شرکت Nvidia با معرفی فناوری CUDA در زمینه‌های مختلف محاسباتی تحولی شگرف به وجود آورد و با استفاده از قدرت پردازشی بالایی که در کارت‌های گرافیکی مختلف به وجود آمده بود، بسیاری از مسائل محاسباتی را كه در حوزه‌های مختلف به بن بست رسیده بودند، حل کرد و حجم سخت‌افزار مورد نیاز و همچنین تعمیر و نگه‌داری آن را برای انجام عملیات خاص (به خصوص در حوزه پزشکی) به شدت کاهش داد. بی شک، كودا یکی از مهم‌ترین و سودمند‌ترین فناوری‌هایی است که در دهه اخیر معرفی و با استقبال بالایی مواجه شد. هم اکنون، تأثیر قابلیت‌های عالی آن و افزایش سرعت پردازش را می‌توان از کاربردهای روزمره تبدیل ویدیو تا محاسبات سنگین پزشکی و علمی مشاهده و لمس كرد. به يقين‌ در آینده از پردازنده‌های گرافیکی و کاربرد توان پردازشی آن‌ها در محاسبات مختلف بیشتر خواهیم شنید.



1-زمينه: فيلم و سرگرمي
نام نرم‌افزار: Weta Digital PantaRay
توسعه دهنده:Weta Digital

در حوزه فیلم و سرگرمی، شرکت Weta Digital یکی از نخستين شرکت‌هایی است که از قدرت GPU برای رندر تصاویر استفاده كرده است. مهم‌ترین دلیل حرکت این شرکت به این سمت، وجود محیط‌های بسیار پیچیده و بسیار زیاد کامپیوتری در فیلم آواتار بود که رندر آن‌ها یکی از مهم‌ترین چالش‌های شرکت به شمار می‌آمد. به همین دلیل، با همکاری یکی از متخصصان شرکت Nvidia و انجام تحقیقات روی پلتفرم اختصاصی Weta Digital VFX Pipeline، نرم‌افزار برای استفاده از فناوری كودا و پردازش موازی سنگین روی GPU بهینه سازی شد و یک موتور پیش پردازش براي انجام فرآيند ري تريسينگ( Ray Tracing‌) به آن اضافه شد. با استفاده از این موتور پردازش جدید، سرعت فرآیند ري‌تريسينگ در مقابل حالت‌های سنتی استفاده از CPU چیزی حدود 25 برابر افزایش یافته است. همچنين، در مقایسه با فناوري‌هاي سابق، سرعت این فرآیند چیزی حدود صد برابر افزایش يافته است که به میزان بسیار زیادی در کاهش زمان و هزینه تولید تأثیر داشته است. این شرکت قصد دارد در اثر بعدي اسپیلبرگ يعني تن‌تن نیز از این فناوری استفاده كند.

2- زمينه: سیستم‌های جغرافیایی
نام نرم‌افزار: Manifold
توسعه دهنده:Manifold

نرم‌افزار Manifold با استفاده از امکانات پردازش موازی کارت‌های گرافیکی Nvidia، تنها نرم‌افزار GIS موجود در بازار است که برای رندر لایه‌های تصویری و سه بعدی از امکانات كودا به صورت خودکار استفاده می‌كند. این نرم‌افزار که امکان استفاده از حداکثر 1024 هسته پردازشی گرافیکی را دارد، سرعت رندر لایه‌های تصویری و سه بعدی را به شدت افزایش می‌دهد. در ساده‌ترین حالت، نرم‌افزار فوق می‌تواند عملیاتی را كه رندر كردن آن به دو دقيقه زمان نياز دارد با استفاده از كودا در سه ثانیه انجام دهد.

3-زمينه: نفت و گاز
نام نرم‌افزار: SEA 3D Pro
توسعه دهنده: ffA

فناوری كودا پیشرفت‌های بسیاری را در زمینه تصویر نگاری اعماق و همچنین تحلیل لرزه‌ها و ارائه بصری داده‌های لرزه نگاری به ارمغان آورده است. نرم افزار‌های SVI Pro و SEA 3D Pro با استفاده از امکانات محاسباتی پیشرفته GPU، داده‌های لرزه‌نگاری‌های زمین را با سرعتی بالا به‌صورت سه بعدی به نمایش در‌می‌آورند و به همین دلیل فرآیند اکتشاف و همچنین بازرسی چاه‌های نفت و گاز را بیش از پیش آسان كرده‌‌اند. در شكل نمایی از آنالیز سه بعدی داده‌های لرزه‌ای را مشاهده مي‌كنيد.

4-زمينه: محاسبات شیمیایی (داینامیک مولکولی)
نام نرم‌افزار: Molecular Modeling
توسعه دهنده: University Of Illinois

افزایش قدرت پردازشی سیستم‌های كامپيوتري، زمینه شبیه‌سازی بیومولکولی را (از پروتئین‌های ایزوله در محیط حلال گرفته تا توده‌های پیچیده چربی) گسترش داده است. چنین سیستم‌هایی که به راحتی می‌توانند شبیه‌سازی روابط و عملکرد بیش از یک میلیون اتم را در بر‌گیرند، محاسبات سنگین و بسیار زمان بری را به سخت‌افزار تحمیل‌می‌كنند. به رغم حجم پردازشی بسیار بالا، با استفاده از قدرت پردازشی GPU و الگوریتم‌های شتاب یافته موازی، محاسباتی که قبلاً به چندین ماه زمان نیاز داشت، به سادگی و در چند روز انجام پذیرفته و سرعت تحقیقات در این زمینه به شدت افزایش یافته است. همچنین، در زمینه محاسبه شکل و نمایش سه‌بعدی اربیتال‌های مولکول‌ها و تحقیقات مربوط به اين زمینه، استفاده از قدرت GPU و الگوریتم‌های مرتبط، حداکثر افزایش سرعتی برابر با 125 برابر را به ارمغان آورده است.کاربردهای كودا در زمینه شیمی به‌صورت اجمالی عبارتند از‌: داینامیک مولکولی، مطالعات در رابطه با اشکال سه بعدی اوربیتال‌های مولکول، تحقیقات در زمینه جای‌گذاری یون‌ها، محاسبه پیشرفته مجموع بار الکتریکی و تحلیل واکنش‌های شیمیایی با حضور انرژی رادیویی و نور.

5- زمينه: فناوری زیستی و بیوانفورماتیک
نام نرم‌افزار: LISSOM
توسعه دهنده: University of Edinburgh

با عرضه پردازنده‌های موازی پیشرفته در کارت‌های گرافیکی و فناوری كودا، امکان شبیه سازی عملکرد سلول‌های عصبی و روابط بین آن‌ها به سادگی فراهم شده است. یکی از پروژه‌هایی که بااستفاده از این امکانات توسعه داده شده، پیاده سازی جزئی مدل توسعه کورتکس بصری انسان است که در دانشگاه ادینبورگ در انگلستان آغاز شده و در حال توسعه است. پایه و اساس این پروژه بر مبنای شبیه سازی روابط اصلی نرون‌ها با استفاده از قوانین ساده آموزشی در مقابل همبستگی‌های بصری وارده به مغز و همچنین منابع فعالیت‌های درونی و سپس تحقیق درباره چگونگی ساختار یافتن کورتکس در انسان و حیوانات آزمایشگاهی است. ماهیت الگوریتم این مدل سازی، بر پایه پردازش موازی و محاسبات سنگین شبکه‌های عصبی است که بدون استفاده از كودا، پیاده‌سازی آن امکان پذیر نبود.

6-زمينه: الکترومغناطیس
نام نرم‌افزار: FDTD Solvers
توسعه دهنده: Accelerware

روش FDTD (سرنام Finite Difference Time Domain) یکی از فراگیر‌ترین روش‌های محاسبات برای مدل‌سازی مسائل مختلف مهندسی است که با امواج الکترومغناطیسی و نحوه رفتار آن در موراد مختلف سر و‌کار دارد. این روش در موارد زیر کاربرد دارد:
- بهینه‌سازی طراحی برای حداکثر آنتن دهی در سیستم‌های رادیویی، تلویزیونی و راداری
- طراحی مدارات مایکرو ویو
- بررسی تأثیر امواج الکترومغناطیسی بر بدن انسان در زمینه‌های ارتباطات و پزشکی
- بررسی رفتار نور مرئی در زمینه‌های کریستال‌های فوتونیکی، نانو پلاسمونیک (انتقال داده با فیبر نوری در مقیاس نانو) و بیوفوتونیک
در شكل، میزان تأثیر استفاده از كودا در افزایش سرعت شبیه‌سازی رفتار امواج الکترومغناطیسی را در مقایسه با حالت معمول، مشاهده می‌كنيد.


7- زمينه: اقتصادی و مالی
نام نرم‌افزار: SciFinance
توسعه دهنده: SciComp Inc

فناوری كودا و مفهوم استفاده از واحد‌های پردازشی موازی موجود در GPU در افزایش سرعت محاسبات در حوزه تجاری و مالی نیز تأثیر شگرفی داشته است. امروزه، نرم‌افزارهایی چون SciFinance با استفاده از قدرت پردازشی GPU و الگوریتم‌های موازی بهینه‌سازی شده، محاسبات مربوط به مدل‌های مالی، مدیریت ریسک، ارزیابی و پیش‌بینی بازار و قیمت‌گذاری را در زمانی بسیار کمتر از قبل و با افزایش سرعتی بین بيست الی دويست برابر انجام می دهند. نتیجه این محاسبات، روند کار و عملکرد فعالان بخش مالی و تجاری از جمله بانک‌ها، سرمایه‌گذاران، مؤسسات مالی و دولت‌ها را متحول کرده است.

8-زمينه: پزشکی
نام نرم‌افزار: AxRecon
توسعه دهنده: Accelerware

امروزه، حجم عظیمی از داده‌ها توسط فناوری‌های تصویرنگاری پزشکی همچون SCAN، CT، MRI، PET و پزشکی هسته‌ای تولید‌می‌شوند که نیاز مشترک همه این فناوری‌ها، فشرده‌سازی و ارسال تصویر در کوتاه‌ترین زمان ممکن با بالاترین کیفیت است. فشرده سازی تصاویر با استفاده از روش Wavelet یکی از راهکارهای فشرده‌سازی مناسب با دقت تفکیک دلخواه است که با اجرا توسط پلتفرم Jacket در نرم‌افزار Matlab و به كمك پردازنده‌های گرافیکی به سرعتی بسیار بالاتر از گذشته دست یافته است. اجرای این فشرده‌سازی روی یک GPU تسلا C1060 در مقایسه با یک پردازنده Xeon، 38 برابر سریع‌تر است.

فناوری بازتولید عکس‌های سه بعدی تشخیصی از روی مجموعه‌ای از تصاویر برداشته‌شده با اشعه X از فناوری‌هایی است که همواره با چالش توان محاسباتی مواجه بوده است. اما پس از عرضه كودا و قابلیت‌های مناسب آن در اجرای الگوریتم‌های محاسباتی سنگین به صورت موازی، شرکت Acceleware با عرضه AxRecon ، سرعت بازسازی عکس‌ها و اجرای الگوریتم‌های محاسباتی مربوط را به میزان قابل توجهی افزایش داده است. مزایای این سیستم را می‌توان سرعت بیشتر در تولید عکس‌ها، عدم کاهش کیفیت تصاویر، کاهش حجم و فضای مورد نیاز سخت افزار و كاهش مصرف انرژی آن و افزایش دقت تصاویر ساخته‌‌شده دانست. اربردهای دیگر كودا در زمینه پزشکی عبارتند از :مانیتورنیگ مغز در حين عمل جراحي با سرعتی بیشتر، طیف سنجی مادون قرمز با کارایی بالاتر، افزایش سرعت در تصویر برداری fMRI و SPM و (توزيع دارو در بدن) توسعه تحقیقات در زمینه Drug Delivery.

9-زمينه: صنایع دفاعی و دولتی
نام نرم‌افزار: Ikena
توسعه دهنده: Motiondsp

کیفیت پایین تصاویر ویدیویی ضبط شده توسط گوشی‌های موبایل، دوربین‌های هندی کم، دوربین‌های نظارتی و هواپیماها و عدم امکان تشخیص جزئیات و وجود لرزش‌های ناخواسته در آن‌ها مشکلی اساسی برای پلیس و ارگان‌های نظارتی محسوب می‌شود. شرکت MotionDSP با عرضه محصول Lkena با استفاده از قدرت پردازشی GPU و امکانات كودا به همراه الگوریتم‌های پیشرفته، امکان بازیابی جزئیات با ارزش از تصاویر معمولی را فراهم کرده است. پردازش تصاویر ویدیویی با الگوریتم‌های بازیابی جزئیات در آن‌ها، به زمان زیاد و قدرت پردازشی بالا نياز دارد. با این حال، استفاده از كودا باعث شده تا چنین محاسباتی در زمانی کوتاه انجام پذیرد.

10-زمينه: پردازش‌های تصویری
نام نرم‌افزار: مختلف
توسعه دهنده: مختلف

از کارایی‌های فناوری كودا در زمینه فناوری‌های بصری كامپيوتري بیش از هر زمینه دیگری استفاده شده است. نرم‌افزارهای مختلفی در این زمینه تولید شده‌اند و سرعت محاسبات در این زمینه به میزان بسیار زیادی افزایش یافته است. در ادامه به چند نرم‌افزار که برای استفاده از امکانات كودا در زمینه‌های مختلف توسعه داده شده‌اند، می‌پردازیم.

الف- FurryBall
نرم‌افزار FurryBall نخستين رندرکننده بي‌درنگ مبتنی بر GPU است که به طور مستقيم در مايا پیاده‌سازی شده است. با استفاده از این نرم‌افزار، می‌توان رندر مدل‌های سه بعدی را به‌صورت بي‌درنگ و بدون تأخیر به همراه Texture، سایه‌ها، انعکاس‌ها، Color Bleeding و عمق ميدان ديد در پنجره اصلی مایا دید و ویرایش كرد. همچنین، می‌توان با استفاده از قدرت GPU خروجی‌هایی بدون تأخیرهای بلند مدت و با سرعتی معادل سي تا سيصد برابر حالت رندر با CPU ایجاد كرد.


ب- Ruins
این نرم‌افزار یک پلاگین افکت خرد شدن در مایاست که با دقت و سرعت بالا، خرد شدن اجسام در مایا را شبيه‌سازي می‌كند. در نرم‌افزار مایا، پیاده‌سازی افکت خرد شدن اجسام کار بسیار مشکل و بسیار کندی است که با استفاده از قدرت GPU و كودا به همراه PhysX، ایجاد این افکت با سرعتی بالاتر، واقعی‌تر و با سهولت بیشتر انجام می‌پذیرد.

پ- Badaboom
یکی از بهترین کاربردهایی که برای استفاده از فناوری كودا مطرح شده است، تبدیل فرمت‌های ویدیویی با سرعتی بسیار بالاتر از گذشته است. نرم‌افزار Badaboom یک مبدل فرمت تصویری ساده است که با استفاده از قدرت پردازشی GPU و فناوری كودا می تواند عملیات تبدیل فایل‌های ویدیویی را با سرعتی معادل بيست برابر گذشته (حالت استفاده از CPU) انجام دهد.

ت- vReveal
نرم‌افزار vReveal یک ابزار رایگان برای اصلاح تصاویر ویدیویی ضبط شده با دستگاه‌های موبایل است که روی کارت‌های گرافیکی Nvidia با استفاده از CUDA، پنج برابر سریع تر عمل کرده و تصاویری پایدارتر، روشن‌تر و حرفه‌ای‌تر به ارمغان مي‌آورد. در این نرم‌افزار، سرعت اعمال تغییرات به ویدیوهای با کیفیت معمولی با سرعتی باور نکردنی و به‌صورت بي‌درنگ انجام می‌پذیرد و با انتخاب یک گزینه، کاربر می‌تواند فایل اصلاح شده را در کنار فایل اصلی به‌صورت همزمان مشاهده کرده و میزان تغییرات اعمال شده را مورد بررسی قرار دهد

11-زمينه: امنيت
نام نرم‌افزار: مختلف
توسعه دهنده: مختلف

در دهه گذشته، با توجه به استفاده از اینترنت در زمینه‌های حساسی چون مبادلات مالی تجاری و کاربردهای دولتی، نیاز به استفاده از از الگوریتم‌های مناسب رمزنگاری بیش از پیش افزایش یافته است. به همین دلیل، راه حل‌های بسیاری در زمینه رمزنگاری SSL بر مبنای سخت افزار در حوزه‌های تحقیقاتی و صنعتی عرضه شده‌اند که ارمغان آن‌ها، امکان رمز نگاری حجم بیشتری از داده‌ها در واحد زمان است. پس از عرضه فناوری‌هایی چون كودا از nvidia و CTM از AMD، امکان دسترسی به قدرت پردازشی سخت افزار گرافیکی فراهم شد و با استفاده از الگورتیم‌های پیشرفته و موازی، راه حل‌های جدیدی با شتاب بالاتر و امنیت بیشتر برای رمزنگاری قدرت‌مندتر ارائه شدند. لازم به ذکر است که بيشتر این راه‌حل‌ها به دلیل وجود ساختار منظم و همخوانی بیشتر برای پردازش موازی روی GPU، بر استاندارد AES تمرکز كرده‌اند. به عنوان مثال، در یک پروژه تحقیقاتی، محققان توانسته‌اند با استفاده از کارت گرافیکی Gforce 8800GTX ساده و ارزان قیمت، به حداکثر سرعت رمزنگاری 8,28 گيگابيت در ثانيه دست یابند.


افزایش قدرت پردازش و توسعه نرم‌افزارهای رمزگشا با استفاده از CUDA خطراتی را نیز به دنبال داشته است. ترکیب قدرت پردازشی GPU و روش کرک کلمه عبور Brute-Force در حال ساده‌تر و سریع‌تر کردن شکستن کلمات عبور است و امنیت بسیاری از کاربران را به خطر انداخته است. تحقیقات یک مؤسسه امنیتی (Georgia Tech Research Institute) نشان داده است که یک کلمه عبور 7 حرفی نیز درمقابل قدرت پردازشی قوی GPU‌های ارزان قیمت امروزی چندان امن نیست و به زودی، این کلمات عبور معادل یک درب باز خواهند بود.


مثالی دیگر از کاربرد پردازنده گرافیکی برای شکستن رمزنگاری WPA در شبکه‌های بی سیم، يك سرویس آنلاین و مبتنی بر كلاود است که کاربر با استفاده از آن و پرداخت 35 دلار، می‌تواند با پیمایش 120 میلیون رکورد اطلاعاتی در بيست دقیقه به شکستن رمزنگاری یک شبکه بپردازد. توصیه کارشناسان این شرکت برای مقابله پدیده افزایش توان محاسباتی و شکسته شدن سریع‌تر رمزها، افزایش طول و به هم ریختگی کلمات عبور و کلیدهای رمزنگاری است. با توجه به اظهارات این کارشناسان، استفاده از کلمات عبور دوازده کاراکتری که ترکیبی از اعداد و حروف و سمبل‌هاست برای استفاده روزمره مناسب بوده و شکستن آن بسیار بسیار مشکل خواهد بود.