Как работает 3d видеокарта
Обновлено: 03.07.2024
Что из себя представляет видеокарта и зачем она нужна ?
Видеокарта – это устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора.
Видеокарта в разных источниках может носить названия вроде: графический ускоритель, графическая карта, видеоадаптер, 3D-ускоритель, GPU и другие похожие термины. Все это различные названия одного и того же устройства, очень важного в современном компьютере.
Почему 3D-ускоритель или почему графический ускоритель? Почему «важного в современном комьютере»? Откуда это все? Об этом чуть позже
А сейчас смотрите — видеокарты делятся на 3 типа:
- Интегрированные видеокарты(т.е Встроенная графика или IGP )
- Дискретные видеокарты(т.е Внешняя видеокарта)
- Гибридные решения
Ведь интегрированные решения для этого не рассчитаны и используются в, например, офисных компьютерах(или ноутбуках), где предполагается, что не будет сильных нагрузок на видеочип.
Проблема интегрированных видеокарт в том, что они не имеют собственную оперативную память (ОЗУ), и используют вместе с процессором одну оперативную память компьютера, при том передача сигнала идет по одной системной шине — и то, и другое, на самом деле, сильно тормозит работу.
Интегрированная видеокарта идет вместо со всеми остальными компонентами на плате, так как, очевидно, она на этой плате располагается
Пример 1:
Пример 2:
Пример 3:
Дискретные видеокарты : Это как раз вариант для тех, кому как раз -таки нужна хорошая графическая производительность.
Дискретные видеокарты отличаются своими вычислительными мощностями в сравнении с интегрированными видеоадаптерами, так как имею свою собственную память — следовательно нет необходимости лезть и на пару с процессором брать оперативную память компьютера, хотя дискретная видеокарта и это тоже умеет
Дискретная карта не интегрирована в материнскую плату, а располагается отдельно, являясь независимой(захотел-вытащил и унес с собой) и соединясь с системной шиной данных с помощью плат расширения(иначе говоря — слотов), которые
Посмотреть все изображения
используются для подключения внешних устройств(aka адаптеры или контроллеры этих подключаемых устройств)
Говоря о слотах, я имею ввиду:
Дискретная карта, очевидно, отличается от интегрированной и выглядит так:
Пример 1:
Пример 2:
Пример 3:
Пример 4:
Как вы видите, дискретные карты, в отличие от интегрированных, не являются неотъемлемой частью платы и выполнены в виде отдельного чипа
Гибридные решения : Этот вариант(ну или это решение) подразумевает в себе, как, собственно, понятно из названия- совмещение интегрированной видеокарты и дискретной( только вот работа происходит не одновременно, а поочередно, при том ресурсы требующие больших вычислительных мощностей отдаются дискретной, а меньших — слабой, интегрированной видеокарте(происходит переключение-должно)
И вот в данном случае, видеокарту( как раз обычно и имеют ввиду дискретную) можно считать графическим ускорителем, 3D-ускорителем, ведь скорость работы заметно возрастает, и с прохождением игр проблем меньше.
Именно за своей вычислительной мощности дискретная карта играет роль очень важного в современном компьютере компонента.
Компьютеры могут продаваться как с процессором, содержащим видеочип внутри себя, так и без него-но в таком случае это будет плата, включающая в себя дискретную видеокарту и рассчитанная на тяжелые вычислительные действия ( покатать в Ведьмака 3 на максималках, например, ну и какие -то дела посерьезнее)
Если вы не планируете сильно грузить свой комьютер( или ноутбук), например -вам нужно просто сидеть в интернете, запускать легкие игры, иногда программировать, с использованием редакторов, а может даже и IDE, редактировать таблицы — то можно взять компьютер(или ноутбук) с интегрированной видеокартой — они стоят дешевле дискретных, и, согласитесь, это разумно, если вы не будете переплачивать за возможности, которые использованы не будут.
К минусам еще можно отнести тот факт, что если по каким-то причинам ваш видеочип выйдет из строя- это будет больно, так как он находится аж в процессоре, что достаточно проблемно
Если же вы хотите получить от компьютера больших мощностей, ведь вам надо, к примеру, поиграть в нововышедшие игры, свободно смотреть видео в лучшем качестве, рендерить ролики и еще кучу всего, что хорошо прогреет вашу «машину», то, определенно стоит брать дискретную видеокарту, пусть это вам и обойдется дороже.
В случае выхода чипа из строя на дискретной карте- так как дискретная карта так же свободно вытаскивается, как и вставляется — его можно перепаять или заменить, изначально, конечно же, достав эту видеокарту (прогревать не стоит, я считаю, что это бред и потом будет только хуже)
Из чего состоит видеокарта ?
Интегрированная видеокарта использует те же ресурсы, что и другие компоненты на этой плате, а вот с дискретной картой дела обстоят интереснее, она имеет свои компоненты.
Кому интересно, в разрезе она выглядит так:
Давайте еще раз посмотрим на внешнюю(дискретную) карту:
Современная дискретная видеокарта состоит из следующих частей:
1.Графический процессор
Графический процессор (ну или Graphics Processing Unit (GPU) — графическое процессорное устройство) занимается расчётами выводимого изображения, освобождая от этой обязанности центральный процессор, производит расчёты для обработки команд трёхмерной графики. Является основой графической платы, именно от него зависят быстродействие и возможности всего устройства.
Современные графические процессоры по сложности строения не уступают центральному процессору компьютера, и зачастую превосходят его по вычислительной мощности, благодаря большому числу универсальных вычислительных блоков( больше ядер)
Выглядит GPU, например, так :
О его архитектуре и в принципе, о различии между CPU и GPU мы еще поговорим, после того, как я разберу все составляющие компоненты
Едем дальше:
2.Видеоконтроллер
Видеоконтроллер отвечает за формирование изображения в видеопамяти, он посылает команды на цифро-аналоговый преобразователь (RAMDAC) и проводит обработку команд центрального процессора
Если же говорить о дискретной карте, то используется VRAM (видеопамять)
Современные графические адаптеры(видеокарты) — например у AMD, NVidia- обычно имеют не менее двух видеоконтроллеров, работающих независимо друг от друга и управляющих одновременно одним или несколькими дисплеями каждый.
Картинки:
Видео-ПЗУ (Video ROM) — не путайте с видеопамятью— постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в которое записаны BIOS видеокарты, экранные шрифты, служебные таблицы и т. п. ПЗУ не используется видеоконтроллером напрямую — к нему обращается только центральный процессор
4.Видеопамять(VRAM) — это внутренняя оперативная память, отведённая для хранения данных, которые используются для формирования изображения на экране монитора.
Видеопамять выполняет функцию кадрового буфера, в котором хранится изображение, создаваемое и постоянно изменяемое графическим процессором, пока то не выведется на экран монитора (или нескольких мониторов).
В видеопамяти хранятся также промежуточные невидимые на экране элементы изображения и другие данные.
Вот эти черные чипы, расположенные вокруг графического процессора и есть видеопамять
Вот еще пример:
Видеопамять бывает нескольких типов, различающихся по скорости доступа и рабочей частоте, о ней мы еще поговорим ниже, когда я буду затрагивать характеристики видеокарт
5.Цифро-аналоговый преобразователь(ЦАП)
Видеоконтроллер формирует изображение, однако его нужно преобразовать в необходимый сигнал с определенными уровнями цвета.
Данный процесс выполняет ЦАП
Один канал работает на 256 уровнях яркости для отдельных цветов, а в сумме ЦАП отображает 16,7 миллионов цветов(а за счёт гамма-коррекции есть возможность отображать исходные 16,7 млн цветов в гораздо большее цветовое пространство).
Некоторые ЦАП имеют разрядность по каждому каналу 10 бит (1024 уровня яркости), что позволяет сразу отображать более 1 млрд цветов, но эта возможность практически не используется.
Для поддержки второго монитора часто устанавливают второй ЦАП.
Так же существует и TMDS:
TMDS — если кратко: дифференциальная передача сигналов с минимизацией перепадов уровней -передатчик цифрового сигнала без ЦАП-преобразований(не нужно переводить сигнал из аналогового в цифровой).
Используется при DVI-D, HDMI, DisplayPort подключениях.
Дело в том, что с распространением жидко-кристаллических мониторов и плазменных панелей нужда в передаче этого самого аналогового сигнала отпала — в отличие от электронно-лучевых трубок они уже не имеют аналоговую составляющую и работают внутри уже сразу с цифровыми данными.
6.Видеоконнекторы
Видеокарты имеют возможность передачи изображения на другие устройства вывода путем подключения, через интерфейсы(выходы):
VGA (Video Graphics Adapter) используется для вывода аналогового сигнала
Разъем для называют VGA или D-Sub 15 (15-контактный разъем)
HDMI (High Definition Multimedia Interface) интерфейс для мультимедиа высокой чёткости, позволяющий передавать цифровые видеоданные высокого разрешения и многоканальные цифровые аудиосигналы с защитой от копирования
DVI (Digital Visual Interface) — цифровой интерфейс, который применяется для подключения видеокарты к ЖК-мониторам, телевизорам, проекторам, а также плазменных панелей
S-Video (или S-VHS)
S-Video (или S-VHS) — аналоговый разъем, который используется для вывода изображения на телевизоры и видеотехнику.
DisplayPort – принципиально новый тип цифрового интерфейса для связи видеокарт с устройствами отображения
Разъём RCA (Radio Corporation of America) aka «Тюльпан» или «Колокольчик».
Обычный выход, который можно встретить на телевизорах и видеооборудовании
Разъемы видеокарт 3
Полный список видеоконнекторов на
Только посмотрите на это:
К слову, у воздушного охлаждения подсветка тоже есть:
Система жидкостного охлаждения же – это такая система охлаждения, в качестве теплоносителя в которой выступает какая-либо жидкость, а не воздух.
Вода в чистом виде редко используется в качестве теплоносителя (связано это с электропроводностью и коррозионной активностью воды), чаще это дистиллированная вода (с различными добавками антикоррозийного характера), иногда — масло, другие специальные жидкости.
Главная разница в использовании воздушного и жидкостного охлаждения заключается в том, что во втором случае для переноса тепла вместо воздуха используется жидкость, обладающая гораздо большей, по сравнению с воздухом,
теплоемкостью.
Типичная система состоит из водоблока, в котором происходит передача тепла от процессора теплоносителю(теплообменнику), помпы, прокачивающей воду по замкнутому контуру системы( создает определенное давление, обеспечивая циркуляцию жидкости в системе), радиатора, где происходит отдача тепла от теплоносителя воздуху, резервуара (служит для заполнения системы водой и прочих сервисных нужд) и соединительных шлангов , кулера(-ов).
На второй картинке на показано, но шланги тоже соединены с помпой
Имея жидкостную систему охлаждения, обычно остужают все сильно нагревающие компоненты, и тогда это выглядит так:
Но а для самой видеокарты охлаждение идет только самого видеочипа:
Принцип действия системы жидкостного охлаждения отдаленно напоминает систему охлаждения в двигателях автомобиля — через радиатор вместо воздуха, прокачивается жидкость, что обеспечивает гораздо лучший теплоотвод.
В радиаторах охлаждаемого объекта вода нагревается, после чего вода из этого места циркулирует в более холодное, т.е. отводит тепло.
Одна из частых проблем обладателей систем жидкостного охлаждения это перегрев околопроцессорных элементов материнской платы, которые могут сильно нагреваться
Связано это с тем, что обычно в таких системах отсутствует циркуляция холодного воздуха.
Как раз таки совмещение с кулером, который будет охлаждать остальные греющиеся элементы, тем самым, в многих случаях спасая ситуацию
Выбирая жидкостную систему охлаждения, будьте бдительны. Этот подход хоть и делает работу комьютера менее шумным, и лучше остужает, но тем не менее, иногда это плохо заканчивается, включая все вытекающие последствия
Как видно из диаграммы, весь процесс создания трехмерной картинки состоит из двух частей: Сначала создается геометрия объекта из множества треугольников, а затем выполняется отображение объекта на экране или, как принято в 3D описаниях, рендеринг (от слова render - изображать). Большинство современных видеокарт с 3D ускорителями не занимаются обсчетом вершин (т.е. первой частью), а выполняют только рендеринг. Это объясняется тем, что первая часть работы требует чрезвычайно интенсивных вычислений и она, как правило, возлагается на центральный процессор. Именно поэтому результаты тестирования видеокарт существенно зависят от производительности процессора.
Собственно рендеринг состоит из четырех основных задач: растеризации, z-буферизации, затенения и нанесения текстур. "Правильная" 3D видеокарта аппаратно выполняет все эти операции.
Качество растеризации завистит от возможностей видеокарты - лучшие карты не выполняют цветовую обработку пикселей всего треугольника, если часть его выходит за границу видимости объекта. Обрабатываются только видимые пиксели. В не очень хороших картах весь треугольник, попадающий на край объекта, может быть обработан или весь не обработан. Поэтому в хороших картах край изображения выглядит намного ровнее. Этот механизм называют также anti-aliasing.
При z-буферизации определяется, какие треугольники частично или полностью видимы относительно других треугольников. Этот механизм называется z-буферизацией, так требуется сохранять третью координату для каждой вершины треугольника и анализировать ее. После этого процесса становится известно, что следует рисовать на переднем плане, а что на заднем.
Затенение формирует цвет каждого треугольника в зависимости от освещения или тени, падающей на объект. Самым популярным методом сейчас является затенением по Гуро - программа, в зависимости от света (тени) в каждой вершине треугольника, вычисляет среднее значение для всего треугольника.
Нанесение текстур приводит к формированию деталей на полигоне - например, ворса на ткани, колец на срезе дерева, цементной "шубы" на стене и т.п. Текстура является образом поверхности объекта. Обычно создается несколько текстур с различным разрешением. Для частей объекта, ближайших к наблюдателю, выбираются текстуры с более высоким разрешением, для удаленных - с более низким. Этот способ также называется mip mapping.
Пол года назад я искал себе видеокарту, на которой я смог бы заниматься 3d моделированием, и рендерингом на GPU. В связи с появлением на рынке большого числе рендеров на CUDA мне не терпелось приобрести видеокарту с поддержкой CUDA, а именно Nvidia.
Как некоторые уже знают, Nvidia выставляет на продажу видеокарты нескольких моделей Geforce, Quadro, Tesla, ION, Tegra. В этом коротком сравнении упустим ION и Tegra, т.к. предназначены для мобильных устройств и слабые по производительности.
Нам нужна мощь!
Nvidia power.
ЧТО ГОВОРИТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬ
Geforce — видеокарты, ориентированные на потребительский рынок и на геймеров, в частности.
Если вам интересны игры — Geforce лучший вариант для этого.
Видеокарты лучше всего показывают себя в играх, имеют высокие частоты, не дороги, наиболее прожорливы при нагрузке.
В качестве общих вычислительных задач (Cuda, OpenCL) жефорсы упоминаются достаточно редко.
Имеет PhysX, именуемый крутейшим аппаратным решением по ускорению физики.
Досуг обладателя Geforce (Battlefield 3).
Quadro — видеокарты для пользователей профессиональных приложений 2D и 3D.
Если вы занимаетесь с пакетами 3д моделирования, CAD, сложной векторной графикой — то Вам подойдет Квадра.
Сложные модели на экране рендерятся быстрее, меньше «рывков».
Квадры, сравнимые по производительности с Жефорсами в играх будут в несколько раз дороже.
На картинках сайта nvidia можно увидеть уже больше Куды, чем на жефорсах.
То бишь, видеокарты профессиональные, даже вычислениям общего назначения быть!
Работа обладателя Quadro (Autodesk Alias Studio).
Tesla — вычислительные системы для научных и технических вычислений общего назначения.
Тут во всю рекламируется CUDA, как крутейший инструмент вычислений общего назначения. Всюду плакаты с аэродинамическими вычислениями, воксельным сканнированием человеческого тела, графические модели нагрузок, и нереально быстрый рендеринг на iRay.
На Tesla отсутствуют видеовыходы, так же как и нету аппаратной растеризации: не работает ни OpenGL, ни DirectX.
Работа обладателя Quadro + Tesla (Quadro — 3d графика, Tesla — молекулярная динамика).
***
НЕБОЛЬШОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
Когда начал разбираться в их различии, был удивлен тем фактом, что видеокарты GeForce, Quadro, Tesla используют одинаковые графические чипы.
Рассмотрим видеокарты с одинаковым, уже не самым новым, чипом GF100 имеет (512 CUDA ядер):
Одночиповые:
GeForce: GTX465, GTX470, GTX480
Quadro: 4000, 5000, 6000
Tesla: C2050, C2070, M2050, M2090
Рассмотрим по одному представителю с каждого семейства поподробнее.
GeForce GTX480
Некогда топовая игровая видеокарта.
Стоимость: на момент выпуска около 500$ (сейчас бу и за 300 видел), на данный момент не выпускается (на смену пришли GTX580 512 ядер, и GTX680 1536 ядер)
Количество ядер CUDA — 480.
Объем памяти 1.5 Gb.
Производительность float:
Одинарная точность: 1344,9 Гфлопс.
Двойная точность: 168,1 Гфлопс.
(Существует более урезанная версия GTX470, сейчас можно найти по цене меньше 250$, 448 ядер CUDA, 1.25 Gb)
Quadro 5000
Одна из лучших видеокарт для профессиональных приложений.
Стоимость: по данными Amazon около 1700$. Выпускается.
Количество ядер CUDA — 352.
Объем памяти 2.5 Gb.
Производительность float:
Одинарная точность: 718.08 Гфлопс.
Двойная точность: 359.04 Гфлопс.
(Стоит обратить внимание на Quadro 6000, 448 ядер, 515 Гфлопс двойной точности, 4000$)
Tesla C2075
Стоимость: по данными Amazon около 2200$. Тоже выпускается.
Количество ядер CUDA — 352.
Объем памяти 6 Gb.
Производительность float:
Одинарная точность: 1030 Гфлопс.
Двойная точность: 515 Гфлопс.
Что мы видим?
Заметим, что по float производительности выигрывает GeForce GTX480. Причиной тому самое большое количество рабочих ядер и самые высокие частоты среди аналогов. Это нужно для преобразования координат объектов в играх, расчета теней, расчета пиксельных и вершинных шейдеров. В конечном итоге — чтобы игра «летала».
Но, чтобы для научных исследований, моделирования динамики жидкостей и газов покупали Теслы и Квадры — в двойной точности производительность сильно урезана, и уступает аналогам.
Соотношение производительности:
GeForce: double/float — 1/8
Quadro и Tesla: double/float — 1/2
Кроме того, самым малым объемом памяти обладает тот же GTX480. Для игр достаточно, но если хотите провести расчет аэродинамики — покупайте что-то посерьезнее.
***
ЧЕГО НУЖНО?
(Людям, занимающимся 3d графикой)
1. Поменьше тормозов во время редактирования 3d модели.
2. Некоторых интересует возможность быстрого рендеринга на GPU.
3D производительность GeForce vs Quadro
Из информации изложенной выше может показаться, что профессиональными приложениями на GeForce не пользуются из-за того, что имеет малый объем памяти, но это не так.
Ролик покажет Вам, почему «плохая Квадра» лучше «хорошего Жефорса» в профессиональных приложениях.
Quadro 600: 1Gb, 96 ядер CUDA, 150у.е.
GTX560Ti: 1Gb, 384 ядра CUDA, 250у.е. (Цены взяты из Amazon)
Выходит, Nvidia тщательно следит, чтобы 3d производительность в профессиональных приложениях Geforce уступали Quadro при соизмеримых ценах.
Как могут быть реализованны тормоза во вьюпорте?
Дело в том, что количество полигонов в играх существенно меньше, чем у профессионалов в профессиональных приложениях. В играх редко доходит до одного млн полигонов, а в профессиональных — десятки миллионов.
Тут можно сделать так: урезать производительность при преобразовании координат вершин. Если вершин больше определенного количества — то поставить задержку перед отрисовкой последующих вершин.
Либо установить задержку при отрисовке треугольников. Если больше определенного количества — то поставить задержку перед отрисовкой каждого последующего треугольника.
Маленькое лирическое отступление, или Nitrous в 3ds Max.
Меня ввел в заблуждение Nitrous движок в 3ds Max, который стоит рядом с OpenGL и DirectX. Это как? В Autodesk есть что-то, что вызывает Нитрос, аппаратная поддержка которого, оказывается, есть на каждой уважающей себя видеокарте, но знает о ней только 3Д Макс?
Ну, можно составить небольшую логическую цепочку. Autodesk является богатой корпорацией, и в хороших партнерских отношениях с производителями ATI и Nvidia. Повышать нужно продажи своего детища же! А как бы заинтересовать потребителей? Производительностью же!
Итак, GeForce GTX580 (да, купил я именно её), 7.3 млн треугольников, 2560 Torus Knot-ов, без теней и без Adaptive degradation.
Nitrous — 42 fps; Direct3d — 13 fps; OpenGL — 2 fps.
OpenGL — тормозит. DirectX — намного лучше. А Nitrous — круче всех, оказывается! Что же нитрос тогда?
Два варианта:
1. Это OpenGL/DX в котором убраны дополнительные тормоза во вьюпорте, созданные умышленно в OpenGL/DX режимах.
2. Это OpenGL/DX, который умеет обращаться к аппаратным функциям игровых видеокарт, и проявлять в них квадровые способности!
И я склонен именно к 2 варианту, т.к. в Blender и в Rhino3D это же самое дико тормозит (2fps).
Выходит, пользователям 3ds Max и других продуктов Autodesk вовсе не так принципиально переходить на Квадру? К сожалению, у меня нету Квадры, чтобы проверить производительность Нитроса по сравнению с OpenGL.
Если же у Вас GeForce или Radeon, нет желания раскошелиться за Квадру, вы Не пользуетесь продуктами от Autodesk, и у Вас очень сложные модели, то:
1. Сложные объекты можно скрыть. Объекты можно показывать во вьюпорте с меньшей плотностью сетки.
2. Вместо объектов можно показывать «контейнеры», их содержащие.
То есть следить за количеством полигонов в вьюпорте, если у вас действительно «тяжелые» модели.
Зато в игры нормально поиграете.
GPU рендеринг
Поскольку коммерческие производители не рассказывают о том, какие типы данных (float или double) они используют — приходится только догадываться.
iRay везде показывают с Quadro и Tesla, может создаться впечатление, что iRay вообще не работает с GeForce.
Картинка с оф. сайта nvidia.
Но нет, работает, и еще как. Казалось бы, что может быть лучше для не-графических вычислений, чем видеокарта Tesla, специально заточенная под не-графические вычисления?
(Взято с поста: «V-Ray и Iray. Сравнение и обзор»)
GeForce GTX580 является самой быстрой одночиповой видеокартой в iRay рендеринге на GPU. И значительно дешевле «серьезных» аналогов такой же производительности. А если вам не хватает 1.5Гб, существуют GTX580 с 3Гб памяти.
При использовании V-RayRT, Octane, Cycles, Arion также лучше всех себя показывают видеокарты GTX570 и 580. Выходит, все эти рендеры не используют расчет двойной точности для рендеринга?
В любом случае, если вы хотите рендерить на GPU — на GeForce вы сможете хорошо сэкономить.
GTX680
Но корпорация заметила, что для вычислений все чаще начали брать GTX580, производительность double в GTX680 уступает float не в 8 раз, а в 24, что не могло не отразиться на некоторых тестах.
Известно, что в Octane Render производительность возросла на 64%.
ATI Radeon vs FirePro
Аналогично Nvidia, корпорация AMD тоже разделила модели видеокарт. Radeon (аналог GeForce), FirePro (аналог Quadro), FireStream (аналог Tesla). Производительность вычислений с плавающей точкой двойной точности уступает одинарной в 4 раза, во всех моделях ATI. Интересно, что производительность топовых игровых видеокарт ATI (Radeon HD 7970, float — 3.79 Тфлопс, double — 947 Гфлопс) превосходит в двойной точности даже одночиповые Tesla. Надо заметить, что производительность в флопсах, не всегда является показателем производительности железа в конкретных случаях.
Причина, по которой ATI сильно уступает Nvidia на рынке GPGPU мне пока не ясна. Может, игрового сегмента вполне хватает.
Выбор?
Я выбрал GTX580 3Gb. Видеокарта дает возможность насладиться новыми играми и производительностью GPU рендеров. А тормоза во вьюпорте пакетов 3d моделирования для меня не сильно критичны.
Автор статьи с уважением относится к этому производителю, и сам является счастливым обладателем карточки Nvidia.
Подобные маркетинговые ходы являются неотъемлемой частью рыночной экономики, к ним прибегают все производители без исключения.
Но все же, не будем же вестись на маркетинговые уловки корпораций, а вдумчиво покупать то, что действительно полезно для нас!
Изображение на экране дисплея состоит из мельчайших точек, называемых пикселями. При наиболее распространенном разрешении Full HD их количество превышает 2 млн, и ПК должен решить, что делать с каждым из них. Для этого нужен посредник, который мог бы преобразовать двоичные данные в видимое изображение. Если компьютер не справляется с этой задачей с помощью аппаратного обеспечения материнской платы, ее выполнение берет на себя графическая карта.
Производимые вычисления сложны, но устройство и принцип работы видеокарты понять легко. В данной статье рассмотрены ее основные компоненты, их функции, а также факторы, сочетание которых обеспечивает высокую производительность и эффективность ПК.
Как работает видеокарта?
Компьютер можно представить в виде организации с собственным художественным отделом, в который направляется запрос нарисовать картину. Отдел решает, каким должен быть рисунок, а затем наносит его на бумагу. В конце концов, чья-то идея реализуется в видимое изображение.
Принцип работы видеокарты такой же. Процессор и программное обеспечение передают информацию на графическую карту, которая решает, какими должны быть пиксели на экране, чтобы получилось требуемое изображение. Затем эти данные направляются по кабелю на монитор.
Создавать изображение из двоичных чисел сложно. Чтобы вывести на экран трехмерную картинку, графическая карта сначала должна рассчитать каркас из прямых линий. Затем она заполняет его пикселями. После этого добавляются цвет, освещение и текстура. В высокоскоростных компьютерных играх графический процессор должен выполнять все эти расчеты не менее 60 раз в секунду. Без него нагрузка на ЦПУ была бы слишком велика.
Работа видеокарты компьютера, в принципе, зависит от следующих 4-х основных составных частей:
- соединения с материнской платой, через которое поступают питание и данные;
- процессора, который занимается обработкой каждого экранного пикселя;
- графической памяти, хранящей данные о каждом пикселе и завершенных изображениях;
- системы вывода на дисплей конечного результата.
Графический процессор
Принцип работы видеокарт основан на получении данных из ГПУ и преобразовании их в изображения.
Подобно материнской плате, графическая карта – это печатная плата с процессором и ОЗУ. Она также оборудуется микросхемой системы ввода-вывода (БИОС), в которой хранятся настройки и которая при запуске диагностирует работу памяти, системы ввода и вывода.
Графическое процессорное устройство похоже на ЦПУ компьютера. Однако ГПУ специально спроектировано для проведения сложных геометрических и математических вычислений, которые нужны для рендеринга изображения. В некоторых наиболее быстрых процессорах транзисторов больше, чем в среднем ЦПУ. ГПУ выделяет много тепла, поэтому обычно охлаждается радиатором или кулером с вентилятором.
Помимо огромной вычислительной мощности, графические процессоры для анализа и использования данных взаимодействуют со специальным программным обеспечением. Компании nVidia и ATI выпускают подавляющее большинство чипов для видеокарт. Они разрабатывают собственные средства повышения производительности. Чтобы достичь более высокого качества изображения, в графических процессорах используются:
- полноэкранное сглаживание краев 3D-объектов; повышающая четкость видео.
При сохранении общего принципа работы видеокарт каждый производитель разрабатывает собственные техники окрашивания, наложения оттенков, текстур и шаблонов.
Поскольку ГПУ создает изображения, оно должно их где-то хранить. Для этого служит оперативное запоминающее устройство. Оно хранит информацию о всех пикселях, их цвете и местоположении. Часть ОЗУ также может выполнять функцию буфера кадров с завершенными изображениями, пока не придет время их отобразить. Как правило, память работает с очень высокой скоростью и является двунаправленной, т. е. система может считывать и записывать данные одновременно.
Графическое ОЗУ непосредственно подключено к цифро-аналоговому преобразователю ЦАП, который преобразует изображение в сигнал, используемый дисплеем. В некоторых видеокартах есть несколько таких модулей, что повышает производительность и позволяет поддерживать больше одного монитора.
ЦАП направляет окончательное изображение по кабелю. Подробно принцип работы видеокарты с интерфейсами описан ниже.
Разъем PCI
Графические карты соединяются с компьютером через разъем на материнской плате. По нему подается питание и происходит обмен данными с процессором. Мощные видеокарты часто используют больше энергии, чем позволяет системная плата, поэтому они снабжаются разъемом для прямого соединения с блоком питания.
Подключение обычно производится через интерфейсы PCI, AGP и PCI Express (PCIe). Последний является наиболее современным и обеспечивает наибольшую скорость передачи данных между картой и материнской платой. PCIe поддерживает использование нескольких ускорителей графики одновременно.
Принцип работы видеокарты: подключение монитора
Большинство графических карт позволяют вывести изображение на 2 дисплея. Соединение производится через порты DVI, HDMI, DisplayPort, поддерживающие ЖК-мониторы, и VGA, к которому подключаются экраны ЭЛТ-типа. На некоторых картах есть 2 DVI-порта. Но это не исключает возможность использование электронно-лучевых трубок, поскольку они могут подключаться через адаптер. Компания Apple ранее производила мониторы с фирменным разъемом ADC, который был заменен портом DVI, а затем – Thunderbolt на основе USB-C, обратно совместимый с HDMI и DisplayPort.
Большинство пользуется только одним дисплеем. Тем, кому необходимо 2 монитора, могут приобрести графическую карту с возможностью вывода изображения два экрана. Такие ПК могут поддерживать 4 и более дисплеев.
Другие соединения
В дополнение к материнской плате и монитору некоторые графические карты позволяют подключиться к:
- телевизионному дисплею (через выход TV-out либо S-video); (посредством ViVo и видеовхода);
- цифровым камерам (через USB или FireWire).
Отдельные видеокарты снабжаются телетюнерами.
DirectX и Open GL
Интерфейсы прикладного программирования API обеспечивают эффективное взаимодействие программ и аппаратных средств, предоставляя простые средства выполнения сложных задач (например, трехмерной визуализации). Разработчики оптимизируют графические игры для конкретных API. Вот почему новейшие игры часто требуют обновить версию Open GL и DirectX.
АРІ отличаются от драйверов, являющихся программами, которые дают возможность аппаратным средствам работать с ОС компьютера. Однако обновление драйверов также может обеспечить корректное функционирование приложений.
Эволюция
С тех пор, как IBM произвела первый образец в 1981 г., принцип работы видеокарт не изменился. Тогда их называли монохромными адаптерами дисплея. С их помощью можно было вывести на черно-белый экран только текст. Минимальным стандартом для видеокарт является VGA, поддерживающий 256 цветов. А благодаря таким высокопроизводительным стандартам, как 4К UHD, на экран можно выводить миллионы цветов с разрешением 3840 x 2160 пикселей.
Выбор видеокарты
Хорошая графическая карта имеет быстрый процессор и большой объем оперативной памяти. Часто она выглядит очень привлекательно. Высокопроизводительные модели отличаются ярким дизайном с декоративными вентиляторами и радиаторами.
Высокопроизводительные видеокарты предлагают гораздо большую мощность, чем необходимо большинству пользователей. Те, кто использует свои ПК для чтения электронной почты, обработки текста и веб-серфинга, найдут все необходимое в материнской плате со встроенной графикой. Большинству непостоянных геймеров достаточно видеокарты среднего уровня. Мощные графические ускорители нужны только любителям компьютерных игр и дизайнерам, которые занимаются 3D-моделированием.
Принцип работы видеокарты в ноутбуке и ПК одинаковый, хотя из-за дефицита свободного пространства первые внешне отличаются от вторых. Хорошим параметром оценки производительности графических карт является частота кадров. Человеческий глаз воспринимает около 25 к/с, но для плавной анимации в некоторых играх нужна скорость более 60 к/с. Частота кадров определяется:
- Числом треугольников или вершин в секунду, составляющих трехмерные изображения. Этот параметр описывает скорость расчета всего полигона или вершин, которые его определяют.
- Пиксельной скоростью заполнения, которая указывает на то, ка быстро ГПУ способно растрировать изображение.
Быстродействие
Скорость работы видеокарты прямо зависит от аппаратного обеспечения. На ее быстродействие больше всего влияют следующие технические характеристики:
- тактовая частота;
- ширина шины памяти;
- пропускная способность ОЗУ;
- объем оперативной памяти и ее частота;
- частота ЦАП.
ЦПУ и материнская плата ПК также играют определенную роль, поскольку даже очень быстрая видеокарта не способна компенсировать плохую работу системы.
Интегрированная графика
Многие ПК оборудованы интегрированными в процессор видеокартами. Принцип работы таких графических ускорителей отличается от дискретных карт тем, что они разделяют оперативную память с ЦПУ. Они легко справляются с двумерными изображениями, поэтому идеально подходят для офисных и интернет-приложений. Установка дискретной карты к таким материнским платам отключает встроенные графические функции.
Читайте также: