وحدة معالجة الرسوميات (GPU): تعرف على العقل الخارق خلف ثورة الحوسبة الحديثة

في عالم باتت فيه السرعة والدقة ضرورة لا رفاهية، تقف وحدة معالجة الرسوميات (GPU) في قلب المشهد، تقود التقدم في الذكاء الاصطناعي، وتعزز تجارب الألعاب، وتسرع أبحاث العلم والطب، وتعيد تعريف حدود ما يمكن للحواسيب إنجازه. لم تعد GPU مجرد رفيق لمعالج مركزي (CPU) يرسم الصور في الألعاب، بل تحولت إلى محرك حسابي جبار يعيد تشكيل مستقبل التقنية كما نعرفه.

في هذه المقالة، نغوص في أعماق وحدة معالجة الرسوميات لفهم كيف تعمل، ولماذا أصبحت الخيار الأول في مجالات الحوسبة عالية الأداء، وما الذي يجعلها مختلفة جذريا عن المعالجات التقليدية. سنستعرض تاريخها، بنيتها المعمارية، وأهم تطبيقاتها الحديثة التي تتجاوز الترفيه إلى ميادين أكثر تأثيرا، مثل الذكاء الاصطناعي، والتعلم العميق، وتحليل البيانات العملاقة.

هل تساءلت يوما كيف يمكن لجهازك عرض صور ثلاثية الأبعاد بسلاسة، أو كيف تتعلم الخوارزميات في مراكز البيانات العملاقة بسرعة مذهلة؟ الجواب غالبا يبدأ من هنا: وحدة معالجة الرسومات GPU.

ما هي وحدة معالجة الرسوميات (GPU)؟

إذا اعتبرنا أن وحدة المعالجة المركزية (CPU) تمثل “عقل” الحاسوب المسؤول عن إدارة العمليات الحسابية والأوامر المنطقية، فإن وحدة معالجة الرسوميات أو Graphics Processing Unit (GPU) تمثل الوحدة المختصة بإدارة المخرجات البصرية والرسومية لتلك العمليات والمعلومات المرتبطة بالصور. وبفضل بنيتها المعمارية القائمة على المعالجة المتوازية، تتفوق GPU في أداء خوارزميات معالجة كتل ضخمة من البيانات، مقارنة بوحدات المعالجة المركزية التقليدية.

في الواقع، تعد GPU الواجهة الرسومية التي تحول العمليات الحسابية التي يجريها المعالج إلى صور مرئية ومفهومة للمستخدم. ويمكن القول بثقة إن أي جهاز يظهر مخرجات رسومية أو بصرية، يحتوي بطريقة ما على وحدة معالجة رسوميات مدمجة.

تتواجد وحدة وحدة معالجة الرسوميات داخل الحاسوب في مكونات الهاردوير إما كجزء من بطاقة رسومية Graphics Card، أو مدمجة على اللوحة الأم Motherboard، أو ضمن شريحة معالجة هجينة Integrated Chip مثل معالجات AMD APU. وإذا كنت ترغب في التحقق من نوع بطاقة الرسوميات لديك على نظام Windows، فهناك طرق سريعة لذلك – فقط راجع المقال المرتبط للحصول على الشرح الكامل.

لكن تجدر الإشارة إلى أن الشرائح المدمجة لا تستطيع تقديم أداء رسومي مدهش، وهي بالتأكيد لن تلبي تطلعات عشاق الألعاب. لذلك، للاستمتاع بتجربة بصرية أكثر تطورا وجودة، من الضروري استخدام بطاقة رسومية مستقلة تتفوق بمراحل على وحدات GPU المدمجة البسيطة.

في الفقرات التالية، سنتعرف بإيجاز على بعض المفاهيم الأساسية الأكثر استخداما في عالم الرسوميات.

الصورة ثلاثية الأبعاد (3D Image)

تطلق تسمية الصورة ثلاثية الأبعاد (3D Image) على أي صورة تحتوي إلى جانب الطول والعرض على البعد الثالث، وهو العمق. هذا العمق يضفي على الصورة قدرة أكبر على نقل المعلومات إلى المشاهد مقارنة بالصور ثنائية الأبعاد. فعلى سبيل المثال، إذا نظرت إلى مثلث ثنائي الأبعاد، سترى ثلاث خطوط وثلاث زوايا فقط، بينما إذا شاهدت شكلا هرميا، ستلاحظ أنه هيكل ثلاثي الأبعاد يتكون من أربعة مثلثات، وخمسة حواف، وست زوايا، ما يجعله أكثر تعقيدا وغنى بالمعلومات.

الرسومات النقطية (Bitmap Graphics – BMP)

الرسومات النقطية، والتي تعرف أيضا باسم الرسومات الشطرنجية (Rasterized Graphics)، هي نوع من الصور الرقمية التي يتم تمثيل كل بكسل فيها باستخدام عدد من البتات. ينشأ هذا النوع من الرسوميات عن طريق تقسيم الصورة إلى شبكة من المربعات الصغيرة (Pixels)، كل منها يحتوي على معلومات مثل الشفافية واللون.

تكمن إحدى أبرز خصائص الرسومات النقطية في أن وضوح الصورة الناتجة يعتمد بشكل مباشر على دقة الصورة (Resolution)، ما يعني أن تكبير هذه الصور يؤدي إلى فقدان الجودة. فعند تكبير صورة نقطية، يتم تعويض البكسلات المفقودة بعملية تعرف بالاستيفاء (Interpolation)، مما يجعل الصورة ضبابية. أما عند تصغيرها، فيحدث فقدان للمعلومات نتيجة إعادة أخذ العينات (Resampling).

الرسومات المتجهية (Vector Graphics)

الرسومات المتجهية، والتي تحفظ غالبا بصيغ مثل (.ai, .eps, .pdf, .svg)، تبنى باستخدام مسارات تتكون من نقاط بداية ونهاية، وهذه المسارات يتم تحديدها عبر معادلات رياضية وتعتمد على أشكال هندسية أساسية مثل الخطوط، والمنحنيات، والمضلعات. الميزة الأهم لهذا النوع من الرسومات هي القابلية العالية لتغيير الحجم Scaling دون التأثير على جودة الصورة.

فبعكس الرسومات النقطية التي تفقد دقتها عند تكبيرها أو تصغيرها، يمكن تكبير أو تصغير الرسومات المتجهية إلى أي حجم دون تشويش أو ضياع في التفاصيل. لذا فهي تستخدم بكثرة في تصميم الشعارات، اللافتات، المخططات الرقمية، وتنسيق النصوص.

من أشهر البرامج المستخدمة في إنشاء وتحرير الرسومات المتجهية هو Adobe Illustrator، والذي يعد أداة احترافية يعتمد عليها المصممون لتقديم تصاميم بجودة ثابتة على اختلاف أبعاد العرض.

التصيير (Rendering)

التصيير (Rendering) هو العملية التي يتم من خلالها تحويل النماذج الحسابية ثلاثية الأبعاد من البرمجيات إلى صور رقمية تعرض على شاشات ثنائية الأبعاد. هذه العملية تعد جوهرا في إنتاج الرسوميات الواقعية والمؤثرات البصرية في الألعاب، الأفلام، وتطبيقات التصميم الهندسي والمعماري، حيث يتم احتساب الضوء، الظلال، والانعكاسات لتقديم صورة نهائية دقيقة وغنية بالتفاصيل.

واجهات برمجة التطبيقات الرسومية (Graphics API)

واجهات برمجة التطبيقات (Application Programming Interfaces – APIs) تعد بروتوكولات للتواصل بين أجزاء البرامج المختلفة، وتستخدم كأدوات رئيسية لربط البرمجيات بالأجهزة الرسومية. يمكن أن تكون هذه الواجهات قائمة على الويب أو أنظمة التشغيل أو مراكز البيانات أو العتاد الصلب أو حتى مكتبات برمجية.

وفي مجال الرسومات، تستخدم API الرسومية لتسهيل عمليات التصيير (Rendering) وتصميم النماذج ثلاثية الأبعاد، حيث تتيح للمطورين الوصول الافتراضي إلى المنصات الرسومية لاختبار تطبيقاتهم. أدناه نقدم أهم اثنين من أشهر واجهات البرمجة الرسومية:

OpenGL

OpenGL (اختصارا ل Open Graphics Library) هي مكتبة تحتوي على مئات الدوال المتخصصة في رسم الرسومات ثنائية وثلاثية الأبعاد، وتعد معيارا عالميا بين المنصات لبرمجة الرسوميات المتقدمة في الألعاب، والتصميم، والواقع الافتراضي، وغير ذلك.

تاريخيا، تم تطوير OpenGL لأول مرة عام 1991 بواسطة شركة Silicon Graphics، وطرحت رسميا عام 1992، بينما كان أحدث إصدار منها هو OpenGL 4.6 في يوليو 2017. تتميز OpenGL بدعمها الكبير من شركات العتاد والبرمجيات، وهي متوفرة في إصدارين: إصدار Microsoft لأنظمة ويندوز، وإصدار Cosmo للأنظمة التي تفتقر إلى معجلات رسومية.

DirectX

DirectX هي مجموعة من واجهات برمجة التطبيقات التي طورتها شركة مايكروسوفت بهدف تمكين التفاعل الفعال بين التعليمات البرمجية والمكونات الرسومية والصوتية للأجهزة. تم تطويرها لمواجهة تحديات تطوير الألعاب على منصة ويندوز، خاصة في فترة الانتقال من MS-DOS إلى Windows 95.

تم إصدار أول نسخة من DirectX في سبتمبر 1995 تحت اسم Windows Games SDK، ثم أصبحت جزءا من نظام التشغيل Windows في النسخ التالية. وقد أدى تعاون مايكروسوفت مع مطوري الألعاب، مثل John Carmack، إلى دعم كبير لاعتماد DirectX، إذ كان إصدار Doom 95 أول لعبة تطور باستخدام هذه الواجهة.

مع مرور الوقت، استمرت DirectX في التطور، إلى أن أطلقت مايكروسوفت الإصدار DirectX 12 عام 2014، والذي تم دمجه رسميا مع Windows 10. هذا الإصدار يدعم الاستخدام المتزامن لعدة معالجات رسومية على نفس النظام، ويعد حاليا من أقوى واجهات البرمجة الرسومية المستخدمة في الألعاب وتطبيقات الواقع الافتراضي.

Vulkan

Vulkan هي واجهة برمجة تطبيقات API رسومية منخفضة التكلفة ومتعددة المنصات، تستخدم لتطبيقات الرسومات مثل الألعاب وإنشاء المحتوى. تختلف هذه الواجهة عن DirectX وOpenGL في قدرتها على عرض الرسومات ثنائية الأبعاد واستهلاكها للطاقة بشكل أقل.

في البداية، اعتقد الكثيرون أن Vulkan قد يكون نسخة مطورة من OpenGL في المستقبل، وأن يواصل مسيرته، لكن مع مرور الوقت، أثبت خطأ هذا التوقع. يوضح الجدول أدناه فروق الأداء بين واجهتي برمجة التطبيقات الرسومية هاتين.

المعيار	OpenGL	Vulkan
الحالة العامة (Global State)	يحتوي على آلة واحدة للحالة العامة فقط	يعتمد على الكائنات (Object-based) ولا يحتوي على حالة عامة
نطاق الحالة (State Scope)	الحالة تنطبق على محتوى واحد فقط	يتم وضع جميع الحالات داخل مخازن الأوامر (Command Buffers)
تنفيذ الأوامر	يتم تنفيذ الأوامر بشكل متسلسل فقط	يدعم البرمجة متعددة الخيوط (Multi-threading)
إدارة الذاكرة والتزامن	يتم إخفاء إدارة الذاكرة والتزامن داخل وحدة المعالجة الرسومية	يمنح المطور تحكمًا كاملاً في إدارة الذاكرة والتزامن
فحص الأخطاء أثناء التشغيل	يتم التحقق من الأخطاء باستمرار أثناء التشغيل	لا يقوم المشغل (Driver) بالتحقق من الأخطاء أثناء التنفيذ
آلية التحقق من الصحة	—	يوجد طبقة تحقق (Validation Layer) مخصصة للمطورين لاكتشاف الأخطاء

Mantle

تعد واجهة Mantle الرسومية (Graphics API) حلا منخفض التكلفة لتقديم رسومات ثلاثية الأبعاد في ألعاب الفيديو، وقد تم تطويرها لأول مرة عام 2013 بالتعاون بين شركة AMD ومطور الألعاب الشهير DICE. كان الهدف من هذا التعاون هو منافسة واجهات Direct3D وOpenGL على أجهزة الكمبيوتر الشخصية.

وعلى الرغم من البداية الواعدة، إلا أن تطوير Mantle توقف رسميا في عام 2019، لتحل محلها واجهة Vulkan الرسومية. تميزت Mantle بقدرتها على تقليل عبء العمل على وحدة المعالجة المركزية (CPU) بشكل فعال، من خلال تقليص العقبات والاختناقات في عملية المعالجة الرسومية.

Metal

Metal هي واجهة برمجة رسومية حصرية طورتها شركة Apple، وتمت كتابتها بلغة البرمجة ++C، وظهرت لأول مرة مع نظام iOS 8. يمكن اعتبار Metal مزيجا من واجهة OpenGL الرسومية وإطار العمل OpenCL، حيث هدفت آبل من تصميمها إلى توفير واجهة رسومية تشبه في أدائها Vulkan وDirectX 12، ولكن مخصصة لأنظمتها المختلفة مثل iOS وmacOS وtvOS.

في عام 2017، تم إطلاق الإصدار الثاني من واجهة Metal، والذي جلب أداء أعلى ودعما أفضل لأنظمة macOS High Sierra، وiOS 11، وtvOS 11، ما ساهم في تحسين تجربة المستخدم بشكل ملحوظ مقارنة بالإصدار الأول.

ما هي GDDR؟

GDDR هو اختصار ل Graphics Double Data Rate، ويطلق على نوع من ذاكرة الوصول العشوائي (RAM) المخصصة لمعالجات الرسوميات (GPU). هذه الذاكرة مستندة إلى تقنية DDR (التي تعني معدل نقل مزدوج للبيانات – Double Data Rate)، وهي تطور لتقنية SDRAM (الذاكرة الديناميكية المتزامنة). يكمن الفرق الرئيسي بين DDR وSDRAM في أن DDR تنقل البيانات مرتين في كل دورة ساعة (Clock Cycle)، بينما SDRAM تنقل البيانات مرة واحدة فقط، مما يجعل DDR أسرع بشكل ملحوظ.

تم تقديم GDDR لأول مرة عام 2006 بهدف تعزيز سرعة معالجة الرسومات على وحدات معالجة الرسومات، حيث تفوقت على DDR التقليدية من حيث التردد ودرجة الحرارة المنخفضة. تعد GDDR بديلا متطورا لذاكرتي VRAM وWRAM، وتم حتى اليوم إصدار ستة أجيال منها، كل جيل أسرع وأكثر كفاءة من الذي سبقه.

يعد GDDR5 الجيل السابق من ذاكرة الفيديو، أما GDDR6 فهو الأحدث حتى الآن، وقد تم اعتماده في سلسلة بطاقات الرسوميات NVIDIA RTX 30 وسلسلة AMD Radeon 6000. يتميز GDDR6 بسرعة نقل تصل إلى 16 جيجابت في الثانية – ضعف سرعة GDDR5 – مع عرض نطاق يبلغ 32 بايت في عمليات القراءة والكتابة، تماما ك GDDR5.

تجدر الإشارة إلى أن تسلسل أرقام GDDR لا يتطابق بالضرورة مع DDR؛ فعلى سبيل المثال، تم تطوير GDDR5 بناء على تقنية DDR3، بينما تم تطوير GDDR6 بالاعتماد على DDR4، مما يعني أن GDDR تتبع مسارا تقنيا مستقلا إلى حد كبير من حيث الأداء والتطوير.

دور وحدة معالجة الرسوميات (GPU)

تتمثل الوظيفة الأساسية لوحدة معالجة الرسوميات في تنفيذ عمليات الرندر أو التصيير (Rendering) للصور، والتي تتطلب مساحة تخزين مؤقتة للاحتفاظ بالبيانات اللازمة لإنشاء الصورة النهائية. تستخدم وحدة GPU ذاكرة الوصول العشوائي لتخزين معلومات كل بكسل في الصورة، بما في ذلك اللون والموقع.

يعرف البكسل بأنه أصغر عنصر في الصورة النقطية (Raster Image)، ويعبر عنه بنقطة في شبكة مستطيلة من البكسلات تكون الصورة. كما يمكن للذاكرة أيضا تخزين الصور المكتملة حتى يتم عرضها على الشاشة، وتسمى هذه المنطقة ذاكرة الإطار (Frame Buffer).

قبل ظهور معالجات الرسوميات المتخصصة، كانت وحدة المعالجة المركزية (CPU) هي المسؤولة عن معالجة الرسوميات وإنتاج الصور، مما كان يسبب ضغطا شديدا عليها ويؤدي إلى بطء عام في أداء النظام. وقد بدأت الحاجة لتطوير GPU تتزايد مع توسع استخدام الرسوميات ثلاثية الأبعاد، خاصة في مجالات مثل ألعاب Arcade، وأجهزة الألعاب المنزلية (Consoles)، ومحاكيات الطيران والتطبيقات العسكرية، والروبوتات، والتصوير الطبي. لكن الطريق لم يكن سهلا، إذ واجه المطورون تحديات متعددة في تصميم العتاد، وتطوير تقنيات الرندر المختلفة، وتوحيد المسميات والمصطلحات المستخدمة في هذا المجال.

تاريخ الرسوميات ثلاثية الأبعاد

البدايات الأولى لمفهوم GPU

ظهر مصطلح GPU لأول مرة في سبعينيات القرن الماضي، وهو اختصار لـ “وحدة معالجة الرسوميات” (Graphic Processing Unit). أُطلق حينها على وحدة قابلة للبرمجة تعمل بشكل مستقل عن وحدة المعالجة المركزية (CPU)، وكانت مهمتها إدارة وتنظيم الإخراج الرسومي. ومع ذلك، لم يكن لهذا المصطلح تعريف دقيق أو واضح كما هو اليوم.

دخول IBM إلى عالم الرسوميات (1981)

في عام 1981، دخلت شركة IBM إلى سوق الرسوميات من خلال تطوير بطاقتين:

• MDA (محول العرض الأحادي اللون): اعتمدت على ذاكرة فيديو بسعة 4 كيلوبايت، وكانت تدعم فقط العرض النصي، ولم تعد تُستخدم حاليًا إلا في الأنظمة القديمة.
• CGA (محول الرسوميات الملونة): كانت أول بطاقة رسوميات مخصصة لأجهزة الحاسوب، مزودة بذاكرة فيديو 16 كيلوبايت، وتدعم عرض 16 لونًا بدقة 160×200 بكسل.

تطورات سريعة ومنافسات جديدة (1982 – 1984)

• في عام 1982، طرحت شركة Hercules Graphics بطاقة HGC التي جمعت بين إمكانيات MDA وقدرة عرض رسوميات بتقنية البت ماب، وزُودت بذاكرة فيديو سعتها 64 كيلوبايت.
• في عام 1983، دخلت شركة Intel المنافسة ببطاقة iSBX 275 Video Graphics Multimodule، والتي كانت قادرة على عرض 8 ألوان بدقة 256×256 بكسل.
• في عام 1984، قدمت شركة IBM بطاقتين جديدتين:
  • PGC (التحكم الرسومي الاحترافي)
  • EGA (المحول الرسومي المحسن): كلتاهما دعمتا عرض 16 لونًا بدقة 640×350 بكسل.

ظهور معيار VGA وبداية بطاقات ATI (1987)

عام 1987 شهد تطورًا نوعيًا مع:

• ظهور معيار VGA (مصفوفة الرسوميات المرئية)، والذي أتاح دقة عرض تصل إلى 640×480 بكسل، مع دعم 16 لونًا وذاكرة فيديو بسعة 256 كيلوبايت.
• إطلاق شركة ATI أول بطاقة رسومية باسم ATI VGA Wonder، وقد تميزت بعض إصداراتها بمنفذ مخصص للفأرة.

في تلك المرحلة، كانت بطاقات الرسوميات تعتمد بشكل كبير على وحدة المعالجة المركزية، وكانت الذاكرة الرسومية محدودة.

تطور الرسوميات مع الألعاب ثلاثية الأبعاد

مع تزايد الطلب على الرسوميات في الألعاب، أصبحت المعالجات المركزية غير قادرة على تلبية متطلبات المعالجة الرسومية بكفاءة، مما أدى إلى:

• ظهور مفهوم تسريع الرسوميات عبر وحدات معالجة رسومية مخصصة.
• إطلاق مسرّعات الرسومات (Graphic Accelerators) لتخفيف الحمل على المعالج.
• في عام 1992، أطلقت شركة Silicon Graphics مكتبة OpenGL المفتوحة المصدر، والتي ساهمت في تطوير الرسوميات ثلاثية الأبعاد بشكل كبير.

بداية بطاقات الألعاب الحديثة (1996 – 1997)

• في عام 1996، قدمت شركة 3dfx أول بطاقة رسوميات ثلاثية الأبعاد باسم Voodoo1، وكانت تتطلب وجود بطاقة ثنائية الأبعاد مرافقة لتعمل.
• في عام 1997، ردت شركة NVIDIA ببطاقة RIVA 128، والتي مكنت من دمج الرسوميات الثنائية والثلاثية الأبعاد في بطاقة واحدة، لكنها لم تحقق نفس جودة رسومات Voodoo1.

ظهور تقنية SLI وزيادة قوة المعالجة

• أطلقت شركة 3dfx بطاقة Voodoo2، وهي أول بطاقة تدعم تقنية SLI (واجهة الربط القابلة للتوسعة)، والتي تسمح باستخدام بطاقتين أو أكثر في وقت واحد لتعزيز القوة الرسومية.
• لاحقًا، أصبحت SLI علامة تجارية مملوكة لشركة NVIDIA، على الرغم من أن هذه التقنية لم تعد مستخدمة على نطاق واسع حاليًا.

مرحلة المعالج الرسومي الحقيقي (1999)

في عام 1999، قدمت شركة NVIDIA أول معالج رسومي حقيقي في العالم باسم GeForce 256، وهو أول من حمل رسميًا اسم GPU. تميز هذا المعالج بقدرته على تنفيذ العمليات التالية:

• التحويلات ثلاثية الأبعاد
• الإضاءة
• التظليل
• التصيير (Rendering)

وذلك ضمن شريحة واحدة، كما احتوى على 32 ميغابايت من ذاكرة DDR، وكان يدعم مكتبة DirectX 7 بشكل كامل.

صعود المنافسة وتطور المصطلحات (2002)

• في عام 2002، قدمت شركة ATI بطاقة Radeon 9700، وابتكرت مصطلح VPU (وحدة المعالجة البصرية) كمصطلح بديل لمعالجها الرسومي.
• مع تطور التقنية، أصبحت وحدات المعالجة الرسومية قابلة للبرمجة، مما أطلق شرارة منافسة شرسة بين الشركات، خاصة بين سلسلة GeForce من NVIDIA وسلسلة Radeon من ATI.

دخول منصات الألعاب إلى المنافسة

في الوقت ذاته، دخلت شركات الألعاب إلى حلبة الرسوميات لتقديم أفضل تجربة ممكنة:

• سيغا عبر جهاز Dreamcast
• سوني عبر جهاز PlayStation 1
• نينتندو عبر جهاز Nintendo 64

وقد كان لكل منها دور مهم في رفع مستوى الرسوميات في عالم الترفيه الرقمي، ضمن حدود الإمكانيات التقنية لعصرها.

كيفية إنتاج الرسومات ثلاثية الأبعاد

تمر عملية إنتاج الرسومات ثلاثية الأبعاد بثلاث مراحل رئيسية:

النمذجة ثلاثية الأبعاد

النمذجة ثلاثية الأبعاد هي عملية إنشاء تمثيل قائم على الإحداثيات الرياضية لسطح أو شكل جسم ما – سواء كان حيًا أو غير حي – في الفضاء ثلاثي الأبعاد، ويتم ذلك باستخدام برامج متخصصة عبر التلاعب بالرؤوس، والحواف، والسطوح متعددة الأضلاع التي تحاكى في بيئة ثلاثية الأبعاد.

يعبر عن الأجسام الفيزيائية بمجموعة من النقاط في الفضاء ثلاثي الأبعاد تربط فيما بينها بعناصر هندسية كالمثلثات، والخطوط، والسطوح المنحنية. وتبنى النماذج ثلاثية الأبعاد في البداية من خلال ربط هذه النقاط وتكوين المضلعات. ويُعتبر المضلع وحدة أساسية تشكَل من ثلاثة رؤوس على الأقل (مثل المثلث)، وتعد جودة البنية الهندسية لهذه المضلعات عاملًا أساسيًا في مدى ملاءمة النموذج للاستخدام في الرسوم المتحركة.

تنقسم النماذج ثلاثية الأبعاد إلى نوعين أساسيين:

• النمذجة المتعددة الأضلاع (Vertex Modeling): وتعتمد على الربط بين نقاط شبكة من المتجهات.
• النمذجة المنحنية (Pixel Modeling): وتبنى عبر منح الأوزان لنقاط معينة.

يفضل استخدام النمذجة المتعددة الأضلاع اليوم على نطاق واسع بسبب مرونتها وسرعة التصيير (Render) العالية، ولهذا تنتج أغلب النماذج ثلاثية الأبعاد باستخدام هذه الطريقة، مع إلحاق الخامات (Textures) بها. وتعتبر وظيفة إسناد الخامة (Texture Mapping) من المهام الأساسية لوحدات معالجة الرسومات، حيث تضيف صورة سطحية إلى النموذج ثلاثي الأبعاد (3D) لتحاكي المظهر الواقعي. فعلى سبيل المثال، يمكن تحويل نموذج ثلاثي الأبعاد بسيط إلى صخرة حقيقية بإضافة خامة صخرية له، أو جعله يبدو كوجه إنساني من خلال خامة تشبه البشرة.

أما في النمذجة المنحنية، فتعتمد العملية على التحكم بوزن النقاط دون استيفاء نقاط داخلية، ويتم توليد السطوح المنحنية عبر مضاعفة عدد المضلعات نسبيًا. وفي هذه الطريقة، كلما زاد وزن نقطة معينة، انجذب السطح المنحني نحوها.

التخطيط والتحريك (Layout & Animation)

بعد الانتهاء من النمذجة، تأتي مرحلة تخطيط مواضع الأجسام وتحديد حركاتها داخل المشهد، مثل ترتيب النماذج، الإضاءة، والزوايا، وذلك قبل عملية التصيير النهائي. تحدد مواضع وأحجام الأجسام والعلاقات المكانية فيما بينها لإنشاء المشهد الديناميكي. وتشير عملية التحريك إلى تحديد الكيفية التي يتحرك بها جسم أو يتغير شكله مع مرور الوقت.

تشمل الأساليب المستخدمة في التخطيط والتحريك ما يلي:

• الإطارات الرئيسية (Keyframing)
• الحركة العكسية (Inverse Kinematics)
• التقاط الحركة (Motion Capture)

وغالبًا ما يتم استخدام هذه التقنيات بشكل مدمج في المشاريع المتقدمة.

التصيير (Rendering)

في هذه المرحلة النهائية، يتم إنتاج الصورة النهائية بناءً على بيانات الإضاءة، المواد، والخامات المحددة سابقًا. تعتمد عملية التصيير على خوارزميات دقيقة تنفذ داخل برامج متخصصة لتحويل المشهد الثلاثي الأبعاد إلى صورة ثنائية الأبعاد ذات تفاصيل عالية.

تشمل العمليات الأساسية في التصيير ما يلي:

• نقل الضوء بين الأسطح.
• تفاعل الضوء مع المواد (الانعكاس، الانكسار، الانتشار).

تستخدم برامج التصيير المتخصصة لحساب كل من هذه التفاعلات بناءً على المواد والخامات التي تم تطبيقها على النماذج. وقد تستغرق عملية التصيير من جزء من الثانية إلى عدة أيام لإنتاج إطار واحد فقط، حسب تعقيد المشهد ودقة الإعدادات.

تقنية التظليل (Shading)

مع تطور وحدات معالجة الرسومات (GPU) للحد من العبء عن المعالجات المركزية (CPU)، برزت شركتا NVIDIA وATI كمنافسين رئيسيين في عالم الرسومات الحاسوبية، وسعت كل منهما لتقديم تقنيات أكثر واقعية من خلال رفع عدد الأسطح في النماذج وتحسين طرق التصيير. وُلدت تقنية التظليل نتيجة لهذا التنافس.

تشير عملية التظليل إلى تعديل لون سطح أو شكل في مشهد ثلاثي الأبعاد استنادًا إلى عوامل مثل:

• المسافة من مصدر الضوء
• زاوية السطح بالنسبة للضوء
• زاوية الانعكاس

يتم حساب هذه التأثيرات باستخدام برنامج صغير يسمى Shader (الظل أو المظلل)، والذي يدمج ضمن عملية التصيير لتحديد اللون، الظل، والإضاءة على سطح الجسم.

تستخدم المظللات على نطاق واسع في:

• إنتاج المؤثرات البصرية للأفلام
• الرسوم الحاسوبية الواقعية
• ألعاب الفيديو

وتنقسم المظللات إلى ثلاثة أنواع رئيسية:

1. مظللات الرؤوس (Vertex Shaders): تصف موضع الرأس، تنسيق الخامة، اللون، وغير ذلك.
2. مظللات البكسل (Pixel Shaders): تصف لون كل بكسل، عمقه (Z-depth)، وشفافيته (Alpha).
3. مظللات هندسية (Geometry Shaders): تتحكم في شكل وتكوين المضلعات نفسها.

في الأجيال السابقة من بطاقات الرسوميات، كانت هذه المظللات تنفذ على وحدات معالجة منفصلة، أما البطاقات الحديثة فهي تعتمد على مظللات موحّدة قادرة على تنفيذ جميع الأنواع بكفاءة أعلى.

أمثلة بصرية للتظليل:

• الصورة الأولى: جميع الأسطح بلون واحد، مع تحديد الحواف لتوضيح الشكل.
• الصورة الثانية: الأسطح بدون حواف، مما يصعب تمييز الحواف والزوايا.
• الصورة الثالثة: تطبيق التظليل، مما يجعل الشكل يبدو أكثر واقعية ويسهل تمييز تفاصيله.

مظللات البكسل (Pixel Shaders)

مظللات البكسل تقوم بحساب وتصيير (Render) اللون والخصائص الأخرى لكل منطقة بكسل على الشاشة. أبسط أنواع مظللات البكسل تنتج فقط لونًا واحدًا لكل بكسل على الشاشة. ومع ذلك، يمكن لمظللات البكسل تنفيذ تأثيرات أكثر تعقيدًا بجانب نماذج الإضاءة الأساسية، مثل:

• تغيير الفضاء اللوني
• تعديل التشبع والإضاءة (HSL/HSV)
• ضبط التباين
• إنشاء تأثيرات ضبابية (Blur) أو توهج (Bloom)
• محاكاة الإضاءة الحجمية (Volumetric Lighting)
• استخدام الخرائط العادية (Normal Mapping) لإضافة عمق بصري
• تأثيرات بوكيه (Bokeh)
• التظليل الخلوي (Cell Shading)
• تأثيرات البوستر (Posterization)
• الخرائط البارزة (Bump Mapping)
• التشويهات البصرية (Distortion)
• تأثيرات الشاشة الزرقاء أو الخضراء (Chroma Key)
• تمييز الحواف والحركة
• ومحاكاة التأثيرات السيكاديلية (Psychedelic Effects)

على الرغم من قوة مظللات البكسل، فإنها وحدها لا تكفي لإنشاء تأثيرات بصرية ثلاثية الأبعاد معقدة، لأنها تعمل فقط على منطقة بكسل واحدة ولا تملك إمكانية الوصول إلى بيانات الرؤوس (Vertices). ولكن، إذا تم تمرير محتوى الشاشة بالكامل كمادة خام (Texture) إلى مظلل البكسل، يمكنه أخذ عينات من البكسلات المحيطة لتطبيق مجموعة واسعة من تأثيرات المعالجة اللاحقة (Post-Processing) ثنائية الأبعاد مثل التمويه أو كشف/تعزيز الحواف.

مظللات الرؤوس

مظللات الرؤوس (Vertex Shaders) تعد من أكثر أنواع المظللات شيوعا في الرسومات ثلاثية الأبعاد، ويتم تنفيذها مرة واحدة لكل رأس يرسل إلى المعالج الرسومي. الهدف من استخدام هذه المظللات هو تحويل الموقع الثلاثي الأبعاد لكل رأس في الفضاء الافتراضي إلى إحداثيات ثنائية الأبعاد لعرضها على الشاشة. يمكن لمظللات الرؤوس التلاعب بخصائص مثل إحداثيات الموقع، اللون، والملمس، لكنها غير قادرة على إنشاء رؤوس جديدة.

مظللات الرسوم تحتاج إلى تنفيذ متوازي لتسريع العمليات الحسابية والتصيير؛ ومن هنا نشأ مفهوم “الثريد” أو “الخيط”.

في عام 2000، قدمت شركة ATI سلسلة بطاقات الرسومات Radeon R100، وبذلك أطلقت إرثا دائما لسلسلة بطاقات Radeon في السوق. كانت أولى بطاقات Radeon متوافقة بشكل كامل مع DirectX 7، وكانت تعتمد على تقنية HyperZ من ATI، التي تضمنت ثلاث تقنيات: ضغط Z، مسح سريع ل Z، والتخزين الهرمي ل Z، وذلك بهدف الحفاظ على عرض النطاق الترددي وزيادة كفاءة التصيير.

وفي عام 2001، أطلقت شركة Nvidia سلسلة بطاقات الرسومات GeForce 3، والتي كانت أول بطاقات رسومية قابلة للبرمجة في العالم باستخدام مظللات البكسل. وبعد خمس سنوات، استحوذت شركة AMD على ATI، ومنذ ذلك الحين أصبحت بطاقات Radeon تباع تحت اسم AMD. وبما أن برامج التظليل تحتاج إلى معالجة متوازية لتسريع الحسابات والتصيير، قدمت Nvidia مفهوم “الثريد” أو “الخيط” لمعالجات الرسوميات، وسنشرح ذلك بمزيد من التفصيل لاحقا.

الفرق بين وحدة معالجة الرسوميات (GPU) ووحدة المعالجة المركزية (CPU)

المعمارية والوظيفة الأساسية

تطوّر المعالج الرسومي (GPU) منذ البداية كمكمل للمعالج المركزي (CPU)، بهدف تخفيف العبء عن وحدة المعالجة المركزية. ومع مرور الوقت، تطورت المعالجات المركزية بفضل الابتكارات المعمارية وزيادة التردد وعدد الأنوية، لتصبح أكثر قوة وسرعة. في المقابل، صممت وحدات المعالجة الرسومية خصيصًا لتسريع عمليات المعالجة الرسومية المكثفة.

المعالجات المركزية مصممة لأداء المهام بسرعة عالية وبأقل تأخير ممكن، مع القدرة على التنقل السريع بين المهام المختلفة، حيث أن طريقة عملها تعتمد على التنفيذ التسلسلي للعمليات.

أما المعالج الرسومي، فقد صمم لتحقيق أقصى إنتاجية من خلال تنفيذ المهام بطريقة متوازية ومتزامنة. الصورة التالية توضح الفرق الكبير في عدد الأنوية بين المعالج المركزي والمعالج الرسومي، مما يدل على أن الفارق الجوهري يكمن في عدد الأنوية التي تتعامل مع المهام.

أوجه الشبه بين CPU وGPU

بالرغم من الاختلاف في الغرض الأساسي، إلا أن هناك أوجه شبه معمارية بين CPU وGPU. فكلاهما يستخدم طبقات من ذاكرة التخزين المؤقت (Cache) ويتضمن وحدة تحكم بالذاكرة وذاكرة وصول عشوائي (RAM). توضح المعمارية العامة للمعالجات الحديثة أن التصميم يركز على تقليل زمن الوصول إلى الذاكرة بفضل استخدام مستويات متعددة من الذاكرة المؤقتة، ويتغير الترتيب الدقيق حسب الشركة المُصنّعة ونوع المعالج.

طبقات الذاكرة المؤقتة في CPU:

• ذاكرة L1: الأسرع والأقرب إلى وحدة المعالجة، لكنها الأقل سعة، وتخزن البيانات الأهم.
• ذاكرة L2: أبطأ من L1، لكن ذات سعة أكبر.
• ذاكرة L3: مشتركة بين جميع أنوية المعالج، وتعد أبطأ لكنها أوسع من L1 وL2.
• ذاكرة L4: تستخدم أحيانًا، وتُشبه L3 في طبيعتها من حيث السعة الأكبر والسرعة الأبطأ.

إذا لم توجد البيانات في الذاكرة المؤقتة، يتم استدعاؤها من الذاكرة الرئيسية (DDR RAM).

المعالج الرسومي: تصميم لأداء متوازٍ

عند النظر إلى معمارية المعالج الرسومي، نلاحظ تركيزه ليس على سرعة الوصول للذاكرة أو تقليل التأخير، بل على تفعيل عدد كبير من الأنوية في وقت واحد. يتكوّن الـ GPU من عدة مجموعات من الأنوية، كل منها مرتبط بذاكرة مؤقتة من المستوى الأول (L1).

ويتميز المعالج الرسومي بعدد أقل من طبقات الذاكرة المؤقتة مقارنة بالمعالج المركزي، ولكن يحتوي على عدد كبير من الترانزستورات المخصصة للعمليات الحسابية، ويعتمد بدرجة أقل على استرجاع البيانات من الذاكرة، وذلك لأن الهدف الرئيسي هو معالجة البيانات بطريقة متوازية.

الحسابات عالية الأداء (HPC)

تعتبر المعالجة المتوازية أحد أهم عناصر الحسابات عالية الأداء (High Performance Computing)، وهي ضرورية لتشغيل التطبيقات المعقدة. لهذا السبب، تعد وحدات المعالجة الرسومية مثالية لمثل هذه الاستخدامات.

مقارنة مبسطة:

تخيّل أن لديك مهمات حسابية ثقيلة وتفكر في حلين:

• استخدام عدد قليل من الأنوية القوية تنفذ العمليات بالتسلسل (مثل CPU).
• استخدام عدد كبير من الأنوية الأقل قوة، لكن تنفذ العمليات في وقت واحد (مثل GPU).

في السيناريو الأول، فقدان نواة واحدة يؤثر على الأداء العام بشكل كبير. أما في السيناريو الثاني، فقدان نواة واحدة لا يؤثر كثيرًا، لأن بقية الأنوية تواصل العمل بسلاسة.

المعالج الرسومي ينفذ العديد من المهام بالتوازي، بينما المعالج المركزي ينفذ مهمة واحدة بسرعة كبيرة.

عرض النطاق الترددي وسيناريوهات الأداء

يمتلك المعالج الرسومي عرض نطاق ترددي (Bandwidth) أعلى بكثير من المعالج المركزي، مما يجعله أكثر كفاءة في تنفيذ المهام المتوازية ذات الحجم الكبير. ومع ذلك، فإن أداء GPU يتراجع عندما تكون العمليات تسلسلية أو غير قابلة للتنفيذ المتوازي.

أنوية المعالج المركزي أقوى من أنوية المعالج الرسومي، لكن عرض النطاق الترددي في الـ CPU أقل من نظيره في الـ GPU.

التعرف على بنية وحدة معالجة الرسوميات (GPU)

عند المقارنة بين وحدة المعالجة المركزية (CPU) ووحدة معالجة الرسوميات (GPU)، نلاحظ من النظرة الأولى أن المعالج المركزي يحتوي على عدد أقل من الوحدات الحسابية، لكنها أكبر حجمًا وأعلى أداءً من حيث الذكاء والسرعة مقارنة بوحدات المعالجة في المعالج الرسومي.

على مر الزمن، تم رفع تردد أنوية المعالج المركزي تدريجيًا لتحسين الأداء. في المقابل، تم تقليل تردد أنوية المعالج الرسومي لتحقيق كفاءة أفضل في استهلاك الطاقة وتسهيل دمجه ضمن الهواتف الذكية والأجهزة المحمولة الأخرى.

يعد تنفيذ التعليمات بشكل غير منتظم أحد أبرز علامات ذكاء أنوية المعالج المركزي؛ إذ تستطيع وحدة المعالجة المركزية إعادة ترتيب تنفيذ الأوامر، أو حتى التنبؤ بالتعليمات المقبلة وتحضير البيانات اللازمة مسبقًا، مما يساهم في تحسين الأداء وتوفير الوقت.

أما في المقابل، فإن نواة المعالج الرسومي لا تتحمل مسؤوليات معقدة، ولا تؤدي وظائف كثيرة خارج نطاق التعليمات المحددة مسبقًا. فعادة ما تخصص أنوية GPU لأداء عمليات حسابية متماثلة ومتكررة، مثل عملية الضرب بين عددين ثم جمع عدد ثالث (A × B + C = الناتج)، وهي ما يُعرف باسم Multiply-Add (MAD). وعند استخدام نفس النتيجة بدقة كاملة ودون تقصير في خطوة الضرب، تعرف العملية باسم Fused Multiply-Add (FMA).

ومع تطور البنية المعمارية للمعالجات الرسومية الحديثة، لم تعد الوظائف مقتصرة على FMA فقط، بل شملت مهامًا أكثر تعقيدًا مثل تتبع الأشعة (Ray Tracing) ومعالجة عبر أنوية تنسور (Tensor Cores)، والتي تم تطويرها خصيصًا لتقديم رسوميات فائقة الواقعية.

أنوية تنسور (Tensor Cores)

في عام 2020، طرحت شركة NVIDIA معالجات رسومية مزودة بوحدات جديدة، تعرف بأنوية التنسور، إلى جانب الأنوية التقليدية المسؤولة عن التظليل (Shader). تم تصميم هذه الأنوية خصيصًا لمعالجة تطبيقات الذكاء الاصطناعي، التعلم العميق، والشبكات العصبية.

“التنسور” هو مفهوم رياضي، أصغر وحداته ذات بعد صفري وتحتوي على قيمة واحدة فقط. ومع زيادة الأبعاد، نحصل على:

• تنسور أحادي البُعد: يمثل متجهًا (Vector) – هيكل صفري في بُعد واحد.
• تنسور ثنائي البُعد: يمثل مصفوفة (Matrix) – هيكل ذو بعدين.

تنتمي أنوية التنسور إلى فئة تعليمات “SIMD” أي “تعليمة واحدة لبيانات متعددة”، مما يجعلها مثالية لمعالجة البيانات المتوازية بكفاءة. قدمت NVIDIA هذه التقنية لأول مرة ضمن معمارية “فولتا” (Volta) في عام 2017، وكانت موجهة للأسواق الاحترافية فقط، حيث لم تتوفر أنوية التنسور في بطاقات GeForce الاستهلاكية آنذاك.

في نسختها الأولى، دعمت أنوية التنسور عمليات ضرب على أرقام عشرية بدقة 16-بت (FP16) وعمليات جمع بدقة 32-بت (FP32). بعد أقل من عام، قدمت NVIDIA معمارية “تورينغ” (Turing) والتي أتاحت هذه الأنوية لبطاقات GeForce أيضًا، إلى جانب دعم أنواع بيانات جديدة مثل الأعداد الصحيحة بدقة 8-بت.

بحلول عام 2020، جاءت معمارية “أمبير” (Ampere) في معالجات A100 المخصصة لمراكز البيانات، حيث تم تحسين أداء أنوية التنسور بشكل ملحوظ، إذ أصبحت قادرة على تنفيذ عدد أكبر من العمليات في كل دورة ساعة، بالإضافة إلى دعم صيغ بيانات جديدة.

اليوم، تعد أنوية التنسور مكونات متخصصة، توجد في عدد محدود من المعالجات الرسومية الاستهلاكية. لا تزال شركتا Intel وAMD لا تقدمان أنوية تنسور في معالجاتهما الرسومية، إلا أنه من المتوقع أن تطورا تقنيات مشابهة في المستقبل.

تطبيقات أنوية التنسور

• في الرياضيات والفيزياء والهندسة: تستخدم أنوية التنسور في إجراء حسابات معقدة في مجالات مثل الكهرومغناطيسية، الفلك، وميكانيكا الموائع.
• تحسين دقة الصور: يمكن لهذه الأنوية توليد الصور بجودة منخفضة أولًا، ثم ترقيتها إلى دقة عالية بعد الانتهاء من عملية التصيير، مما يساهم في تقليل الحمل على النظام.
• رفع معدل الإطارات في الألعاب: بعد تفعيل تتبع الأشعة في الألعاب، تساعد أنوية التنسور في الحفاظ على معدل إطارات مرتفع، مما يضمن تجربة لعب أكثر سلاسة.

محرك تتبع الأشعة (Ray Tracing) في وحدة معالجة الرسوميات

لا تقتصر وحدات المعالجة الرسومية (GPU) الحديثة على احتوائها على الأنوية وطبقات الذاكرة المؤقتة (Cache) فقط، بل قد تتضمن أيضاً عتاداً مخصصاً لتسريع عمليات تتبع الأشعة، وهي تقنية تحاكي انعكاس الضوء من مصدره عند اصطدامه بالأجسام، وتنتج مناطق متفاوتة من حيث الإضاءة والظلال بشكل يحاكي الواقع بدرجة كبيرة.

يُعدّ تتبع الأشعة أحد أبرز التطوّرات التي شهدتها الرسوميات الحاسوبية وصناعة الألعاب خلال السنوات الأخيرة. فبينما كانت هذه التقنية تستخدم حصراً في صناعة الأفلام، وتصميم المشاهد الثلاثية الأبعاد، والرسوم المتحركة والتأثيرات البصرية، أصبحت اليوم جزءاً لا يتجزأ من الجيل الجديد من منصات الألعاب مثل PS5 وXbox Series X.

ما هو تتبّع الأشعة؟

في الواقع، كل ما نراه حولنا هو نتيجة لانعكاس الضوء من الأجسام باتجاه أعيننا. تتبّع الأشعة يحاكي هذه الظاهرة ولكن بطريقة معكوسة رقمياً؛ حيث يبدأ بتحديد مصدر الضوء، ثم يحسب مسار الأشعة، وكيفية انعكاسها وامتصاصها عند اصطدامها بمختلف أنواع المواد، مع مراعاة نوع السطح، وشفافيته، ولونه، وانعكاسيته، وغيرها.

هذه الخوارزمية تنتج صوراً بظلال واقعية، وانعكاسات دقيقة، وتأثيرات ضوئية تتوافق مع قوانين الفيزياء. لذا، فإن الرسومات الناتجة عنها تبدو أقرب بكثير إلى الحقيقة، خصوصاً عند مقارنة المشاهد التقليدية المدفوعة بالـ Rasterization.

التقدّم في استخدام تتبّع الأشعة

في عام 2018، أطلقت شركة NVIDIA هذه التقنية في سلسلة بطاقاتها الرسومية RTX المعتمدة على معمارية Turing، وكانت هذه أول مرة يدمج فيها محرك مخصص لتسريع تتبّع الأشعة (RT Cores) في معالجات رسومية موجهة للمستهلكين. لاحقاً، أصدرت NVIDIA تعريفات جديدة تتيح دعماً محدوداً لتتبّع الأشعة في بعض بطاقات GTX، لكن بأداء أقل مقارنة بسلسلة RTX.

أما شركة AMD، فقد أدخلت تتبّع الأشعة من خلال معمارية RDNA 2، والتي اعتمدت عليها أجهزة PS5 وXbox Series X|S. وبالرغم من جودة الرسوميات العالية التي توفرها هذه التقنية، إلا أن تفعيلها يؤدي غالباً إلى انخفاض ملحوظ في معدل الإطارات (Frame Rate)، نظراً للعبء الكبير الذي تُشكله على المعالج الرسومي.

ما هو معدل الإطارات FPS؟

معدل الإطارات يقاس بعدد الإطارات في الثانية الواحدة (Frames Per Second – FPS)، ويعد من أهم مؤشرات أداء بطاقة الرسوميات. يمثل هذا الرقم عدد الصور المكتملة التي يمكن عرضها في كل ثانية. على سبيل المثال، العين البشرية تستطيع تمييز حوالي 25 إطاراً في الثانية، بينما تحتاج الألعاب الحركية السريعة إلى معدل 60 FPS على الأقل للحصول على تجربة لعب سلسة دون تقطّع.

فعلى سبيل المثال، لعبة تعمل على معدل 60 إطاراً في الثانية بدون تتبّع الأشعة، قد تنخفض إلى 30 إطاراً في الثانية أو أقل عند تفعيل هذه التقنية، مما يتطلب غالباً استخدام تقنيات تعزيز الأداء مثل DLSS من NVIDIA أو FSR من AMD للحفاظ على جودة الصورة دون التضحية بالسلاسة.

محرك تتبع الأشعة هو خطوة ثورية في طريق تقديم تجارب رسومية غامرة، سواء في الألعاب أو في الأعمال السينمائية والتصميم ثلاثي الأبعاد. وعلى الرغم من أن تفعيل هذه التقنية قد يؤدي إلى استهلاك عالٍ للموارد، فإن تطوّر المعماريات وتقديم حلول ذكية للتعويض عن ذلك يجعلها أكثر قابلية للاستخدام الواسع في المستقبل القريب.

ما هو GPGPU؟

مصطلح GPGPU هو اختصار لعبارة General Purpose Graphics Processing Unit، ويقصد به استخدام وحدات المعالجة الرسومية (GPU) لأغراض عامة تتعدى المهام التقليدية للرسوميات. فعلى عكس الاستخدام المعتاد لمعالجات الرسوميات في عرض الصور والرسوم ثلاثية الأبعاد، يتيح GPGPU تنفيذ العمليات الحسابية التي كانت تقتصر سابقاً على وحدات المعالجة المركزية (CPU)، مثل التشفير، المحاكاة الفيزيائية، الحسابات العلمية، بل وحتى تعدين العملات الرقمية كـالبيتكوين.

لماذا ظهرت تقنية GPGPU؟

استفاد العديد من المستخدمين من الطبيعة المتوازية لمعالجات الرسوميات لأداء عمليات غير رسومية، وهو ما لم تكن المعالجات مصممة له تقنياً في البداية. ولحل هذا التحدي، قامت شركة NVIDIA بتقديم مفهوم GPGPU كحل رسمي، يفتح المجال لاستخدام معالجات الرسوميات في أداء المهام العامة ذات الطبيعة الحسابية الكثيفة، ولكن مع تنظيم وواجهة برمجية مناسبة.

معالجات الرسوميات تحتوي على آلاف الأنوية البسيطة التي يمكنها معالجة كميات ضخمة من البيانات بشكل متوازي، ما يجعلها مثالية للأعمال الحسابية الضخمة التي يمكن تقسيمها إلى أجزاء صغيرة تنفذ في نفس الوقت، مثل محاكاة السوائل، الذكاء الاصطناعي، معالجة الصور، والخوارزميات الرياضية المعقّدة.

بدايات GPGPU

بدأ تطور مفهوم المعالجة العامة على المعالجات الرسومية مع معالج GeForce 3 من NVIDIA، الذي قدم لأول مرة وحدات Shader قابلة للبرمجة. وقد مكّن ذلك المطورين من التحكم في طريقة عرض الرسومات بطريقة أكثر واقعية، مثل تحسين الإضاءة والظلال والتضاريس.

لاحقاً، قدمت شركة ATI (التي أصبحت لاحقاً جزءاً من AMD) معالج Radeon 9700 الذي دعم مكتبة DirectX 9، وجلب معه قدرات برمجية متقدمة شبيهة بما تقوم به وحدات المعالجة المركزية. ثم جاءت Windows Vista بمكتبة DirectX 10، التي دعمت وحدات التظليل الموحدة (Unified Shaders)، مما شكّل نقطة تحوّل في استخدام الـ GPU لأغراض متعددة.

أدوات GPGPU وتطور بيئة البرمجة

مع توسع استخدام GPGPU، أصبح من الضروري توفير أدوات تسهّل على المطورين كتابة البرامج التي تستفيد من قوة المعالجة الرسومية. لذلك ظهرت واجهات برمجة التطبيقات (API) مثل:

• CUDA: وهي لغة برمجة طوّرتها NVIDIA، تتيح استغلال إمكانات معالجاتها الرسومية في معالجة البيانات العامة.
• OpenCL: منصة مفتوحة المصدر تدعمها عدة شركات مثل AMD وIntel، تتيح تنفيذ تعليمات على معالجات متعددة بما في ذلك CPU وGPU.

بفضل هذه الأدوات، أصبح بالإمكان تشغيل خوارزميات معقدة جداً على كروت الشاشة، سواء في مجالات الذكاء الاصطناعي، تحليل البيانات الكبيرة، أو المعالجة الفورية للفيديو.

ما هو CUDA في وحدة معالجة الرسوميات (GPU)؟

CUDA هو اختصار لعبارة Compute Unified Device Architecture، وهي منصة حوسبة متوازية طورتها شركة NVIDIA، تتيح للمبرمجين استخدام وحدة المعالجة الرسومية (GPU) كوحدة معالجة مساعدة لتنفيذ المهام الحسابية المعقدة بسرعة وكفاءة عالية.

بعبارة أبسط، تسمح CUDA للبرامج بالاستفادة من “عقل” بطاقة الرسوميات – أي معالج الرسوميات – لتنفيذ أجزاء من المهام التي عادة ما كانت تسند إلى المعالج المركزي (CPU). يقوم المعالج بتفويض مهام معينة مثل الإضاءة، الحركة، التفاعل، والتأثيرات البصرية إلى بطاقة الرسوميات المزودة بأنوية CUDA، والتي تم تحسينها لمعالجة هذه المهام بسرعة فائقة وبشكل متوازٍ. بعد إتمام المعالجة، تعاد النتائج إلى المعالج لاستخدامها في الحسابات الأكبر أو للتخزين والمعالجة النهائية.

مميزات أنوية CUDA

• سرعة تنفيذ فائقة: يمكن لأنوية CUDA أن تعالج كميات ضخمة من البيانات في وقت قياسي بفضل قدرتها على المعالجة المتوازية.
• تقليل أوقات الرندر والمعالجة: تستخدم CUDA على نطاق واسع في تطبيقات مثل:
  • تأثيرات الفيديو والرسوم المتحركة
  • محاكاة الديناميكا الحرارية والسوائل
  • عمليات التنبؤ العلمي والنمذجة الرياضية
  • تتبع الأشعة (Ray Tracing) في الرسوميات الحديثة
  • تحويل وترميز الفيديو
• دعم لغات برمجة شائعة: تم تصميم CUDA للعمل مع لغات مثل C وC++ وFortran، مما يسهل على المطورين دمج GPU في برمجياتهم دون الحاجة إلى تعلم برمجة رسومية معقدة.
• أداء متفوق في تطبيقات البيانات الكبيرة: مثل:
  • خوارزميات التجزئة والتشفير
  • تعلم الآلة (Machine Learning)
  • محاكاة الجزيئات الحيوية
  • محركات الفيزياء (Physics Engines)
  • ترتيب وفرز البيانات (Sorting Algorithms)

سلبيات أنوية CUDA

• حصرية على NVIDIA: تقنية CUDA مملوكة لشركة NVIDIA فقط، لذا لا يمكن استخدامها إلا على بطاقات الرسوميات الخاصة بها. فإذا كنت تستخدم جهازًا يعتمد على بطاقات AMD (مثل بعض أجهزة Mac Pro)، فلن تتمكن من الاستفادة من CUDA.
• دعم برمجي محدود نسبيًا: بالمقارنة مع المنصات المفتوحة مثل OpenCL، فإن عدد البرامج التي تدعم CUDA أقل، مما يقيّد استخدامها في بعض الحالات.

CUDA تعتبر من أقوى تقنيات المعالجة المتوازية المتوفرة اليوم، حيث توفر إمكانيات ضخمة للمطورين والمستخدمين في مختلف المجالات، من الذكاء الاصطناعي إلى الرسوميات، وتحليل البيانات، والتشفير. لكنها تبقى تقنية حصرية تعتمد على أجهزة NVIDIA فقط، مما يعد قيدًا أمام من يسعى لحلول أكثر انفتاحا وتوافقا مع أنظمة متنوعة.

OpenCL: البديل المفتوح لـ CUDA

OpenCL، وهو اختصار لـ Open Computing Language، يُعد معيارًا مفتوح المصدر ونسبيًا حديثا تم تطويره كبديل لتقنية CUDA التابعة لشركة NVIDIA. يتميز OpenCL بكونه متاحًا للجميع دون الحاجة إلى تراخيص أو رسوم، مما يمنحه مرونة كبيرة ويسمح باستخدامه من قبل مختلف الشركات والمطورين على أنواع متعددة من العتاد والبرمجيات.

يختلف OpenCL عن CUDA من حيث الطريقة التي يتعامل بها مع وحدة معالجة الرسوميات (GPU). فبينما تستخدم CUDA وحدة الرسوميات كـ”معالج مشترك” يساعد المعالج المركزي في تنفيذ بعض المهام، فإن OpenCL يعامل وحدة الرسوميات كـ”معالج مستقل تمامًا”، حيث يتم نقل البيانات بالكامل إليها لمعالجتها.

صعوبة الترميز والاعتماد

رغم أن OpenCL مفتوح المصدر ولا يعتمد على بائع معين، إلا أن البرمجة باستخدامه أكثر تعقيدًا من CUDA. يحتاج المطورون إلى كتابة تعليمات أكثر تفصيلًا للتعامل مع المهام، ما قد يشكّل عائقًا للمبتدئين أو للمشاريع التي تحتاج إلى تطوير سريع.

ومع ذلك، فإن عدم الاعتماد على شركة واحدة يعتبر ميزة قوية لـ OpenCL، إذ يمكن استخدامه على بطاقات رسومية من AMD أو Intel أو غيرها، بخلاف CUDA التي تقتصر على منتجات NVIDIA.

مقارنة بين OpenCL وCUDA وOpenGL

• OpenGL هو معيار رسومي تقليدي يستخدم في رسم الصور ثنائية وثلاثية الأبعاد بسرعة وكفاءة، لكنه لا يستخدم لمعالجة البيانات أو أداء الحسابات المعقدة.
• OpenCL وCUDA من ناحية أخرى، يستخدمان في تنفيذ الحسابات العلمية والمعالجات المعقدة مثل محاكاة الفيزياء، تعديل الفيديو، الذكاء الاصطناعي، والتأثيرات البصرية.

مثال توضيحي:

• عند تشغيل مقطع فيديو يحتوي على تأثيرات خاصة:
  • OpenGL يعرض الصور على الشاشة.
  • CUDA أو OpenCL ينفذان الحسابات اللازمة لتطبيق التأثيرات أو تعديل الألوان.

الأنظمة التي تدعم OpenGL إلى جانب OpenCL أو CUDA تعمل بكفاءة أعلى من الأنظمة التي تعتمد فقط على معالج مركزي أو رسوميات مدمجة.

CUDA أم OpenCL: أيهما تختار؟

• CUDA: سريع وأكثر كفاءة، لكنه حصري على بطاقات NVIDIA.
• OpenCL: مرن ويعمل على معظم الأجهزة، لكنه أقل كفاءة وأصعب في البرمجة.

إذا كنت تمتلك بطاقة رسومية من NVIDIA، فمن المستحسن استخدام CUDA نظرًا لأدائها المتفوق في معظم التطبيقات. وعلى الرغم من أن بطاقات NVIDIA تدعم أيضًا OpenCL، فإن بطاقات AMD تحقق أداءً أفضل مع OpenCL تحديدًا.

الاستخدامات العملية

شركة Adobe أوضحت على موقعها أن معظم المهام التي تنجز باستخدام CUDA في برنامج Premiere Pro يمكن تنفيذها أيضًا باستخدام OpenCL. لكن في التجربة العملية، يؤكد غالبية المستخدمين أن CUDA يوفر أداءً أسرع في منتجات Adobe مقارنة بـ OpenCL.

أبرز العلامات التجارية في سوق وحدة معالجة الرسوميات

في عالم معالجات الرسوميات، تبرز شركتا AMD وNVIDIA كأهم الأسماء وأكثرها شهرة وانتشارًا. شركة AMD، التي كانت تعرف سابقًا باسم ATI Technologies، بدأت رحلتها في عام 1985 تحت العلامة التجارية Radeon. أما شركة NVIDIA، فقد دخلت السوق عام 1999 بإطلاق أول معالج رسومي لها، لتصبح منافسًا مباشرًا لـ ATI. لاحقًا، استحوذت AMD على ATI في عام 2006، لتبدأ بذلك فصلاً جديدًا من المنافسة مع NVIDIA وأيضًا شركة Intel.

تعد تفضيلات المستخدمين وولاؤهم للعلامة التجارية من أبرز العوامل التي تحدد اختيارهم بين AMD وNVIDIA. وفي حين أن NVIDIA أطلقت مؤخرًا سلسلة بطاقاتها الرسومية GTX 10، فإن نظيراتها من AMD غالبًا ما تكون أكثر توفيرًا من حيث التكلفة. وعلى الرغم من وجود منافسين آخرين مثل Intel، التي تدمج حلولها الرسومية في المعالجات المركزية، فإن AMD وNVIDIA لا تزالان المسيطرتين على السوق من حيث الأداء والابتكار.

بطاقات NVIDIA تتميّز بسرعة ترددية عالية وعدد أنوية كبير، مما يجعلها خيارًا ممتازًا لعشاق الألعاب. بالمقابل، بطاقات AMD تظهر تفوقا ملحوظًا في المهام ذات الطابع الموازي مثل التعدين، ويرجع ذلك إلى تفوّقها في حجم ذاكرة التخزين المؤقت Cache.

شركة Intel ومعماريات Xe الرسومية

تعد Intel واحدة من أضخم الشركات العالمية في صناعة المكونات الإلكترونية، حيث تنتج المعالجات الدقيقة، وأشباه الموصلات، والدوائر المتكاملة، والمعالجات الرسومية. ورغم أن AMD وNVIDIA يعدان منافسين مباشرين لها، إلا أن Intel تمتلك سجلًا طويلًا في محاولات دخول سوق معالجات الرسوميات المنفصلة.

أول محاولة جدّية لـ Intel تعود إلى عام 1998 بإطلاق بطاقة Intel740، لكنها لم تحقق النجاح المرجو، مما دفع الشركة للتراجع عن هذا المسار. ومع ذلك، استمر تطوير التقنيات الرسومية ضمن سلسلة Intel Extreme Graphics. وفي عام 2009، جربت Intel حظها مجددًا مع معمارية Larrabee، التي انتهى بها المطاف لتُستخدم في معالجات Xeon Phi.

بحلول عام 2018، أعلنت Intel عن خطط جديدة وطموحة لتطوير وحدات معالجة رسومية منفصلة تستهدف مراكز البيانات وسوق الألعاب على حد سواء. استقطبت الشركة لهذا المشروع المهندس راجا كودوري، الرئيس السابق لفريق Radeon في AMD، وأعلنت نيتها لإطلاق أول بطاقة رسومية منفصلة في عام 2020.

وفي أكتوبر 2019، أطلقت Intel بطاقة DG1 التجريبية، وهي أول وحدة رسومية منفصلة مبنية على معمارية Xe، معتمدة على دقة تصنيع 10 نانومتر، ثم لاحقًا 7 نانومتر، باستخدام تقنية Foveros للتغليف ثلاثي الأبعاد.

مقالة ذات صلة: معالجات Intel: أفضل الأنواع والفرق بينهم في دليل كامل لـ 2025

معمارية Intel Xe

معمارية Xe هي الأساس الجديد لمعالجات Intel الرسومية من الجيل الثاني عشر فصاعدًا، وتشمل أربع فئات رئيسية:

• Xe-LP (الطاقة المنخفضة):
  تستخدم هذه المعمارية في معالجات الرسوميات المدمجة ضمن الجيل الحادي عشر من معالجات Intel Core، وكذلك في بطاقات Iris Xe MAX المحمولة، ومعالجات H3C XG310 الخاصة بالسيرفرات. توفر Xe-LP أداءً أعلى بنفس الفولتية، وتحتوي على عدد أكبر من الوحدات التنفيذية مقارنة بالأجيال السابقة، كما تتميز بدعمها لذاكرة Cache من المستوى الأول وتقنيات ضغط بيانات تقلل من التأخير وتزيد من عرض النطاق الترددي.
• Xe-HP (الأداء العالي):
  تستهدف معمارية Xe-HP مراكز البيانات والتطبيقات التي تتطلب أداءً عالياً، خصوصًا في العمليات ذات الدقة المضاعفة (FP64)، وتتميز بإمكانية التوسع على أكثر من شريحة.
• Xe-HPC (الحوسبة عالية الأداء):
  صممت لمعالجة البيانات الفائقة وتعتمد على بنية متعددة المحركات الحسابية، حيث يحتوي كل نواة على 8 محركات متجهية و8 محركات مصفوفية، بالإضافة إلى Cache من المستوى الأول بحجم 512 كيلوبايت.
• Xe-HPG (الرسوميات عالية الأداء):
  تعد هذه المعمارية نسخة مخصصة للألعاب والتطبيقات الرسومية المتقدمة، حيث تستفيد من مزايا Xe-LP إلى جانب تقنيات Xe-HP وXe-HPC. تدعم Xe-HPG تقنية تتبع الأشعة المسرّعة عتاديًا (Hardware Ray Tracing)، وDisplayPort 2.0، ومعيار DirectX 12 Ultimate، بالإضافة إلى تقنية XeSS المنافسة لتقنية DLSS من NVIDIA. تحتوي كل نواة Xe-HPG على 16 محركًا متجهًا و16 محركًا مصفوفيًا.

شركة AMD ومعمارياتها الرسومية

تعتبر شركة AMD (Advanced Micro Devices) واحدة من أبرز الشركات في عالم المعالجات المركزية ومعالجات الرسوميات، خاصة بعد استحواذها على شركة ATI Technologies في عام 2006، لتصبح العلامة التجارية Radeon هي الواجهة الرسومية للشركة.

أبرز معماريات AMD الرسومية

1. معمارية Graphics Core Next (GCN):
   أطلقت لأول مرة في عام 2012، وتم استخدامها في العديد من بطاقات Radeon حتى عام 2019. تميزت GCN بتحسين الأداء في الحوسبة المتوازية، ودعمت تقنيات مثل OpenCL وDirectX 12. استُخدمت هذه المعمارية في بطاقات Radeon HD 7000، وRX 200/300، وسلسلة Fury.
2. معمارية RDNA (Radeon DNA):
   تمثل نقلة نوعية في تصميم معالجات AMD الرسومية، حيث طرحت لأول مرة في عام 2019 مع سلسلة Radeon RX 5000. توفر RDNA أداء أفضل للواط مقارنة بـ GCN، وتركّز على تجربة الألعاب الحديثة.
   • RDNA 1.0: اعتمدت على دقة تصنيع 7 نانومتر.
   • RDNA 2.0: أطلقت مع بطاقات Radeon RX 6000، وتدعم تتبع الأشعة Ray Tracing عبر العتاد، كما تُستخدم في أجهزة الجيل الجديد مثل PlayStation 5 وXbox Series X.
3. معمارية RDNA 3.0:
   أطلقت في نهاية عام 2022، وتتميز بتصميم chiplet المعياري (وحدات متعددة على شريحة واحدة)، ما سمح بزيادة عدد الترانزستورات مع تقليل استهلاك الطاقة. استخدمت لأول مرة في بطاقات Radeon RX 7000، وتعد من أقوى الحلول الرسومية المخصصة للألعاب حتى الآن.

مقالة ذات صلة: معالجات AMD: أفضل الأنواع والفرق بينهم في دليل كامل لـ 2025

نقاط القوة في AMD:

• تقدم أسعارًا تنافسية مقارنةً بـ NVIDIA.
• تفضل في مجالات مثل التعدين بسبب كفاءتها في العمليات المتوازية.
• تدعم العديد من التقنيات مفتوحة المصدر، مثل FidelityFX Super Resolution (FSR)، وهي بديل مفتوح لتقنية DLSS من NVIDIA.

شركة NVIDIA ومعمارياتها الرسومية

NVIDIA تعد رائدة عالميًا في مجال بطاقات الرسوميات، ولها حضور قوي في قطاعات الألعاب، الذكاء الاصطناعي، والتعلّم العميق. منذ إطلاق أول بطاقة رسومية GeForce 256 في عام 1999، استمرت الشركة في ابتكار تقنيات ثورية في هذا المجال.

أبرز معماريات NVIDIA الرسومية

1. معمارية Kepler وMaxwell (2012–2015):
   مثّلت نقلة في كفاءة الطاقة، وقدّمت تحسينات في الأداء لكل واط، خاصة في سلسلة GTX 700/900.
2. معمارية Pascal (2016):
   ظهرت في بطاقات GTX 10 Series مثل GTX 1080، وقدّمت أداءً استثنائيًا مقارنةً بسابقتها، مع دعم الواقع الافتراضي وتطبيقات التعلم العميق.
3. معمارية Turing (2018):
   أطلقت معها NVIDIA لأول مرة تقنية تتبع الأشعة (Ray Tracing) العتادية في بطاقات RTX 20 Series، كما قدّمت تقنية DLSS (تعلم عميق فائق الدقة) لتحسين أداء الألعاب عبر الذكاء الاصطناعي.
4. معمارية Ampere (2020):
   استُخدمت في سلسلة RTX 30 Series، وقدّمت قفزة كبيرة في الأداء وتعدد الاستخدامات، بفضل تحسين وحدات التظليل وتتبع الأشعة، وزيادة الكفاءة في استهلاك الطاقة.
5. معمارية Ada Lovelace (2022):
   استُخدمت في بطاقات RTX 40 Series، وتتميّز بدقة تصنيع 5 نانومتر، ووحدات تتبع أشعة من الجيل الثالث، ومسرّعات ذكاء اصطناعي من الجيل الرابع. كما تعد تقنية DLSS 3.0 من أبرز إنجازات هذه المعمارية، إذ تسمح بتوليد إطارات جديدة بالكامل عبر الذكاء الاصطناعي.

مقالة ذات صلة: إنفيديا NVIDIA: كل شئ عن القوة الدافعة للإبتكار التكنولوجي وأنواع معالجات الرسومات لها

نقاط القوة في NVIDIA:

• الأداء الفائق في تتبع الأشعة والذكاء الاصطناعي.
• توفر مجموعة أدوات متكاملة للمطورين مثل CUDA وTensorRT.
• تفضل لدى اللاعبين المحترفين وصانعي المحتوى لتقديمها أداءً متفوقا في الألعاب والتطبيقات الاحترافية.

الفرق بين وحدة معالجة الرسوميات (GPU) وبطاقة الرسوميات (Graphics Card)

وحدة معالجة الرسوميات (GPU)

وحدة معالجة الرسوميات هي شريحة متخصصة مخصصة لمعالجة وتصميم الرسومات الحاسوبية، وقد تم تحسينها خصيصًا لهذا الغرض. تقوم هذه الوحدة بإنجاز مهام معالجة الرسوميات بشكل أكثر كفاءة من وحدة المعالجة المركزية (CPU). تشمل مسؤوليات الـ GPU تنفيذ العمليات الحسابية الخاصة بالرسوميات داخل الألعاب، وتوليد الصور (الرندر)، وإدارة الألوان، بالإضافة إلى تطبيق تقنيات متقدمة مثل تتبع الأشعة (Ray Tracing) وتقنيات التظليل (Shading).

بطاقة الرسوميات (Graphics Card)

بطاقة الرسوميات هي قطعة مادية (هاردوير) تُركب داخل الحاسوب، تحتوي على العديد من المكونات الإلكترونية بما في ذلك وحدة معالجة الرسوميات (GPU) نفسها، بالإضافة إلى ذاكرة الفيديو (VRAM)، ومكونات تبريد، ومخارج لربط الشاشة.

تطور بطاقة الرسوميات

شهدت تقنية بطاقات الرسوميات تطورًا كبيرًا عبر العقود الماضية. قبل عشرين إلى ثلاثين عامًا، كانت هذه البطاقات تعرف بأسماء مثل بطاقات العرض (Display Cards) أو بطاقات الفيديو (Video Cards). في تلك الفترة، كانت مهامها الأساسية تقتصر على عرض الصور والفيديو على الشاشة فقط، وكانت أبسط بكثير من البطاقات الحديثة.

مع مرور الوقت وزيادة قدرات الرسوميات، أضيفت للبطاقات شواحن وأجهزة تسريع خاصة لتقديم تقنيات رسومية متقدمة، مما أدى إلى تطورها لتصبح ما نعرفه اليوم باسم بطاقات الرسوميات، القادرة على معالجة الرسوميات المعقدة ودعم تقنيات مثل تتبع الأشعة وتسريع الألعاب الحديثة.

مكونات وحدة معالجة الرسوميات (كارت الشاشة)

في الوقت الحالي، أصبحت بطاقات الرسوميات أقوى بكثير من السابق، وقد تقدم أنظمة مختلفة تلبي متطلبات متنوعة مثل الألعاب (Gaming) باستخدام تقنيات مختلفة. لذلك، لا تحتوي جميع بطاقات الرسوميات على نفس المكونات بشكل كامل، لكن هناك مكونات أساسية مشتركة بينها جميعًا.

لاستخدام بطاقة الرسوميات بشكل صحيح، يجب تثبيت برنامج تشغيل خاص بها يعرف بـ درایور الرسوميات (Graphics Driver)، وهو عبارة عن مجموعة تعليمات تساعد النظام على التعرف على البطاقة والعمل معها بكفاءة، كما يحدد خصائص الأداء لتشغيل الألعاب والبرامج المختلفة.

المكونات الأساسية لبطاقة الرسوميات:

1. وحدة ذاكرة الفيديو (Video Memory)

هي مكان مخصص لتخزين البيانات المعالجة المتعلقة بالرسومات، وتختلف عن ذاكرة النظام أو الـ GDDR. تتوفر ذاكرة الفيديو بأحجام مختلفة حسب نوع الاستخدام وكفاءة البطاقة.

2. لوحة الدائرة المطبوعة (PCB)

هي اللوحة التي تركب عليها جميع مكونات بطاقة الرسوميات. قد تتكون من عدة طبقات، وجودة المادة المستخدمة في تصنيعها تؤثر على أداء البطاقة واستقرارها.

3. موصلات العرض (Display Connectors)

بعد معالجة البيانات، تحتاج البطاقة إلى إرسال الصورة إلى الشاشة عبر كابلات وموصلات خاصة. تختلف هذه الموصلات حسب نوع الاستخدام وجودة الصورة المطلوبة، مثل:

• HDMI و DVI: تستخدم لعرض صور عالية الدقة حتى 4K بمعدل تحديث عالي.
• VGA: تستخدم لعرض الصور بجودة أقل.

حالياً، معظم بطاقات الرسوميات تحتوي على منفذ HDMI واحد على الأقل.

4. الجسر (Bridge)

بعض بطاقات الرسوميات عالية الأداء تدعم العمل المتوازي مع بطاقات أخرى لتعزيز قوة المعالجة، وذلك من خلال تقنيات مثل:

• SLI: تقنية من نفيديا تسمح بربط عدة بطاقات معا للعمل بشكل متزامن.
• Crossfire: تقنية من AMD تسمح بتركيب حتى 4 بطاقات معاً (Quad-Crossfire) لتعزيز الأداء.

تاريخياً، كانت SLI أولاً تستخدم من قبل شركة 3dfx في بطاقات Voodoo2، ثم استحوذت نفيديا على هذه التقنية وأعادت تقديمها في 2004 مع تطورات في أنظمة الحواسيب الحديثة. بالمقابل، قدمت ATI تقنية Crossfire في 2005 لتنافس SLI مع وجود وحدة تحكم على اللوحة الأم تنسق بين البطاقات.

5. واجهة الاتصال (Interface)

هي المنفذ الذي يربط بطاقة الرسوميات باللوحة الأم (المذربورد)، حيث تنقل الطاقة والبيانات. تطورت واجهات الاتصال عبر الزمن:

• APG: واجهة قديمة.
• PCI: واجهة متوسطة التطور.
• PCIe أو PCI Express: الواجهة الحديثة المستخدمة حالياً، والتي تقدم سرعة عالية في نقل البيانات والطاقة.

في 2018، نشرت جمعية PCI-SIG معايير الجيل السادس من PCIe، الذي ظهر عام 2020، حيث يمكنه نقل بيانات بسرعة تصل إلى 256 جيجابايت/ثانية عبر 16 مساراً، مع الحفاظ على التوافق مع الإصدارات السابقة.

نوع الإصدار	سنة الإصدار	x1	x2	x4	x8	x16
PCIe 1.0	2003	0.25 GB/s	0.5 GB/s	1 GB/s	2 GB/s	4 GB/s
PCIe 2.0	2007	0.5 GB/s	1 GB/s	2 GB/s	4 GB/s	8 GB/s
PCIe 3.0	2010	1 GB/s	2 GB/s	4 GB/s	8 GB/s	16 GB/s
PCIe 4.0	2017	2 GB/s	4 GB/s	8 GB/s	16 GB/s	32 GB/s
PCIe 5.0	2019	4 GB/s	8 GB/s	16 GB/s	32 GB/s	64 GB/s
PCIe 6.0	2022	8 GB/s	16 GB/s	32 GB/s	64 GB/s	128 GB/s

6. دائرة تنظيم الجهد (VRM – Voltage Regulator Module)

بعد استلام الطاقة من واجهة PCIe، تحتاج بطاقة الرسوميات إلى تنظيم الجهد الكهربائي لتوزيع التيار بشكل مناسب على مكوناتها مثل المعالج والذاكرة. تقوم هذه الدائرة بتوفير الجهد المطلوب بدقة وزمن مناسب، مما يحافظ على استقرار البطاقة ويزيد من عمرها وكفاءتها.

تتكون دائرة تنظيم الجهد من أربعة أجزاء رئيسية:

• المكثفات الداخلة (Input Capacitors): تخزن التيار الكهربائي وترسله عند الحاجة.
• الماسفتات (MOSFETs): تعمل كجسور لنقل التيار بين المكثفات وأجزاء البطاقة، وتضم نوعين: Low-Side وHigh-Side.
• المحثات (Chokes): تقلل من التشويش والضوضاء الكهربائية لتوفير تيار ثابت ومستقر.
• المكثفات الخارجة (Output Capacitors): تقوم بتصفية التيار وتنظيمه قبل إرساله إلى المكونات المختلفة.

7. نظام التبريد

لكي تعمل بطاقة الرسوميات بأفضل أداء ممكن، يجب أن تبقى في درجة حرارة مناسبة ومثلى. نظام التبريد في بطاقة الرسوميات لا يقتصر فقط على تقليل درجة حرارة التشغيل، بل يساعد أيضًا في زيادة عمر المكونات المستخدمة داخل البطاقة.

يتكون نظام التبريد من جزأين رئيسيين:

• المشتت الحراري (Heat Sink): عادة ما يصنع من النحاس أو الألمنيوم، ويعمل بشكل سلبي (غير نشط) في الظروف المثالية. الهدف الرئيسي من المشتت الحراري هو امتصاص الحرارة من المعالج الرسومي (GPU) وتوزيعها في البيئة المحيطة لتبريد البطاقة.
• المروحة (Fan): جزء نشط في نظام التبريد، تقوم بنفخ الهواء على المشتت الحراري لتسريع عملية تبديد الحرارة.

بعض بطاقات الرسوميات منخفضة الأداء قد تحتوي فقط على المشتت الحراري، بينما أغلب بطاقات الفئة المتوسطة والعالية تأتي مجهزة بنظام تبريد مركب يجمع بين المشتت الحراري والمروحة لتوفير تبريد أفضل وأكثر فعالية.

أنواع وحدة معالجة الرسوميات (GPU)

تستخدم معالجات الرسوميات بأنواع مختلفة في الأنظمة لأداء العمليات الحسابية والمعالجة الرسومية، وفيما يلي نعرف بأنواع هذه الوحدات الرسومية، ونوضح كيفية عمل كل نوع، مع ذكر مزاياه وعيوبه:

1. وحدة معالجة الرسوميات المدمجة (iGPU)

المعالج الرسومي المدمج (iGPU: Integrated Graphics Processing Unit) هو وحدة معالجة الرسوميات المدمجة مع المعالج المركزي (CPU) أو موجودة على اللوحة الأم بجانب المعالج، حيث تعتبر جزءًا متكاملاً ضمن الشريحة.

• الخصائص:
  • قوة معالجة محدودة، غير مناسبة لتشغيل الألعاب الحديثة أو الرسوم ثلاثية الأبعاد المتقدمة.
  • مخصصة للمهام الرسومية الأساسية مثل عرض الفيديو والرسوميات البسيطة.
  • غير قابلة للترقية لأنها جزء من المعالج أو اللوحة الأم.
  • تساعد في تقليل استهلاك الطاقة، تكلفة النظام، وحجم الجهاز، مما يجعل الأجهزة أخف وأنحف.
• ملاحظات:
  • تقدم شركة AMD معالجات تسمى APU تجمع بين المعالج والرسوميات المدمجة.
  • بعض المعالجات مثل معالجات إنتل التي تنتهي بـ “F” أو سلسلة “X” لا تحتوي على معالج رسومي مدمج، لذا تحتاج إلى بطاقة رسومية منفصلة.
  • المعالجات الحديثة، مثل شريحة Apple M1 Max، تقدم معالجات رسومية مدمجة قوية جداً تنافس بطاقات الرسوميات المستقلة.

2. وحدة معالجة الرسوميات المنفصلة (dGPU)

المعالج الرسومي المنفصل (dGPU: Discrete Graphics Processing Unit) هو وحدة معالجة رسوميات مستقلة تقع على بطاقة منفصلة داخل النظام.

• الخصائص:
  • قوة معالجة عالية جداً، قادرة على التعامل مع الرسوميات ثلاثية الأبعاد المعقدة والألعاب الحديثة.
  • قابلة للترقية والاستبدال بسهولة.
  • مزودة بنظام تبريد خاص لمنع ارتفاع الحرارة أثناء الاستخدام المكثف.
  • تستهلك طاقة أكبر وتزيد من وزن الأجهزة، خاصة في أجهزة اللابتوب المخصصة للألعاب.
• الاستخدام:
  • ضروري للاعبين، المصممين، ومهندسي الرسوميات ثلاثية الأبعاد.
  • أشهر الشركات المصنعة هي AMD وNVIDIA، بالإضافة إلى إنتل التي أطلقت مؤخراً سلسلة معالجات رسومية Arc.
• ملاحظات:
  • تتطلب نظام تبريد قوي، مما يجعل أجهزة اللابتوب المزودة بهذه البطاقات أثقل وأسمك مقارنة بالأجهزة التقليدية.

3. وحدة معالجة الرسوميات السحابية (Cloud GPU)

المعالج الرسومي السحابي هو خدمة تقدم معالجة رسوميات عن طريق الإنترنت، حيث يمكن للمستخدمين الاستفادة من قوة المعالجة الرسومية دون الحاجة لامتلاك بطاقة فعلية.

• الخصائص:
  • مناسبة لمن لا يحتاجون إلى معالجة رسوميات متقدمة أو لديهم ميزانية محدودة.
  • المستخدمون يدفعون بناءً على مقدار الاستخدام.
  • لا توفر أداءً عاليًا جدًا، لكنها حل عملي لبعض الاستخدامات.

4. المعالج الرسومي الخارجي (eGPU)

المعالج الرسومي الخارجي (eGPU: External Graphics Processing Unit) هو بطاقة رسوميات توضع خارج الجهاز، وتتصل به عبر منافذ مثل USB-C أو Thunderbolt.

• الخصائص:
  • يسمح باستخدام بطاقة رسومية قوية مع أجهزة خفيفة الحجم مثل اللابتوب.
  • يوفر أداء رسومي عالي دون الحاجة لجهاز لابتوب ثقيل أو جهاز مكتبي قوي.
  • تزداد شعبيته في السنوات الأخيرة، خصوصاً بين اللاعبين والمستخدمين الذين يحتاجون إلى أداء عالي.
• ملاحظات:
  • لا يكون الحل الأفضل إذا كان الجهاز يدعم ترقية البطاقة الرسومية داخليًا.
  • من عيوبه الحاجة لمساحة أكبر، تكاليف أعلى، وبعض التعقيدات في التوصيل.

وحدة معالجة الرسوميات في الهواتف المحمولة

يلعب معالج الرسوميات دورًا حيويًا في تشكيل تجربة المستخدم البصرية على الهواتف المحمولة، وهو عامل مهم جدًا خاصةً للاعبين الذين يهتمون بأداء الألعاب وجودة الرسوميات، وقد يصبح مؤشرًا على الولاء لعلامة تجارية معينة.

في الهواتف الحديثة، يوجد نظام مدمج يسمى النظام على الشريحة (SoC)، والذي يحتوي على وحدة المعالجة المركزية (CPU) بالإضافة إلى وحدات متخصصة أخرى مثل معالجة الذكاء الاصطناعي، ومعالجة إشارة الكاميرا، والمودم، بالإضافة إلى معالج الرسوميات. تم تصميم معالج الرسوميات في الهواتف المحمولة لتحمل معالجة البيانات الرسومية الثقيلة مثل الألعاب ثلاثية الأبعاد، مما أحدث ثورة في عالم الهواتف الذكية وجعلها أكثر جذبًا للاعبين.

على الرغم من أن أنوية معالج الرسوميات في الهواتف المحمولة أقل قوة من أنوية المعالج المركزي، إلا أن سرعتها العالية وأدائها المتزامن يسمحان بعرض محتويات ثقيلة ورسوميات معقدة بشكل سلس وفعال.

أنواع معالجات الرسوميات في الهواتف المحمولة

• آرم (ARM) – معالج الرسوميات Mali:
  تعد شركة آرم من أبرز الشركات المصنعة لمعالجات الرسوميات للهواتف، وهي المالكة لعلامة Mali الشهيرة. معالجات Mali تأتي بفئات سعرية وأداء متنوع، وتستخدم في هواتف مختلفة مثل معالج Mali-G78 MP14 الموجود في هاتف سامسونج Galaxy S21 Ultra، والذي يقدم أداءً عاليًا وسرعة في معالجة الرسوميات.
• كوالكوم (Qualcomm) – معالج الرسوميات Adreno:
  بجانب تصنيعها لمعالجات الهواتف الذكية الشهيرة تحت اسم Snapdragon، تتمتع كوالكوم بحصة كبيرة في سوق معالجات الرسوميات المحمولة من خلال سلسلة Adreno. هذه المعالجات موجهة لشرائح سعرية متعددة وتقدم أداءً ممتاز، مثل معالج Adreno 660 المستخدم في هاتف الألعاب ROG Phone 5 من ASUS، والذي يعتبر من أقوى معالجات الرسوميات المحمولة.
• Imagination Technologies – معالج الرسوميات PowerVR:
  كانت معالجات PowerVR تستخدم سابقًا في هواتف آيفون الشهيرة، قبل أن تطور آبل معالجات رسوميات خاصة بها مع سلسلة شرائح A Bionic. اليوم، تستخدم معالجات PowerVR بشكل أكبر في شرائح الهواتف الاقتصادية والمتوسطة مثل تلك المستخدمة في هواتف ميدياتك (MediaTek) وعلامات تجارية مثل موتورولا، نوكيا، وأوبو.
• آبل (Apple):
  على عكس الشركات الأخرى، طورت آبل معالجات رسوميات خاصة بها تدمج مع شرائحها مثل M1 و A Bionic، مما يوفر أداء عاليًا ومتفوقا مقارنة بمعالجات الرسوميات الموحدة الأخرى.
• سامسونج (Samsung):
  سامسونج لا تصنع معالجات رسوميات خاصة بها للهواتف، بل تعتمد في هواتفها على معالجات آرم أو كوالكوم لتوفير أداء الرسوميات.

هذه المعالجات المختلفة تمثل التنوع الكبير في سوق معالجات الرسوميات المحمولة، وكل واحدة منها تخدم فئات مختلفة من المستخدمين بحسب احتياجاتهم وأولوياتهم في الأداء والسعر.

أهم إستخدامات وحدة معالجة الرسوميات (GPU)

بدأت معالجات الرسوميات في الأصل كوحدات متطورة لتسريع معالجة الرسوميات وتخفيف الحمل على وحدة المعالجة المركزية. حتى قبل عقدين من الزمن، كانت تستخدم بشكل رئيسي لتسريع عمليات عرض الرسوميات ثلاثية الأبعاد، وخاصة في الألعاب.

ومع ذلك، وبفضل قدرتها العالية على المعالجة المتوازية، أصبحت معالجات الرسوميات تستخدم تدريجيا في مجالات أخرى غير الألعاب، مثل التعلم الآلي، تعدين العملات الرقمية، وغيرها. فيما يلي بعض الاستخدامات الأخرى لمعالجات الرسوميات بعيدا عن مجال الألعاب:

تحرير الفيديو

تحتوي بطاقات الرسوميات الحديثة على وحدات متخصصة لترميز الفيديو، مما يسمح لها بمعالجة وتحضير بيانات الفيديو قبل عرضها. عملية ترميز الفيديو هي عملية معقدة وتستغرق وقتا طويلا إذا تم تنفيذها بواسطة وحدة المعالجة المركزية فقط. بفضل قدرات المعالجة المتوازية السريعة لمعالجات الرسوميات، يمكن تنفيذ ترميز الفيديو بكفاءة وسرعة أكبر، مع تقليل الضغط على موارد النظام.

على الرغم من أن ترميز الفيديو عالي الدقة قد يستغرق وقتا حتى باستخدام معالجات رسومية قوية، فإن دعم معالجات الرسوميات لصيغ الفيديو ذات الدقة العالية يجعلها خيارا أفضل لتحرير الفيديو مقارنة بوحدة المعالجة المركزية.

عرض الرسوميات ثلاثية الأبعاد 3D graphics

بالرغم من أن الرسوميات ثلاثية الأبعاد 3D graphics تستخدم بشكل رئيسي في الألعاب، إلا أن استخدامها توسع ليشمل مجالات أخرى مثل الأفلام، العروض التلفزيونية، الإعلانات، والفنون الرقمية. إنتاج رسوميات ثلاثية الأبعاد عالية الدقة هو عملية معقدة ومكثفة للموارد، تماما كما هو الحال في تحرير الفيديو.

تعتمد استوديوهات صناعة الأفلام الحديثة بشكل كبير على تقنيات معالجات الرسوميات المتقدمة لإنتاج صور حاسوبية واقعية وحيوية، مما يجعل هذه المعالجات جزءا حيويا في صناعة الأفلام. كذلك، يستخدم الفنانون الرقميون معالجات الرسوميات المتطورة لإنشاء أعمال فنية تجريدية لا يمكن إنتاجها في العالم الفيزيائي، مما يجعل هذه المعالجات أدوات إبداعية قوية تجمع بين الأداء التقني والجانب الفني.

التعلم الآلي

أحد الاستخدامات الأقل شهرة لمعالجات الرسوميات الحديثة هو التعلم الآلي. التعلم الآلي هو شكل من أشكال تحليل البيانات يقوم بإنشاء نماذج تحليلية بشكل تلقائي ومستقل. يستخدم التعلم الآلي البيانات لاكتساب المعرفة، التعرف على الأنماط، واتخاذ قرارات مستقلة عن التدخل البشري. نظرا لأن هذه العمليات تتطلب معالجة متوازية كثيفة وموارد كبيرة، تعتبر معالجات الرسوميات عنصرا أساسيا في هذه التكنولوجيا.

التعلم الآلي هو أساس تقنيات الذكاء الاصطناعي، ويتطلب إدخال كميات ضخمة من البيانات للتحليل. تقوم الخوارزميات المختصة بتحليل هذه البيانات (المسماة بيانات التدريب أو العينات) لبناء نماذج تستخدم لاحقا للتنبؤ واتخاذ القرارات بدون تدخل بشري. تستخدم هذه التقنية في مجالات متعددة، من الطب إلى أنظمة فلترة البريد الإلكتروني لمنع الرسائل غير المرغوب فيها، مما يجعل التعلم الآلي جزءا لا غنى عنه في بنية البيانات الحديثة.

البلوكتشين وتعدين العملات الرقمية

من الاستخدامات الشائعة لمعالجات الرسوميات إلى جانب الألعاب، هو استخدامها في تعدين العملات الرقمية (الماينينغ). في عملية تعدين العملات الرقمية، تستخدم موارد النظام لحل معادلات تشفير معقدة تضاف على شكل كتل (Blocks) في سجل مستمر يسمى البلوكتشين. يتطلب إنتاج كل كتلة قدرة حسابية كبيرة، وتختلف هذه العمليات حسب نوع العملة الرقمية.

على وجه الخصوص، تعدين البيتكوين يتضمن تخصيص موارد الأجهزة لإنشاء كتل في سلسلة البلوك تشين الخاصة به. مع إضافة المزيد من الكتل، يتم إنتاج المزيد من البيتكوين. هذه العمليات تستهلك قدرا كبيرا من طاقة الحوسبة والكهرباء، وتقلل من كفاءة النظام أثناء التعدين. لكن معالجات الرسوميات تتميز بقدرتها العالية على المعالجة واحتياجها لطاقة أقل نسبيا، مما يجعلها أدوات مناسبة جدا لعملية التعدين التي اكتسبت شعبية كبيرة في الآونة الأخيرة.

إستنتاج

في الختام، يتضح أن وحدة معالجة الرسوميات (GPU) لم تعد تقتصر على دورها التقليدي في تشغيل الألعاب وتحسين الرسوميات فحسب، بل أصبحت أداة محورية في مختلف المجالات التقنية المتقدمة مثل تحرير الفيديو، إنشاء الرسوم ثلاثية الأبعاد، الذكاء الاصطناعي، والتعامل مع شبكات البلوك تشين والعملات الرقمية. لقد أثبتت هذه الوحدة قدرتها الهائلة على معالجة البيانات بشكل متوازي وسريع، ما جعلها تتفوق في أداء المهام الثقيلة التي كان من الصعب تنفيذها باستخدام المعالجات المركزية التقليدية فقط.

تؤكد هذه الاستخدامات المتنوعة أن وحدة معالجة الرسوميات لم تعد مجرد أداة للمصممين أو اللاعبين، بل أصبحت ضرورة في قلب الابتكار التقني الحديث. فسواء في عالم التصميم الجرافيكي أو في تحليل البيانات أو حتى في تطوير تقنيات المستقبل، تظل ال GPU تلعب دورا محوريا لا غنى عنه.

وقد يدفعنا هذا التوسع في تطبيقاتها إلى طرح تساؤلات أعمق: كيف سيؤثر تطور وحدات معالجة الرسوميات على شكل العمل في المجالات الإبداعية والعلمية؟ وهل يمكن أن نشهد مستقبلا تندمج فيه هذه الوحدات مع تقنيات أخرى لتشكيل طفرات تقنية جديدة؟ إن الإجابة على هذه الأسئلة تفتح آفاقا واعدة للبحث والتطوير، وتؤكد أن رحلة وحدة معالجة الرسوميات لم تبلغ نهايتها بعد، بل هي في بدايتها الحقيقية نحو عالم أكثر ذكاء وتطورا.

الأسئلة الشائعة