Unit pemroses grafis

Unit pemroses grafis atau unit pengolahan grafis (bahasa Inggris: graphics processing unit/GPU) adalah sirkuit elektronik khusus yang dirancang untuk memanipulasi dan mengubah memori dengan cepat guna mempercepat pembuatan gambar dalam frame buffer yang ditujukan untuk keluaran ke tampilan perangkat. GPU digunakan dalam sistem tertanam, ponsel, komputer pribadi, workstation, dan konsol permainan. GPU modern sangat efisien dalam memanipulasi grafik komputer dan pemrosesan gambar. Strukturnya yang sangat paralel membuatnya lebih efisien daripada CPU untuk keperluan algoritma yang memproses blok besar data secara paralel. Di komputer pribadi, GPU dapat hadir pada kartu video atau tertanam pada papan induk (motherboard). Pada CPU tertentu, mereka tertanam pada die CPU.^[1]

Istilah "GPU" dicetuskan oleh Sony dan dipakai untuk merujuk GPU Sony yang dipakai dalam konsol PlayStation dan didesain oleh Toshiba pada tahun 1994.^[2] Istilah ini dipopulerkan oleh Nvidia pada tahun 1999 yang memasarkan GeForce 256 sebagai "GPU pertama di dunia".^[3] GPU digambarkan sebagai "prosesor cip tunggal dengan mesin transformasi, pencahayaan, kliping segitiga, dan penggambaran (rendering)".^[4] Pesaingnya, ATI Technologies, mencetuskan istilah "unit pemroses visual" (bahasa Inggris: visual processing unit) atau VPU saat merilis Radeon 9700 pada 2002.^[5]

Papan sistem arkade telah menggunakan sirkuit grafis khusus sejak tahun 1970-an. Pada perangkat keras permainan video awal, RAM untuk bingkai buffer mahal, jadi chip video menggabungkan data bersamaan saat layar dipindai di monitor.^[6]

Di pasar rumahan, Atari 2600 pada tahun 1977 menggunakan video shifter yang disebut Television Interface Adaptor.^[7]Komputer Atari 8-bit (1979) memiliki ANTIC, prosesor video yang menafsirkan instruksi yang menggambarkan "daftar tampilan" - cara garis pindai memetakan ke bitmap atau mode karakter tertentu dan di mana memori disimpan (sehingga tidak perlu menjadi buffer bingkai yang berdekatan).^[8] 6502 kode mesin subrutin dapat dipicu pada garis pindai dengan mengatur sedikit pada instruksi daftar tampilan.^[9] ANTIC juga mendukung pengguliran vertikal dan horizontal yang mulus tanpa tergantung pada CPU.^[10]

NEC µPD7220 adalah implementasi pertama dari prosesor tampilan grafik PC sebagai chip sirkuit terintegrasi Large Scale Integration (LSI), yang memungkinkan desain kartu grafis video berkinerja tinggi dan berkinerja tinggi seperti yang berasal dari Number Nine Visual Technology. Ini menjadi GPU paling terkenal hingga pertengahan 1980-an.^[11] Itu adalah prosesor tampilan grafis logam-oksida-semikonduktor (NMOS) VLSI (integrasi berskala sangat besar) terintegrasi penuh pertama untuk PC, didukung hingga resolusi 1024x1024, dan meletakkan dasar bagi pasar grafis PC yang sedang berkembang. Itu digunakan dalam sejumlah kartu grafis, dan dilisensikan untuk klon seperti Intel 82720, yang pertama dari unit pemrosesan grafis Intel.^[12] Permainan arkade Williams Electronics, Robotron 2084, Joust, Sinistar, dan Bubbles, semuanya dirilis pada tahun 1982, berisi chip blitter khusus untuk beroperasi pada bitmap 16-warna.^[13]

Sharp X68000, dirilis pada 1987, menggunakan chipset grafis khusus^[14] dengan 65.536 palet warna dan dukungan perangkat keras untuk sprite, scrolling, dan beberapa playfield,^[15] akhirnya berfungsi sebagai mesin pengembangan untuk papan arkade Sistem CP Capcom. Fujitsu kemudian berkompetisi dengan komputer FM Towns, dirilis pada 1989 dengan dukungan palet warna 16.777.216.^[16]

Nvidia adalah yang pertama menghasilkan chip yang mampu diprogram shading, GeForce 3 (kode nama NV20). Setiap piksel sekarang dapat diproses oleh "program" pendek yang dapat menyertakan tekstur gambar tambahan sebagai input, dan setiap simpul geometris juga dapat diproses oleh program pendek sebelum diproyeksikan ke layar. Digunakan di konsol Xbox, itu bersaing dengan PlayStation 2 (yang menggunakan vektor kustom DSP untuk perangkat keras pemrosesan vertex dipercepat; biasanya disebut VU0 / VU1). Inkarnasi paling awal dari mesin eksekusi shader yang digunakan di Xbox bukanlah tujuan umum dan tidak dapat mengeksekusi kode piksel arbitrer. Vertikal dan piksel diproses oleh unit yang berbeda yang memiliki sumber daya sendiri dengan piksel shader yang memiliki banyak kendala lebih ketat (karena dieksekusi pada frekuensi yang jauh lebih tinggi daripada dengan simpul). Mesin pixel shading sebenarnya lebih mirip dengan blok fungsi yang sangat dapat dikustomisasi dan tidak benar-benar "menjalankan" program. Banyak dari perbedaan ini antara vertex dan pixel shading tidak ditangani sampai jauh kemudian dengan Unified Shader Model.

Pada 2010, Nvidia memulai kemitraan dengan Audi untuk memberi daya pada dasbor mobil mereka. GPU Tegra ini memberi daya pada dashboard mobil, menawarkan peningkatan fungsionalitas untuk sistem navigasi dan hiburan mobil.^[17] Kemajuan teknologi GPU pada mobil telah membantu mendorong teknologi self-driving.^[18] Kartu AMD Radeon HD 6000 Series AMD dirilis pada 2010 dan pada 2011, AMD merilis GPU diskrit 6000M Series untuk digunakan pada perangkat seluler.^[19] Jajaran kartu grafis Kepler oleh Nvidia keluar pada tahun 2012 dan digunakan pada kartu seri 600 dan 700 Nvidia. Sebuah fitur dalam mikroarsitektur GPU baru ini termasuk peningkatan GPU, teknologi yang menyesuaikan kecepatan clock kartu video untuk menambah atau mengurangi sesuai dengan kekuatannya.^[20] Mikroarsitektur Kepler diproduksi pada proses 28 nm.

Banyak perusahaan telah menghasilkan GPU dengan sejumlah merek. Pada tahun 2009, Intel, Nvidia dan AMD/ATI adalah pemimpin pangsa pasar, dengan pangsa pasar masing-masing 49,4%, 27,8% dan 20,6%. Namun, angka-angka itu termasuk solusi grafis terintegrasi Intel sebagai GPU. Tidak termasuk itu, Nvidia dan AMD mengendalikan hampir 100% pasar pada 2018. Pangsa pasar mereka masing-masing adalah 66% dan 33%.^[21] Selain itu, S3 Graphics dan Matrox^[22] menghasilkan GPU. Telepon pintar modern sebagian besar juga menggunakan GPU Adreno dari Qualcomm, PowerVR GPU dari Imagination Technologies dan Mali GPU dari ARM.

GPU modern menggunakan sebagian besar transistor mereka untuk melakukan perhitungan terkait dengan grafik komputer 3D. Selain perangkat keras 3D, GPU saat ini mencakup akselerasi 2D dasar dan kemampuan framebuffer (biasanya dengan mode kompatibilitas VGA). Kartu yang lebih baru seperti AMD/ATI HD5000-HD7000 bahkan tidak memiliki akselerasi 2D; itu harus ditiru oleh perangkat keras 3D. GPU pada awalnya digunakan untuk mempercepat pekerjaan memori pemetaan tekstur dan rendering poligon yang intensif, kemudian menambahkan unit untuk mempercepat perhitungan geometrik seperti rotasi dan terjemahan simpul ke dalam sistem koordinat yang berbeda. Perkembangan terbaru dalam GPU termasuk dukungan untuk shader yang dapat diprogram yang dapat memanipulasi simpul dan tekstur dengan banyak operasi yang sama yang didukung oleh CPU, teknik oversampling dan interpolasi untuk mengurangi aliasing, dan ruang warna yang sangat presisi tinggi.

Dengan munculnya deep learning, pentingnya GPU telah meningkat. Dalam penelitian yang dilakukan oleh Indigo, ditemukan bahwa saat melatih jaringan syaraf deep learning, GPU bisa 250 kali lebih cepat daripada CPU. Pertumbuhan eksplosif Deep Learning dalam beberapa tahun terakhir telah dikaitkan dengan munculnya GPU tujuan umum.^[23] Ada beberapa tingkat persaingan di bidang ini dengan ASIC, yang paling menonjol adalah Tensor Processing Unit (TPU) yang dibuat oleh Google. Namun, ASIC memerlukan perubahan pada kode yang ada dan GPU masih sangat populer.

Sebagian besar GPU yang dibuat sejak 1995 mendukung ruang warna YUV dan overlay perangkat keras, penting untuk pemutaran video digital, dan banyak GPU yang dibuat sejak tahun 2000 juga mendukung MPEG primitif seperti kompensasi gerak dan iDCT. Proses decoding video yang dipercepat perangkat keras ini, di mana bagian-bagian dari proses decoding video dan pemrosesan pasca video diturunkan ke perangkat keras GPU, biasanya disebut sebagai "decoding video yang dipercepat", "decoding video yang dibantu GPU", "perangkat keras GPU yang dipercepat" decoding video "atau" decoding video berbantuan hardware GPU ".

Di komputer pribadi, ada dua bentuk utama GPU. Masing-masing memiliki banyak sinonim:^[24]

• Dedicated graphics card - juga disebut diskrit.
• Integrated graphics - juga disebut: shared graphics solutions, integrated graphics processors (IGP), atau unified memory architecture (UMA).

GPU dari kelas yang paling kuat biasanya berinteraksi dengan motherboard melalui slot ekspansi seperti PCI Express (PCIe) atau Accelerated Graphics Port (AGP) dan biasanya dapat diganti atau ditingkatkan dengan relatif mudah, dengan asumsi motherboard mampu mendukung peningkatan. Beberapa kartu grafis masih menggunakan slot Peripheral Component Interconnect (PCI), tetapi bandwidth mereka sangat terbatas sehingga umumnya hanya digunakan ketika slot PCIe atau AGP tidak tersedia.

GPU dedikasi tidak selalu dapat diganti, juga tidak perlu antarmuka dengan motherboard secara standar. Istilah "dedicated" mengacu pada fakta bahwa kartu grafis khusus memiliki RAM yang didedikasikan untuk penggunaan kartu, bukan pada kenyataan bahwa sebagian besar GPU dedikasi dapat dilepas. Selanjutnya, RAM ini biasanya dipilih secara khusus untuk beban kerja serial yang diharapkan dari kartu grafis (lihat GDDR).

Teknologi seperti SLI dan NVLink oleh Nvidia dan CrossFire oleh AMD memungkinkan banyak GPU untuk menggambar gambar secara bersamaan untuk satu layar, meningkatkan daya pemrosesan yang tersedia untuk grafik. Namun, teknologi ini semakin jarang terjadi, karena sebagian besar permainan tidak sepenuhnya menggunakan banyak GPU, karena sebagian besar pengguna tidak mampu membelinya.^[25] Banyak GPU masih digunakan pada superkomputer (seperti di Summit), pada workstation untuk mempercepat video (memproses beberapa video sekaligus)^[26] dan rendering 3D,^[27] untuk VFX^[28] dan untuk simulasi,^[29] dan dalam AI untuk mempercepat pelatihan, seperti halnya jajaran stasiun kerja dan server DGX Nvidia dan GPU Tesla dan GPU Ponte Vecchio Intel yang akan datang.

Unit pemrosesan grafik terintegrasi (IGPU), grafis terintegrasi, shared graphics solutions, prosesor grafis terintegrasi (IGP) atau arsitektur memori terpadu (UMA) menggunakan sebagian dari RAM sistem komputer daripada memori grafis khusus. IGP dapat diintegrasikan ke motherboard sebagai bagian dari chipset, atau pada die yang sama dengan CPU (seperti AMD APU atau Intel HD Graphics).

Karena perhitungan GPU sangat intensif terhadap memori, pemrosesan terintegrasi mungkin menemukan dirinya bersaing dengan CPU untuk RAM sistem yang relatif lambat, karena memiliki memori video khusus minimal atau tidak ada. IGP dapat memiliki bandwidth memori hingga 29,856 GB/s dari RAM sistem, sedangkan kartu grafis mungkin memiliki bandwidth hingga 264 GB/s antara RAM dan inti GPU. Bandwidth bus memori ini dapat membatasi kinerja GPU, meskipun memori multi-saluran dapat mengurangi kekurangan ini.^[30] Cipset grafis terintegrasi yang lebih lama tidak memiliki transformasi dan pencahayaan perangkat keras, tetapi yang lebih baru menyertakannya.^[31]

Kelas GPU yang lebih baru ini bersaing dengan grafis terintegrasi di pasar desktop dan notebook kelas bawah. Implementasi yang paling umum dari ini adalah HyperMemory ATI dan TurboCache Nvidia.

Kartu grafis hybrid agak lebih mahal daripada kartu grafis terintegrasi, tetapi jauh lebih murah daripada kartu grafis khusus. Ini berbagi memori dengan sistem dan memiliki tembolok memori kecil khusus, untuk menebus latensi tinggi dari sistem RAM. Teknologi dalam PCI Express dapat memungkinkan hal ini. Walaupun solusi ini kadang-kadang diiklankan memiliki 768MB RAM, ini merujuk pada seberapa banyak yang dapat dibagikan dengan memori sistem.

Sebuah GPU eksternal adalah prosesor grafis yang terletak di luar komputer, mirip dengan hard drive eksternal berukuran besar. Prosesor grafis eksternal terkadang digunakan dengan komputer laptop. Laptop mungkin memiliki RAM dalam jumlah besar dan unit pemrosesan sentral (CPU) yang cukup kuat, tetapi sering kali tidak memiliki prosesor grafis yang kuat, dan sebaliknya memiliki chip grafis on-board yang kurang bertenaga tetapi lebih hemat energi. Chip grafis on-board sering kali tidak cukup kuat untuk bermain permainan video, atau untuk tugas intensif grafis lainnya, seperti mengedit video atau animasi/rendering 3D.

Oleh karena itu, diharapkan untuk dapat memasang GPU ke beberapa bus eksternal notebook. PCI Express adalah satu-satunya bus yang digunakan untuk tujuan ini. Porta tersebut dapat berupa, misalnya, ExpressCard atau port mPCIe (PCIe × 1, masing-masing hingga 5 atau 2,5 Gbit/s) atau port Thunderbolt 1, 2, atau 3 (PCIe × 4, hingga 10, 20, atau 40 Gbit/s masing-masing). Porta tersebut hanya tersedia pada sistem notebook tertentu.^[32] Enklosur eGPU menyertakan power supplynya (PSU) sendiri, karena GPU yang kuat dapat dengan mudah menghabiskan ratusan watt.^[33]

Dukungan vendor resmi untuk GPU eksternal telah mendapatkan daya tarik baru-baru ini. Salah satu pencapaian penting adalah keputusan Apple untuk secara resmi mendukung GPU eksternal dengan MacOS High Sierra 10.13.4.^[34] Ada juga beberapa vendor perangkat keras utama (HP, Alienware, Razer) yang merilis penutup eGPU Thunderbolt 3.^[35][36][37] Dukungan ini terus mendorong implementasi eGPU oleh para peminat.^[38]

Pada 2013, 438,3 juta GPU dikirimkan ke seluruh dunia dan perkiraan untuk 2014 adalah 414,2 juta.^[39]

Wikimedia Commons memiliki media mengenai Unit pemrosesan grafis.