Grafická karta

Grafická karta (také grafický adaptér [1] , grafická karta [2] , grafický adaptér [1] , grafická karta , grafická karta , grafický akcelerátor [3] ) je zařízení, které převádí grafický obraz uložený jako obsah počítače ' s pamětí (nebo adaptérem samotným) do podoby vhodné pro další zobrazení na obrazovce monitoru . Typicky je grafická karta vyrobena ve formě desky s plošnými spoji ( rozšiřující deska ) a vkládá se do rozšiřujícího slotu základní desky , buď univerzálního nebo specializovaného ( AGP [4] , PCI Express ) [5] [6] .

Rozšířené jsou také grafické karty umístěné na základní desce  – jak ve formě samostatného samostatného čipu GPU , tak jako nedílná součást severního můstku čipové sady nebo CPU ; v případě CPU nelze vestavěný (integrovaný [7] ) GPU, přísně vzato, nazývat grafickou kartou .

Grafické karty se neomezují pouze na jednoduchý obrazový výstup, mají integrovaný grafický procesor , který může provádět další zpracování, přičemž tento úkol odstraňuje centrální procesor počítače [8] . Například grafické karty Nvidia a AMD ( ATi ) hardwarově vykreslují grafické potrubí OpenGL a DirectX a Vulkan [9] .

Existuje také tendence využívat výpočetní výkon GPU pro řešení negrafických úloh (například těžba kryptoměn ).

Historie

Whirlwind , vyrobený v letech 1944 až 1953, je považován za první počítač vybavený zařízením pro zobrazení obrazu . Grafický adaptér počítače Whirlwind dokázal zobrazit až 6250 bodů za sekundu s adresováním 2048 × 2048 pozic nebo až 550 číslic a byl také vybaven světelným perem [10] .

V březnu 1973 vyšel minipočítač Xerox Alto , který lze nazvat prvním osobním počítačem [11] . Alto mělo grafické rozhraní s metaforou okna a plochy , pro které bylo vybaveno ovladačem displeje [12][ význam skutečnosti? ] , který umožňoval zobrazit monochromatický obraz s rozlišením 606 × 808 bodů a na výšku monitoru.

V roce 1975 se začal prodávat Altair 8800 . Zpočátku nebyl vybaven žádnými I/O, kromě sady páčkových přepínačů a LED diod na předním panelu. Mělo být napojeno na dálnopisný nebo textový terminál. V roce 1976 se však začala prodávat grafická karta [13] Cromemco Dazzler , který umožňoval zobrazení barevného obrazu vytvořeného v paměti počítače na obrazovce běžného televizoru pro domácnost [14] . První verze umožnila zobrazit obrázek až 128 × 128 pixelů, další generace - až 756 × 484.

Video adaptér MDA ( Monochrome Display Adapter ) vydal IBM v roce 1981 pro IBM PC [  15] . Podporoval rozlišení 720x350 pixelů a fungoval pouze v textovém režimu, na obrazovce zobrazoval až 25 řádků. Neuměl přenášet žádné barevné ani grafické informace [1] . Hercules v roce 1982 vydal další vývoj MDA adaptéru, video adaptér HGC ( Hercules Graphics Controller ) , který podporoval dvě grafické stránky, ale stále neumožňoval práci s barvou.  

První barevná grafická karta pro PC byla CGA ( Color Graphics Adapter ), vydaná IBM v roce 1981 .  Mohl pracovat buď v textovém režimu, zobrazení 16 barev znaků, nebo v grafickém režimu, zobrazení čtyřbarevných obrázků v nízkém (320 × 200) rozlišení. Režim vysokého rozlišení 640 x 200 byl monochromatický. Při vývoji této karty se v roce 1984 objevil EGA ( anglicky Enhanced Graphics Adapter ) - vylepšený grafický adaptér, s paletou rozšířenou na 64 barev [1] . Rozlišení bylo vylepšeno na 640×350. Charakteristickým rysem těchto adaptérů bylo, že využívaly ISA sběrnicový slot , který má otevřenou architekturu, v souvislosti s níž mohl uživatel nezávisle vyměnit grafickou kartu za požadovanou [1] .  

Rozhraní s monitorem u všech těchto typů video adaptérů byla digitální, MDA a HGC přenášely pouze to, zda tečka svítí nebo nesvítí, a další jasový signál pro atribut „jasný“ text, podobně jako CGA na třech kanálech (červená, zelená, modrá) přenášela hlavní video signál a mohla dodatečně přenášet jasový signál (celkem 16 barev), EGA měla dvě přenosové linky pro každou z primárních barev, to znamená, že každá primární barva mohla být zobrazena při plném jasu, 2 /3 nebo 1/3 plného jasu, což dalo dohromady maximálně 64 barev.

V roce 1987 se objevuje nový grafický adaptér MCGA ( anglicky  Multicolor Graphics Adapter ), ve kterém se inženýrům IBM podařilo zvýšit textový režim na 50 řádků a grafický režim na 262 144 barev, a proto bylo nutné přejít z digitálního na analogový signál . pro monitor . Poté zašlo IBM ještě dále a o pár měsíců později vydalo VGA ( anglicky  Video Graphics Array ), které se na mnoho let stalo de facto standardem pro grafické adaptéry. V grafickém režimu bylo jeho rozlišení 640x480 a bylo pozoruhodné tím, že poměr počtu pixelů vodorovně a svisle se shodoval se standardním (tehdy) poměrem stran obrazovky monitoru - 4:3. Od roku 1991 se objevuje koncept SVGA (Super VGA) - rozšíření VGA s přidáním vyšších režimů. Počet současně zobrazených barev při rozlišení 800x600 se zvyšuje na 65 536 (High Color, 16 bitů) a 16 777 216 (True Color, 24 bitů) [1] . Podpora pro VBE se objevuje ze servisních funkcí (VESA BIOS Extention - VESA standardní rozšíření BIOSu ). SVGA byl přijat jako de facto standard grafického adaptéru přibližně od poloviny roku 1992 , po přijetí standardu VBE verze 1.0 společností VESA . Do té chvíle byly téměř všechny grafické adaptéry SVGA vzájemně nekompatibilní.

Grafické uživatelské rozhraní , které se objevilo v mnoha operačních systémech , podnítilo novou etapu ve vývoji video adaptérů [1] . Objevuje se pojem „grafický akcelerátor“ (grafický akcelerátor). Jedná se o grafické adaptéry, které provádějí některé grafické funkce na úrovni hardwaru. Tyto funkce zahrnují: přesouvání velkých obrazových bloků z jedné oblasti obrazovky do druhé (například při přesouvání okna), vyplňování oblastí obrazu, kreslení čar, oblouků, písem, podpora hardwarového kurzoru atd. A přímý impuls k vývoji takto specializovaného zařízení Ukázalo se, že grafické uživatelské rozhraní je nepochybně pohodlné, ale jeho použití vyžaduje značné výpočetní zdroje centrálního procesoru a grafický akcelerátor je právě navržen tak, aby odstranil lví podíl výpočtů pro konečné zobrazení obrazu na obrazovce.

3D akcelerátory

Samotný pojem 3D akcelerátor formálně znamená přídavnou rozšiřující kartu , která plní pomocné funkce urychlení tvorby trojrozměrné grafiky . Zobrazení výsledku jako 2D obrazu a jeho přenos na monitor není úkolem 3D akcelerátoru. 3D akcelerátory v podobě samostatného zařízení téměř nikdy nenajdeme. Téměř každá (kromě vysoce specializované) grafická karta, včetně integrovaných grafických adaptérů jako součásti procesorů a systémové logiky , provádí hardwarovou akceleraci pro zobrazení dvourozměrné a trojrozměrné grafiky .

Hardwarová akcelerace tvorby grafických obrázků byla původně součástí charakteristik mnoha osobních počítačů , nicméně první model IBM PC měl pouze textové režimy a neměl schopnost zobrazovat grafiku. Ačkoli první grafické karty pro počítače kompatibilní s IBM PC s podporou hardwarové akcelerace 2D a 3D grafiky se objevily poměrně brzy. V roce 1984 tedy IBM začala vyrábět a prodávat grafické karty standardu PGC . PGC byl navržen pro profesionální použití, hardwarově akcelerovaná 2D a 3D primitiva a byl řešením především pro CAD aplikace. IBM PGC mělo extrémně vysoké náklady. Cena této grafické karty byla mnohem vyšší než samotný počítač, takže taková řešení nedostala významnou distribuci. Na trhu profesionálních řešení byly grafické karty a 3D akcelerátory od jiných výrobců.

Distribuce cenově dostupných 3D akcelerátorů pro počítače kompatibilní s IBM PC začala v roce 1994 . První grafická karta podporující hardwarově akcelerované 3D grafické zobrazení byla Matrox Impression Plus , vydaná v roce 1994 (pomocí čipu Matrox Athena ). Později téhož roku Matrox představuje nový čip Matrox Storm a grafickou kartu založenou na Matrox Millennium.

V roce 1995 společnost S3 Graphics , která byla v té době uznávaným a nadějným výrobcem grafických karet s akcelerací 2D rastrové grafiky, vydala jeden z prvních sériově vyráběných 3D akcelerátorů založených na čipsetu S3 ViRGE . Použití těchto grafických karet ve skutečných scénářích však ukázalo průměrný výkon, a proto je nebylo možné nazvat 3D grafickými akcelerátory v doslovném smyslu. Zároveň vykazovaly nejlepší výsledky grafické karty Matrox Mistique a ATI 3D Rage [16] .

Ve stejném roce již několik společností vydává nové grafické čipy s podporou hardwarové akcelerace generace 3D grafiky. Matrox tedy uvádí MGA-2064W, Number Nine Visual Technology oslavuje vydání Imagine 128-II GPU, Yamaha představuje čipy YGV611 a YGV612, 3DLabs uvádí Glint 300SX a Nvidia  vydává NV1 (který je rovněž vydán pod dohoda se společností SGS-THOMSON pod názvem STG2000). Ve stejném roce vychází na základě těchto řešení velké množství grafických karet od různých výrobců s podporou 3D grafické akcelerace.

Skutečným průlomem na trhu 3D akcelerátorů a grafických karet s hardwarově akcelerovanou 3D grafikou byl rok 1996. Letošní rok byl rokem masového zavedení a popularizace hardwarové 3D-grafiky na počítačích IBM PC kompatibilních. Letos jsou nová grafická řešení od 3DLabs, Matrox, ATI Technologies , S3 , Rendition , Chromatic Research , Number Nine Visual Technology , Trident Microsystems , PowerVR . Přestože letos existuje mnoho 3D akcelerátorů a plnohodnotných grafických karet s funkcemi 3D grafické akcelerace založených na těchto GPU, hlavní událostí je vydání 3D akcelerátorů založených na čipové sadě 3Dfx Voodoo Graphics . Společnost 3dfx Interactive, která dříve vyráběla specializované 3D akcelerátory pro arkádové stroje , představila sadu čipů pro počítačový trh kompatibilní s IBM PC. Rychlost a kvalita vykreslování 3D scén vytvořených grafickými kartami Voodoo byla na úrovni herních strojů a většina výrobců grafických karet začala vydávat 3D akcelerátory založené na sadě Voodoo Graphics a brzy většina výrobců počítačových her podporovala Voodoo Graphics a vydávala nové hry. pro počítače IBM PC kompatibilní se zcela novou úrovní 3D grafiky. Došlo k explozi zájmu o 3D hry, a tedy i o 3D akcelerátory.

Od roku 1998 se vyvíjí technologie SLI (Scan Line Interleave) (společnost 3dfx, karta Voodoo2 ) , která umožňuje využít sílu  několika propojených grafických karet ke zpracování trojrozměrného obrazu.  

Profesionální video akcelerátory

Profesionální grafické karty jsou grafické karty orientované na práci v grafických stanicích a použití v matematických a grafických balíčcích 2D a 3D modelování ( AutoCAD , MATLAB ), které jsou velmi zatěžovány při výpočtech a kreslení modelů navržených objektů.

Jádra profesionálních video akcelerátorů od hlavních výrobců AMD a NVIDIA se „zevnitř“ liší od svých herních protějšků jen málo. Dlouho sjednotili svá GPU a používají je v různých oblastech. Právě tento krok umožnil těmto firmám vytlačit z trhu společnosti zabývající se vývojem a propagací specializovaných grafických čipů pro profesionální aplikace.

Zvláštní pozornost je věnována subsystému videopaměti , protože se jedná o zvláště důležitou součást profesionálních akcelerátorů, která nese hlavní zatížení při práci s gigantickými modely; Zejména kromě znatelně velkého množství paměti u srovnatelných karet mohou grafické karty profesionálního segmentu používat paměť ECC [17] .

Samostatně existují produkty Matrox , jejichž vysoce specializované akcelerátory byly od roku 2017 používány pro kódování videa, zpracování TV signálu a práci s komplexní 2D grafikou.

Zařízení

Grafická karta se skládá z následujících částí [3] :

GPU

Grafický procesor ( angl.  Graphics processing unit (GPU) - rozsvíceno : "grafická procesorová jednotka") se zabývá výpočtem výstupního obrazu ( renderingem ), zpracováním 2D a 3D grafiky [3] . Grafické procesory nejsou ve složitosti o moc horší než centrální procesorová jednotka počítače a často ji předčí jak v počtu tranzistorů, tak ve výpočetním výkonu, díky velkému počtu univerzálních výpočetních jednotek. Architektura GPU předchozí generace však obvykle předpokládá přítomnost několika jednotek pro zpracování informací , jmenovitě: jednotku pro zpracování 2D grafiky, jednotku pro zpracování 3D grafiky, obvykle rozdělenou na geometrické jádro (plus vertex cache) a jednotku rasterizace. (plus mezipaměť textur) atd.

Video paměť

Kromě datové sběrnice je druhým úzkým hrdlem každého grafického adaptéru šířka pásma ( anglicky  bandwidth ) paměti samotného grafického adaptéru. Navíc zpočátku problém nevznikl ani tak kvůli rychlosti zpracování video dat (často se vyskytuje problém informačního „hladu“ video ovladače , když zpracovává data rychleji, než má čas číst / zapisovat z / do videa paměti), ale kvůli nutnosti přístupu k nim ze strany videoprocesoru, CPU a RAMDAC . Faktem je, že při vysokých rozlišeních a velké barevné hloubce, aby bylo možné zobrazit stránku obrazovky na monitoru, je nutné všechna tato data přečíst z video paměti a převést je na analogový signál, který přejde na monitoru, kolikrát za sekundu zobrazuje monitor snímků za sekundu. Vezměme si objem jedné stránky obrazovky s rozlišením 1024x768 pixelů a barevnou hloubkou 24 bitů (True Color), to je 2,25 MB. Při snímkové frekvenci 75 Hz je nutné číst tuto stránku z paměti grafického adaptéru 75x za sekundu (načtené pixely se přenesou do RAMDAC a ten převede digitální data o barvě pixelu na analogový signál, který je odeslán do monitoru), a nemůžete zdržovat nebo přeskočit pixel, proto je nominálně požadovaná šířka pásma videopaměti pro toto rozlišení přibližně 170 MB/s, a to nebere v úvahu skutečnost, že řadič videa sám potřebuje zapisovat a číst data z této paměti. Pro rozlišení 1600x1200x32 bitů při stejné snímkové frekvenci 75 Hz je nominální požadovaná šířka pásma již 550 MB/s. Pro srovnání, procesor Pentium II měl maximální rychlost paměti 528 MB/s. Problém by se dal vyřešit dvěma způsoby – buď použít speciální typy pamětí, které z ní mohou číst dvě zařízení současně, nebo nainstalovat velmi rychlou paměť.

Typy videopaměti [18] :

  • Dřívější grafické karty nekladly zvláštní požadavky na výkon a používaly standardní typy paměti - statickou statickou RAM (například v adaptéru MDA) nebo dynamickou dynamickou RAM .
  • FPM DRAM (Fast Page Mode Dynamic RAM - dynamická RAM s rychlým přístupem ke stránce) je hlavním typem video paměti, identické s tou, která se používá na základních deskách. Využívá asynchronní přístup, ve kterém nejsou řídicí signály pevně vázány na frekvenci systémových hodin. Aktivně používán asi do roku 1996.
  • VRAM (Video RAM - video RAM) - tzv. dvouportová DRAM. Tento typ paměti poskytuje přístup k datům ze dvou zařízení najednou, to znamená, že je možné současně zapisovat data do libovolné paměťové buňky a zároveň číst data z některé sousední buňky. Díky tomu umožňuje současné zobrazení obrazu na obrazovce a jeho zpracování ve videopaměti, což snižuje zpoždění přístupu a zvyšuje rychlost práce. To znamená, že RAMDAC může volně zobrazovat vyrovnávací paměť obrazovky na obrazovce monitoru znovu a znovu, aniž by v nejmenším zasahoval do video procesoru při provádění jakýchkoli manipulací s daty. Ale to je stále stejná DRAM a její rychlost není příliš vysoká.
  • WRAM (Window RAM) je varianta VRAM s šířkou pásma zvětšenou o ~25 % a podporou některých často používaných funkcí, jako je vykreslování fontů, bloky pohyblivých obrázků atd. Používá se téměř výhradně na akcelerátorech Matrox a Number Nine, od r. vyžaduje speciální metody pro přístup a zpracování dat. Přítomnost pouze jednoho výrobce tohoto typu paměti ( Samsung ) značně omezila možnost jejího využití. Video adaptéry postavené pomocí tohoto typu paměti nemají tendenci snižovat výkon, když jsou nastavena vysoká rozlišení a obnovovací frekvence obrazovky; na jednoportové paměti v takových případech RAMDAC zabírá přístupovou sběrnici video paměti stále více času a výkon grafického adaptéru může výrazně poklesnout.
  • EDO DRAM (Extended Data Out DRAM - dynamická RAM s prodlouženou dobou uchování dat na výstupu) je typ paměti s pipeliningovými prvky, který umožňuje mírně zrychlit výměnu datových bloků s videopamětí přibližně o 25 %.
  • SDRAM (Synchronous Dynamic RAM - synchronní dynamická RAM) nahradila EDO DRAM a další typy asynchronních jednoportových pamětí. Po prvním čtení paměti nebo prvním zápisu do paměti dochází k dalším čtením nebo zápisům s nulovou latencí. Tím je dosaženo nejvyšší možné rychlosti čtení a zápisu dat.
  • DDR SDRAM (Double Data Rate) je varianta SDRAM s přenosem dat přes dva signálové řezy získané v důsledku zdvojnásobení rychlosti provozu. Další vývoj stále probíhá v podobě dalšího zhušťování počtu paketů v jednom sběrnicovém cyklu - DDR2 SDRAM (GDDR2), DDR3 SDRAM atd.
  • SGRAM (Synchronous Graphics RAM) je varianta DRAM se synchronním přístupem. Principiálně je fungování SGRAM zcela podobné SDRAM, ale jsou navíc podporovány některé specifičtější funkce, jako je záznam bloků a masek. Na rozdíl od VRAM a WRAM je SGRAM jednoportový, ale dokáže otevřít dvě stránky paměti jako jednu, čímž emuluje dvouportovou povahu jiných typů videopaměti.
  • MDRAM (Multibank DRAM - multibank RAM) je varianta DRAM vyvinutá společností MoSys, organizovaná ve formě mnoha nezávislých bank po 32 kB, pracujících v pipeline režimu.
  • RDRAM (RAMBus DRAM) je paměť, která využívá speciální kanál pro přenos dat (Rambus Channel), což je datová sběrnice široká jeden bajt. Přes tento kanál je možné přenášet informace ve velmi velkých tocích, nejvyšší rychlost přenosu dat pro jeden kanál je v současnosti 1600 MB/s (frekvence 800 MHz, data jsou přenášena přes oba řezy pulsu). K jednomu takovému kanálu lze připojit několik paměťových čipů. Řadič této paměti pracuje s jedním Rambus kanálem, čtyři takové řadiče lze umístit na jeden logický čip, což znamená, že teoreticky je možné podporovat až 4 takové kanály, poskytující maximální propustnost 6,4 Gb/s. Nevýhodou této paměti je, že potřebujete číst informace ve velkých blocích, jinak její výkon prudce klesá.

Velikost paměti RAM pro grafické karty se pohybuje od 4 KB (například v MDA) do 48 GB (například NVIDIA Quadro RTX 8000 ) [19] . Vzhledem k tomu, že přístup k videopaměti GPU a dalším elektronickým součástem musí zajistit požadovaný vysoký výkon celého grafického subsystému jako celku, používají se specializované typy vysokorychlostních pamětí, jako je SGRAM , dual-port VRAM , WRAM a další .  Přibližně od roku 2003 byla videopaměť zpravidla založena na technologii DDR paměti SDRAM s dvojnásobnou efektivní frekvencí (přenos dat je synchronizován nejen na vzestupné hraně hodinového signálu, ale i na sestupné hraně). A v budoucnu DDR2 , GDDR3 , GDDR4 , GDDR5 a v době roku 2016 [20] GDDR5X . S uvedením vysoce výkonných grafických karet řady AMD Fury spolu s již dobře zavedenou pamětí GDDR na trhu se začal používat nový typ pamětí HBM , který nabízí výrazně vyšší šířku pásma a zjednodušuje samotnou grafickou kartu, z důvodu absence nutnosti kabeláže a odpájení paměťových čipů. Špičková rychlost přenosu dat (šířka pásma) paměti grafické karty dosahuje 480 GB / s u typu paměti GDDR5X (například NVIDIA TITAN X Pascal [21] ) a 672 GB / s u paměti typu GDDR6 (například TITAN RTX [22] ).

Videopaměť se používá pro dočasné ukládání, kromě samotných obrazových dat a dalších: textury , shadery , vertex buffery , Z-buffer (vzdálenost obrazových prvků ve 3D grafice ) a podobná data grafického subsystému (s výjimkou pro většinu dat Video BIOS, interní paměť GPU atd.) a kódy.

Video RAM

Videopaměť plní funkci vyrovnávací paměti snímků , která ukládá obraz generovaný a neustále upravovaný GPU a zobrazovaný na monitoru (nebo více monitorech). Videopaměť také ukládá mezilehlé prvky obrazu, které jsou na obrazovce neviditelné, a další data. V současné době (2021) existuje 7 typů pamětí pro grafické karty : DDR , GDDR2 , GDDR3 , GDDR4 , GDDR5 , GDDR6 a HBM . Kromě video paměti umístěné na grafické kartě grafické procesory obvykle při své práci využívají část celkové systémové paměti počítače, k níž je přímý přístup organizován ovladačem grafického adaptéru prostřednictvím sběrnice AGP nebo PCI-e . V případě použití architektury Uniform Memory Access se část systémové paměti počítače používá jako video paměť.

Video ovladač

Řadič videa je zodpovědný za vytváření obrazu ve videopaměti, instruuje RAMDAC , aby generoval skenovací signály pro monitor, a zpracovává požadavky z centrálního procesoru. Kromě toho je obvykle k dispozici externí řadič datové sběrnice (například PCI nebo AGP), interní řadič datové sběrnice a řadič video paměti. Šířka interní sběrnice a sběrnice videopaměti je obvykle větší než ta externí (64, 128 nebo 256 bitů oproti 16 nebo 32), RAMDAC je také zabudován do mnoha video řadičů.

Grafické adaptéry (AMD, nVidia) mají obvykle alespoň dva grafické řadiče, které pracují nezávisle na sobě a každý řídí jeden nebo více displejů současně.

RAMDAC a TMDS

Digitálně-analogový převodník (DAC; RAMDAC - Random Access Memory Digital-to-Analog Converter ) se používá k převodu obrazu generovaného ovladačem videa na úrovně intenzity barev dodávané na analogový monitor. Možný barevný rozsah obrazu je určen pouze parametry RAMDAC. RAMDAC má nejčastěji čtyři hlavní bloky: tři digitálně-analogové převodníky, jeden pro každý barevný kanál (červený, zelený, modrý - RGB), a SRAM pro ukládání dat korekce gama. Většina DAC má bitovou hloubku 8 bitů na kanál – ukazuje se 256 úrovní jasu pro každou primární barvu, což dává celkem 16,7 milionů barev (a díky gama korekci je možné zobrazit původních 16,7 milionů barev v mnohem větší barevný prostor). Některé RAMDAC mají 10 bitů na kanál (1024 úrovní jasu), což umožňuje okamžitě zobrazit více než 1 miliardu barev, ale tato funkce se prakticky nepoužívá. Pro podporu druhého monitoru je často instalován druhý DAC.

 Vysílač digitálního signálu TMDS ( Transition-minimized Differential signaling ) bez převodů DAC. Používá se pro připojení DVI-D, HDMI, DisplayPort. S rozšířením LCD monitorů a plazmových panelů zmizela potřeba přenášet analogový signál – na rozdíl od CRT již nemají analogovou součást a pracují interně s digitálními daty. Aby se předešlo zbytečným konverzím, Silicon Image vyvíjí TMDS.

Video ROM

Video ROM (Video ROM) je paměť pouze pro čtení (ROM), která obsahuje BIOS grafické karty , obrazovková písma , servisní tabulky atd. Paměť ROM nepoužívá přímo ovladač videa – přistupuje k ní pouze centrální procesor.

BIOS zajišťuje inicializaci a provoz grafické karty před načtením hlavního operačního systému , nastavuje všechny nízkoúrovňové parametry grafické karty, včetně provozních frekvencí a napájecího napětí GPU a video paměti a časování pamětí. VBIOS také obsahuje systémová data, která lze číst a interpretovat ovladačem videa během provozu (v závislosti na způsobu rozdělení odpovědnosti mezi ovladačem a BIOSem). Mnoho karet je vybaveno elektricky přeprogramovatelnou ROM ( EEPROM , Flash ROM ), která umožňuje uživateli přepsat video BIOS uživatelem pomocí speciálního programu.

Rozhraní

První překážkou pro zvýšení rychlosti videosystému je datové rozhraní , ke kterému je připojen grafický adaptér. Bez ohledu na to, jak rychlý je procesor grafického adaptéru, většina jeho schopností zůstane nevyužita, pokud nejsou k dispozici vhodné kanály pro výměnu informací mezi ním, centrálním procesorem, pamětí RAM počítače a dalšími video zařízeními.

Hlavním kanálem přenosu dat je samozřejmě sběrnice rozhraní základní desky, přes kterou dochází k výměně dat s centrálním procesorem a RAM. Úplně první sběrnice použitá v IBM PC byla XT-Bus , měla šířku 8 bitů dat a 20 bitů adresy a pracovala na frekvenci 4,77 MHz . Poté přišla na řadu sběrnice ISA (Industry Standard Architecture - průmyslová standardní architektura), respektive měla bitovou šířku 8/16 bitů a pracovala na frekvenci 8 MHz. Špičková propustnost byla těsně nad 5,5 MiB/s. To bylo více než dost pro zobrazení textových informací a her s 16barevnou grafikou.

Dalším průlomem bylo objevení se sběrnice MCA (Micro Channel Architecture) v nové řadě počítačů PS / 2 od IBM. Měl již bitovou hloubku 32/32 bitů a špičkovou šířku pásma 40 Mb/s. Ale skutečnost, že architektura MCI byla uzavřena (vlastnictví IBM), přiměla ostatní výrobce, aby hledali jiné způsoby, jak zvýšit propustnost hlavního přístupového kanálu k grafickému adaptéru.

S příchodem procesorů řady 486 bylo navrženo použít místní sběrnici samotného procesoru pro připojení periferních zařízení, v důsledku toho se zrodil VLB (VESA Local Bus - místní sběrnice standardu VESA). Běžící na externím taktu procesoru, který se pohyboval od 25 MHz do 50 MHz a 32 bitů široký, VLB poskytoval špičkovou propustnost asi 130 MiB/s. To již bylo více než dostačující pro všechny stávající aplikace, navíc možnost využití nejen pro grafické adaptéry, přítomnost tří propojovacích slotů a zpětná kompatibilita s ISA (VLB je jen další 116pinový konektor za ISA slotem) mu zaručila dostatečně dlouhou životnost a podporu mnoha výrobců čipsetů pro základní desky a periferie, a to i přesto, že na frekvencích 40 MHz a 50 MHz se zdálo problematické zajistit provoz byť dvou k němu připojených zařízení z důvodu příliš vysoké zatížení na stupních centrálního procesoru (ostatně většina řídicích obvodů šla z VLB do procesoru přímo, bez vyrovnávací paměti).

A přesto, s přihlédnutím ke skutečnosti, že nejen grafický adaptér začal vyžadovat vysokou rychlost výměny informací a zjevnou nemožnost připojení všech zařízení k VLB (a potřebu multiplatformního řešení, které není omezeno pouze do PC) se sběrnice PCI (Peripheral Component Interconnect - integrace externích komponent) objevila především na základních deskách pro procesory Pentium. Výkonově na platformě PC zůstalo vše při starém – s taktem sběrnice 33 MHz a bitovou hloubkou 32/32 bitů poskytoval špičkovou propustnost 133 MiB/s – stejně jako VLB. Bylo to však pohodlnější a nakonec nahradilo sběrnici VLB na základních deskách za procesory třídy 486.

S příchodem procesoru Pentium II a vážným nárokem PC na trh vysoce výkonných pracovních stanic, stejně jako s příchodem 3D her se složitou grafikou, se ukázalo, že šířka pásma PCI , jaká existovala na platformě PC (typicky 33 MHz a bitová hloubka 32 bitů), brzy nebude stačit k uspokojení požadavků systému. Intel se proto rozhodl vyrobit samostatnou sběrnici pro grafický subsystém, mírně upgradoval sběrnici PCI, poskytl nové výsledné sběrnici samostatný přístup k paměti s podporou některých specifických požadavků grafického adaptéru a nazval ji AGP (Accelerated Graphics Port - zrychlený grafický port) . Sběrnice AGP je široká 32 bitů a pracuje na frekvenci 66 MHz. První verze konektoru podporovala režimy přenosu dat 1x a 2x, druhá - 4x, třetí - 8x. V těchto režimech se za cyklus přenáší jedno, dvě, čtyři nebo osm 32bitových slov. Verze AGP nebyly vždy vzájemně kompatibilní kvůli použití různých napájecích napětí v různých verzích. Aby nedošlo k poškození zařízení, byl v konektoru použit klíč. Špičková propustnost v režimu 1x je 266 MiB/s. Výkon video adaptérů založených na sběrnicích PCI a AGP je zanedbatelný, protože sběrnice AGP přestala splňovat požadavky na výkon nových PC a navíc nedokáže zajistit potřebné napájení. Pro vyřešení těchto problémů bylo vytvořeno rozšíření PCI sběrnice –  PCI Express verze 1.0, 1.1, 2.0, 2.1, 3.0 a nejnovější 4.0. Jedná se o sériové, na rozdíl od AGP rozhraní, jeho propustnost může dosahovat několika desítek Gb/s. V tuto chvíli došlo k téměř úplnému zamítnutí sběrnice AGP ve prospěch PCI Express. Je však třeba poznamenat, že někteří výrobci stále nabízejí grafické karty s rozhraními PCI a AGP - v mnoha případech je to poměrně jednoduchý způsob, jak dramaticky zvýšit výkon zastaralého počítače v některých grafických úlohách.

Konektor

Video adaptéry MDA, Hercules, EGA a CGA byly vybaveny 9pinovým D -Sub konektorem . Občas byl k dispozici také koaxiální kompozitní video konektor , umožňující výstup černobílého obrazu do televizního přijímače nebo monitoru vybaveného nízkofrekvenčním video vstupem.

VGA a pozdější video adaptéry měly obvykle pouze jeden VGA konektor ( 15 - pin D-Sub ). Časné verze VGA adaptérů měly občas také konektor předchozí generace (9pinový) pro kompatibilitu se staršími monitory. Volba pracovního výstupu byla nastavena přepínači na desce grafického adaptéru.

Desky jsou vybaveny konektory DVI nebo HDMI , případně DisplayPort v počtu od jednoho do tří (některé grafické karty ATI nejnovější generace jsou vybaveny šesti konektory).

Porty DVI a HDMI jsou evolučním stupněm ve vývoji standardu pro přenos videosignálu, a proto lze pro připojení zařízení s těmito typy portů použít adaptéry (konektor DVI ke konektoru D-Sub je analogový signál, konektor HDMI k DVI-D jack je digitální signál, který nepodporuje technickou ochranu autorských práv ( High Bandwidth Digital Copy Protection , HDCP )  , tudíž bez možnosti přenosu vícekanálového zvuku a vysoce kvalitního obrazu). Port DVI-I obsahuje také analogové signály, což umožňuje připojit monitor ke staršímu konektoru D-SUB (DVI-D to neumožňuje).

DisplayPort umožňuje připojit až čtyři zařízení, včetně audio zařízení, rozbočovačů USB a dalších I/O zařízení.

Na grafickou kartu lze také umístit kompozitní a komponentní výstupy S-Video ; také video vstup (označovaný jako ViVo )

Chladicí systém

Chladicí systém je navržen tak, aby udržoval teplotu videoprocesoru a (často) videopaměti v přijatelných mezích.

Ve specifikaci grafické karty vývojář poskytuje možnost přizpůsobení pro výrobce. Výrobci si mohou například zvolit kapacitu a typ kondenzátorů (POSCAP, SP-CAP, MLCC). Nedostatečné testování nebo použití levnějších komponent může vést k nestabilnímu provozu grafických karet. [23]

Charakteristika

  • Šířka paměťové sběrnice , měřená v bitech  - počet bitů informace přenesené za hodiny. Důležitý parametr ve výkonu karty.
  • Velikost video paměti , měřená v megabajtech  , je velikost vlastní paměti RAM grafické karty . Více hlasitosti nemusí vždy znamenat vyšší výkon.

Grafické karty, které jsou integrovány do sady systémové logiky základní desky nebo jsou součástí CPU, obvykle nemají vlastní videopaměť a pro své potřeby využívají část RAM počítače ( UMA - Unified Memory Access ).

  • frekvence jádra a paměti  - měřeno v megahertzích, čím více, tím rychleji bude grafická karta zpracovávat informace.
  • textura a rychlost plnění pixelů , měřená v milionech pixelů za sekundu, ukazuje množství výstupních informací za jednotku času.

Mezi důležité technické vlastnosti, které charakterizují grafickou kartu, patří integrovaný chladicí systém, pokud je implementován, a konektory pro rozhraní přenosu dat [24] [25] .

Typy grafických karet

Diskrétní grafické karty

Nejvýkonnější třída grafických adaptérů. Zpravidla se připojuje k vysokorychlostní datové sběrnici PCI Express . Dříve byly grafické karty připojeny ke sběrnicím AGP (specializovaná sběrnice pro výměnu dat pro připojení pouze grafických karet), PCI , VESA a ISA . Grafické karty se připojují přes sběrnici PCI Express a všechny ostatní typy připojení jsou zastaralé. V počítačích s architekturou jinou než kompatibilní s IBM existovaly jiné typy připojení grafické karty.

Samostatná karta nemusí být nutně vyjmuta ze zařízení (například u notebooků je diskrétní karta často připájena k základní desce). Diskrétní se nazývá díky tomu, že je vyroben ve formě samostatného čipu (či čipové sady) a není součástí jiných počítačových komponent (na rozdíl od grafických řešení, která jsou zabudována do logických čipů systému základní desky nebo přímo do centrálního procesoru) . Většina diskrétních grafických karet má vlastní paměť s náhodným přístupem (VRAM), která může mít často rychlejší přístupové rychlosti nebo rychlejší přístupovou sběrnici než běžná počítačová RAM. Ačkoli dříve existovaly grafické karty, které využívaly celou nebo část hlavní paměti RAM k ukládání a zpracování grafických informací, grafické karty používají vlastní videopaměť. Někdy (ale poměrně zřídka) existují grafické karty, jejichž RAM není instalována ve formě samostatných paměťových čipů, ale je součástí grafického čipu (ve formě samostatných krystalů nebo na stejném čipu s grafickým procesorem).

Samostatné grafické karty, které jsou implementovány jako samostatná čipová sada spíše než jako součást jiných čipů, mohou být poměrně složité a mnohem výkonnější než integrovaná grafika. Kromě toho, diskrétní grafické karty s vlastní videopamětí nemusejí sdílet RAM s ostatními součástmi počítače (především s centrálním procesorem). Vlastní RAM umožňuje neplýtvat hlavní RAM pro ukládání informací, které nepotřebuje centrální procesor a další komponenty počítače. Na druhou stranu videoprocesor nemusí čekat ve frontě na přístup k operační paměti počítače, ke které má v tuto chvíli přístup jak centrální procesor, tak další komponenty. To vše má pozitivní vliv na výkon diskrétních grafických karet ve srovnání s integrovanými grafikami.

Technologie jako Nvidia SLI a AMD CrossFire umožňují paralelní běh několika grafických adaptérů pro stejnou úlohu.

Integrovaná grafika

Integrované grafické adaptéry nemají vlastní paměť a využívají RAM počítače, což ovlivňuje výkon k horšímu. Přestože Intel Iris Graphics má od generace procesorů Broadwell k dispozici 128 megabajtů L4 cache, může si zbytek paměti vzít z RAM počítače [26] . Vestavěná grafická řešení se používají v přenosných zařízeních kvůli jejich nízké spotřebě energie. Jejich výkon je již na dostatečně vysoké úrovni a umožňuje hrát jednoduché trojrozměrné hry.

Integrované GPU jsou umístěny na stejném čipu jako CPU (například Intel HD Graphics nebo Intel Iris Graphics ), předchozí generace (například Intel GMA ) byly umístěny jako samostatný čip.

Hybridní řešení

Hybridní řešení se používají tam, kde je vyžadována energetická účinnost a vysoký grafický výkon, což vám umožňuje používat integrovaný grafický adaptér při každodenních úkolech a používat samostatný grafický adaptér pouze tam, kde je to potřeba.

Před příchodem hybridních grafik výrobci kromě vestavěného zabudovali i diskrétní adaptér, přepínání mezi nimi vyžadovalo restart, což nebylo uživatelsky příliš přívětivé. Hybridní adaptéry využívají pouze integrovaný grafický adaptér pro výstup displeje, ale některé výpočty lze přenést na samostatnou grafickou kartu, místo aby je prováděly samy. Pro uživatele se přepínání mezi grafickými adaptéry stane neviditelným. Příkladem takových řešení je technologie Optimus od Nvidie a DualGraphics od AMD.

GPGPU

GPGPU (anglicky General-purpose computing for graphics processing units, non-specialised výpočty na grafických procesorech) – použití grafického procesoru grafické karty pro paralelní výpočty. Grafické adaptéry mohou mít až několik tisíc procesorů, což umožňuje řešit některé úlohy na grafických kartách řádově rychleji než na centrálních procesorech. Aplikace využívající tuto technologii jsou napsány pomocí technologií jako OpenCL nebo CUDA .

Externí grafická karta

Termín eGPU označuje diskrétní grafickou kartu umístěnou mimo počítač [27] . Lze jej použít například pro zvýšení výkonu ve 3D aplikacích na noteboocích.

Obvykle je pro tento účel jedinou vhodnou sběrnicí PCI Express . Port může být ExpressCard , mPCIe (PCIe ×1, až 5 nebo 2,5 Gb/s, v daném pořadí) nebo Thunderbolt 1, 2 nebo 3 port (PCIe × 4, až 10, 20 nebo 40 Gb/s, respektive) [28] [29] .

V roce 2016 se AMD pokusilo standardizovat externí GPU [30] .

Software

Na softwarové úrovni používá video procesor jedno nebo druhé rozhraní pro programování aplikací (API) pro organizaci výpočtů (výpočty trojrozměrné grafiky ).

Úplně první mainstreamové akcelerátory používaly Glide  , 3D grafické API vyvinuté společností 3dfx Interactive pro grafické karty založené na proprietárních GPU Voodoo Graphics.

Generace akcelerátorů ve grafických kartách pak lze počítat podle verze DirectX , kterou podporují. Existují následující generace:

  • DirectX 7  - karta nepodporuje shadery , všechny obrázky jsou vykresleny mapováním textur;
  • DirectX 8  - podpora pixel shaderů verze 1.0, 1.1 a 1.2, v DX 8.1 i verze 1.4, podpora vertex shaderů verze 1.0;
  • DirectX 9  - podpora pro pixel shadery verze 2.0, 2.0a a 2.0b, 3.0;
  • DirectX 10  – podpora unifikovaných shaderů verze 4.0;
  • DirectX 10.1  – podpora unifikovaných shaderů verze 4.1;
  • DirectX 11  – podpora unifikovaných shaderů verze 5.0;
  • DirectX 12  – podpora unifikovaných shaderů verze 6.0;

S vydáním DirectX 11 a příchodem modelu podpory API Feature Level (FLxx) již většina grafických karet není vázána na konkrétní verzi DirectX .

Ovladač zařízení

Správný a plně funkční provoz grafického adaptéru je také zajištěn pomocí ovladače videa  - speciálního softwaru dodávaného výrobcem grafické karty a načteného při spouštění operačního systému. Ovladač videa funguje jako rozhraní mezi systémem, na kterém běží aplikace, a grafickým adaptérem. Stejně jako video BIOS i ovladač videa organizuje a programově řídí činnost všech částí grafického adaptéru prostřednictvím speciálních řídicích registrů, ke kterým se přistupuje přes odpovídající sběrnici.

Ovladač zařízení obvykle podporuje jednu nebo více karet a musí být napsán speciálně pro konkrétní operační systém (OS).

Většina zařízení vyžaduje pro využití všech funkcí proprietární ovladače. Tyto ovladače pro oblíbené operační systémy se obvykle dodávají se zařízením a jsou často k dispozici ke stažení zdarma z webu výrobce. Ve vývoji je několik ovladačů grafických karet s otevřeným zdrojovým kódem , ale mnoho z nich může používat pouze základní funkce karet.

Použití grafických karet při těžbě kryptoměn

Těžba na grafické kartě je proces těžby kryptoměny pomocí grafických procesorových jednotek (GPU). Pro těžbu kryptoměn se místo procesorů používají grafické karty, protože zpracovávají více informací za kratší dobu. Jejich jedinou nevýhodou je vysoká spotřeba elektrické energie, ale vysoká návratnost tuto slabinu snadno kompenzuje [31] .

Pro těžbu se používají plnohodnotné diskrétní grafické karty, čipy integrované do procesoru se nepoužívají. Na netu jsou také články o těžbě na externí grafické kartě, ale to také nefunguje ve všech případech a není to nejlepší řešení [32] .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 ComputerBild č. 11, 2011 , str. 38.
  2. ↑ Grafické karty: AMD a NVIDIA  // Čip  : časopis. - 2011. - Červenec ( č. 7 ). - S. 46 . — ISSN 1609-4212 .
  3. ↑ 1 2 3 ComputerBild č. 11, 2011 , str. 39.
  4. ↑ Intel Corporation. Specifikace rozhraní  AGP V3.0 . - "grafická karta, přídavná karta".
  5. ↑ Co potřebujete vědět o grafických kartách? THG Průvodce pro začátečníky, část I. THG.ru. _ Tom's Hardware (24. srpna 2006). Získáno 22. července 2021. Archivováno z originálu dne 21. července 2021.
  6. ↑ Komponenty grafické karty  , pctechguide.com (  23. září 2011). Archivováno z originálu 12. prosince 2017. Staženo 24. března 2021.
  7. ↑ Jaký je rozdíl mezi integrovanou grafikou a diskrétní grafikou?  (anglicky) . Intel _ Získáno 2. září 2021. Archivováno z originálu dne 21. září 2021.
  8. ↑ ExplainingComputers.com : Hardware  . www.explainingcomputers.com . Získáno 11. prosince 2017. Archivováno z originálu 17. prosince 2017.
  9. ↑ OpenGL vs DirectX - Cprogramming.com . www.cprogramming.com . Získáno 11. prosince 2017. Archivováno z originálu 12. prosince 2017.
  10. ↑ Kent C. Redmond, Thomas M. Smith. Projekt Whirlwind. Případová historie v současné technologii. MITER Corporation, Bedford MA, USA. 1975 _ Získáno 25. července 2021. Archivováno z originálu dne 21. ledna 2022.
  11. ↑ Historie počítačů a výpočetní techniky, Zrození moderního počítače, Osobní počítač, Xerox Alto . Získáno 19. dubna 2016. Archivováno z originálu 5. prosince 2020.
  12. ↑ OVLADAČ DISPLEJE. — Q: 09aDISPL // xerox :: alt :: schémata.
  13. ↑ Kuhman, Robert The Cro's Nest RCP/M-RBBS . www.kuhmann.com. Získáno 10. února 2012. Archivováno z originálu 10. února 2012.
  14. ↑ Les Solomon, „Šalamounova paměť“ Archivováno 25. října 2012. , v Digital Deli , Workman Publications, 1984, ISBN 0-89480-591-6
  15. ↑ Michail Guk. Hardware IBM PC. Encyklopedie, 2. vyd. - Petrohrad: Petr, 2002. - 928 s.: nemocný. - str. 530
  16. ↑ Pamatujete si, jak to všechno začalo? 3D akcelerátory . 3DNews (31. prosince 2017). Získáno 17. července 2021. Archivováno z originálu dne 26. května 2021.
  17. ↑ Přehled Quadro Fermi . www.nvidia.com Získáno 9. prosince 2018. Archivováno z originálu 9. prosince 2018.
  18. ↑ Michail Guk. Hardware IBM PC. Encyklopedie, 2. vyd. - Petrohrad: Petr, 2002. - 928 s.: nemocný. - S. 526-528, 542
  19. ↑ NVIDIA TITAN RTX je nejrychlejší grafická karta pro PC, která kdy byla vyrobena | NVIDIA . Datum přístupu: 22. února 2019. Archivováno z originálu 22. února 2019.
  20. ↑ NVIDIA GeForce GTX 1080 . Získáno 21. února 2017. Archivováno z originálu 26. února 2017.
  21. ↑ NVIDIA TITAN X Pascal . Získáno 21. února 2017. Archivováno z originálu 22. února 2017.
  22. ↑ Grafická karta PC TITAN RTX Ultimate s Turingem | NVIDIA . Staženo 22. února 2019. Archivováno z originálu 26. prosince 2018.
  23. ↑ Výrobci reagují na pád GeForce RTX 3080/3090 na  problémy s desktopem . videocardz.com . Získáno 25. února 2021. Archivováno z originálu dne 22. února 2021.
  24. ↑ Často kladené otázky o grafických kartách / Videokartách . Získáno 18. července 2021. Archivováno z originálu dne 18. července 2021.
  25. ↑ Průvodce kupujícího grafické karty: Klíčové vlastnosti grafických karet . Získáno 18. července 2021. Archivováno z originálu dne 19. dubna 2021.
  26. ↑ „ Přehled architektonických přístupů pro správu vestavěných DRAM a energeticky nezávislých mezipamětí na čipu archivován 8. ledna 2016 na Wayback Machine “, Mittal a kol., IEEE TPDS, 2014
  27. ↑ Semit. Zkušenosti se stavbou eGPU a jeho interakcí s notebookem . Získáno 26. března 2016. Archivováno z originálu 7. dubna 2016.
  28. ↑ Seznam kandidátských systémů eGPU . Tech Inferno fóra .
  29. ↑ Neil Mohr. Jak vytvořit externí grafický adaptér pro notebook . techradar . Získáno 26. března 2016. Archivováno z originálu 26. června 2017.
  30. ↑ Mark Walton. AMD chce standardizovat externí GPU . Získáno 29. září 2017. Archivováno z originálu 1. prosince 2017.
  31. ↑ Jak kryptoměna souvisí s grafickou kartou a funkcemi těžby na grafické kartě . kripto365.ru (8. října 2018). Získáno 4. října 2019. Archivováno z originálu dne 28. září 2020.
  32. ↑ Těžba GPU – úplný průvodce . prostocoin.com. Získáno 4. října 2019. Archivováno z originálu dne 20. září 2019.

Literatura

  • Scott Mueller. Upgrading and Repairing PCs = Upgrade and Repairing PCs. - 17. vyd. - M .: "Williams" , 2007. - S. 889-970. — ISBN 0-7897-3404-4 .
  • Jurij Valerianov. Grafický vývoj  // Computer Bild  : magazín. - 2011. - 23. května ( č. 11 ). - S. 38-41 . — ISSN 2308-815X .
  • Michail Guk. Hardware IBM PC. Encyklopedie, 2. vyd. - Petrohrad: Petr, 2002. - 928 s.: nemocný.
  • Stan VeitHistorie osobního počítače Stana Veita. - 1993. -ISBN 978-1566640237.

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích