Processeur graphique
Cet article concerne les processeurs graphiques. Pour les autres significations de GPU, voir GPU.
Un processeur graphique, ou GPU (de l'anglais Graphics Processing Unit), est un circuit intégré présent la plupart du temps sur une carte graphique (mais pouvant aussi être intégré sur une carte-mère ou dans un processeur) et assurant les fonctions de calcul de l'affichage. Un processeur graphique a généralement une structure hautement parallèle (voir accélération matérielle) qui le rend efficace pour une large palette de tâches graphiques comme le rendu 3D, en Direct3D ou en OpenGL, la gestion de la mémoire vidéo, le traitement du signal vidéo, la décompression Mpeg, etc.
Leur parallélisme massif les rend aussi intéressants comme processeurs de calcul matriciel, le minage de cryptomonnaies ou pour des cassages de code en « force brute »[1] d'archives chiffrées. Enfin, leur rapport performance/prix les avantage pour le calcul[2].
Peu d’entreprises conçoivent de tels processeurs : les plus connues sont NVIDIA, AMD (anciennement ATI) et Intel. Il y a aussi d'autres fabricants désormais moins importants, ou moins connus du grand public, comme Qualcomm, S3 Graphics, Matrox, 3DLabs (en), ARM XGI (en). Ces entreprises sont dites « fabless », c'est-à-dire qu'elles conçoivent les circuits graphiques, mais ne les fabriquent pas en série. D'autres entreprises (Asus, MSI, PNY…) se chargent ensuite de proposer des cartes graphiques intégrant ces processeurs. Ce sont les entreprises constructrices. Celles-ci prennent en général une certaine liberté de modification des fréquences de fonctionnement des GPU par rapport aux fréquences de base préconisées par les concepteurs. C'est le principe de l'overclocking. Bien entendu, ces modifications nécessitent un choix rigoureux dans le système de refroidissement, car bien souvent, les fréquences en hausse provoquent également en contrepartie une hausse de température, à l'image des CPU. Ces fréquences varient entre les constructeurs et selon les modèles et les systèmes de refroidissement proposés par ces entreprises. L'écart de performance entre les modèles de référence (fournis par les concepteurs) et les constructeurs varie et certains GPU personnalisés peuvent même présenter un gain non négligeable par rapport au GPU de référence.
Fonctionnement
Les sommets de polyèdres (anglais vertex) constituent les données élémentaires de la géométrie en trois dimensions et par là des processeurs graphiques. Ce sont les points entre lesquels seront tracées les arêtes d’un objet et par lesquels le processeur construit les objets multidimensionnels. Si les objets sont en deux dimensions, ou qu’il s’agit de vidéos, les données sont directement envoyées à la fenêtre d’affichage.
Pour accélérer le calcul, le processeur calcule les sommets invisibles (cachés par d’autres sommets, par les faces d’un objet ou autrement) et les supprime pour ne pas avoir à les gérer.
Le processeur graphique applique ensuite aux faces des objets les textures puisées sur le disque dur grâce au logiduc graphique (Pixel Pipeline). Le moteur graphique envoie ensuite au processeur des données sur l’éclairage des polygones, que celui-ci se charge de mettre en œuvre pour éclairer la scène. Ensuite, la puce graphique applique à l’image les divers filtres (anticrénelage ou filtrage anisotrope), et envoie le résultat à la fenêtre d’affichage, qui « aplatit » l’image pour l’afficher à l’écran.
Types
Il existe différentes organisations des architectures informatiques dans lesquels les processeurs graphiques sont utilisés.
Puce sur carte mère
Sur les premiers micro-ordinateurs, le processeur graphique était un circuit intégré (ou puce), situé sur la carte mère de l'ordinateur. C'est également le cas généralement sur les consoles de jeu, ou encore aujourd'hui sur les ordinateurs à carte unique.
Carte graphique dédiée
Il s’agit du type de processeur graphique le plus puissant. Le processeur est généralement situé sur une carte interfacée avec la carte mère de l’ordinateur par un port PCI Express pour les machines récentes AGP ou PCI pour les machines plus anciennes ; quant aux ordinateurs portables, certains disposent d’une déclinaison spécifique du port PCI Express, le MXM ou Mobile PCI-Express Module). Ces cartes disposent de leur propre mémoire vive.
Il existe aussi le format PCI express 16x qui permet maintenant de dépasser les fréquences et les quantités de mémoire qui étaient limitées par le PCI express (512 Mo en PCI express, la limite du PCI express 16x n'a pas encore été atteinte).
SoC
Dans les System On Chip (SoC), le processeur graphique est situé dans le même circuit intégré que le processeur principal , le processeur sonore, et les autres composants principaux du système. Un bus interne au circuit intégré permet d'échanger les informations entre ses différentes composantes.
Processeur graphique intégré (IGP)
Ces processeurs graphiques sont intégrés dans le northbridge sur la carte mère de l’ordinateur ou directement au processeur central (à partir de la famille de processeurs Westmere chez Intel), et utilisent sa mémoire vive ou plus rarement une faible quantité de mémoire dédiée. Ces processeurs graphiques sont moins performants que ceux des cartes graphiques dédiées, mais ils sont moins coûteux, plus faciles à intégrer et moins consommateurs en énergie. Les ordinateurs portables anciens et/ou d'entrée de gamme utilisent cette méthode afin de réduire les coûts.
Les IGP suffisent si le matériel n'est pas sollicité par les jeux modernes ou des programmes utilisant de grandes quantités de ressources graphiques. Les cartes mères anciennes ont souvent un processeur graphique intégré et un (ou plusieurs) port permettant d’ajouter une carte graphique dédiée. Ce type d'IGP tend cependant à disparaître au profit des processeurs graphiques intégrés directement dans les CPU plus récents. Le défaut majeur de ces derniers est que l'ensemble CPU/GPU est limité par la puissance maximale pouvant être reçue par le biais du socket. CPU et GPU ne peuvent donc fonctionner ensemble au maximum de leur fréquence respective si la somme des puissances nécessaires dépasse la puissance maximale réelle pouvant être admise. Cela nécessite donc un bridage de l'un pour obtenir de meilleurs résultats avec l'autre. En d'autres termes, quand l'un est au maximum, l'autre doit passer en économie. Les jeux les plus récents deviendront injouables et les logiciels utilisant essentiellement beaucoup de graphisme seront limités si le CPU est sollicité au détriment du GPU. Et vice versa, des logiciels de compression de données ou ayant besoin essentiellement du CPU seront plus lents si celui-ci est bridé au profit du GPU. Par contre, il est possible de jouer sans problème à des jeux plus anciens qui ne demandent pas beaucoup de ressources en termes de couple CPU/GPU ou en désactivant bonne quantité d'options graphiques.
Bien que ce type de configuration se démocratise de plus en plus, une configuration plus classique CPU et carte graphique supplémentaire reste plus efficace car la bande passante dédiée utilisée par la carte graphique permet de soulager le CPU, laissant ainsi à ce dernier la totalité de la puissance du socket. Une carte graphique, même bas de gamme, obtiendra de meilleurs résultats qu'un IGP car non bridée par un partage de circuit avec le CPU. Ainsi, pour un joueur occasionnel ou quelqu'un évoluant dans le domaine du multimédia, une carte bas de gamme se révélera utile, voire quasi-indispensable, afin de profiter de meilleurs rendus sans pour autant dépenser beaucoup d'argent. Cependant cet investissement supplémentaire n'est pas intéressant pour un utilisateur limitant l'utilisation de sa machine à de la bureautique ou de la recherche sur internet, car demandant peu de ressources. Il lui sera alors plus avantageux de se contenter d'un IGP. De plus, les améliorations à chaque nouvelle génération de processeurs intégrant une partie graphique permet parfois de rattraper cet écart de puissance avec les cartes graphiques bas de gamme, voire les dépasser dans certains cas.
Il est aussi possible pour un utilisateur possédant un ensemble « CPU/IGP/carte graphique » d'activer le GPU intégré au processeur principal et donc, par l'intermédiaire de programmes fournis ou présents sur les sites des fabricants de ces composants, de faire la transition entre le GPU du processeur et la carte graphique adjointe au système et ainsi optimiser la consommation électrique. Par exemple, une carte graphique performante destinée aux jeux et consommant beaucoup en puissance peut être désactivée pendant une session de bureautique par un pilote permettant d'attribuer à chaque programme installé un GPU spécifique.
Choisir un processeur graphique
Un processeur graphique a pour fonction principale de traiter les calculs graphiques complexes afin de soulager le CPU de ces tâches. Pour autant, cela ne signifie pas que ces deux composants soient totalement indépendants. En effet, il existe plusieurs problèmes pouvant subsister si un mauvais équilibre entre le processeur central et le processeur graphique est présent. Ainsi, il ne sert à rien d'opter pour une carte graphique très performante si elle est bridée par les performances du CPU. On utilise alors le terme de « CPU limited » (littéralement « limité par le CPU »). À l'inverse, si l'utilisateur se procure un processeur très performant mais choisit une carte graphique ayant peu de performances ou se contentant de l'IGP, il ne pourra pas obtenir de bons rendus graphiques fluides si ceux-ci nécessitent de gros calculs graphiques. Il faut donc pouvoir équilibrer le plus possible les performances afin d'en tirer le meilleur[3].
Pour une personne travaillant sur de la bureautique, faisant des recherches sur internet, ou des utilisations polyvalentes, un IGP ou une carte graphiques d'entrée de gamme suffit. Pour une utilisation dans le domaine de la 3D, que ce soit en jeu vidéo, ou en modélisation 3D simple il vaut mieux un IGP haut de gamme, ou une carte graphique dédiée. Enfin, dans le cas de montage vidéo, de modélisation 3D complexe ou la volonté d'utiliser les derniers jeux vidéo complexes, au maximum de leur performances, une à plusieurs cartes graphiques dédiées haut de gamme peuvent être nécessaire. Il est dans tous les cas, souvent possible d'ajouter une à plusieurs cartes graphiques supplémentaires si la puissance de base est insuffisante à l’utilisation qui en est faite du système informatique. C'est le cas surtout des joueurs exigeants au sujet des graphismes ou des professionnels en montage photo/vidéo de haut niveau ou en CAO/DAO[3].
Notes et références
- Tomshardware, cassage de codes en GPU
- ZDNet, Août 2016 : « Il est bien plus intéressant de nos jours de laisser les GPU s'occuper de ces tâches plutôt que de tout confier au CPU qui a un rapport qualité prix/puissance bien moins intéressant (l'exemple le plus flagrant est le rendu 3D qui est bien plus rapide avec un GPU qu'un CPU a prix équivalent, rapport 10 à 50)
- Canard PC Harware no 1 à 28 : voir les conseils de sélection de matériel mis à jour à chaque parution trimestrielle.
