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O que é e como funciona uma placa de vídeo (GPU)?

23 de Abril de 2021

por: MKT Positivo

Mais do que processador, memória RAM ou qualquer outra peça, a placa de vídeo é o componente mais desejado por quem gosta de jogar no computador. Também chamada de  GPU, ela é projetada para trabalhar com imagens em 3D. Atualmente há uma enorme variedade de modelos produzidos por empresas como AMD, Intel e NVIDIA.

Hoje mostraremos o que é e como funciona uma GPU. Explicaremos por que ela é tão diferente de um processador (CPU) e como ela vem sendo utilizada nos mais diferentes segmentos da computação.

O que é a GPU?

As GPUs são as peças responsáveis pelo processamento de imagem nos nossos computadores. Elas possuem componentes de hardware especializados em trabalhar com imagens 2D ou 3D, em operações como cálculo de geometria, mapeamento de texturas, transformação de pixels, entre outros.

As imagens 3D que vemos nos jogos e aplicativos são tradicionalmente criadas a partir do que chamamos de gráficos vetoriais. A GPU plota uma série de coordenadas (chamadas de vértices), utilizando a conexão entre esses pontos para formar os polígonos de uma cena. No processo, ela aplica texturas, iluminação e uma série de detalhes complementares a essas formas.

Depois de calcular toda a cena no espaço virtual, a GPU realiza o processo de rasterização, convertendo a cena em dados de pixels. Essas informações são então enviadas para os nossos monitores, onde a imagem final é exibida. Esse processo se repete inúmeras vezes por segundo.

Quem criou o termo GPU?

A sigla GPU significa Graphics Processing Unit, ou Unidade de Processamento Gráfico. Ela  foi utilizada pela primeira vez em meados de 1970 para descrever processadores gráficos que trabalhavam independentemente da CPU. Inicialmente falava-se Unidade Processadora de Gráficos.

Mais tarde, em 1994, a Sony utilizou novamente a sigla para falar da unidade de processamento gráfico do videogame PlayStation. Em 1999, a NVIDIA lançou a placa GeForce 256, popularizando o significado de GPU que utilizamos até hoje.

GPU ou placa de vídeo? Qual é o correto?

Existem duas modalidades principais de GPUs, que são as do tipo onboard e offboard. As onboard (embarcadas) são aquelas embutidas no mesmo circuito integrado da CPU. Elas utilizam recursos compartilhados, aproveitando a memória RAM do sistema para armazenar as informações em uso.

As GPUs do tipo offboard são aquelas instaladas em um PCB próprio, formando as placas de vídeo dedicadas. Repare que o termo GPU se refere apenas à unidade de processamento e não à placa de vídeo como um todo!

Essas placas, além de carregarem uma GPU, possuem um conjunto próprio de componentes, incluindo sistemas de alimentação, conectores para saída de imagem e um tipo de memória de vídeo específico para operações gráficas, que chamamos de VRAM ou Video RAM (a geração atual utiliza o padrão GDDR6 de memória gráfica).

placa de vídeo
Placa de vídeo GeForce RTX 3080, da NVIDIA

As placas de vídeo dedicadas são instaladas em slots especiais da placa-mãe, chamados de PCI Express. Eles fazem uma ponte direta para a troca de informações com o processador.

Onboard ou Offboard, qual é melhor?

As GPUs onboard são uma excelente solução para PCs compactos e notebooks, onde é necessário o máximo de integração entre os componentes para aproveitamento de energia e duração de bateria. Contudo, o compartilhamento da RAM e o espaço restrito no chip do processador fazem com que o desempenho seja limitado em relação a placas de vídeo dedicadas.

Dispositivos como tablets e smartphones também costumam utilizar GPUs onboard. A diferença é que nesses aparelhos ela está integrada ao que chamamos de SoC (System on a chip). Essa peça contém praticamente todos os componentes necessários para o processamento de dados, incluindo processador, GPU, memória RAM, entre outros.

Processador Intel® Core™ i7-11700, com GPU integrada Intel® UHD Graphics 750

As vantagens da placa de vídeo dedicada

As placas de vídeo dedicadas são as mais indicadas para quem quer alto desempenho (principalmente quando falamos de jogos e outros aplicativos 3D). Elas acomodam unidades de processamento gráfico mais poderosas e grandes quantidades de memória de vídeo, sem ter que disputar espaço e outros recursos com a CPU.

Placas dedicadas recebem energia pelos slots PCI Express da placa-mãe e da fonte do computador, por meio de cabos específicos. Isso permite às fabricantes construir GPUs mais complexas, que operam em altíssimas velocidades, de modo estável e sem interferir no funcionamento dos demais componentes.

Outra vantagem importante das placas de vídeo dedicadas é que elas estão separadas fisicamente do restante das peças do PC. Isso possibilita a instalação de sistemas de resfriamento extremamente robustos, que ajudam a sustentar alto desempenho por períodos prolongados.

Tanto AMD quanto Intel possuem linhas de processadores com chips gráficos onboard. As principais fabricantes de placas de vídeo dedicadas hoje são a AMD e a NVIDIA. Ambas oferecem modelos de GPUs para praticamente todos os segmentos de mercado, incluindo mobile, desktop e profissionais (workstation).

Por dentro da GPU

Se você olhar para a superfície de uma GPU, verá apenas uma folha de “metal”. Mas a verdade é que as GPUs são estruturas muito complexas. Dentro do chip principal existem milhares de núcleos e unidades menores, responsáveis por fazer todo o processamento gráfico e os cálculos matemáticos exigidos.

Alguns modelos, como a NVIDIA GeForce 3090, possuem assustadores 28,3 bilhões de transistores, operando em velocidades que frequentemente ultrapassam os 1.700 MHz.

Foto da GPU de uma NVIDIA GeForce 1070 (Imagem: WCCFTech)

Cada fabricante desenvolve a sua arquitetura pensando de forma estratégica em quais tipos de recursos, efeitos e técnicas serão mais utilizadas pelos jogos e demais aplicativos que fazem o uso da aceleração gráfica. Essa é a razão pela qual é tão difícil comparar diretamente o funcionamento de uma placa da AMD com uma da NVIDIA, por exemplo, não cabendo a discussão sobre qual tem mais clock ou mais núcleos.

Enquanto AMD utiliza uma nomenclatura como Stream Processors ou Compute Units, por exemplo, a NVIDIA utiliza Cuda Cores, mas essas partes não se equivalem entre si.

O que uma GPU profissional tem de diferente?

A maioria das placas de vídeo disponíveis no mercado é voltada ao público gamer. Modelos como as NVIDIA GeForce RTX e as AMD Radeon RX são otimizadas para entregar o máximo de desempenho e qualidade de imagem nos jogos, trazendo recursos pensados para este público, como ferramentas de streaming, overclock automático, entre outros.

Há, no entanto, uma categoria diferenciada de placas de vídeo no mercado, que são as profissionais (Workstation). Elas são desenvolvidas especialmente para aplicações como arquitetura, engenharia, computação gráfica, Inteligência artificial, telecomunicações, finanças em larga escala e pesquisas científicas.

Apesar de serem construídas muitas vezes sobre a mesma arquitetura das irmãs gamer, as placas de vídeo profissionais possuem uma série de diferenciais, começando pelo driver testado, otimizado e certificado para ambientes de trabalho, nos quais a estabilidade é uma das peças mais importantes.

Muitos modelos também vêm equipados com memória especial, capaz de corrigir erros operacionais. Alguns modelos ainda são construídos no formato de racks industriais, permitindo a instalação em massa, dentro de servidores dedicados (algo especialmente útil para tarefas como renderização e pesquisas complexas).

As placas profissionais da AMD geralmente são chamadas de Radeon PRO. Já os modelos NVIDIA pertencem à linha Quadro.

CPU x GPU: entenda a diferença

Apesar de o processador (CPU) e a GPU serem construídos a partir de bilhões de transistores, a forma como eles são estruturados internamente e suas funções se diferem consideravelmente.

Os processadores (CPUs) precisam lidar com uma série de tarefas distintas e geralmente não repetitivas, que vão desde planilhas de excel às mais variadas rotinas do sistema operacional. Isso exige versatilidade e uma compatibilidade mais ampla. A execução desses processos também acontece de forma seriada, uma por vez.

Já as placas de vídeo são unidades extremamente especializadas. Sua função é primordialmente o processamento gráfico (2D ou 3D). Para isso, ela usa centenas de unidades de processamento menores, todas trabalhando em funções similares, como a renderização de polígonos, texturas e a conversão das informações em pixels.

As GPUs atacam um grande volume de tarefas simultaneamente, executando aquilo que chamamos de processamento paralelo. Confira uma tabela comparativa da NVIDIA sobre as diferenças entre CPU e GPU:

*Comparativo disponível em Blog NVIDIA

Para ilustrar a diferença entre essas duas peças no que diz respeito à renderização de imagens, a equipe do Mythbusters fez uma demonstração bem divertida, que você confere a seguir:

Tenha em mente que os papéis destes componentes são diferentes e complementares, de forma que não é possível compará-los diretamente em termos de desempenho.

GPGPU: muito além dos jogos

As GPUs fazem muito mais pelo seu computador do que simplesmente renderizar uma partida de Fortnite. Quer alguns exemplos disso? Começando pelos sistemas operacionais, as versões mais modernas do Windows, MacOS, Android e Linux utilizam a aceleração gráfica da placa de vídeo para renderizar partes da interface e muitos dos efeitos que vemos na Área de trabalho, como transparências, transições de janelas, ícones, entre outros.

As GPUs também vêm sendo bastante utilizadas em softwares de edição de vídeo (como DaVinci Resolve e Adobe Premiere) por serem capazes de acelerar o processo de renderização, codificação e decodificação. Um exemplo é a aceleração com a tecnologia Intel Quick Sync.

Apesar de terem sido desenvolvidas com o propósito de acelerar gráficos 3D em tempo real, as placas de vídeo passaram por uma vasta transformação nos anos recentes. Cientistas descobriram inúmeras formas de aproveitar as capacidades das GPUs, utilizando-as em tarefas computacionais bastante complexas.

Isso deu origem ao termo GPGPU, General Purpose GPU, que se refere justamente ao uso da tecnologia para fins diferentes do simples processamento de imagens. Exemplos disso incluem projetos como o [email protected], uma iniciativa que usa o poder computacional de milhões de placas de vídeo no mundo todo para simular os enrolamentos de proteínas. Os resultados auxiliam na descoberta de tratamentos para diversas doenças, como câncer e até mesmo o Coronavírus.

Outra área na qual as GPUs vem ganhando destaque é no setor automobilístico, mais especificamente nos carros autônomos. A explicação para isso está na capacidade que esses processadores têm em reconhecer as imagens recebidas pelos sensores e pelas câmeras, realizando cálculos em tempo real para ditar a rota e evitar perigos pelo caminho. Além da Tesla, outras grandes empresas como Audi, Hyundai, Mercedez-Benz e Volvo vêm investindo na tecnologia de veículos autônomos.

Mineração de criptomoedas: o pesadelo dos gamers?

Entre tantas aplicações interessantes para a GPU, uma em especial está tirando o sono dos gamers: a mineração de criptomoedas. A alta no valor de itens como Bitcoins, Ethereum e outros atraiu uma legião de investidores, que colocam suas placas de vídeo para trabalhar dia e noite em troca de fragmentos dessas moedas.

Por conta do tipo de cálculo realizado no processo de mineração, as GPUs são muito mais eficientes do que qualquer outra unidade de processamento. Isso tem levado a uma escassez sem precedentes no mercado. Em resposta, muitas fabricantes de GPU vem lançando modelos especiais, que limitam o desempenho para a mineração.

E você, o que acha de tudo isso? Conte para a gente como a GPU e as placas de vídeo impactam o seu dia aqui embaixo, nos comentários!