کارت گرافیک چیست؟

کارت گرافیک چیست؟ چرا این‌قدر اهمیت دارد؟ هر تصویری که روی صفحه کامپیوتر می‌بینید، از آیکون‌های ساده تا پیچیده‌ترین صحنه‌های بازی، نتیجه‌ی فعالیت کارت گرافیک است. این قطعه کلیدی مسئول پردازش و نمایش تصاویر است.

کارت گرافیک یک پردازنده تخصصی به‌حساب می‌آید که وظیفه‌اش تبدیل داده‌های دیجیتال به تصاویر قابل مشاهده روی صفحه‌نمایش است. به زبان ساده‌تر، وقتی کامپیوتر باید چیزی را نمایش دهد، کارت گرافیک به کمک پردازنده اصلی می‌آید تا تصویر را سریع‌تر و با کیفیت بهتر بسازد و به نمایش بگذارد.

اهمیت کارت گرافیک زمانی بیشتر حس می‌شود که با برنامه‌ها و بازی‌های گرافیکی سر و کار داشته باشید. هر چقدر کارت گرافیک قوی‌تر باشد، تصاویر روان‌تر، با جزئیات بیشتر و بدون لگ نمایش داده می‌شوند. همین موضوع باعث شده کارت گرافیک به یکی از مهم‌ترین قطعات در دنیای کامپیوترهای شخصی، لپ‌تاپ‌ها و کنسول‌های بازی تبدیل شود.

در این مقاله از آی تی‌کلوپ با بیانی ساده و مرحله‌به‌مرحله بصورت کامل با کارت گرافیک آشنا می شویم.

کارت گرافیک چیست؟

کارت گرافیک (Graphic Processing Unit) قطعه‌ای سخت‌افزاری‌ست که وظیفه‌ی پردازش داده‌های گرافیکی و ساخت تصاویر روی صفحه‌نمایش را برعهده دارد و به اجرای روان‌تر برنامه‌ها و بازی‌های گرافیکی کمک می‌کند.

این قطعه بخش زیادی از بار پردازش‌های سنگین تصویری را از دوش پردازنده‌ی مرکزی (CPU) برمی‌دارد. در نتیجه CPU می‌تواند توان پردازشی خود را صرف مدیریت سیستم، اجرای برنامه‌ها و پردازش‌های غیرگرافیکی کند؛ اتفاقی که باعث افزایش سرعت و کارایی کلی سیستم می‌شود.

ساختار کارت گرافیک شامل هسته‌های پردازشی متعدد، حافظه‌ی اختصاصی (VRAM) و مدارهای کنترلی‌ست که امکان پردازش سریع صحنه‌های سه‌بعدی پیچیده، افکت‌های بصری متنوع و ویدئوهای با کیفیت بالا را فراهم می‌کند.

پردازش در کارت گرافیک توسط واحدهایی به نام CUDA Cores (در کارت‌های NVIDIA) یا Stream Processors (در کارت‌های AMD) انجام می‌شود. این هسته‌ها به‌صورت موازی عمل می‌کنند و هم‌زمان روی حجم زیادی از داده‌های تصویری عملیات انجام می‌دهند.

پس از پایان پردازش، نتیجه نهایی به‌صورت فریم‌هایی از تصویر تولید می‌شود و از طریق خروجی تصویر (مثل HDMI یا DisplayPort) به نمایشگر ارسال می‌شود. تمام این فرایند در کسری از ثانیه اتفاق می‌افتد تا کاربر بدون تأخیر، تصویر نهایی را ببیند.

کارت گرافیک چه وظایفی دارد؟

۱. تبدیل داده های خام به تصویر

در پشت‌صحنهٔ هر چیزی که روی صفحه‌نمایش می‌بینید—از محیط ویندوز گرفته تا یک بازی سه‌بعدی یا ویدئوی آنلاین—در اصل فقط مجموعه‌ای از داده‌های خام وجود دارد. این داده‌ها شامل مختصات اجسام، رنگ هر پیکسل، شدت نور، زاویه‌ی دید دوربین و نوع بافت‌ها (تکسچرها) می‌شوند. اما این اطلاعات به تنهایی برای چشم انسان معنا ندارند و قابل مشاهده نیستند.

اینجا کارت گرافیک وارد میدان می‌شود. این قطعه تمام داده‌های خام را می‌گیرد، آن‌ها را پردازش می‌کند و به تصویر نهایی تبدیل می‌کند. کارت گرافیک تعیین می‌کند که هر جسم سه‌بعدی از چه زاویه‌ای دیده شود، سایه‌ها و نورها چطور روی سطوح بیفتند، رنگ‌ها و افکت‌ها چگونه با هم ترکیب شوند و در نهایت همه این محاسبات را فریم‌به‌فریم به نمایشگر می‌فرستد.

پیشنهاد خواندنی: رندرینگ چیست؟

اگر داده‌های خام را مثل نت‌های موسیقی در نظر بگیریم، کارت گرافیک نقش نوازنده‌ای را دارد که این نت‌ها را اجرا می‌کند تا شما بتوانید تصویر را ببینید. این فرایند، اصلی‌ترین وظیفه‌ی کارت گرافیک است و بدون آن، هیچ تصویری روی نمایشگر ظاهر نمی‌شود.

۲. اجرای روان‌تر بازی‌ها و نرم‌افزارهای گرافیکی

یکی از واضح‌ترین جاهایی که قدرت کارت گرافیک خودش را نشان می‌دهد، هنگام اجرای بازی‌ها و نرم‌افزارهای سنگین گرافیکی‌ست. بازی‌های امروزی پر از جزئیات تصویری، افکت‌های نوری، سایه‌زنی‌های دقیق و محیط‌های سه‌بعدی واقع‌گرایانه هستند. همه‌ی این‌ها نیاز به پردازش‌های تصویری سنگینی دارند که از توان CPU خارج است یا حداقل به‌تنهایی از پسش برنمی‌آید.

اینجاست که کارت گرافیک به کمک می‌آید. هرچه این کارت قوی‌تر باشد، توان بیشتری برای تولید فریم در هر ثانیه دارد. یعنی تصویر روان‌تر نمایش داده می‌شود، لگ و تأخیر کمتر می‌شود و تجربه‌ی بازی یا کار با نرم‌افزارها دل‌چسب‌تر خواهد بود. مثلاً در یک بازی شوتر اول‌شخص، تعداد فریم بالا می‌تواند تفاوت بین باخت و برد باشد.

در نرم‌افزارهایی مثل فتوشاپ، پریمیر، بلندر یا تری‌دی‌مکس هم داستان مشابهی برقرار است. خیلی از ابزارها و افکت‌های تصویری به کمک پردازنده‌ی گرافیکی اجرا می‌شوند تا سرعت کار بالا برود و تجربه‌ی کاربری راحت‌تر شود. بنابراین اگر طراح، تدوین‌گر یا مدل‌ساز سه‌بعدی هستید، کارت گرافیک مناسب می‌تواند حسابی روند کار را سریع‌تر کند.

۳. انجام پردازش های موازی و کاربرد در هوش مصنوعی

یکی از ویژگی‌های منحصربه‌فرد کارت گرافیک، توانایی آن در انجام پردازش‌های موازی‌ست. برخلاف پردازنده‌ی مرکزی (CPU) که تعداد هسته های محدودی دارد و برای اجرای ترتیبی دستورات طراحی شده، کارت گرافیک از هزاران هسته‌ی کوچک‌تر تشکیل شده که می‌توانند هم‌زمان روی حجم زیادی از داده‌ها کار کنند. همین ساختار موازی، کارت گرافیک را به ابزاری قدرتمند برای انجام پردازش‌های سنگین و تکرارشونده تبدیل کرده است.

این توانایی در بسیاری از زمینه‌ها به‌کار می‌آید؛ از مدل‌سازی سه‌بعدی و رندرینگ گرفته تا شبیه‌سازی‌های علمی و پردازش ویدئو. اما یکی از مهم‌ترین کاربردهای امروزی کارت گرافیک، در حوزه‌ی هوش مصنوعی است. الگوریتم‌های یادگیری ماشین و یادگیری عمیق برای آموزش‌دادن به حجم عظیمی از داده‌ها نیاز دارند. فرایندی که شامل میلیون‌ها محاسبه‌ است و اگر با CPU انجام شود، بسیار زمان‌بر خواهد بود.

کارت‌های گرافیک مدرن این محاسبات را با سرعت بسیار بالاتری انجام می‌دهند، به همین دلیل به بخش جدایی‌ناپذیر سیستم‌های آموزش مدل‌های هوش مصنوعی تبدیل شده‌اند. در حال حاضر تقریباً تمام پروژه‌های جدی در این حوزه مخصوصاً مدل‌های سنگینی مثل شبکه‌های عصبی عمیق با کمک GPU اجرا می‌شوند.

۴. پشتیبانی از چند نمایشگر

کارت‌های گرافیک امروزی معمولاً از اتصال هم‌زمان چند نمایشگر پشتیبانی می‌کنند. بسته به تعداد و نوع پورت‌ها می‌توان چندین مانیتور را به کارت گرافیک متصل کرد و فضای کاری بزرگ‌تر و انعطاف‌پذیرتری داشت. این قابلیت برای گیمرها، طراحان، برنامه‌نویسان و کاربران حرفه‌ای بسیار کاربردی است، چرا که امکان نمایش هم‌زمان چند برنامه یا پنجره را فراهم می‌کند و تجربه کاربری را بهبود می‌بخشد.

۵. نمایش بهتر تصاویر و ویدئوها

هرچه کارت گرافیک قدرتمندتر باشد می‌تواند تصاویر با جزئیات بیشتر، رنگ‌های دقیق‌تر و حرکات روان‌تر تولید کند. این توانایی به هنگام پخش ویدئوهای با کیفیت 4K و 8K اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.

پیشنهاد خواندنی: هارد اکسترنال چیست؟

تفاوت کارت گرافیک با CPU

پردازنده‌ی مرکزی (CPU) و پردازنده‌ی گرافیکی (GPU) نقش حیاتی در عملکرد سیستم دارند، اما هدف، طراحی و سبک کاری آن‌ها کاملاً با هم متفاوت است.

CPU برای وظایف عمومی طراحی شده؛ GPU برای وظایف تخصصی

پردازنده مرکزی یا CPU مغز اصلی کامپیوتر است که وظیفه انجام انواع کارها را برعهده دارد؛ از مدیریت سیستم‌عامل گرفته تا اجرای برنامه‌ها و هماهنگی بین قطعات مختلف. CPU بیشتر روی پردازش‌های ترتیبی تمرکز می‌کند؛ یعنی دستورها را یکی‌یکی و با دقت بالا اجرا می‌کند، حتی اگر پیچیده و سنگین باشند.

اما کارت گرافیک یا GPU، مثل یک تیم بزرگ و پرسرعت است که برای کاری خاص ساخته شده: پردازش هم‌زمان حجم زیادی از داده‌های تصویری. هزاران هسته‌ی کوچک در GPU کنار هم قرار گرفته‌اند تا به‌طور موازی کار کنند و محاسبات تکراری و سنگین را با سرعت بالا انجام دهند. این تفاوت ساختاری باعث می‌شود CPU برای کارهای متنوع و دقیق عالی باشد، ولی GPU برای پردازش گرافیکی سریع و روان، بی‌رقیب شود.

تعداد هسته‌ها: کم در برابر زیاد

یک CPU معمولاً بین ۴ تا ۱۶ هسته‌ی قدرتمند دارد که هرکدام توان انجام وظایف پیچیده را دارند. اما یک GPU ممکن است هزاران هسته‌ی کوچک‌تر داشته باشد که همگی درگیر اجرای محاسبات گرافیکی می‌شوند. این تفاوت باعث شده GPU برای وظایفی مثل رندرینگ، یادگیری ماشین، و پردازش ویدئو بسیار مناسب‌تر باشد.

سرعت کلاک در برابر پردازش هم‌زمان

CPUها معمولاً سرعت کلاک (فرکانس) بالاتری دارند و در پردازش‌های منطقی و محاسباتی که نیاز به دقت و تصمیم‌گیری لحظه‌ای دارند، بهتر عمل می‌کنند. اما GPUها با وجود سرعت کلاک پایین‌تر، توان عملیاتی بیشتری در اجرای هم‌زمان هزاران عملیات ساده دارند.

کارکرد مکمل، نه جایگزین

نکته‌ی مهم اینجاست که CPU و GPU رقیب یکدیگر نیستند؛ بلکه مکمل هم‌اند. سیستم‌های قدرتمند از ترکیب این دو استفاده می‌کنند تا هم وظایف عمومی و مدیریتی به‌خوبی انجام شوند، هم پردازش‌های سنگین تصویری یا موازی با سرعت بالا صورت بگیرند.

پیشنهاد خواندنی: حافظه کارت گرافیک چیست؟

اجزای تشکیل دهنده کارت گرافیک

تفاوت کارت گرافیک با GPU

آشنایی با برخی از واژه‌های مهم درباره‌ی کارت‌های گرافیک

انواع کارت گرافیک

انواع پورت در کارت گرافیک

مشخصات کلیدی کارت گرافیک

چه کارت گرافیکی به مادربرد می‌خورد؟

بهترین برندهای کارت گرافیک

جمع‌بندی