في إطار زمني يُسمى دورة التعليمات. كانت وحدات المعالجة المركزية في البداية تحتوي على نواة واحدة، ولكن أصبحت اليوم وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات المتعددة الأنوية شائعة.
الذاكرة
تُكمل كل من وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات ملايين العمليات الحسابية كل ثانية وتستخدم الذاكرة الداخلية لتحسين أداء المعالجة. ذاكرة التخزين المؤقت هي الذاكرة المدمجة التي تسهل الوصول السريع للبيانات. في وحدات المعالجة المركزية، تشير التصنيفات L1 أوL2 أوL3 إلى ترتيب ذاكرة التخزين المؤقت. التصنيف L1 هو الأسرع، بينما التصنيف L3 هو الأبطأ. تتحكم وحدة إدارة الذاكرة (MMU) في حركة البيانات بين نواة وحدة المعالجة المركزية وذاكرة التخزين المؤقت وذاكرة الوصول العشوائي في كل دورة تعليمات.
وحدة التحكم
تزامن وحدة التحكم مهام المعالجة وتحدد مدى تكرار النبضات الكهربائية التي تولدها وحدة المعالجة. توفر وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات ذات التردد العالي أداءً أفضل. ومع ذلك، يختلف تصميم هذه المكونات وتكوينها في وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات، لذا فإن الاثنين مفيدان في حالات مختلفة.
الاختلافات الرئيسية بين وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات
أدى ظهور رسومات الكمبيوتر والرسوم المتحركة إلى أعباء العمل الأولى التي تتطلب الكثير من الحوسبة والتي ببساطة لم يتم تصميم وحدات المعالجة المركزية للتعامل معها. على سبيل المثال، تتطلب الرسوم المتحركة لألعاب الفيديو تطبيقات لمعالجة البيانات بهدف عرض آلاف وحدات البكسل، يختلف في كل منها اللون وكثافة الضوء والحركة. وأدت الحسابات الرياضية الهندسية على وحدات المعالجة المركزية في ذلك الوقت إلى مشاكل في الأداء.
بدأت الشركات المصنعة للأجهزة تدرك أن تخفيف العب عن المهام الشائعة المصممة للوسائط المتعددة يمكن أن يخفف العبء عن وحدة المعالجة المركزية ويحسّن أداءها. أما اليوم، فأصبحت أعباء عمل وحدة معالجة الرسومات (GPU) قادرة على التعامل مع العديد من التطبيقات التي تتطلب قدرة حوسبة مكثفة، مثل تعلّم الآلة والذكاء الاصطناعي، بكفاءة أكبر من وحدات المعالجة المركزية.
الوظيفة
يكمن الاختلاف الرئيسي بين وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات في وظائفها. لا يمكن تشغيل الخادم بدون وحدة المعالجة المركزية. تعالج وحدة المعالجة المركزية جميع المهام المطلوبة لتشغيل جميع البرامج على الخادم بشكل صحيح. من ناحية أخرى، تدعم وحدة معالجة الرسومات وحدة المعالجة المركزية لإجراء عمليات حسابية متزامنة. يمكن لوحدة معالجة الرسومات (GPU) إكمال المهام البسيطة والمتكررة بسرعة أكبر لأنها قادرة على تقسيم المهمة إلى مكونات أصغر وإنهائها بالتوازي.
التصميم
تتفوق وحدات معالجة الرسومات في المعالجة المتوازية من خلال العديد من الأنوية أو وحدات المنطق الحسابي (ALU). تعد أنوية GPU أقل قوة وقدرة من أنوية وحدة المعالجة المركزية ولديها ذاكرة أقل منها. بينما يمكن لوحدات المعالجة المركزية التبديل بين مجموعات التعليمات المختلفة بسرعة، فإن وحدة معالجة الرسومات تأخذ ببساطة حجمًا كبيرًا من نفس التعليمات وتدفعها بسرعة عالية. ونتيجة لذلك، تلعب وظائف GPU دورًا مهمًا في الحوسبة المتوازية.
مثال على الاختلافات
لفهم الاختلافات بشكل أفضل، يمكنك الاطلاع على المقارنة التالية. تشبه وحدة المعالجة المركزية رئيس الطهاة في مطعم كبير الذي عليه التأكد من قلب مئات البرغر. حتى لو كان رئيس الطهاة قادرًا على القيام بهذه المهمة شخصيًا، فهذه ليس أفضل طريقة للاستفادة من الوقت. قد تتوقف جميع عمليات المطبخ أو تتباطأ بينما يكمل رئيس الطهاة هذه المهمة البسيطة ولكن التي تستغرق وقتًا طويلاً. لتجنب ذلك، يمكن لرئيس الطهاة الاستعانة بمساعدين صغار يقلبون العديد من البرغر بالتوازي. تشبه وحدة معالجة الرسومات (GPU) مساعدًا مبتدئًا بعشرة أيادي يمكنه قلب 100 برغر في 10 ثوانٍ.
حالات استخدام وحدات معالجة الرسومات بدلاً من وحدات المعالجة المركزية
من المهم ملاحظة أن ليس عليك الاختيار بين وحدات المعالجة المركزية (CPU) ووحدات معالجة الرسومات (GPU). يتطلب كل خادم أو مثيل خادم في السحابة وحدة معالجة مركزية لتشغيله. ومع ذلك، تتضمن بعض الخوادم أيضًا وحدات معالجة الرسومات كمعالجات إضافية. تعد أعباء العمل المحددة أكثر ملاءمةً للتشغيل على الخوادم المزودة بوحدات معالجة الرسومات التي تؤدي وظائف معينة بكفاءة أكبر. على سبيل المثال، يمكن أن تعمل وحدات معالجة الرسومات بشكل جيد جدًا عند إجراء حسابات أرقام النقاط العائمة، أو معالجة الرسومات، أو مطابقة أنماط البيانات.
فيما يلي بعض التطبيقات التي قد يكون من المفيد فيها استخدام وحدات معالجة الرسومات بدلاً من وحدات المعالجة المركزية.
التعليم العميق
التعليم العميق هو وسيلة في الذكاء الاصطناعي (AI) تُعلِّم أجهزة الكمبيوتر معالجة البيانات بطريقة مستوحاة من الدماغ البشري. تتعرف مثلاً نماذج التعلم العميق على الخوارزميات المعقدة في الصور والنصوص والأصوات والبيانات الأخرى لتقديم رؤى وتنبؤات دقيقة. توفر الخوادم المستندة إلى GPU أداءً عاليًا لتعلّم الآلة والشبكات العصبونية ومهام التعلم العميق.
اقرأ عن التعليم العميق »
اقرأ عن تعلّم الآلة »
اقرأ عن الشبكات العصبونية »
الحوسبة عالية الأداء
يشير مصطلح الحوسبة عالية الأداء إلى المهام التي تتطلب قدرة حوسبة عالية جدًا. إليك بعض الأمثلة:
تحتاج إلى تشغيل عمليات المحاكاة الجيولوجية والمعالجة الزلزالية بسرعة وعلى نطاق واسع
تحتاج إلى عرض عمليات محاكاة مالية لتحديد مخاطر محفظة المنتجات وفرص التحوط والمزيد
تحتاج إلى تطوير تطبيقات علم البيانات التنبؤية أو في الوقت الفعلي أو بأثر رجعي في مجال الطب وعلم الجينوم واكتشاف الأدوية
يكون نظام الكمبيوتر المستند إلى GPU مناسبًا أكثر لإجراء مهام الحوسبة عالية الأداء مثل تلك المذكورة.
اقرأ عن الحوسبة عالية الأداء »