GPU vs CPU: Diferença entre Unidades de Processamento

CPUs e GPUs podem parecer semelhantes, mas existem algumas diferenças importantes entre as duas

Os smartphones modernos são, essencialmente, minicomputadores equipados com diversos componentes de processamento. Você já deve estar familiarizado com a Unidade Central de Processamento (CPU) dos computadores, mas, entre a Unidade de Processamento Gráfico (GPU), o Processador de Sinal de Imagem (ISP) e os aceleradores de aprendizado de máquina, há também vários componentes altamente especializados. Todos esses elementos convergem em um único componente: o sistema em um chip (SoC). Mas o que diferencia uma GPU de uma CPU e por que as tarefas gráficas e outras especializadas requerem componentes distintos? Aqui está tudo o que você precisa saber.

Como funciona uma CPU?

Informações

Em termos simples, a CPU é o cérebro por trás de todas as operações e é responsável por executar o sistema operacional e os aplicativos em qualquer computador. Ela executa instruções sequencialmente, uma após a outra. O trabalho da CPU é relativamente simples: ela busca a próxima instrução, a decodifica e a executa.

Mas o que exatamente é uma instrução? Isso pode variar – as instruções podem ser operações aritméticas, como adição e subtração, operações lógicas, como AND e OR, e muitas outras. Essas instruções são processadas pela Unidade Aritmética/Lógica (ALU) da CPU. As CPUs possuem um conjunto diversificado de instruções, permitindo que executem uma ampla gama de tarefas.

As CPUs processam instruções uma de cada vez, o mais rápido possível. As CPUs modernas também têm mais de um núcleo, o que significa que podem executar várias instruções simultaneamente. No entanto, há um limite prático para o número de núcleos, uma vez que cada um deles precisa operar em alta velocidade. Avaliamos o desempenho da CPU usando o conceito de “instruções por ciclo (IPC)”. O número de ciclos por segundo depende da velocidade do clock da CPU, que pode chegar a 6 GHz em CPUs de desktop ou 3,2 GHz em chips móveis, como o Snapdragon 8 Gen 2.

Uma alta velocidade de clock e um alto IPC são os aspectos mais importantes de qualquer CPU. Tanto é assim que é comum encontrar uma parte considerável do chip físico da CPU dedicada à memória cache rápida, o que assegura que a CPU não perca tempo recuperando dados ou instruções da RAM.

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Como funciona uma GPU?

Edgar Cervantes / Autoridade Android

Uma CPU é um componente de processamento especializado que realiza cálculos geométricos com base nos dados fornecidos pela CPU principal. Embora no passado a maioria das GPUs fosse projetada em torno do que é chamado de pipeline gráfico, as arquiteturas mais recentes são muito mais flexíveis no processamento de cargas de trabalho não gráficas.

Diferentemente de uma CPU, a ênfase principal de uma GPU não é passar rapidamente por uma fila de instruções, mas sim alcançar rendimento máximo, ou seja, a capacidade de processar várias instruções simultaneamente. Normalmente, as GPUs têm um número muito maior de núcleos do que uma CPU, embora cada um funcione a uma velocidade de clock mais baixa.

Uma GPU divide um único trabalho complexo em pedaços menores e os processa em paralelo, semelhante a uma linha de montagem de fábrica, onde a saída de um estágio é usada como entrada na próxima etapa.

O pipeline gráfico começa com o Processamento de Vértices, que envolve o traçado de cada vértice individual (um ponto em termos geométricos) em uma tela 2D. Em seguida, esses pontos são agrupados para formar triângulos ou “primitivos” em uma etapa conhecida como rasterização. Na computação gráfica, todos os objetos 3D são, fundamentalmente, compostos de triângulos (também chamados de polígonos). Com uma forma básica definida, pode-se determinar a cor e outros atributos de cada polígono, dependendo da iluminação da cena e do material do objeto, em uma etapa chamada de sombreamento.

Além disso, a GPU pode adicionar texturas à superfície dos objetos para aumentar o realismo. Em jogos, por exemplo, os artistas frequentemente aplicam texturas a modelos de personagens, céus e outros elementos familiares do mundo real. Essas texturas começam como imagens 2D mapeadas na superfície de um modelo.

Resumidamente, a GPU segue uma sequência definida de tarefas para desenhar uma imagem, o que é adequado para criar uma única imagem estática. No entanto, em uso comum em computadores ou smartphones, como o sistema operacional Android com muitas animações, a GPU precisa gerar novas atualizações de alta resolução a cada 16 milissegundos (para uma animação a 60 quadros por segundo).

Felizmente, uma GPU pode dividir essa tarefa complexa em partes menores e processá-las simultaneamente, fazendo uso de centenas ou até milhares de núcleos minúsculos, chamados de unidades de execução. O processamento paralelo é essencial, pois a GPU deve fornecer um fluxo constante de dados e renderizar imagens na tela.

Além de seu papel na renderização gráfica, a capacidade da GPU de realizar cálculos simultâneos a torna útil em algumas cargas de trabalho não gráficas. Tarefas como algoritmos de aprendizado de máquina, renderização de vídeo e mineração de criptomoedas envolvem o processamento em paralelo de grandes volumes de dados. Embora essas tarefas exijam cálculos repetidos e quase idênticos, elas são bem adaptadas para a arquitetura de pipeline da GPU, apesar de seu conjunto de instruções limitado.

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GPU vs CPU: o resultado final

Gamer Nexus

Agora que compreendemos as funções individuais da CPU e da GPU, vamos explorar como elas colaboram em uma carga de trabalho prática, como rodar um videogame, por exemplo. Em termos simples, a CPU lida com cálculos físicos, lógica do jogo e simulações, como o comportamento do inimigo e as entradas do jogador. Em seguida, ela envia dados posicionais e geométricos para a GPU, que, por meio do pipeline gráfico, se encarrega de renderizar formas 3D e aplicar iluminação na tela.

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Em resumo, embora tanto a CPU quanto a GPU sejam capazes de executar cálculos complexos com rapidez, há uma diferença fundamental em relação ao que cada uma pode fazer com eficiência. É possível forçar uma CPU a realizar tarefas de renderização de vídeos ou até mesmo jogar, mas o desempenho provavelmente será extremamente lento. Por outro lado, a GPU não pode substituir a CPU, uma vez que não é adequada para lidar com instruções de uso geral. Portanto, é prática comum que a maioria dos computadores modernos inclua ambos os componentes. Alguns dispositivos compactos até integram CPU e GPU em um único pacote, conhecido como Unidade de Processamento Acelerado ou APU. Por exemplo, o PlayStation 5 e o Steam Deck (conforme mostrado na foto acima) contam com APUs poderosas que abrigam ambos os componentes computacionais.