ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОРОВ В МАССОВЫХ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЫЧИСЛЕНИЯХ

Авторы
Файлы

Воронкин Е.В. Бикташев Р.А. Статья в формате PDF 307 KB

Универсальные процессоры (CPU) созданы для исполнения одного потока последовательных инструкций с максимальной производительностью, а графические процессоры (GPU) проектируются для быстрого исполнения большого числа параллельно выполняемых потоков инструкций.

Для увеличения производительности CPU стараются добиться выполнения как можно большего числа инструкций параллельно. Начиная с процессоров Intel Pentium, появилось суперскалярное выполнение, обеспечивающее выполнение двух инструкций за такт. Но у параллельного выполнения последовательного потока инструкций есть определённые базовые ограничения и увеличением количества исполнительных блоков кратного увеличения скорости не добиться.

Алгоритмы, реализуемые видеочипами, обладают естественным параллелизмом. Видеочип принимает на входе группу полигонов, проводит все необходимые операции, и на выходе выдаёт пиксели. Обработка полигонов и пикселей независима, их можно обpaбатывать параллельно, отдельно друг от друга. Высокая степень параллелизма в GPU вызывает необходимость использования большого количества исполнительных блоков, которые легко загрузить, в отличие от последовательного потока инструкций для CPU. Кроме того, современные GPU также могут исполнять больше одной инструкции за такт.

В универсальных процессорах большая часть транзисторов и площади чипа идут на буферы комaнд, аппаратное предсказание ветвления и огромные объёмы внутри чиповой кэш-памяти. Все эти аппаратные блоки нужны для ускорения исполнения немногочисленных потоков комaнд. Видеочипы тратят транзисторы на массивы исполнительных блоков, разделяемую память небольшого объёма и контроллеры памяти на несколько каналов. Вышеперечисленное не ускоряет выполнение отдельных потоков, оно позволяет чипу обpaбатывать нескольких тысяч потоков, одновременно исполняющихся чипом и требующих высокой пропускной способности памяти.

CPU снижают задержки доступа к памяти при помощи кэш-памяти большого размера. Видеочипы обходят проблему задержек доступа к памяти за счет готовности исполнения тысяч потоков. В то время, когда один из потоков ожидает данных из памяти, видеочип может выполнять вычисления другого потока без ожидания и задержек. Можно сказать, что в отличие от современных универсальных CPU, видеочипы предназначены для параллельных вычислений с большим количеством арифметических операций. И значительно большее число транзисторов GPU работает по прямому назначению ‒ обработке массивов данных, а не управляет исполнением немногочисленных последовательных вычислительных потоков. На рисунке показаны соотношения объема чипа занимаемого разнообразной логикой в CPU и GPU.

Основой эффективного использования мощи GPU в научных и иных неграфических расчётах является распараллеливание алгоритмов на сотни исполнительных блоков, имеющихся в видеочипах. К примеру, множество приложений по молекулярному моделированию отлично приспособлено для расчётов на видеочипах, они требуют больших вычислительных мощностей и поэтому удобны для параллельных вычислений. А использование нескольких GPU даёт ещё больше вычислительных мощностей для решения подобных задач.

Выполнение расчётов на GPU показывает отличные результаты в алгоритмах, использующих параллельную обработку данных. При этом лучшие результаты достигаются, если отношение числа арифметических инструкций к числу обращений к памяти достаточно велико.

Области применения параллельных расчётов на GPU. Это анализ и обработка изображений и сигналов, моделирование физических процессов, выполнение финансовых расчётов, ведение баз данных, моделирование динамики газов и жидкостей, криптография, астрономия, биоинформатика, цифровое кино и телевидение, геоинформационные системы, магнитно-резонансная томография, нейросети, искусственный интеллект, анализ спутниковых данных, сейсмическая разведка.

ПРОГРАММНЫЕ ПРОДУКТЫ В СИСТЕМЕ СОЗДАНИЯ И ПРОДВИЖЕНИЯ ПРОДУКТОВЫХ ИННОВАЦИЙ ПРЕДПРИЯТИЙ МЕБЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Статья в формате PDF 355 KB...

31 08 2026 7:28:48

Исследование эффективности препарата Эй-Пи-Ви в комплексной терапии острых гастроэнтероколитов у детей первого года жизни

Статья в формате PDF 115 KB...

30 08 2026 17:26:25

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭНТЕРОСОРБЦИИ ПРИ ВОСПАЛИТЕЛЬНОМ ИЛЕОЦЕКАЛЬНОМ ИНФИЛЬТРАТЕ С ПОЗИЦИИ ЭТИОПАТОМОРФОЛОГИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Статья в формате PDF 130 KB...

29 08 2026 12:55:49

КОМПЕНСАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ГОМЕОСТАЗА В ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОРГАНИЗМА, ЭКОЛОГИИ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ СТАБИЛЬНОЭФФЕКТИВНЫХ КОМПРОМИССОВ

Статья в формате PDF 127 KB...

28 08 2026 0:10:52

РОЛЬ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ

Статья в формате PDF 302 KB...

27 08 2026 23:47:49

МУНИЦИПАЛЬНЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ И ПРОЦЕСС РАЗГРАНИЧЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННОЙ СОБСТВЕННОСТИ НА ЗЕМЛЮ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Статья в формате PDF 142 KB...

26 08 2026 0:56:44

ДИАГНОСТИКА ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРЕДПРИЯТИЙ АПК

Статья в формате PDF 110 KB...

25 08 2026 14:46:54

Тепловой насос – энергообеспечение в спиртовой промышленности

Статья в формате PDF 295 KB...

24 08 2026 5:35:44

КРУЖОК «ЮНЫЙ ХУДОЖНИК» КАК СРЕДСТВО РАЗВИТИЯ ТВОРЧЕСКИХ СПОСОБНОСТЕЙ МЛАДШИХ ШКОЛЬНИКОВ

Статья в формате PDF 242 KB...

23 08 2026 22:56:25

ПЕРИОПЕРАЦИОННАЯ АНТИБИОТИКОПРОФИЛАКТИКА ПРИ НЕНАТЯЖНОЙ ГЕРНИОПЛАСТИКЕ

Статья в формате PDF 257 KB...

22 08 2026 18:45:49

РАСКРЫТИЕ ИНФОРМАЦИИ О ДВИЖЕНИИ ДЕНЕЖНЫХ СРЕДСТВ В СООТВЕТСТВИИ С ТРЕБОВАНИЯМИ МСФО

Статья в формате PDF 154 KB...

21 08 2026 4:10:47

ЗАРУБЕЖНАЯ ЛИТЕРАТУРА В СИСТЕМЕ ФИЛОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Статья в формате PDF 252 KB...

20 08 2026 22:37:48

ЮРИСДИКЦИОННО-ПОЛИТИЧЕСКИЕ ЦЕРКОВНЫЕ РАСКОЛЫ ПОСТСОВЕТСКОГО ПЕРИОДА

Статья в формате PDF 136 KB...

19 08 2026 16:57:30

НАЧАЛЬНЫЕ ЭТАПЫ НАУЧНОГО ИЗУЧЕНИЯ ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ И ТЕРИОФАУНЫ КАВКАЗА

В статье рассматриваются основные начальные этапы научного изучения природных условий и фауны млекопитающих Кавказа. Рассмотрен вклад выдающихся научных деятелей России в становление и развитие отечественной териологии на Кавказе, приводятся интересные сведения об отдельных биографических моментах ученых, связанных с освоением изучаемой территории. ...