GPU — nədir, quruluşu və iş prinsipi

GPU nədir?

GPU (Graphics Processing Unit) — kütləvi paralellik üçün layihələndirilmiş ixtisaslaşdırılmış mikrosxemdir. İlk GPU-lar 1990-cı illərin sonunda masaüstü kompüterlər üçün 3D qrafika sürətləndiriciləri kimi meydana çıxdı. O vaxtdan bəri arxitektura sabit konveyerdən proqramlaşdırıla bilən şeyderlərə və universal hesablama bloklarına qədər təkamül etdi.

GPU-nun əsas təyinatı — rasterizasiya: həndəsi məlumatların (təpələr, üçbucaqlar) ekranda piksellərə çevrilməsi. Proses təpələrin transformasiyasını, görünməz səthlərin kəsilməsini, teksturlaşdırmanı və rəng qarışdırmanı əhatə edir. Bütün bu əməliyyatlar eyni anda minlərlə element üçün paralel olaraq yerinə yetirilir.

Jon Peddie Research (2025) məlumatına görə, mobil GPU bazarı qrafik prosessorların ümumi həcminin 58%-ni təşkil edir, PC və serverlər üçün diskret həlləri qabaqlayır. Hər bir smartfon CPU, DSP və neyroprosessorla birlikdə System-on-Chip (SoC)-ə inteqrasiya olunmuş ən azı bir GPU ehtiva edir.

Müasir GPU-lar iki növə bölünür: inteqrasiya olunmuş (SoC-ə quraşdırılmış, yaddaşı CPU ilə bölüşür) və diskret (öz video yaddaşı olan ayrıca kart). Mobil inkişafda yalnız inteqrasiya olunmuş GPU-lar istifadə olunur — Qualcomm Adreno, ARM Mali, Apple GPU və Imagination PowerVR.

GPU inkişaf tarixi

GPU təkamülü üç mərhələdən keçdi: sabit konveyer (1999–2006), vahid şeyderlər (2006–2016) və proqramlaşdırıla bilən hesablama nüvələri (2016 — indiyədək). Birinci mərhələ sərt əməliyyat ardıcıllığını müəyyən edirdi — transformasiya, işıqlandırma, teksturlaşdırma. Tərtibatçı konveyerə müdaxilə edə bilməzdi.

Vahid şeyderlərin meydana çıxması ilə GPU HLSL və ya GLSL-də yazılmış ixtiyari proqramları — şeyderləri icra etmək imkanı əldə etdi. Bu, GPGPU-ya — GPU-nun qeyri-qrafik tapşırıqlar üçün istifadəsinə yol açdı. Üçüncü mərhələ maşın öyrənməsi üçün tensor nüvələri və real vaxtda şüa izləmə əlavə etdi.

Mobil GPU-larda əsas dönüş nöqtəsi Tile-Based Deferred Rendering (TBDR) arxitekturasının tətbiqi oldu — bu arxitekturada kadr taillərə (16x16 piksel) bölünür və sürətli lokal yaddaşda emal olunur. Bu, masaüstü GPU-lar üçün xarakterik olan immediate mode rendering ilə müqayisədə enerji sərfiyyatını 3–5 dəfə azaldır.

GPU arxitekturası

GPU arxitekturası CPU-dan köklü şəkildə fərqlənir. Böyük keş yaddaşı olan bir neçə güclü nüvə əvəzinə, GPU SIMD (Single Instruction, Multiple Data) üçün optimallaşdırılmış yüzlərlə və ya minlərlə sadə hesablama bloku ehtiva edir — bir təlimat çoxsaylı məlumat elementləri üzərində icra olunur.

GPU-nun əsas bloku — Shader Core (NVIDIA terminologiyasında) və ya Execution Unit (Intel). Bir neçə belə blok Compute Unit (AMD) və ya Streaming Multiprocessor (NVIDIA) şəklində birləşir. Hər blok hesab əməliyyatları üçün ALU, registr faylı və varp planlayıcısı (qrup axınları) ehtiva edir.

Mobil GPU-lar arxitektura baxımından masaüstü olanlardan fərqlənir. Qualcomm Adreno proqramlaşdırıla bilən şeyder prosessorları və ayrılmış rasterizasiya bloku olan arxitekturadan istifadə edir. ARM Mali Bifrost və ya Valhall — varpların kvartet emalı ilə arxitekturalara əsaslanır. Apple GPU 2017-ci ildən Metal və vahid yaddaş dəstəyi ilə öz dizaynına malikdir.

Mobil GPU-ların əsas xüsusiyyəti — Unified Memory Architecture (UMA). GPU və CPU ayrıca video yaddaş olmadan ümumi operativ yaddaşdan istifadə edir. Bu, məlumat mübadiləsində gecikmələri azaldır və proqramlaşdırmanı sadələşdirir, lakin intensiv hesablamalarda ötürmə qabiliyyətini məhdudlaşdırır.

GPU vs CPU: əsas fərqlər

CPU minimal gecikmə ilə ardıcıl tapşırıqlar üçün layihələndirilmişdir. Böyük L1/L2/L3 keş yaddaşı, budaqlanma proqnozlaşdırıcısı və spekulyativ icra ilə 4–12 güclü nüvə ehtiva edir. GPU isə gecikməni ötürmə qabiliyyəti naminə qurban verir — minlərlə nüvə məlumatları yüksək gecikmə ilə, lakin böyük ümumi performansla emal edir.

Fərq FLOPS-da (saniyədə üzən nöqtə əməliyyatları) özünü göstərir. 2025-ci ilin ən yaxşı mobil SoC-i: CPU — 200 GFLOPS, GPU — 2400 GFLOPS. GPU paralelliyə imkan verən tapşırıqlarda CPU-nu 12 dəfə üstələyir. Lakin ardıcıl alqoritmlərdə CPU axın idarəetməsinə daha az xərclər səbəbindən daha sürətli qalır.

Təcrübədə tərtibatçı CPU-nu tətbiq məntiqi, UI və IO üçün, GPU-nu isə renderinq, təsvir emalı, fizika simulyasiyası və neyron şəbəkə inferensiyası üçün istifadə edir. Google Android Performance Patterns (2025) məlumatına görə, mobil tətbiqlərdə GPU-nun optimal yüklənməsi 60–80% təşkil edir — həddindən artıq yüklənmə trottlinqə və həddindən artıq qızmağa səbəb olur.

// CPU — ardıcıl emal
for (int i = 0; i < N; i++) {
    result[i] = data[i] * 2.0f;
}

// GPU — paralel emal (GLSL compute shader)
#version 300 es
layout(local_size_x = 256) in;
void main() {
    uint idx = gl_GlobalInvocationID.x;
    result[idx] = data[idx] * 2.0f;
}

CPU-da kod hər element üçün ardıcıl olaraq vurma əməliyyatı aparır. GPU versiyası paralel olaraq 256 axın işə salır, hər biri öz elementini vurur. N=1 milyon olduqda GPU tapşırığı bir nüvədə CPU-dan 100–1000 dəfə sürətli yerinə yetirəcək.

Mobil cihazlarda GPU

Mobil GPU-lar sərt istilik buraxma və enerji sərfiyyatı məhdudiyyətləri altında işləyir. Mobil GPU-nun tipik TDP-si 2–8 Vt təşkil edir, masaüstü analoqlarında isə 150–450 Vt. Bu, pik performans deyil, enerji səmərəliliyinə vurğu edən xüsusi arxitektura tələb edir.

Əsas enerji qənaət texnologiyası — Tile-Based Rendering. Kadr 16x16 və ya 32x32 piksel taillərə bölünür. Hər tail sürətli SRAM yaddaşında (Tile Memory) tamamilə emal olunur, sonra xarici DRAM-a yazılır. Bu, immediate mode ilə müqayisədə yaddaşa müraciətləri 4–10 dəfə azaldır.

Qualcomm Adreno — ən geniş yayılmış mobil GPU. Adreno 750 (Snapdragon 8 Gen 3) ümumi registr hovuzu olan 12 şeyder prosessoru ehtiva edir. Vulkan 1.3, OpenGL ES 3.2, OpenCL 3.0 və nüvə səviyyəsində şüa izləməni dəstəkləyir. Qualcomm (2025) məlumatına görə, Adreno enerji sərfiyyatını saxlayaraq nəsildə 45% performans artımı təmin edir.

ARM Mali — Android cihazlarında populyarlığa görə ikinci GPU. Mali-G720 Variable Rate Shading və ASTC HDR dəstəyi ilə 5-ci nəsil Valhall arxitekturasına əsaslanır. Mali-nin xüsusiyyəti kvartet emalıdır: dörd axın ALU-dan daha yaxşı istifadə üçün bir varpda birləşdirilir.

Apple GPU yalnız Metal API üçün layihələndirilir. A13 Bionic-dən başlayaraq Apple Metal 3, şüa izləmə və mesh-şeyderlər dəstəyi ilə öz GPU dizaynından istifadə edir. Apple GPU arxitekturası M4 Ultra-da 800 GB/s ötürmə qabiliyyəti ilə Unified Memory ilə fərqlənir.

Enerji sərfiyyatı və trottlinq

GPU trottlinqi — həddindən artıq qızma zamanı tezliyin azaldılması — mobil oyunların əsas problemidir. Uzun müddətli yük altında SoC temperaturu 85–95°C-ə çatır və GPU tezliyi 30–50% azaldır. AnandTech (2025) məlumatına görə, Qualcomm Adreno 750 Genshin Impact-də 15 dəqiqədən sonra performansının 35%-ə qədərini itirir.

Tərtibatçı trottlinqi draw-çağırışlarının optimallaşdırılması, renderinq həllinin azaldılması və Foveated Rendering istifadəsi ilə yumşalda bilər. iOS-da Metal Performance Shaders və Android-də Android Frame Pacing API yükü cihazın istilik büdcəsi ilə sinxronlaşdırmağa kömək edir.

GPGPU: GPU-da hesablamalar

GPGPU (General-Purpose computing on GPU) — qrafik prosessordan qeyri-qrafik hesablamalar üçün istifadə. İdeya 2000-ci illərin ortalarında yarandı, tərtibatçılar şeyderlərin matris əməliyyatları, kriptoqrafiya və fizika simulyasiyası üçün uyğunlaşdırıla biləcəyini gördülər.

Bu gün GPGPU kütləvi paralellik tələb edən tapşırıqlar üçün standart alətdir: maşın öyrənməsi (neyron şəbəkələrin təlimi və inferensiyası), kriptoqrafiya (heşləmə, şifrələmə), təsvir və video emalı (filtrlər, kodeklər), elmi simulyasiyalar (hidrodinamika, kvant kimyası).

Mobil cihazlarda GPGPU Compute Shaders vasitəsilə tətbiq olunur — qrafik çıxışı olmayan, yalnız məlumatlarla işləyən şeyderlər. Compute Shader iş qruplarından ibarət Grid işə salır, hər qrup bir neçə axın ehtiva edir. Yaddaşa giriş — ekrana bağlı olmadan buferlər və teksturalar vasitəsilə.

#version 310 es
layout(local_size_x = 16, local_size_y = 16) in;
layout(binding = 0) buffer Input  { float data[]; };
layout(binding = 1) buffer Output { float result[]; };

void main() {
    uvec2 idx = gl_GlobalInvocationID.xy;
    uint offset = idx.y * gl_NumWorkGroups.x * gl_WorkGroupSize.x + idx.x;
    result[offset] = sqrt(data[offset]) + 1.0;
}

Compute shader nümunəsi massivin hər elementi üçün kvadrat kök hesablayır. 16x16 iş qrupu eyni anda 256 elementi emal edir. Müasir mobil GPU-lar 1024-ə qədər iş qrupu və milyonlarla qlobal axın dəstəkləyir.

GPU ilə iş üçün API-lər

GPU-ya giriş API-ləri tərtibatçının qrafik prosessora əmr və məlumatları necə göndərdiyini müəyyən edir. Mobil platformalarda üç əsas API istifadə olunur: Vulkan, Metal və OpenGL ES. Hər birinin performans və uyğunluğa təsir edən üstünlükləri və məhdudiyyətləri var.

Vulkan

Vulkan — Khronos Group tərəfindən aşağı səviyyəli çarpaz platforma API-si, OpenGL-in varisi. Vulkan tərtibatçıya GPU yaddaşı, əmr növbələri və sinxronizasiya üzərində birbaşa nəzarət verir. Khronos (2025) məlumatına görə, Vulkan sürücü xərclərinin azaldılması hesabına OpenGL ES ilə müqayisədə 30–60% performans artımı təmin edir.

Android-də Vulkan Android 7.0-dan (API 24) məcburidir, lakin bütün müasir SoC-lər Vulkan 1.3-ü dəstəkləyir. Vulkan Memory Allocator və aralıq kod kimi SPIR-V şeyderləri GLSL, HLSL və ya Rust GPU-da yazmağa imkan verir.

Metal

Metal — Apple ekosisteminin bütün cihazlarında GPU üçün mülkiyyət API-si: iPhone, iPad, Mac, Apple TV. Metal minimal xərclər və əmrlərin proqnozlaşdırıla bilən icra müddətini təmin edir. Apple Developer Documentation (2025) məlumatına görə, Metal FPS düşmədən kadr başına 100 000-ə qədər draw-çağırışını emal edir.

Əsas xüsusiyyət — C++ əsasında Metal Shading Language (MSL). Şeyderlər tətbiqlə birlikdə maşın koduna kompilyasiya olunur ki, bu da Vulkan üçün xarakterik olan JIT kompilyasiyasını aradan qaldırır. Metal Mesh Shaders, Ray Tracing və şeyderlərin icra vaxtı yüklənməsi üçün Dynamic Libraries dəstəkləyir.

OpenGL ES

OpenGL ES — quraşdırılmış sistemlər üçün OpenGL-in sadələşdirilmiş versiyası. Köhnə cihazlarda və geriyə uyğunluğu təmin etmək üçün istifadə olunur. OpenGL ES 3.2 Android Studio (2025) məlumatına görə Android cihazlarının 94%-də dəstəklənir. Yeni layihələr üçün Google OpenGL ES əvəzinə Vulkan-ı tövsiyə edir.

WebGL — OpenGL ES-in brauzer analoqu, vebdə 3D qrafikanın əsasıdır. WebGL 2.0 (OpenGL ES 3.0-a uyğundur) mobil brauzerlərin 92%-də dəstəklənir. WebGPU — növbəti nəsil, Vulkan və Metal-a yaxın arxitektura ilə.