GPU o Unidad de Procesamiento Gráfico: ¿Qué es, para qué sirve y cómo funciona?

La GPU o Unidad de Procesamiento Gráfico es un componente muy importante en los ordenadores de la actualidad ya que permite que se reproduzcan unos gráficos increíbles y que, por supuesto, los usuarios podamos disfrutarlos. De ahí, si eres un gran aficionado a los videojuegos y al contenido en altísima definición te interese conocer todo acerca de esta.

Este componente funciona de manera similar a una CPU, pero analizando principalmente las imágenes del computador sin considerar otros aspectos más generales.

Además, hay varios tipos, cada uno con sus pros y sus contras, y hoy los conocerás también para hacerte con la tarjeta gráfica que mejor te convenga. También te mostraremos las diferencias existentes entre esta y la CPU de un ordenador. Finalmente, trataremos el extendido concepto de aceleración por GPU.

¿Qué es la GPU o Unidad de Procesamiento Gráfico y para qué sirve en un ordenador?

Este es un componente de vídeo de aparatos tecnológicos (ordenadores, teles, smartphones...) que tiene la función de procesar los gráficos. Además, ayuda al envío de toda esta información al monitor.

Esto es, por un lado, interpreta los datos que la CPU le envía, los ordena y calcula los valores que le son de interés para almacenarlo todo en su propia memoria; por el otro, realiza un procesamiento de lo almacenado y los transforma, de manera que el dispositivo de salida en cuestión (habitualmente, un monitor), lo pueda analizar e interpretar analógicamente.

Cabe mencionar que en la actualidad está incluyendo otras funcionalidades derivadas de la supercomputación y de la gestión de las redes así como la sintonización de TV, la captura de vídeo, una conetividad especial con periféricos...

En cualquier caso, su trabajo incluye la generación de antiescalonamientos, renderizado, mapeado de texturas, desenfoques, sombrados, teselados, especulados, etc.

Este componente, como hemos comenzado diciendo, es muy similar a una CPU, algo así como la versión de este para el contexto gráfico de los equipos. La unidad de procesamiento gráfico es un coprocesador que analiza las imágenes para tratar de aligerar la carga que tiene la CPU de un equipo.

Así dicha carga sea más liviana a la hora de ser procesada por la unidad central y que, por ende, pueda realizar sus funciones con más soltura, no teniendo que forzarla.

Físicamente hablando, damos con un elemento de hardware, denominado tarjeta gráfica, que incluye el conjunto de softwares y demás elementos que trabajan en estos menesteres. Uno de ellos es la GPU aunque ya es común utilizar ambos conceptos como sinónimos. A fin de cuentas, la unidad de procesamiento es la parte principal de lo que es la tarjeta que, repetimos, es el elemento físico, el hardware que lo contiene todo.

Por lo general, esta se acopla a la placa base o madre, tal y como se hace con algunos de los demás componentes de una computadora. También puede tratarse únicamente de un software y chip integrado en la placa o incluso en el CPU, no acoplable, es decir, no se trata de una pieza a añadir (lo veremos después al conocer los tipos de tarjetas).

Algunas maneras de denominar a esta unidad, además de tarjeta gráfica (que ya hemos visto que no son lo mismo pero que hemos decidido darles el mismo significado) y unidad de procesamiento de gráficos son placa de vídeo, tarjeta de vídeo o acelerador de gráficos.

Hablando del concepto completo de tarjeta gráfica o de vídeo, no podemos dejar de mencionar que otras de sus partes son la GRAM, que es su memoria gráfica, con acceso aleatorio (RAMDAC), encargada de transformar una señal digital en analógica, y las salidas que pueden ser DVI, VGS, HDMI, DP...

En cuanto a su aparición, se da en los años 80 y viene, como muchas otras novedades del sector, de la mano de IBM, que utilizó un ordenador de Apple como inspiración para lograr el desarrollo de la que sería la primera tarjeta de vídeo. Como dato curioso, indicar que esta era intercambiable. Tenía 4 kB e iba conectaba a un monitor.

Funcionamiento y características de la GPU en un PC

Las unidades de procesamiento gráfico (GPUs) están diseñadas con muchos núcleos de procesamiento que trabajan a frecuencias de reloj bajas. Este es el procedimiento contrario al de los CPU, que tienen pocos núcleos pero muy altas frecuencias de reloj.

La computadora realiza un análisis de la información que la gráfica ha enviado y la transforma en una información que el dispositivo o periférico de salida pueda interpretar.

En la actualidad, el diseño de la unidad de procesamiento gráfico incluye dos funciones principales: el procesamiento de píxeles y el de vértices.

A continuación, veremos el funcionamiento de cada uno de ellas:

Procesamiento de vértices

Se trata de un trabajo bastante sencillo para las unidades de procesamiento gráfico más modernas ya que el consumo de recursos es mínimo.

El procedimiento es el siguiente: obtener la información de los vértices, que haya sido ya calculada por la CPU y, a continuación, procesar la rotación, el orden espacial o el segmento del vértice que sea más visible a nivel gráfico. Con este procedimiento se puede continuar con el pixelado.

El procesamiento de vértices se hace de manera previa por el procesador central para que el espacio sea reordenado, la gráfica sea visible y se pueda comenzar a pixelar la imagen.

Procesamiento de píxeles

En este momento es cuando se procesan los propios gráficos que el usuario puede ver.

Se trata de un proceso bastante complejo y que, además, requiere de una mayor carga de procesamiento. Esto se produce porque se van a aplicar todas las capas y efectos que hagan falta para que salgan texturas mucho más trabajadas y bastante realistas.

Finalmente, una vez que se procesa la información de los gráficos de las maneras que acabamos de ver, esta se lleva a un monitor, que la va a saber interpretar.

Tipos de GPU que existen en la actualidad

Actualmente existen tres tipos de gráficas en el mercado que se diferencian principalmente en el modo en que son implementadas.

Vamos a ver cuáles son las diferencias principales entre ellas:

Tarjetas dedicadas

Son las unidades gráficas que tienen mayor potencia. Además, poseen una serie de características y especificaciones para las que están preparadas de manera específica. De ahí que, además, sean las más eficientes. La característica fundamental de una tarjeta dedicada es que tiene una RAM completamente independiente, que únicamente será utilizada por la unidad gráfica.

Una tarjeta dedicada es aquella que se ubica integrada en la tarjeta madre unida por un puerto concreto, aunque esto no es siempre lo más operativo.

Gráficos Integrados

Las unidades integradas utilizan la memoria del sistema para poder realizar sus propias funciones. En los ordenadores comedidos son las más utilizadas por consumir menos. También se usan en tablets y smartphones.

El núcleo central de estas tarjetas solía estar siempre en la tarjeta madre; pero para los modelos más recientes de AMD e Intel se han decidido integrar dichas tarjetas en el propio procesador. A esto se le ha denominado AMD Accelerated Processing Unit (para la marca AMD) e Intel HD Graphics (obviamente para la marca Intel).

Tarjetas Híbridas

Este tipo de tarjetas son las que podríamos denominar como low cost. Esto es porque mantienen unos precios muy bajos pero al mismo tiempo aseguran ciertos niveles de potencia adecuados para prácticamente todos los equipos domésticos y de oficina.

Las tarjetas híbridas comparten la memoria del sistema, aunque integran una pequeña cantidad de memoria propia que sirve para realizar labores de tipo inmediato.

Con este tipo de tarjetas además, se disminuye el tiempo de latencia de la memoria del sistema.

¿Qué es eso de la aceleración por GPU?

La aceleración por GPU se utiliza desde hace bastante tiempo aunque es ahora que esta característica se está aprovechando para los navegadores web, que es donde la vemos implementarse más a menudo. Con esta aceleración se consigue un rendimiento mucho mejor y un menor gasto de energía.

La codificación acelerada por la unidad de procesamiento gráfico hace que puedas disfrutar de una conversión de imagen de 2 a 5 veces mayor a la hora de realizar, valga la redundancia, una conversión de gráficos o vídeos. Por ello, se utiliza el poder combinado de CPU más GPU para acelerar el funcionamiento de aquellas aplicaciones de análisis e ingeniería.

La computación acelerada por GPU hace que se le asigne a la GPU el trabajo de la parte de las aplicaciones donde se precisa realizar cálculos de manera más exhaustiva, mientras que el código más liviano se ejecuta en la CPU. Esto va a hacer que el usuario crea que las aplicaciones se están ejecutando mucho más rápidamente.

De hecho, esta característica se utiliza en el campo de la inteligencia artificial (con novedades en drones y robots) y en ciertas aplicaciones que precisan de un gran consumo de CPU a la hora de resolver operaciones complicadas.

¿Qué diferencias hay entre la CPU y una GPU?

Hemos hablado de ambos a lo largo de todo el texto pero, ¿en qué se diferencian? Esta radica principalmente en la arquitectura de ambos.

Aunque los dos elementos están diseñados para procesar datos, la GPU es más eficiente para el cálculo de la información gráfica, se ha creado específicamente para ello. Está especializada para esta tarea y puede ser menos eficientes en otras.

La CPU, al ser un procesador de propósito general, puede hacer todo tipo de cálculo, ya que ha sido diseñada para procesar los datos en serie, pudiendo, de hecho, trabajar también la información gráfica.

De hecho, la gráfica le quita trabajo (gráfico) a la CPU y cuando se le aplica cierto nivel de aceleración puede realizar procesos en paralelo en cuanto a trabajo de gráficos.

La GPU es capaz de ejecutar muchos más programas al mismo tiempo (en paralelo), aunque estos deben de ser mucho más específicos. La capacidad de realizar trabajos en paralelo que tiene la gráfica puede multiplicar incluso por cien el rendimiento que tendrá una CPU a la hora de realizar operaciones similares.

En cuanto al diseño físico de una GPU, esta posee mayor cantidad de silicio, lo que permite que realice tareas muy específicas de manera eficiente. La CPU sigue una arquitectura Von Newman y la GPU utiliza el Modelo Circulante, enfocado al procesamiento en paralelo.