تفاوت های کارت داده برداری و کارت گرافیک : کاربردها و مزایا

کارت داده برداری (Data Acquisition Card یا DAQ) و کارت گرافیک (Graphics Processing Unit یا GPU) دو قطعه سخت افزاری کاملاً متفاوت با اهداف و معماری های متمایز هستند. تفاوت اصلی در کارکرد بنیادی آن ها نهفته است :

• کارت داده برداری (DAQ) : این کارت به عنوان پلی بین دنیای فیزیکی و دیجیتال عمل می کند. وظیفه اصلی آن اندازه گیری ثبت و گاهی کنترل سیگنال های آنالوگ و دیجیتال از سنسورها و تجهیزات خارجی (مانند دما فشار ولتاژ وضعیت کلیدها) و تبدیل آن ها به داده های قابل فهم برای کامپیوتر است. همچنین می تواند سیگنال های دیجیتال یا آنالوگ را برای کنترل دستگاه های خارجی تولید کند. اساساً DAQ ورودی/خروجی (I/O) محور است و با دنیای واقعی تعامل دارد.
• کارت گرافیک (GPU) : این کارت در اصل یک پردازنده بسیار قدرتمند برای محاسبات موازی است که وظیفه اصلی آن رندر کردن (ایجاد و نمایش) تصاویر ویدئوها و گرافیک های دو بعدی و سه بعدی بر روی نمایشگر است. GPU برای انجام محاسبات پیچیده ریاضی و هندسی به صورت موازی و با سرعت بالا بهینه سازی شده است. گرچه در ابتدا فقط برای گرافیک بود امروزه از قدرت پردازشی آن برای کاربردهای محاسباتی دیگر (GPGPU) نیز استفاده می شود. اساساً GPU پردازش و خروجی بصری محور است.

در ادامه به بررسی دقیق تر هر یک از این کارت ها معماری کاربردها مزایا و تفاوت های کلیدی آن ها می پردازیم.

کارت داده برداری (DAQ) چیست؟ سفیر دنیای دیجیتال در جهان فیزیکی

کارت داده برداری یا DAQ دستگاهی است که به کامپیوتر شما اجازه می دهد تا با دنیای فیزیکی اطرافش ارتباط برقرار کند. دنیای واقعی پر از پدیده های آنالوگ است؛ دما به آرامی تغییر می کند فشار به نرمی بالا و پایین می رود و صدا موجی پیوسته است. کامپیوترها اما دنیای دیجیتال را می فهمند؛ دنیایی از صفر و یک ها. کارت DAQ این شکاف را پر می کند.

وظایف اصلی یک کارت DAQ :

1. دریافت سیگنال های آنالوگ : از سنسورهایی که کمیت های فیزیکی (دما فشار نور صدا کرنش ولتاژ و…) را به سیگنال الکتریکی (معمولاً ولتاژ یا جریان) تبدیل می کنند سیگنال دریافت می کند.
2. تبدیل آنالوگ به دیجیتال (ADC) : مهم ترین بخش کارت DAQ مبدل آنالوگ به دیجیتال (Analog-to-Digital Converter) است. این بخش سیگنال پیوسته آنالوگ را در فواصل زمانی منظم نمونه برداری کرده و به مجموعه ای از مقادیر عددی (دیجیتال) تبدیل می کند که کامپیوتر بتواند آن ها را پردازش کند.
3. دریافت و ارسال سیگنال های دیجیتال (Digital I/O) : بسیاری از کارت های DAQ دارای کانال های ورودی/خروجی دیجیتال هستند که می توانند وضعیت سیگنال های دو حالته (مانند روشن/خاموش بودن یک کلید یا فعال/غیرفعال بودن یک رله) را بخوانند یا سیگنال های دیجیتال برای کنترل دستگاه های دیگر (مانند روشن کردن یک LED یا فعال کردن یک موتور کوچک) ارسال کنند.
4. تولید سیگنال آنالوگ (DAC) : برخی کارت های DAQ دارای مبدل دیجیتال به آنالوگ (Digital-to-Analog Converter) هستند که به کامپیوتر اجازه می دهند سیگنال های ولتاژ یا جریان آنالوگ با شکل موج و دامنه مشخص تولید کند مثلاً برای کنترل دقیق یک عملگر یا شبیه سازی یک سیگنال خاص.
5. شمارنده/زمان سنج (Counters/Timers) : این قابلیت برای اندازه گیری فرکانس شمارش پالس ها یا تولید پالس های زمان بندی شده دقیق استفاده می شود.

اجزای کلیدی کارت DAQ :

• مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) : قلب تپنده برای اندازه گیری سیگنال های آنالوگ.
• مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) : (در صورت وجود) برای تولید سیگنال های آنالوگ.
• ورودی/خروجی دیجیتال (DIO) : برای ارتباط با سیگنال های دو حالته.
• شمارنده/زمان سنج : برای کاربردهای مبتنی بر زمان و فرکانس.
• مدارات تهیه سازی سیگنال (Signal Conditioning) : اغلب قبل از ADC قرار می گیرند و وظایفی مانند تقویت سیگنال های ضعیف فیلتر کردن نویز یا ایزولاسیون الکتریکی را انجام می دهند تا دقت و ایمنی اندازه گیری افزایش یابد.
• رابط اتصال (Bus Interface) : بخشی که کارت را به کامپیوتر متصل می کند (مثلاً PCI, PCIe, USB, Ethernet).

دقت و سرعت در DAQ : دو پارامتر بسیار مهم در کارت های DAQ رزولوشن (Resolution) و نرخ نمونه برداری (Sampling Rate) هستند.

• رزولوشن : بر حسب بیت بیان می شود (مثلاً ۱۲ بیت ۱۶ بیت ۲۴ بیت) و نشان دهنده دقت تبدیل ADC است. رزولوشن بالاتر به معنی توانایی تفکیک تغییرات کوچک تر در سیگنال آنالوگ است. یک ADC با رزولوشن ۱۶ بیت می تواند سیگنال ورودی را به ۲۱۶ = ۶۵۵۳۶ سطح مجزا تقسیم کند.
• نرخ نمونه برداری : بر حسب نمونه بر ثانیه (S/s) یا کیلو نمونه بر ثانیه (kS/s) یا مگا نمونه بر ثانیه (MS/s) بیان می شود و نشان می دهد که کارت DAQ با چه سرعتی می تواند از سیگنال آنالوگ نمونه برداری کند. نرخ نمونه برداری بالاتر برای ثبت دقیق سیگنال هایی که به سرعت تغییر می کنند (فرکانس بالا) ضروری است.

کارت گرافیک (GPU) چیست؟ موتور پردازش تصویر و محاسبات موازی

کارت گرافیک یا واحد پردازش گرافیکی (GPU) یک پردازنده تخصصی است که در ابتدا برای تسریع رندر کردن گرافیک های دو بعدی و سه بعدی و نمایش آن ها بر روی مانیتور طراحی شد. وظیفه اصلی آن گرفتن داده های مربوط به تصویر از CPU و تبدیل آن ها به سیگنال قابل نمایش برای مانیتور است.

چرا GPU برای گرافیک ضروری است؟ رندر کردن تصاویر پیچیده به خصوص در بازی ها و نرم افزارهای سه بعدی نیازمند انجام حجم عظیمی از محاسبات ریاضی و هندسی به صورت همزمان است. مثلاً برای نمایش یک صحنه سه بعدی GPU باید موقعیت هزاران یا میلیون ها چندضلعی (پلی گان) را محاسبه کند نورپردازی سایه ها بافت ها (تکسچرها) و افکت های مختلف را اعمال کند و در نهایت رنگ هر پیکسل روی صفحه نمایش را تعیین نماید – و این کار را باید ده ها بار در هر ثانیه (Frame Rate) تکرار کند تا حرکتی روان ایجاد شود.

پردازش موازی قدرت اصلی GPU : برخلاف CPU که معمولاً دارای تعداد کمی هسته پردازشی قدرتمند (مثلاً ۴ تا ۳۲ هسته) است که برای انجام وظایف سریال و پیچیده بهینه سازی شده اند GPU دارای صدها یا هزاران هسته پردازشی ساده تر است که به صورت موازی کار می کنند. این معماری موازی (Parallel Architecture) برای انجام تعداد زیادی عملیات مشابه به طور همزمان (مانند محاسبه رنگ پیکسل ها یا انجام محاسبات ماتریسی) ایده آل است.

اجزای کلیدی کارت گرافیک :

• پردازنده گرافیکی (GPU Chip) : مغز کارت گرافیک که شامل هزاران هسته پردازشی (مانند هسته های CUDA در انویدیا یا Stream Processors در AMD) است.
• حافظه ویدئویی (VRAM – Video RAM) : حافظه بسیار سریع و اختصاصی روی کارت گرافیک (مانند GDDR۶ یا HBM) که برای ذخیره داده های گرافیکی مورد نیاز GPU مانند بافت ها بافرهای فریم و اطلاعات هندسی استفاده می شود. حجم و سرعت VRAM تاثیر زیادی بر عملکرد در رزولوشن ها و تنظیمات گرافیکی بالا دارد.
• سیستم خنک کننده (Cooling System) : شامل هیت سینک و فن ها (یا خنک کننده مایع) برای دفع گرمای زیاد تولید شده توسط GPU و VRAM.
• پورت های خروجی (Output Ports) : مانند HDMI, DisplayPort, DVI, VGA (قدیمی تر) برای اتصال به مانیتور یا نمایشگرهای دیگر.
• رابط اتصال (Bus Interface) : معمولاً اسلات PCI Express (PCIe) که کارت گرافیک را به مادربرد متصل کرده و امکان تبادل داده با CPU و حافظه اصلی سیستم را فراهم می کند.

فراتر از گرافیک : GPGPU : در سال های اخیر مشخص شد که قدرت پردازش موازی عظیم GPUها می تواند برای محاسبات غیرگرافیکی که ذاتاً موازی هستند نیز بسیار مفید باشد. این مفهوم به عنوان محاسبات همه منظوره روی GPU (General-Purpose Computing on Graphics Processing Units – GPGPU) شناخته می شود. امروزه GPUها به طور گسترده در زمینه هایی مانند :

• هوش مصنوعی و یادگیری ماشین (AI/ML) : آموزش شبکه های عصبی عمیق نیازمند حجم عظیمی از محاسبات ماتریسی است که GPUها در آن عالی هستند.
• شبیه سازی های علمی و مهندسی : مانند شبیه سازی دینامیک سیالات تحلیل های ساختاری مدل سازی آب و هوا و محاسبات فیزیکی پیچیده.
• تحلیل داده های حجیم (Big Data Analytics).
• پردازش ویدئو و تصویر : رمزگذاری رمزگشایی و اعمال فیلترهای پیچیده.
• رمزنگاری و شکستن رمز عبور.

تفاوت های کلیدی در معماری و ساختار

به نقل از وب سایت https://ni-daq.ir “معماری داخلی کارت DAQ و کارت گرافیک بازتاب دهنده اهداف کاملاً متفاوت آن هاست” :

ویژگی معماری	کارت داده برداری (DAQ)	کارت گرافیک (GPU)
تمرکز اصلی	ورودی/خروجی (I/O) دقیق و قابل اعتماد از/به دنیای فیزیکی	پردازش موازی و خروجی بصری با سرعت بالا
واحد پردازشی	ADC/DAC با دقت بالا مدارهای دیجیتال I/O شمارنده ها	هزاران هسته پردازشی ساده (CUDA Cores/Stream Processors) برای محاسبات موازی
حافظه	معمولاً حافظه بافر (Buffer) کوچک روی کارت برای ذخیره موقت داده های نمونه برداری شده	گیگابایت ها حافظه VRAM بسیار سریع و اختصاصی (مانند GDDR۶, HBM) روی کارت
مدارات جانبی	مدارهای تهیه سازی سیگنال (تقویت کننده فیلتر ایزولاتور) برای دقت و ایمنی اندازه گیری	واحدهای تخصصی مانند هسته های Ray Tracing و Tensor Cores (در مدل های جدید انویدیا)
اتصال به سنسور	اتصال مستقیم به انواع سنسورها و تجهیزات از طریق ترمینال ها یا کانکتورهای خاص	عدم قابلیت اتصال مستقیم به سنسورهای آنالوگ یا دیجیتال استاندارد
خروجی اصلی	داده های دیجیتال (برای تحلیل) سیگنال های کنترلی دیجیتال/آنالوگ	سیگنال ویدئویی برای نمایشگر نتایج محاسبات GPGPU
بهینه سازی برای	دقت اندازه گیری زمان بندی دقیق ایزولاسیون تطبیق پذیری با انواع سیگنال	توان محاسباتی خام (FLOPS) پهنای باند حافظه نرخ فریم (FPS)

معیارهای کلیدی عملکرد : چه چیزی در هر کارت مهم است؟

نحوه سنجش عملکرد این دو نوع کارت نیز متفاوت است :

معیارهای مهم برای کارت DAQ :

• رزولوشن ADC/DAC (بیت) : دقت تبدیل سیگنال (مثلاً ۱۲ ۱۶ ۲۴ بیت).
• نرخ نمونه برداری (Sampling Rate – S/s) : سرعت اندازه گیری سیگنال های آنالوگ.
• تعداد کانال ها : تعداد ورودی/خروجی های آنالوگ و دیجیتال موجود.
• محدوده ورودی (Input Range) : بازه ولتاژ یا جریانی که کارت می تواند اندازه گیری کند (مثلاً ±۱۰ ولت).
• دقت (Accuracy) : میزان نزدیکی مقدار اندازه گیری شده به مقدار واقعی.
• نوع ورودی/خروجی : آنالوگ دیجیتال شمارنده ترموکوپل RTD و غیره.
• ایزولاسیون (Isolation) : جداسازی الکتریکی بین کانال ها و کامپیوتر برای ایمنی و کاهش نویز.

معیارهای مهم برای کارت گرافیک (GPU) :

• تعداد هسته های پردازشی : (CUDA Cores/Stream Processors) نشان دهنده قدرت پردازش موازی خام.
• سرعت کلاک هسته (Core Clock Speed – MHz/GHz) : سرعت کار هسته های پردازشی.
• مقدار حافظه VRAM (گیگابایت) : ظرفیت حافظه برای ذخیره داده های گرافیکی.
• سرعت و نوع حافظه VRAM : (مثلاً GDDR۶, GDDR۶X, HBM) پهنای باند حافظه بسیار مهم است.
• پهنای باند حافظه (Memory Bandwidth – GB/s) : سرعت تبادل داده بین GPU و VRAM.
• توان پردازشی (FLOPS – Floating Point Operations Per Second) : معیاری برای قدرت محاسباتی (به ویژه در GPGPU).
• پشتیبانی از فناوری ها : مانند DirectX, OpenGL, Vulkan (برای گرافیک) CUDA یا OpenCL (برای GPGPU) Ray Tracing, DLSS/FSR.
• نرخ فریم (FPS – Frames Per Second) : (در عمل و تست ها) عملکرد واقعی در بازی ها و برنامه ها.
• مصرف برق (TDP – Thermal Design Power) : میزان توان مصرفی و گرمای تولیدی.

کاربردهای کارت داده برداری (DAQ)

کارت های DAQ در طیف وسیعی از صنایع و پژوهش ها کاربرد دارند که نیاز به اندازه گیری و کنترل پدیده های دنیای واقعی وجود دارد :

• اتوماسیون صنعتی و کنترل فرآیند : نظارت بر دما فشار سطح مایعات در مخازن کنترل ولوها و موتورها تست خطوط تولید.
• تحقیقات علمی و آزمایشگاهی : ثبت داده های آزمایش های فیزیک شیمی زیست شناسی مهندسی مواد لرزه نگاری هواشناسی.
• تست و اندازه گیری (Test and Measurement) : تست قطعات الکترونیکی تست های دوام و خستگی مواد اندازه گیری های صوتی و ارتعاشی تست خودرو.
• پزشکی : ثبت سیگنال های فیزیولوژیکی مانند ECG (نوار قلب) EEG (نوار مغز) EMG (نوار عصب و عضله) نظارت بر علائم حیاتی بیمار.
• پایش محیطی : اندازه گیری کیفیت هوا سطح آب رودخانه ها شرایط آب و هوایی.
• هوافضا و دفاع : تست سامانه های هواپیما ثبت داده های پروازی سامانه های راداری.
• انرژی : نظارت بر شبکه های برق تست سلول های خورشیدی و باتری ها.

مزایای کارت DAQ :

• ارتباط مستقیم با دنیای فیزیکی : قابلیت اندازه گیری دقیق سیگنال های واقعی.
• دقت و رزولوشن بالا : مناسب برای اندازه گیری های حساس.
• انعطاف پذیری : پشتیبانی از انواع مختلف سنسورها و سیگنال ها.
• زمان بندی دقیق : قابلیت نمونه برداری و کنترل با دقت زمانی بالا.
• ایزولاسیون : افزایش ایمنی و کاهش نویز در محیط های صنعتی.

معایب کارت DAQ :

• قدرت پردازشی محدود : برای محاسبات پیچیده طراحی نشده اند.
• کاربرد تخصصی : برای کارهای عمومی کامپیوتر مناسب نیستند.
• نیاز به دانش فنی : راه اندازی و برنامه نویسی آن ها ممکن است نیاز به تخصص داشته باشد.

کاربردهای کارت گرافیک (GPU)

کاربردهای GPU بسیار گسترده شده و فراتر از نمایش صرف تصاویر رفته است :

• بازی های ویدئویی (Gaming) : اصلی ترین کاربرد که باعث پیشرفت GPUها شده است. رندرینگ صحنه های پیچیده با جزئیات بالا و نرخ فریم روان.
• طراحی گرافیک و مدل سازی سه بعدی : نرم افزارهای CAD (مانند AutoCAD, SolidWorks) مدل سازی سه بعدی (مانند Blender, ۳ds Max, Maya) و رندرینگ حرفه ای.
• ویرایش ویدئو و تولید محتوا : تسریع فرآیندهای ویرایش اعمال افکت ها و رندر نهایی ویدئوها در نرم افزارهایی مانند Adobe Premiere Pro و DaVinci Resolve.
• هوش مصنوعی و یادگیری ماشین (AI/ML) : آموزش و اجرای مدل های یادگیری عمیق بینایی ماشین پردازش زبان طبیعی.
• محاسبات علمی و مهندسی (HPC – High-Performance Computing) : شبیه سازی های پیچیده تحلیل داده ها محاسبات عددی سنگین.
• واقعیت مجازی و افزوده (VR/AR) : رندرینگ دنیاهای مجازی با تاخیر کم و کیفیت بالا.
• مجازی سازی و دسکتاپ ابری (VDI – Virtual Desktop Infrastructure) : ارائه تجربه گرافیکی روان برای کاربران از راه دور.
• استخراج ارز دیجیتال (Cryptocurrency Mining) : (کاربردی که اهمیت آن کاهش یافته) استفاده از قدرت محاسباتی GPU برای حل معادلات رمزنگاری.

مزایای کارت گرافیک (GPU) :

• قدرت پردازش موازی فوق العاده : ایده آل برای محاسبات سنگین و گرافیک.
• عملکرد گرافیکی بالا : نمایش تصاویر با کیفیت و روان.
• کاربردهای گسترده (GPGPU) : قابل استفاده در زمینه های متنوع علمی و محاسباتی.
• اکوسیستم نرم افزاری قوی : درایورها کتابخانه ها (CUDA, OpenCL) و نرم افزارهای بهینه سازی شده فراوان.

معایب کارت گرافیک (GPU) :

• عدم توانایی ارتباط مستقیم با سنسورها : برای داده برداری مستقیم مناسب نیست.
• مصرف برق و تولید گرمای بالا : (به خصوص مدل های قدرتمند) نیاز به منبع تغذیه قوی و خنک کننده مناسب دارند.
• قیمت بالا : (به خصوص مدل های رده بالا).
• پیچیدگی برنامه نویسی GPGPU : استفاده بهینه از قدرت محاسباتی آن نیاز به دانش تخصصی دارد.

نتیجه گیری : ابزارهای تخصصی برای کارهای متفاوت

کارت داده برداری (DAQ) و کارت گرافیک (GPU) دو قطعه سخت افزاری با اهداف معماری و کاربردهای کاملاً مجزا هستند. DAQ دروازه کامپیوتر به دنیای فیزیکی است و برای اندازه گیری و کنترل سیگنال های واقعی طراحی شده در حالی که GPU یک موتور قدرتمند پردازش موازی است که عمدتاً برای خلق دنیاهای بصری دیجیتال و انجام محاسبات سنگین به کار می رود.

DAQ بر دقت ارتباط با سنسور و زمان بندی تمرکز دارد در حالی که GPU بر قدرت محاسباتی خام پهنای باند حافظه و سرعت رندرینگ تمرکز دارد. انتخاب بین این دو باید بر اساس نیاز اصلی شما صورت گیرد : آیا می خواهید دنیای واقعی را اندازه گیری کنید (DAQ) یا دنیای دیجیتال را پردازش و نمایش دهید (GPU)؟ درک این تفاوت بنیادین کلید انتخاب ابزار مناسب برای کار شماست.