سرور GPU چیست و چه کاربردی دارد؟

سرور GPU نوعی سرور است که از یک یا چند واحد پردازش گرافیکی برای افزایش توان و سرعت محاسبات سنگین بهره می‌گیرد. مهم‌ترین ویژگی سرور GPU یا به اصطلاح سرور گرافیکی این است که می‌تواند تعداد قابل توجهی پردازش را به‌شکل موازی و هم‌زمان انجام دهد. اگر می‌خواهید بدانید سرور GPU چیست و چه کاربردی دارد در ادامه این مطلب با ابر زَس همراه باشید.

سرور GPU چیست؟

سرور GPU که گاه به نام سرور گرافیکی نیز شناخته می‌شود، از یک یا چند واحد پردازش گرافیکی (Graphics Processing Unit یا GPU) تشکیل شده و پردازش‌های سنگین را به‌جای پردازشگر اصلی (CPU) با پردازشگر گرافیکی انجام می‌دهد. در این نوع سرور، تمام قطعات اصلی مانند پردازنده اصلی، حافظه رم و فضای ذخیره‌سازی نیز وجود دارند اما بار اصلی پردازش به‌جای CPU روی دوش GPU قرار می‌گیرد. قبل از ادامه صحبت در مورد سرور GPU بیایید کمی مقدمات را مرور کنیم.

سرور فیزیکی چیست؟

سرور فیزیکی یک کامپیوتر بسیار قدرتمند شامل سخت‌افزار معمول از جمله پردازنده، حافظه رم و فضای ذخیره‌سازی است که عملیات ذخیره‌سازی، پردازش و مدیریت داده‌ها، دستگاه‌ها و سیستم‌ها را انجام می‌دهد. پردازنده اصلی یا CPU در سرور فیزیکی، به‌مراتب قدرتمندتر از پردازنده اصلی کامپیوترهای دسکتاپ یا لپ‌تاپ است و با تعداد زیادی هسته فیزیکی می‌تواند سخت‌ترین عملیات پردازشی را با سرعتی باور نکردنی به انجام برساند. به‌عنوان مثال پردازنده 3995WX ساخت شرکت AMD از ۶۴ هسته فیزیکی و ۱۲۸ ترد پردازشی بهره می‌برد، درحالی‌که جدیدترین پردازنده‌های دسکتاپ به‌طور میانگین به ۱۰ هسته فیزیکی مجهز شده‌اند. با این حال، حتی قوی‌ترین پردازنده‌های سرور نیز نمی‌توانند بعضی عملیات پردازشی خاص را با سرعت قابل قبول اجرا کنند. در چنین شرایطی پردازشگر گرافیکی (GPU) به میدان می‌آید، اما چرا پردازشگر گرافیکی روی سرورهای از جمله سرور GPU می‌تواند این عملیات را با سرعت بیشتری اجرا کند؟ این موضوع به تفاوت بین معماری CPU و GPU برمی‌گردد. در صورتی که می‌خواهید در مورد سرورها بیشتر بدانید پیشنهاد می‌کنیم مطلب «سرور چیست؟» را مطالعه نمایید.

تفاوت CPU و GPU چیست؟

واحد پردازش مرکزی (Central Processing Unit یا CPU) و واحد پردازش گرافیکی (GPU) از بسیاری جهات به یکدیگر شباهت دارند. این دو قطعه سخت‌افزاری که نوعی ریزپردازنده سیلیکونی هستند، از اجزای اصلی و اساسی کامپیوترها به‌شمار می‌روند و داده‌ها را پردازش می‌کنند. با این حال از نظر معماری و کاربرد، تفاوت‌های مهمی بین آنها وجود دارد.

واحد پردازش مرکزی (CPU) که از میلیون‌ها یا میلیاردها ترانزیستور تشکیل شده، یکی از اجزای اساسی سیستم‌های مدرن محسوب می‌شود که فرمان‌ها و پروسه‌های مورد نیاز در کامپیوتر، سرور و سیستم‌عامل را اجرا می‌کند. CPU می‌تواند بازه متنوعی از عملیات پردازشی را اجرا کند، به‌ویژه عملیاتی که به سرعت بسیار بالا و تأخیر ناچیز نیاز دارند. هر سرور فیزیکی به یک، دو یا چهار CPU مجهز شده تا عملیات مورد نیاز توسط سیستم‌عامل را به اجرا درآورد. مهم‌ترین اصل کارکرد CPU این است که تعداد هسته‌های فیزیکی محدود خود را روی اجرای پروسه‌ها متمرکز سازد. بنابراین CPU می‌تواند تعداد محدودی عملیات را با سرعت بسیار بالا اجرا نماید.

واحد پردازش گرافیکی (GPU) از ابتدا برای سرعت بخشیدن به رندرینگ سه‌بعدی طراحی و ساخته شد و در حال حاضر نیز مهم‌ترین نقش خود را در اجرای بازی‌های ویدیویی یا مدل‌سازی سه‌بعدی ایفا می‌کند. با این حال به‌مرور زمان شاهد افزایش انعطاف‌پذیری و قابلیت برنامه‌پذیری این سخت‌افزار بودیم. امروزه از GPU می‌توان برای انجام کارهای مختلف در حوزه یادگیری عمیق (Deep Learning)، هوش مصنوعی (Artificial Intelligence یا AI) و رمزنگاری استفاده کرد.

پردازشگر گرافیکی در مقایسه با پردازشگر اصلی سرعت کمتری دارد، اما این سرعت پایین را با انجام هم‌زمان تعداد زیادی پروسه جبران می‌کند. دلیل اصلی این مزیت به تعداد هسته‌های GPU برمی‌گردد. قوی‌ترین کارت گرافیک انویدیا یعنی RTX 4090 از ۱۶۳۸۴ هسته بهره می‌برد، یعنی صدها برابر بیشتر از قوی‌ترین پردازنده سرور دنیا. بنابراین هنگامی که به اجرای هم‌زمان و موازی تعداد زیادی عملیات نیاز داریم، پردازشگر گرافیکی گزینه بسیار بهتری خواهد بود. در جدول زیر می‌توانید مقایسه‌ای بین CPU و GPU بر اساس فاکتورهای متنوع را مشاهده نمایید:

کاربرد سرور GPU چیست؟

تا اینجای مطلب «سرور GPU چیست» به بیان مقدمات در مورد این فناوری پرداختیم. همان‌طور که گفتیم واحد پردازش گرافیکی یا GPU مهم‌ترین قطعه سخت‌افزاری در دنیای پردازش‌های نوین است که در کنار رندرینگ بازی‌های ویدیویی و مدل‌سازی سه‌بعدی، در حوزه‌های متنوع دیگری نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. سرور GPU یا سرور گرافیکی توان پردازش منحصربه‌فرد پردازشگر گرافیکی را در قالب یک سرور قدرتمند در اختیار کاربران می‌گذارد.

سرور GPU از توان پردازش خام این قطعه سخت‌افزاری استفاده می‌کند تا بار پردازش را از دوش CPU برداشته و کارایی کلی سرور را بهبود بخشد. علاوه بر این با بهره‌گیری از دو یا چند کارت گرافیک می‌توان به قابلیت‌هایی رسید که حتی قوی‌ترین سرورهای مبتنی بر CPU در دنیا نمی‌توانند به آن دست پیدا کنند. در ادامه بعضی از کاربردهای سرور GPU را مرور می‌کنیم.

کاربرد سرور GPU در پردازش سه‌بعدی

سرور GPU بهترین ابزار برای محاسبات دوبعدی (2D) و سه‌بعدی (3D) و رندرینگ محتوای گرافیکی سه‌بعدی است. پردازشگرهای گرافیکی مدرن در این حوزه به‌مراتب قوی‌تر از CPU عمل می‌کنند و می‌توانند در حوزه‌های طراحی کامپیوتری (CAD)، تدوین ویدیو و گیمینگ به‌کار گرفته شوند. سرور گرافیکی راه‌اندازی سرویس‌های کلاد گیمینگ (Cloud Gaming) مانند GeForce Now یا Playstation Now را نیز ممکن ساخته است. سرویس‌های آنلاین واقعیت مجازی (VR) یا واقعیت افزوده (AR) نیز از سرورهای قدرتمند مجهز به پردازشگرهای گرافیکی متعدد برای رندرینگ بدون وقفه استفاده می‌کنند.

کاربرد سرور GPU در تحلیل داده

تحلیل مجموعه داده‌های عظیم و پرحجم (Big Data) یکی از سنگین‌ترین عملیات پردازشی دنیای تکنولوژی محسوب می‌شود و سرور GPU بهترین گزینه برای اجرای این عملیات است. پردازشگر گرافیکی می‌تواند با سرعت بالا و به‌شکل بهینه مجموعه عظیمی از داده‌ها را پردازش نماید. این موضوع در حوزه تحقیقات علمی و شبیه‌سازی (Simulation) نیز کاربرد زیادی دارد. بسیاری از شبیه‌سازی‌های علمی به توان پردازش قابل توجهی نیاز دارند که بین آنها می‌توان به شبیه‌سازی تصادف خودرو برای طراحی خودروهای ایمن‌تر، شبیه‌سازی برهم‌کنش مولکولی برای ساخت داروهای جدید و شبیه‌سازی جریان هوا روی خودروها و هواپیماها اشاره کرد. سرور GPU در تحلیل داده‌های کیهان‌شناسی، وضعیت آب‌وهوا، ژنومیک و موارد مشابه نیز کاربرد دارد.

کاربرد سرور GPU در یادگیری ماشین و یادگیری ژرف

سرور GPU نقش اساسی را در حوزه‌های یادگیری ماشین (Machine Learning یا ML) و یادگیری ژرف (Deep Learning) ایفا می‌کند و می‌تواند فرایند آموزش و استنتاج مدل‌های شبکه عصبی را تسریع نماید. شبکه‌های عصبی از اجزای اساسی بسیاری از الگوریتم‌ها به‌شمار می‌روند و آموزش آنها با استفاده از مجموعه داده‌های عظیم به توان پردازش قابل توجهی نیاز دارد. مهندسین هوش مصنوعی با استفاده از سرورهای قدرتمند مبتنی بر GPU می‌توانند مدل‌های شبکه عصبی را با سرعت بالا آموزش داده و کارآیی و دقت آنها را افزایش دهند.

کاربرد سرور GPU در اِنکُدینگ ویدیو و استریمینگ

سرور گرافیکی در حوزه انکدینگ ویدیو (Video Encoding) و استریمینگ (Streaming) نیز کاربرد گسترده‌ای دارد. پردازشگر گرافیکی می‌تواند انواع فرمت‌های ویدیویی را با سرعت بالا به یکدیگر تبدیل کرده و آنها را در اختیار کاربران قرار دهد. پردازشگرهای گرافیکی مدرن از واحدهای انکدینگ ویژه بهره می‌برند که برای پردازش ویدیو ساخته شده‌اند. سرویس‌های پخش ویدیو (VOD) با استفاده از سرور GPU می‌توانند هر محتوایی را با کیفیت مورد نظر کاربر برای او پخش کنند.

مزایای سرور GPU چیست؟

همان‌طور که تا اینجا متوجه شدید، سرور GPU دو مزیت اصلی را در مقایسه با سرورهای معمول ارائه می‌دهد. اولین مزیت این است که سرور GPU در عملیات پردازش سنگین که قابلیت پردازش موازی دارند بسیار سریع‌تر عمل می‌کند. این موضوع به معماری پردازشگر گرافیکی و تعداد هسته‌های بسیار بیشتر آن در مقایسه با CPU برمی‌گردد.

دومین برتری سرور GPU نسبت به سرور CPU این است که می‌توانید پردازش‌های سنگین را با مصرف انرژی بسیار کمتر به انجام برسانید. پردازشگر گرافیکی به‌ازای هر پردازش، انرژی کمتری را در مقایسه با CPU مصرف می‌کند و این موضوع در درازمدت باعث کاهش قابل توجه هزینه انرژی خواهد شد. سازمان‌ها و کسب‌وکارهایی که به رایانش با عملکرد بالا (High Performance Computing یا HPC) وابسته هستند با استفاده از سرور گرافیکی می‌توانند هزینه‌های خود را کاهش دهند. همچنین اکثر سرورهای GPU مدرن از فناوری‌های خاص حافظه مانند HBM2 یا HBM3 استفاده می‌کنند که مصرف انرژی کمتری در مقایسه با حافظه DDR4 دارند و در کاهش هزینه‌ها مؤثرند.

در نهایت حتی اگر به پردازش‌های خاص مبتنی بر GPU نیاز ندارید، باز هم استفاده از پردازشگر گرافیکی می‌تواند بار پردازش‌های خاص و سنگین را از روی دوش CPU بردارد و به‌عنوان یک پردازشگر کمکی در اجرای بعضی وظایف به کمک پردازنده اصلی بیاید. به این فناوری در دنیای تکنولوژی «بارگذاری محاسباتی» یا Computation Offloading می‌گویند.

پردازنده اصلی یا پردازشگر گرافیکی

پردازنده اصلی (CPU) و پردازشگر گرافیکی (GPU) دو قطعه سخت‌افزاری محوری در دنیای کامپیوتر محسوب می‌شوند و هرکدام برای اجرای عملیات خاصی طراحی و ساخته شده‌اند. پردازنده اصلی یا CPU همچنان مهم‌ترین عضو یک سرور محسوب می‌شود و تمام سرورها به حداقل یک CPU نیاز دارند. این پردازنده وظایف مهمی مانند اجرای سیستم‌عامل، کنترل ورودی/خروجی و مدیریت برنامه‌های در حال اجرا را بر عهده دارد. با این حال زمانی که بخواهیم تعداد قابل توجهی عملیات پردازشی را به‌شکل موازی انجام دهیم، به پردازشگر گرافیکی نیاز خواهیم داشت.

سرور GPU با استفاده از پردازشگر گرافیکی وظایف پیچیده‌ای مانند داده‌کاوی، یادگیری ماشین، آموزش شبکه‌های عصبی، رندرینگ سه‌بعدی، انکدینگ ویدیو و رمزنگاری را با سرعت فوق‌العاده‌ای انجام می‌دهد. بنابراین اگر سازمان شما نیز به چنین پردازش‌هایی نیاز دارد، می‌توانید به سراغ سرور گرافیکی بروید. علاوه بر این امروزه بسیاری از ارائه‌دهندگان خدمات رایانش ابری، امکان اجاره سرور GPU را در اختیارتان قرار می‌دهند.

مطالب بیشتر در حوزه کلاد را بلاگ ابر زس بخوانید.