ตัวประมวลผลร่วมคืออะไร?

ที่หัวใจของคอมพิวเตอร์ทุกเครื่อง คุณจะได้พบกับ ซีพียู. ดิ หน่วยประมวลผลกลาง เป็นฮาร์ดแวร์ที่สำคัญ มันรันระบบปฏิบัติการและโปรแกรมทั้งหมดบนคอมพิวเตอร์ของคุณ ซีพียูได้รับการออกแบบให้เป็นโปรเซสเซอร์เอนกประสงค์ โดยธรรมชาติแล้ว พวกเขาควรจะสามารถจัดการทุกอย่างได้

อย่างไรก็ตาม ซีพียูทำงานได้ไม่ดีนักกับเวิร์คโหลดบางประเภท เนื่องจากฮาร์ดแวร์เอนกประสงค์ไม่สามารถปรับให้เหมาะสมกับงานเฉพาะได้โดยไม่สูญเสียลักษณะการใช้งานทั่วไป หรือกลายเป็นเรื่องใหญ่โต ซับซ้อน และมีราคาแพงอย่างสิ้นหวัง นอกจากนี้ CPU ใด ๆ จะสามารถจัดการข้อมูลและประมวลผลได้มากเท่านั้นในคราวเดียว ตัวประมวลผลร่วมคือหน่วยประมวลผลที่สองที่ออกแบบมาอย่างชัดเจนเพื่อใช้หนึ่งหรือทั้งสองสถานการณ์เหล่านี้

ตัวประมวลผลร่วมเป็นเพียงหน่วยประมวลผลที่สองภายในคอมพิวเตอร์ ในบางสถานการณ์ สิ่งเหล่านี้อาจเป็น CPU แบบคู่บนเมนบอร์ดเดียวกันกับในบางเซิร์ฟเวอร์ ในสถานการณ์สมมติการประมวลผลประสิทธิภาพสูงและซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ตัวประมวลผลร่วมที่ใช้งานทั่วไปเหล่านี้สามารถพบได้บนการ์ดเพิ่มเติม PCIe ตัวประมวลผลร่วมมักจะเน้นที่งานเฉพาะมากกว่าตัวประมวลผลทั่วไป โปรเซสเซอร์เฉพาะงานเหล่านี้สามารถต่อเข้ากับเมนบอร์ดได้โดยตรงหรือรวมอยู่ในบอร์ดลูกที่แยกต่างหาก เช่น การ์ดเสริม PCIe

โปรเซสเซอร์ร่วมตัวแรก

ตัวประมวลผลร่วมตัวแรกค่อนข้างง่าย ได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับ I/O หรือ Input และ Output สำหรับคอมพิวเตอร์เมนเฟรม ปัญหาคือการประมวลผล I/O เป็นงานที่ใช้เวลานานมากสำหรับ CPU อย่างไรก็ตาม งานการประมวลผลจริงนั้นค่อนข้างง่าย ดังนั้นจึงมีราคาถูกพอที่จะทำโปรเซสเซอร์เพื่อจัดการกับมัน ในขณะที่ตัวประมวลผลร่วมใช้ I/O อย่างมีประสิทธิภาพ CPU ต้องออกพารามิเตอร์ I/O อย่างง่าย เพิ่มเวลาของตัวประมวลผล และเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ

พีซี IBM ดั้งเดิมรวมตัวประมวลผลร่วมเลขทศนิยมที่เป็นตัวเลือก ซีพียูในสมัยนั้นทำการคำนวณทางคณิตศาสตร์ประเภทนี้ในซอฟต์แวร์ซึ่งช้า แต่ใช้งานได้เพียงพอสำหรับกรณีที่หายากซึ่งจำเป็นสำหรับผู้ใช้ส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตาม Computer-Aided Design หรือระบบ CAD ใช้คณิตศาสตร์ประเภทนี้อย่างต่อเนื่อง ด้วยการแยกเลขทศนิยมบนตัวประมวลผลร่วม ไม่เพียงแต่ความเร็วจะเพิ่มขึ้นเมื่อจำเป็นเท่านั้น ขอบคุณ ไปจนถึงการเร่งความเร็วด้วยฮาร์ดแวร์ แต่ผู้ใช้ที่ไม่ต้องการก็สามารถประหยัดเงินได้โดยการซื้อระบบที่ไม่มี ตัวประมวลผลร่วม

ในที่สุด ตัวประมวลผลร่วมอย่างง่ายเหล่านี้มีฟังก์ชันที่รวมเข้ากับสถาปัตยกรรม CPU ส่วนหนึ่งเป็นผลตามธรรมชาติของการพัฒนา CPU อย่างต่อเนื่อง แต่ยังเกี่ยวข้องกับความยากลำบากในการซิงโครไนซ์อย่างง่ายต่อไปเมื่อความเร็วสัญญาณนาฬิกาของ CPU เพิ่มขึ้น ในขณะที่ซีพียูและโปรเซสเซอร์ร่วมเหล่านี้ทำงานได้ดีพอที่ 75MHz จะมีปัญหาการหน่วงเวลาอย่างมาก การใช้พลังงาน และปัญหาการรบกวนความถี่วิทยุที่ความถี่ GHz ในปัจจุบัน ปัญหาเหล่านี้ทำให้ระบบส่งสัญญาณที่ซับซ้อนมากขึ้นระหว่างซีพียูและตัวประมวลผลร่วมที่ทันสมัย

GPU

GPU หรือหน่วยประมวลผลกราฟิกน่าจะเป็นรูปแบบที่รู้จักกันดีที่สุดของตัวประมวลผลร่วม พวกเขาได้รับการออกแบบมาเพื่อให้เหมาะสมสำหรับปริมาณงานการเรนเดอร์กราฟิกที่ขนานกันสูง ซีพียูสามารถทำงานนี้ในซอฟต์แวร์หรือชิปกราฟิกในตัว เพื่อนำเสนอ GPU รุ่นใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูง พวกเขาจำเป็นต้องรวม GPU ดายทั้งหมดเข้ากับดายซีพียู

สิ่งนี้จะเพิ่มต้นทุนและความซับซ้อนของ CPU อย่างมาก และเพิ่มการผลิตความร้อนอย่างมากเช่นกัน ชิปกราฟิกในตัวใช้พื้นที่ CPU ตายพอสมควร สามารถลดความเร็วโดยรวมของ CPU เนื่องจากความร้อนที่ส่งออก

การ์ดเสียง

ในอดีต CPU สามารถประมวลผลสัญญาณเสียงได้ แต่ก็ไม่ได้ยอดเยี่ยม สิ่งประดิษฐ์เสียงและสถิตย์ที่เกิดขึ้นทำให้เกิดการสร้างการ์ดเสียง สิ่งเหล่านี้จะให้พอร์ตอินพุตและเอาต์พุตเสียงและดำเนินการประมวลผลเสียงจริงบนการ์ดเสียงเอง สิ่งนี้เพิ่มการแยกสัญญาณและคุณภาพของเอาต์พุตเสียงอย่างมีนัยสำคัญ แม้ว่าการ์ดเสียงบางรุ่นจะยังอยู่ แต่ไม่จำเป็นเลยในคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ เนื่องจากการประมวลผลเสียงในตัวโดยตรงบนเมนบอร์ด ซีพียูนั้นดีกว่าในยุครุ่งเรืองของการ์ดเสียง

NPU

ตัวประมวลผลร่วมประเภทที่ค่อนข้างใหม่คือ NPU หรือหน่วยประมวลผลประสาท สิ่งเหล่านี้ออกแบบมาเพื่อดำเนินการหรือเร่งความเร็วปริมาณงาน AI NPU ในระดับสูงค่อนข้างคล้ายกับ GPU เพียงแต่มีการเพิ่มประสิทธิภาพเฉพาะสำหรับปริมาณงาน AI เนื่องจากประสิทธิภาพของเวิร์กโหลด AI กลายเป็นสิ่งที่ผู้ใช้ทั่วไปใช้บนสมาร์ทโฟนและคอมพิวเตอร์ สิ่งเหล่านี้จึงมีแนวโน้มที่จะกลายเป็นเรื่องธรรมดามากขึ้น

ตัวประมวลผลร่วมแบบบูรณาการ

ซีพียูสมัยใหม่รวมเอาตัวประมวลผลร่วมหลายรูปแบบเข้าไว้ในไดย์หรือสถาปัตยกรรมของ CPU โดยรวมโดยตรง ซึ่งสามารถมองเห็นได้ง่ายด้วยชิปกราฟิกในตัวที่ฝังอยู่ในซิลิกอนเดียวกันกับส่วนที่เหลือของ CPU อย่างไรก็ตาม การประมวลผลจริงไม่ได้ดำเนินการโดยแกนประมวลผลของ CPU ในซีพียู Ryzen ของ AMD ยังมี I/O die แยกต่างหากที่จัดการการสื่อสารระหว่างชิปเล็ตและส่วนที่เหลือของคอมพิวเตอร์ อุปกรณ์พกพาที่ทันสมัยบางรุ่นยังมาพร้อมกับ NPU สำหรับการประมวลผล AI

บทสรุป

ตัวประมวลผลร่วมคือตัวประมวลผลรอง ระดับอุดมศึกษา ควอเทอร์นารี ฯลฯ ในอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ที่ CPU เป็นตัวประมวลผลหลัก ไม่มีการจำกัดจำนวนของตัวประมวลผลร่วมในระบบ อย่างไรก็ตาม การสนับสนุนซอฟต์แวร์/ฮาร์ดแวร์ การกระจายความร้อน พื้นที่ทางกายภาพ และค่าใช้จ่ายทั้งหมดจะมีบทบาท

ตัวประมวลผลร่วมจัดการงานสำหรับ CPU ที่เพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมทั้งในงานเฉพาะโดยดำเนินการในการปรับให้เหมาะสม แฟชั่นและในงานอื่น ๆ โดยไม่จำเป็นต้องให้ CPU เสียพลังการประมวลผลในการทำงานในลักษณะที่ไม่ได้รับการปรับให้เหมาะสม แฟชั่น. เมื่อเวลาผ่านไป ตัวประมวลผลร่วมจำนวนมากจะรวมเข้ากับ CPU เมื่อเทคโนโลยีก้าวหน้า อย่างไรก็ตาม ขีดจำกัดพลังงานและความร้อนจำกัดสิ่งนี้ในบางสถานการณ์