مفهوم CPU و APU در رقابت تجاری پردازنده‌ها

[saberi]

در چند سال اخیر صنعت رایانه به سمت همگرایی تجهیزات رایانشی حرکت کرده و قطعات جدید با خصوصیاتی مانند یکپارچگی و کاهش اندازه نسبت به مدل‌های پیشین تولید می‌شوند. این تغییرات اگرچه کامپیوترها یا به عبارت دقیق‌تر دسکتاپ‌ها را هم شامل می‌شوند اما این محصولات در آخرین رده تغییرات قرار دارند و در واقع تجهیزات الکترونیکی مصرفی مانند تلفن‌های هوشمند، تبلت‌ها و نوت‌بوک‌ها را می‌توان نمونه‌های اصلی این فلسفه جدید عنوان کرد. در این سال‌ها رویکرد کاربران به سمت استفاده از وسایل کوچک‌تر تغییر پیدا کرده است با این حال هنوز هم قطعات اصلی یک سیستم رایانه‌ای مانند پردازنده، مادربورد، تراشه گرافیکی، حافظه و هارددیسک همان پلتفرمی است که در ۴۰ سال پیش ابداع شد و هنوز هم مورد توجه است. بنابراین صنعت رایانه و تولیدکنندگان با اینکه هنوز راه‌حلی برای یک پلتفرم جایگزین ندارند اما تلاش می‌کنند هر کدام از این مولفه‌ها را بر اساس فلسفه نوین رایانه‌ها بازطراحی کنند.
این حرکت که با تحول در تجهیزات قابل حمل آغاز شد در قدم‌های بعدی به دسکتاپ‌ها رسید و با انتقال بخش‌هایی از مادربورد مانند هسته گرافیک آنبورد، کنترلر بخش حافظه و کنترل‌کننده بخش PCIe به پردازنده ادامه پیدا کرد. این موضوع شاید جذابیت چندانی برای کاربران عمومی نداشته باشد و تنها نکته قابل توجه برای آنها تاثیری است که در هزینه‌ها داشته است با این وجود می‌توان گفت ما در آغاز یک عصر جدید برای رایانه‌ها هستیم که قدم‌ها اساسی آن با انتقال هسته گرافیکی به پردازنده برای رایانه‌ها قدتمند برداشته شده است. در این رویکرد، رایانه‌ها به دستگاه‌هایی کوچک با مصرف انرژی پایین و قدرت پردازش بالا تبدیل می‌شوند.

در راه‌حل‌های قبلی، بخش گرافیکی در پردازنده تنها برای کاربردهای رایج و عمومی قابل استفاده بود و بنابراین نمی‌توانست کارت گرافیکی را برای کاربردهای جدی از سیستم جدا کند ولی در روش‌های جدید می‌توان بطورکلی کارت گرافیکی را فراموش کرد و حتی برای بازی‌ها نیز از قدرت هسته گرافیکی درون پردازنده کمک گرفت. البته توجه داشته باشید که این فرآیند هنوز در ابتدای راه است و شاید بتوان گفت اگر هسته‌های گرافیکی قبلی ضعیف‌ترین راه‌حل گرافیکی در تمام پلتفرم‌ها بودند هسته‌های فعلی را می‌توان با توان کارت‌های گرافیکی ضعیف و متوسط مقایسه کرد. اوایل سال ۲۰۱۱، اینتل با عرضه عمومی پردازنده‌های سندی‌بریج که همگی دارای یک هسته گرافیکی بودند، سیاست جدید این شرکت مبنی بر استفاده از بخش گرافیکی به همراه پردازنده در تمام محصولات را عملی کرد و پس از آن نیز AMD با تولید پردازنده‌های سری فیوژن، یک هسته گرافیکی کامل رادئون را در محصولاتش قرار داد. اینتل در ادامه قدرت بخش گرافیکی را افزایش داد و پردازنده‌های سندی‌بریج نه‌تنها در سیستم‌های اداری بلکه در رایانه‌های ارزان و متوسط خانگی هم بطور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند. در همین ابتدا دو واژه APU وCPU مطرح می‌شود که شناخت آنها می‌تواند در تشخیص محصولات مختلف کارایی داشته باشد. در نگارش این مطلب از اطلاعات مقاله‌ای به نام Processors with Integrated Graphics  در سایت XBitlabs استفاده شده است.

APU و CPU
شرکت AMD نسل جدید پردازنده‌های خود را به نام فیوژن منتشر کرد و با اعلام اینکه آنها APU هستند، دسته‌بندی پردازنده‌های دارای بخش گرافیکی را به دو گروه تغییر داد. البته هر دو تولید کننده تلاش می‌کنند تا این دو گروه را مستقل نشان دهند بطوریکه مقایسه آنها اشتباه به نظر برسد. AMD با تاکید بر واژه APU حساسیت بیشتری نسبت به محصولات خود نشان می‌دهد ولی باید دید واقعا تفاوت این محصولات با یکدیگر چیست. عبارت APU‌ مخفف Accelerated Processing Unit است و برای تراشه‌هایی استفاده می‌شود که علاوه بر هسته پردازشی دارای یک هسته گرافیکی روی همان سطح تراشه و در ارتباط مستقیم با یکدیگر هستند. به این ترتیب بخش پردازشی یا CPU  (Central Processing Unit) در ترکیب با بخش گرافیکی یا GPU (Graphical Processing Unit) است. به این تراشه‌ها که دارای دو بخش پردازش و گرافیک یکپارچه هستند APU ‌گفته می‌شود. معماری هسته گرافیکی در APUها مشابه ساختار تراشه‌های گرافیکی مستقل است و در آنها نیز از پردازنده‌های جریانی یا استریم استفاده می‌شود با این حال بخش گرافیکی باید بتواند علاوه بر پردازش‌های گرافیکی دوبعدی و سه بعدی، در پردازش‌های عمومی نیز در کنار هسته پردازشی، کارایی سیستم را افزایش دهد. در نتیجه می‌توان گفت مهمترین تفاوت این تراشه‌ها در بخش نرم‌افزاری آن‌ها است و به عبارت دیگر این تراشه‌ها در مقایسه با ترکیب ساده یک هسته پردازشی و یک هسته گرافیکی و ارتباط مستقیم آنها با یکدیگر دارای انعطاف بیشتری هستند. ضمن اینکه برخی از محاسبات توسط پردازنده‌های موازی و پرتعداد بخش گرافیکی انجام می‌شود.

پردازنده‌های سری فیوژن AMD که با نام لانو منتشر شدند دارای یک هسته گرافیکی Radeon HD در درون خود بودند که از فناوری ATI Stream و رابط نرم‌افزاری OpenCL 1.1 پشتیبانی می‌کرد. در این حالت هسته گرافیکی می‌تواند پردازش‌های محاسباتی را هم اجرا کند. نرم‌افزاری‌های متعددی وجود دارند که می‌توانند از توان پردازنده‌های استریم استفاده کنند و قابلیت‌هایی مانند رمزنگاری، کدگذاری، پردازش تصاویر سه‌بعدی و دوبعدی و رمزگشایی صدا و تصویر را انجام دهند. با این حال این موارد در تئوری و روی کاغذ عملکرد قابل قبولی دارند ولی در دنیای واقعی با پیچیدگی‌های زیادی روبرو هستند که باعث ایجاد تردیدهای جدی برای تبدیل APU به یک انقلاب پردازشی شده‌ است. نتیجه اینکه فعلا می‌توانیم بگوییم APU یک هسته پردازشی و یک هسته گرافیکی یکپارچه است و نه بیشتر. اینتل در مقابل AMD برای کاربرد اصطلاحات جدید اندکی محافظه‌کار عمل می‌کند و با اینکه در تمام پردازنده‌های سندی‌بریج از یک بخش گرافیکی مستقل HD استفاده شده است اما همچنان ترجیح می‌دهد محصولات خود را با همان عبارت سنتی CPU معرفی کند. این روش معقول به نظر می‌رسد زیرا بخش گرافیکی در سندی‌بریج که به عنوان رقیب اصلی پردازنده‌های لانو مطرح شد از رابط نرم‌افزاری OpenCL 1.1 پشتیبانی نمی‌کند و امکان ارتباط محاسبات مورد نیاز برنامه در هسته‌ گرافیکی بطور کامل برقرار نبود.

البته در پردازنده‌های ایوی‌بریج از این رابط پشتیبانی می‌شود. در این میان یک استثنا هم وجود دارد. اینتل در پردازنده‌های سندی‌بریج نسل جدیدی از موتورهای گرافیکی به نام Quick Sync را معرفی کرد که می‌توانند توان سخت‌افزاری لازم برای رمزگشایی ویدیویی را ایجاد کنند. این موتور پردازشی در پردازنده‌های نسل سوم ارتقا پیدا کرد با این حال مانند OpenCL نیاز به هماهنگی نرم‌افزاری و سخت‌افزاری دارد و کاربرد آن هم اجرای محاسبات مربوط به تصاویر است که باعث افزایش سرعت پردازش تا ۱۰ برابر می‌شود. در نتیجه می‌توانیم بگوییم سندی‌بریج و ایوی‌بریج هم پردازنده‌های هیبریدی هستند و در آنها علاوه بر بخش پردازشی، بخش گرافیکی نیز به اجرای نرم‌افزارها و محاسبات مورد نیاز آنها حداقل در موارد خاص کمک می‌کند.
با این توضیحات می‌توان گفت اگرچه این دو محصول از نظر معماری مشابه یکدیگر نیستند اما کار مشابهی را انجام می دهند. به همین دلیل ادعای مورد نظر این دو شرکت مبنی بر اینکه مقایسه این محصولات با یکدیگر اشتباه است چندان درست به نظر نمی‌رسد.

فیوژن و خانواده لانو
شرکت AMD بعد از خانواده پرطرفدار فنوم‌ها، معماری جدید پردازشی را در پردازنده‌های فیوژن معرفی کرده است که این پردازنده‌ها دارای ساختار یکپارچه پردازشی و گرافیکی هستند و این ساختار هم APU‌ نام دارد. پردازنده‌های فیوژن در خانواده‌ای به نام لانو منتشر شده‌اند و دارای سه زیر مجموعه هستند که با عبارت‌های A8، A6 و A4 شناخته می‌شوند. در مدل‌های بعدی این پردازنده‌ها با نام ترینیتی، گروه A10 نیز اضافه شد
بدلیل تغییر ساختار این پردازنده‌ها، دیگر از سوکت‌های قدیمی مانند AM3 و AM2 استفاده نمی‌شود و سوکت جدید به نام FM1 روی مادربوردهای سازگار با این پردازنده‌ها تولید شده است. این سوکت بطور اختصاصی فقط با پردازنده‌های لانو سازگار است. پردازنده‌های لانو دارای دو تا چهار هسته پردازشی هستند و اگر بخواهیم آنها را با مدل‌های قبلی این شرکت توصیف کنیم می‌توان گفت پردازنده‌های لانو شباهت ساختاری زیادی با پردازنده‌های اتلون ۲ دارند و در بخش گرافیکی نیز همان هسته‌های گرافیکی رادئون‌های سری ۵۰۰۰ در آنها دیده می‌شود. در مدل‌های قوی‌تر پردازنده‌های لانو از هسته‌های گرافیکی بهتری استفاده شده است و میان توان پردازشی و توان گرافیکی در این مدل‌ها رابطه مستقیم وجود دارد.

سندی‌بریج و ایوی‌بریج
اینتل پردازنده‌های نسل دوم Core را با نام سندی‌بریج معرفی کرد که همگی دارای یک هسته گرافیکی مستقل درون پردازنده هستند ولی این هسته با بخش پردازشی یکپارچه نیست. سندی‌بریج‌ها همزمان با شروع نبرد تبلیغاتی در زمینه APU و CPU وارد گود شدند و پس از آنها، ادامه این راه به مدل‌های ایوی‌بریج واگذار شد.
برخلاف AMD اینتل از یک نوع سوکت برای تمام پردازنده‌های سندی‌بریج و ایوی‌بریج استفاده می‌کند که این پردازنده‌ها در سه گروه i3، i5 و i7 رده بندی شده‌اند. با اینکه همگی این پردازنده ها دارای یک هسته گرافیکی هستند اما تمام مادربوردها توان انتقال پردازش‌های گرافیکی را ندارند و برای این کار باید از مادربوردهایی با تراشه H61، H67 و Z68 استفاده کرد. پردازنده‌های لانو از نظر قیمت با پردازنده‌هایCore i3  و پنتیوم قابل مقایسه هستند.