Le processeur graphique, appelé GPU (Graphics Processing Unit), est un circuit intégré spécialisé dans le traitement des images, des vidéos et des calculs parallèles. Il est capable d'effectuer simultanément un très grand nombre d'opérations identiques, ce qui le rend particulièrement efficace pour produire des images complexes en temps réel.

Initialement conçu pour accélérer l'affichage des jeux vidéo, le GPU est aujourd'hui utilisé dans de nombreux domaines comme la modélisation 3D, le montage vidéo, les simulations scientifiques, l'intelligence artificielle ou encore le calcul haute performance.

Le principe de fonctionnement

Lorsqu'un ordinateur doit afficher une image, le processeur central prépare les données générales du programme, tandis que le processeur graphique se charge des calculs nécessaires à la création de chaque image.

Le GPU reçoit la description des objets, leurs formes, leurs couleurs, leurs textures, leurs positions ainsi que les informations sur les lumières de la scène.

Il effectue ensuite des millions, voire des milliards de calculs afin de produire l'image finale qui sera affichée à l'écran.

Pourquoi utiliser un GPU ?

Le processeur central est conçu pour exécuter rapidement des tâches variées et souvent différentes les unes des autres.

Le processeur graphique, lui, est optimisé pour réaliser simultanément un très grand nombre de calculs identiques.

Par exemple, pour afficher une image de plusieurs millions de pixels, il doit effectuer les mêmes opérations sur chaque pixel. Cette architecture lui permet d'obtenir des performances très supérieures à celles d'un CPU pour ce type de calcul.

Les cœurs de calcul

Un GPU moderne possède plusieurs centaines, plusieurs milliers, voire plusieurs dizaines de milliers de cœurs de calcul.

Ces cœurs fonctionnent en parallèle afin de traiter simultanément un grand nombre de données.

Contrairement aux cœurs d'un processeur classique, ils sont plus simples mais beaucoup plus nombreux, ce qui leur permet d'exécuter efficacement les mêmes opérations sur des milliers d'éléments à la fois.

Le pipeline graphique

La création d'une image suit plusieurs étapes successives appelées le pipeline graphique.

Le GPU commence par traiter les sommets des objets tridimensionnels, puis il détermine les surfaces visibles.

Il applique ensuite les textures, calcule l'éclairage, les ombres, les reflets et les effets de transparence avant de colorier chaque pixel de l'image.

Toutes ces opérations doivent être réalisées plusieurs dizaines ou centaines de fois chaque seconde afin d'obtenir une animation fluide.

Les shaders

Les shaders sont de petits programmes exécutés directement par le processeur graphique.

Ils permettent de personnaliser les calculs réalisés sur les objets ou sur les pixels.

Les Vertex Shaders modifient la position des sommets des objets, tandis que les Fragment Shaders calculent la couleur finale de chaque pixel.

Les GPU modernes utilisent également des Geometry Shaders, des Tessellation Shaders et des Compute Shaders pour réaliser des traitements encore plus complexes.

La mémoire vidéo

Le processeur graphique possède généralement sa propre mémoire appelée VRAM (Video Random Access Memory).

Cette mémoire stocke les textures, les modèles 3D, les images, les tampons d'affichage et toutes les données nécessaires au rendu graphique.

Sa très grande vitesse permet au GPU d'accéder rapidement aux informations dont il a besoin.

Les cartes graphiques modernes utilisent principalement de la mémoire GDDR ou HBM, spécialement conçue pour offrir une bande passante très élevée.

Les cartes graphiques intégrées et dédiées

Certains ordinateurs utilisent un GPU intégré, directement incorporé au processeur principal.

Cette solution consomme peu d'énergie et convient parfaitement à la bureautique, à la navigation Internet ou à la lecture de vidéos.

Les applications plus exigeantes utilisent une carte graphique dédiée, possédant son propre processeur graphique, sa mémoire vidéo et son système de refroidissement.

Ces cartes offrent des performances beaucoup plus élevées pour les jeux vidéo, la création graphique ou les calculs scientifiques.

Le calcul parallèle

Grâce à son très grand nombre de cœurs, le GPU est particulièrement efficace pour le calcul parallèle.

Au lieu d'exécuter une tâche après l'autre, il peut traiter simultanément des milliers de calculs indépendants.

Cette capacité est aujourd'hui utilisée dans la simulation physique, la météorologie, la recherche médicale, la cryptographie, la modélisation moléculaire et de nombreuses autres applications scientifiques.

Les GPU et l'intelligence artificielle

Les réseaux de neurones artificiels nécessitent d'immenses quantités de calculs matriciels réalisés en parallèle.

Les GPU sont particulièrement adaptés à ce type de traitement et sont devenus les principaux accélérateurs utilisés pour entraîner les modèles d'intelligence artificielle.

Les processeurs graphiques les plus récents intègrent même des unités spécialisées, comme les Tensor Cores, capables d'accélérer encore davantage ces calculs.

Le ray tracing

Les GPU modernes sont capables de réaliser du ray tracing, une technique qui simule le trajet réel de la lumière.

Chaque rayon lumineux est suivi lorsqu'il se réfléchit, se réfracte ou traverse un objet transparent.

Cette méthode permet d'obtenir des ombres plus réalistes, des reflets fidèles et des effets lumineux proches de ceux observés dans la réalité.

Les interfaces graphiques

Les logiciels communiquent avec le processeur graphique grâce à des interfaces de programmation appelées API graphiques.

Les plus connues sont OpenGL, DirectX, Vulkan et Metal.

Elles permettent aux développeurs d'exploiter les capacités du GPU sans avoir à gérer directement tous les détails matériels.

Les applications

Les processeurs graphiques sont utilisés pour les jeux vidéo, la conception assistée par ordinateur (CAO), les films d'animation, les effets spéciaux, le montage vidéo, la réalité virtuelle, la réalité augmentée, les simulations scientifiques, l'analyse de données, l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle.

Ils permettent également d'accélérer le décodage et l'encodage des vidéos haute définition, réduisant ainsi fortement la charge de travail du processeur principal.

Quelques processeurs graphiques célèbres

Les principales familles de GPU sont développées par NVIDIA, AMD et Intel.

Les séries GeForce RTX, Radeon RX et Intel Arc équipent de nombreux ordinateurs personnels.

Dans les smartphones et les tablettes, on retrouve notamment les GPU Adreno, Mali et Apple GPU, intégrés directement au système sur puce (SoC).