Что такое аппаратное ускорение? Работа, применение, преимущества и проблемы

Здравствуйте, друзья!

Аппаратное ускорение переносит вычислительную нагрузку центрального процессора на неактивные аппаратные ресурсы, такие как графический процессор, звуковая карта или карта памяти.

• Аппаратное ускорение определяется как процесс переноса части работы по обработке приложений с программного обеспечения, работающего на центральном процессоре (ЦП), на простаивающий аппаратный ресурс, которым может быть видеокарта, звуковая карта, графический процессор (ГП) или специальное устройство, такое как ускоритель ИИ, для оптимизации использования ресурсов и повышения производительности;
• Большинство браузеров, таких как Chrome и Microsoft Edge, обладают возможностями аппаратного ускорения. Даже Windows 11 имеет функцию планирования задач с использованием аппаратного ускорения графического процессора. Такие приложения, как Spotify, также начали предлагать пользователям возможность включения аппаратного ускорения;
• В этой статье объясняется значение и принцип работы аппаратного ускорения. Также обсуждается, когда следует использовать эту функцию, её преимущества и потенциальные проблемы, с которыми могут столкнуться пользователи.

Что такое аппаратное ускорение?

Аппаратное ускорение — это процесс переноса части работы по обработке приложений с программного обеспечения, работающего на центральном процессоре (ЦП), на простаивающий аппаратный ресурс, которым может быть видеокарта, звуковая карта, графический процессор (ГП) или специальное устройство, такое как ускоритель искусственного интеллекта, для оптимизации использования ресурсов и повышения производительности.

Центральный процессор (ЦП) — это «материнский корабль», двигатель всех компьютерных систем.

Он предназначен для выполнения практически любых задач, но такая универсальность не всегда является самым удобным способом решения определенных задач.

Декодирование видео, рендеринг графики и даже майнинг криптовалют — это примеры действий, которые могут быть выполнены на специализированном устройстве или компоненте, таком как графический процессор (ГП).

Аппаратное ускорение переносит выполнение повседневных задач с центрального процессора на специально разработанное оборудование, способное выполнять работу не только быстрее, но и эффективнее.

В результате устройства работают с меньшим нагревом (при правильной калибровке), а батареи служат гораздо дольше.

Добавление вычислительного оборудования для выполнения конкретных задач влечет за собой затраты на разработку и увеличение площади кристалла.

Поэтому необходимо определить рабочие нагрузки, требующие эксклюзивного оборудования, именно поэтому аппаратное ускорение не является универсальной функцией во всех приложениях.

10 ключевых применений аппаратного ускорения

В современном мире аппаратное ускорение в основном применяется в следующих случаях:

1. Обработка данных с помощью ИИ

Всё больше аппаратных ускорителей интегрируется в системы на кристалле (SoC) для поддержки различных приложений искусственного интеллекта (ИИ).

Они помогают создавать и проектировать тесно интегрированные специализированные процессоры, обеспечивающие более низкое энергопотребление и задержку, переработку данных и локализацию.

Из-за своей сложной природы алгоритмы ИИ изначально нуждаются в аппаратном ускорении.

Ускорители ИИ призваны ускорить выполнение задач ИИ; они выполняют эти действия с эффективностью, недостижимой с помощью традиционных процессоров.

Кроме того, ни один процессор не может удовлетворить разнообразные требования приложений ИИ, поэтому аппаратные ускорители, встроенные в схемы ИИ, обеспечивают повышение эффективности, экономию энергии и снижение задержки для конкретных операций.

В результате, специализированные архитектуры на основе ускорителей ИИ начинают использовать как центральные процессоры, так и графические процессоры в приложениях, основанных на ИИ.

2. Цифровая обработка сигналов

Ускорители могут использоваться для выполнения всех трех наиболее распространенных операций обработки сигналов: КИХ-сигнала (с конечной импульсной характеристикой), БИХ-сигнала (с бесконечной импульсной характеристикой) и быстрого преобразования Фурье (БПФ).

КИХ-фильтры, БИХ-фильтры и операции БПФ регулярно используются в цифровой обработке сигналов.

Они имеют стандартизированную структуру, позволяющую осуществлять прямую аппаратную реализацию — в частности, с помощью аппаратных ускорителей, называемых однокристальными компьютерами на базе архитектуры Super Harvard (SHARC).

Системы SHARC имеют долгую историю поддержки передовых возможностей обработки сигналов во многих приложениях.

Кроме того, процессор включает в себя ряд аппаратных ускорителей для распространенных операций обработки сигналов, в том числе КИХ-фильтры, БИХ-фильтры и БПФ.

Эти операции являются основой для коммуникационных сетей, медицинского оборудования, товаров народного потребления, а также приложений промышленного контроля и измерений.

3. Ускорение принятия решений по маршрутизации пакетов

Хотя основные идеи могут быть схожими, аппаратное ускорение для маршрутизаторов несколько отличается от аппаратного ускорения для компьютерных систем.

Задача маршрутизатора — проверять входящий трафик на всех своих портах, находить нужный порт и направлять трафик в соответствующее место.

Другие этапы, такие как разрешение или отклонение потока трафика или регулярное выполнение трансляции сетевых адресов (NAT), также играют ключевую роль в этих решениях по маршрутизации.

Когда маршрутизатору необходимо принять решение относительно пакета (фрагмента трафика), он должен отправить его на свой центральный процессор, являющийся ограниченным ресурсом.

Как правило, маршрутизатор должен делать этот выбор для каждого пакета, проходящего через него, что часто очень быстро увеличивает его рабочую нагрузку.

Аппаратное ускорение — это метод, используемый для уменьшения общего количества пакетов, которые маршрутизатор должен обрабатывать и анализировать.

При активации процессор принимает решения на основе исходного набора пакетов в потоке трафика.

Как правило, аппаратное ускорение можно включить или выключить с помощью настроек локальной сети (LAN) в панели администратора маршрутизатора.

4. Медиасервисы, такие как Spotify

Аппаратное ускорение может помочь ресурсоемким приложениям, таким как Spotify, работать более эффективно и обеспечить пользователю более качественное взаимодействие с компьютером (не обязательно с аудио).

Аппаратное ускорение — это настройка в настольной версии Spotify, которая переводит приложение со «стандартной обработки» на более специализированные компоненты используемого вами компьютера.

Затем такие приложения, как Spotify, назначают определенные роли в зависимости от того, какое устройство может эффективно выполнять задачу.

Включение аппаратного ускорения само по себе не влияет на качество звука или воспроизведение.

Такие процессы, как переключение между экранами, импорт обложек дисков, запуск последовательных треков или отображение текста песен, переносятся на другое устройство.

Как правило, приложения для потоковой передачи музыки, такие как Spotify, работают одновременно с другими приложениями.

При выполнении ресурсоемких задач, таких как редактирование фотографий или работа с файлами Excel, аппаратное ускорение может существенно улучшить пользовательский опыт.

5. Оптимизация производительности веб-сайтов в Chrome

Большинство браузеров, включая Google Chrome, оптимизированы с использованием аппаратного ускорения, которое задействует графический процессор компьютера для ускорения процессов и высвобождения ценного процессорного времени.

Аппаратное ускорение Chrome использует графический процессор (GPU) устройства для выполнения ресурсоемких графических задач, таких как просмотр видеоуроков или любые задачи, требующие более быстрых математических вычислений.

Передача конкретной задачи графическому процессору позволяет центральному процессору сосредоточиться на других задачах, в то время как графический процессор выполняет процессы, для успешного выполнения которых он был создан.

Однако несоответствие или несовместимость драйверов могут привести к некорректной работе этой функции; её отключение может уберечь пользователя от непреднамеренных проблем.

6. Обработка звука на ПК

Некоторые аудиоадаптеры для ПК поддерживают аппаратное ускорение, которое позволяет выполнять аппаратное микширование для любого количества аудиофайлов, обрабатываемых аудиодрайвером.

Аппаратное ускорение повышает производительность, освобождая центральный процессор от задач микширования звука.

Помимо микширования, оборудование выполняет такие задачи, как преобразование частоты дискретизации (SRC), затухание и, при необходимости, 3D-обработка, для которых в противном случае потребовалось бы специальное программное обеспечение.

3D-аудио включает в себя панорамирование (измерение 1), частоту и амплитуду (измерение 2), а также глубину (измерение 3).

7. Аппаратное ускорение криптографии

При использовании программного обеспечения криптографические процессы могут быть дорогостоящими.

Аппаратный ускоритель может выполнять эти операции, повышая производительность и снижая затраты.

Аппаратное ускорение криптографии подразумевает использование оборудования для выполнения криптографических функций быстрее, чем это возможно с помощью программного обеспечения.

Например, в криптографии с открытым ключом широко применяются методы Ривеста-Шамира-Адельмана (RSA).

Однако использование программного обеспечения для этой функции снижает или ограничивает скорость выполнения операций в диапазоне десятков в секунду.

Компьютерная система с аппаратным ускорением может выполнять до нескольких тысяч вычислений RSA в секунду.

Компания Intel официально заявила о разработке экологически чистых аппаратных ускорителей для блокчейна.

Для майнинга криптовалют на основе алгоритма SHA-256 они обеспечат более чем в 1000 раз большую эффективность на ватт по сравнению со стандартными графическими процессорами.

8. Кодирование и декодирование видео

Обновление современных видеороликов до более высокого разрешения удваивает нагрузку на процессор, что приводит к перегреву ЦП, замедлению работы ноутбука, высокой загрузке ЦП, прерыванию процессов и быстрому разряду батареи.

Используя огромные возможности параллельной обработки графического процессора, аппаратное ускорение успешно экономит время ЦП и снижает энергопотребление.

В частности, аппаратные решения для ускорения обработки видео в формате 4K Ultra HD позволяют значительно превзойти эффективность работы центрального процессора.

На открытом рынке приложения, поддерживающие аппаратное ускорение графического процессора, включают Windows Media Player, VLC Media Player и MacX Video Converter Pro, среди прочих.

9. Системы автоматизированного проектирования (САПР)

Ядра моделирования используются программами автоматизированного проектирования (САПР) (такими как SolidWorks, AutoCAD и др.) для выполнения базовых процессов моделирования.

Однако некоторые операции моделирования требуют значительных вычислительных ресурсов.

Поэтому в большинстве САПР-систем проектировщику необходимо подождать некоторое время — до завершения конкретной операции — чтобы он мог предоставить визуальную обратную связь и перейти к следующей операции.

В программах автоматизированного проектирования запуск аппаратного ускорения может повысить производительность и эффективность.

Это оптимизирует общий процесс вычислений, выходя за рамки работы с 3D-моделированием.

10. Аппаратное ускорение в Android

Android использует аппаратное ускорение для ускорения 2D-рендеринга, обработки изображений и видео.

Следует помнить, что не все элементы приложения Android могут быть ускорены.

Начиная с Android 3.0, были определены конкретные функции, и только они могут быть ускорены.

Это включает в себя уровни активности, приложения, окна и представления.

Включение или отключение аппаратного ускорения может осуществляться как программистом, так и драйвером устройства, в зависимости от ситуации или при достижении максимальной загрузки ЦП.

Следует отметить, что пользователь не имеет доступа к функциям ускорения в Android.

Как использовать аппаратное ускорение

Процесс использования аппаратного ускорения будет различаться от одной системы к другой.

Он также будет зависеть от совместимости операционной системы, драйверов оборудования, процессорного чипа и самого приложения.

Давайте обсудим несколько полезных советов.

1. Аппаратное ускорение планирования задач на графическом процессоре в Windows

Один из наиболее распространенных способов использования аппаратного ускорения — это планирование задач на графическом процессоре (GPU Planning), функция Windows, которая позволяет более эффективно использовать GPU.

Вот шаги для её использования:

• Чтобы запустить этот процесс, откройте приложение «Параметры Windows» и нажмите сочетание клавиш «Windows и I» на клавиатуре;
• С помощью приложения «Настройки» перейдите в раздел «Система», а затем в раздел «Дисплей»;
• После выбора меню «Дисплей» нажмите на пункт «Параметры графики». В Windows 10 его можно найти в разделе «Несколько дисплеев». В Windows 11 просто прокрутите вниз и выберите пункт «Графика»;
• После выполнения этих шагов нажмите кнопку «Изменить настройки графики по умолчанию»;
• Там вы можете использовать встроенный ползунок для включения или отключения аппаратного ускорения планирования задач на графическом процессоре.

2. Аппаратное ускорение в браузерах

Пользователи могут включить аппаратное ускорение браузера, что приведет к более быстрой работе в браузере, быстрой загрузке или потоковой передаче аудио/видео и более плавному и качественному пользовательскому опыту в целом.

Вот шаги, которые должны предпринять пользователи Chrome:

• Выберите «Настройки» из выпадающего списка, который появится после нажатия на значок «Ещё» (три вертикальные точки) в правом верхнем углу окна Chrome;
• Теперь выберите меню «Дополнительно» слева, а затем пункт «Система»;
• В системных настройках активируйте параметр «Использовать аппаратное ускорение, если это возможно»;
• Если Chrome выдаст сообщение о необходимости перезапуска, просто закройте все вкладки и запустите браузер заново;
• Чтобы убедиться в его работоспособности, повторно введите «chrome://gpu» в адресную строку и нажмите Enter;
• Убедитесь, что для большинства пунктов в разделе «Состояние графических функций» установлено значение «Аппаратное ускорение».

Аналогичным образом, выполните следующие действия, чтобы включить аппаратное ускорение в Microsoft Edge:

• Нажмите на значок «Ещё» (три горизонтальные точки) в правом верхнем углу окна браузера, а затем выберите «Настройки»;
• Выберите «Система» в панели навигации слева;
• Установите флажок «Использовать аппаратное ускорение, если применимо»;
• Чтобы перезагрузить браузер и полностью активировать аппаратное ускорение, нажмите кнопку «Перезагрузить».

Описанных выше шагов достаточно, если вы хотите использовать аппаратное ускорение в веб-приложениях.

Простая оптимизация работы браузера также повлияет на приложения, которые вы в нем запускаете.

3. Аппаратное ускорение в других приложениях

Как уже обсуждалось, настольные приложения, такие как Spotify, AutoCAD и другие, также поддерживают аппаратное ускорение, но с использованием собственных методов и шагов.

Обычно вы найдете эту опцию в разделе настроек приложения, в разделе расширенных настроек (если таковой имеется) или в разделе производительности дисплея.

Вы также можете обратиться к документации программного обеспечения для получения точных инструкций, например, команд для включения аппаратного ускорения.

Когда следует использовать аппаратное ускорение планирования задач на графическом процессоре?

В рамках обновления Windows 10, выпущенного в середине 2020 года, впервые появилась возможность включения аппаратного ускорения обработки данных с помощью графического процессора.

Ранее центральный процессор управлял очередью, куда помещались задачи для графического процессора.

В этом новом обновлении ряд задач управления был перенесен на графический процессор.

В настоящее время Windows 10 и 11 предлагают аппаратное ускорение планирования задач с помощью графического процессора.

Включение управления памятью видеокартой минимизирует задержку и повышает производительность.

В отличие от традиционного ускорения, оно улучшает производительность памяти для всей материнской платы, а не только для какого-либо отдельного приложения.

В следующих случаях может потребоваться использование аппаратного ускорения планирования задач на графическом процессоре:

• Длительное время ожидания загрузки приложений: чем больше графических процессоров доступно для обработки, тем больше задач может выполняться одновременно. Это повышает эффективность и сокращает время, необходимое для получения результатов и отклика;
• Медленная обработка данных: несколько графических процессоров в компьютерной системе могут обрабатывать различные компоненты рабочей нагрузки по отдельности и завершать их быстрее по сравнению с одним большим процессором;
• Неожиданно высокое энергопотребление: система, использующая планирование задач на графическом процессоре, может потреблять меньше энергии, поскольку ей не нужно запускать все свои компоненты одновременно. Однако это зависит от модели вашей батареи;
• Низкая скорость отклика при нажатии на элементы интерфейса: благодаря повышению производительности скорость отклика системы пользователя будет улучшена;
• Мощная, но простаивающая инфраструктура: графические процессоры часто бездействуют или используются неэффективно, хотя их можно задействовать более рационально. Вы можете заблаговременно назначать задачи графическим процессорам, чтобы предотвратить их бездействие.

Когда не следует использовать аппаратное ускорение планирования задач на графическом процессоре

Поскольку это совершенно новая функция, вам потребуется использовать последнюю и наиболее актуальную версию драйвера графического устройства, предлагаемую производителем, с поддержкой только определенных видеокарт.

Начиная с версии драйвера 451.48 и последующих версий, Nvidia включает аппаратное ускорение планирования задач на графическом процессоре.

Эта функция доступна начиная с версии драйвера 27.20.100.8190, если вы используете интегрированную графику Intel.

А если вы работаете с видеокартой AMD, вам потребуется карта серии 5600 или более поздней.

Некоторые пользователи жаловались, что активация этой настройки приводила к проблемам при игре в видеоигры или использовании виртуальной реальности.

Они заметили, что изображения рассыпались или зависали, когда эта настройка была активна, и проблема исчезала, когда опция была отключена.

Другие сообщали, что отключение графических процессоров снижало энергопотребление.

Кроме того, планирование задач на старых графических процессорах может приводить к высокой задержке между кадрами или серьезной нестабильности приложений.

Преимущества и проблемы аппаратного ускорения

Аппаратные ускорители обладают рядом неоспоримых преимуществ, что объясняет их популярность.

Они могут повысить эффективность и производительность вычислительных операций.

Основная цель аппаратного ускорения — минимизировать перегрузку ЦП и потребление памяти.

Это может улучшить скорость и эффективность ваших приложений, высвободить пропускную способность для других задач и повысить надежность и отказоустойчивость вашей системы.

В конечном итоге, специально разработанные ускорители смогут обеспечить совершенно новые функциональные возможности, требующие более высоких вычислительных мощностей, такие как системы искусственного интеллекта (ИИ), создание моделей машинного обучения (МО) и другие аналогичные сценарии использования.

Однако пользователям следует помнить, что функция аппаратного ускорения в приложениях и на компьютерах иногда может быть контрпродуктивной.

Например, в Google Chrome она может иногда вызывать проблемы, такие как зависание или остановка работы браузера, и для решения этих проблем может потребоваться отключить аппаратное ускорение.

Именно поэтому не следует игнорировать потенциальные проблемы, связанные с аппаратным ускорением, даже при использовании этой функции:

• Увеличение накладных расходов: аппаратные ускорители могут требовать большей мощности оборудования и более сложной конструкции, что может привести к увеличению затрат, масштабируемости и энергопотребления;
• Новые риски: наряду с изменениями в программном обеспечении могут возникать новые риски и уязвимости в системе безопасности, такие как аппаратные сбои, бэкдоры или саботаж;
• Более сложная разработка: кроме того, проверка и тестирование могут быть более трудоемкими, дорогостоящими и сложными в выполнении;
• Несогласованный пользовательский опыт: проблемы совместимости или взаимодействия могут снизить удобство использования и функциональность систем. Это особенно проблематично для кроссплатформенных приложений, использующих различные варианты и стандарты аппаратных ускорителей;
• Излишняя нагрузка: если ваш процессор достаточно мощный по сравнению с другими компонентами компьютера, аппаратное ускорение может не принести пользы некоторым задачам;
• Повышенная потребность в охлаждении: если ваш компьютер, особенно графический процессор, перегревается, возможно, стоит отключить аппаратное ускорение;
• Недостатки программного обеспечения: программное обеспечение, управляющее параметрами аппаратного ускорения, может работать неэффективно или быть недостаточно надежным при взаимодействии с процессором, что приводит к неудовлетворительному пользовательскому опыту.

И под конец

В заключение, аппаратное ускорение имеет решающее значение для оптимизации использования ресурсов и повышения производительности в различных приложениях.

Перекладывая задачи обработки с ЦП на специализированное оборудование, оно ускоряет выполнение сложных алгоритмов и ресурсоемких операций.

Примеры применения аппаратного ускорения разнообразны: от обработки данных в рамках искусственного интеллекта и цифровых сигналов до ускорения принятия решений по маршрутизации пакетов и медиасервисов.

Будь то улучшение производительности веб-браузера Chrome или повышение качества обработки звука на ПК, аппаратное ускорение обеспечивает эффективность, экономию энергии и улучшенный пользовательский опыт.

По мере развития технологий аппаратное ускорение будет развиваться и находить новые применения в различных областях.

Использовали ли вы аппаратное ускорение для оптимизации использования ресурсов? Если да, расскажите о своем опыте. Если нет, объясните почему?

Мы будем рады получить от вас обратную связь!