Что такое видеокарта? Основные понятия

Устройство и основные характеристики
видеокарты компьютера

Из статьи читатель узнает об устройстве и основных характеристиках видеокарты, которые нужно учитывать при ее выборе и приобретении.

Видеокарта (видеоадаптер, графическая плата, графический адаптер, графическая карта, GPU, Graphics Processing Unit) – важная и очень сложная составная часть компьютера. Можно сказать, что она является своего рода отдельным специализированным компьютером, состоящим из собственного процессора, оперативной памяти и прочих компонентов, по своей структуре и организации взаимодействия между собой приспособленных для максимально эффективного решения одной задачи – обработки графических данных.

Основными разработчиками видеокарт (графических чипов) являются американские компании Nvidia, AMD и Intel. Ну а выпускать карты этих разработчиков могут разные производители (ASUS, MSI, Gigabyte, Inno3D, Palit и др.), привнося в каждую конкретную модель некоторые изменения. В частности, они могут немного изменять частоту графического процессора и памяти, использовать разные по качеству микросхемы памяти, дроссели, конденсаторы и другие компоненты, делать разные по эффективности системы питания, охлаждения и т.д. Обо всем этом речь пойдет чуть ниже.

Существует два типа видеокарт: игровые и профессиональные. Игровые видеокарты от Nvidia выпускаются под брендом GeForce, профессиональные – Quadro. Игровые карты от AMD называются Radeon, профессиональные – FirePro.

Игровые видеокарты являются более универсальными устройствами. Как правило, они хорошо справляются как с играми, так и с другими задачами. Профессиональные же карты, даже те, которые хорошо показывают себя в трёхмерном моделировании и проектировании, в играх могут выглядеть заметно хуже игровых аналогов. Главный плюс профессиональных карт – специальные драйверы и улучшенная поддержка специализированного программного обеспечения.

Не трудно догадаться, что для домашнего использования лучшим вариантом будет игровая видеокарта.

Что такое видеокарта (GPU)?

Видеокарта (видеоадаптер, графический адаптер, графическая плата, графическая карта, графический ускоритель или на английском: video card, graphics card) — это устройство, преобразующее графический образ или код, хранящийся как содержимое в памяти компьютера (или самого графического адаптера), в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран монитора.

Проще говоря, видеокарта в совокупности с другими компонентами компьютера позволяет преобразовать протекающий машинный код (последовательность команд) внутри вашего компьютера в удобочитаемое изображение для человеческого глаза.

В первую очередь, под видеокартой подразумевается устройство с графическим процессором, который занимается формированием самого графического образа. Все современные видеокарты не ограничиваются простым выводом изображения, они имеют встроенный графический процессор, который может производить дополнительную обработку команд и кода, снимая данную часть задачи с центрального процессора компьютера.

Также современные видеокарты от Nvidia и AMD на аппаратном уровне осуществляют рендеринг графического конвейера для построения и отображения двумерной и трёхмерной компьютерной графики на спецификациях OpenGL, DirectX и Vulkan.

Зачастую видеокарта выполнена в виде отдельной печатной платы и используется в отдельном слоте расширения (AGP, PCI Express) материнской платы. Однако широко распространены и встроенные (интегрированные) в системную плату или процессор видеокарты. Ниже мы посвятим отдельный блок в ключе сравнения интегрированных и внешних (дискретных) видеокарт.

Память видео карты

Видеопамять по отношению к GPU выполняет те же функции, что и оперативная память – по отношению к центральному процессору ПК: она хранит весь «строительный материал», необходимый для создания изображения – текстуры, геометрические данные, программы шейдеров и т.д.

Какие характеристики видеопамяти влияют на производительность графической карты

1. Объем. Современные игры используют огромное количество текстур с высоким разрешением, и для их размещения требуется соответствующий объем видеопамяти. Основная масса выпускаемых сегодня «топовых» видеоадаптеров и карт среднего ценового диапазона снабжается 512 Мб памяти, которая не может быть увеличена впоследствии. Более дешевые видеокарты оснащаются вдвое меньшим объемом памяти, для современных игр его уже недостаточно.

В случае нехватки памяти графический процессор вынужден постоянно загружать текстуры из оперативной памяти ПК, связь с которой осуществляется гораздо медленнее, в результате производительность может заметно снижаться. С другой стороны, чрезмерно большой объем памяти может не дать никакого увеличения скорости, так как дополнительное «место» просто не будет использоваться. Покупать видеоадаптер с 1 Гб памяти имеет смысл только в том случае, если он принадлежит к «топовым» продуктам (видеокарты ATI Radeon HD 4870, Nvidia GeForce 9800, а также новейшие карты серии GeForce GTX 200).

2. Частота. Этот параметр у современных видеокарт может изменяться от 800 до 3200 МГц и зависит, в первую очередь, от типа используемых микросхем памяти. Чипы DDR 2 могут обеспечить рабочую частоту в пределах 800 МГц и используются только в самых дешевых графических адаптерах. Память GDDR 3 и GDDR 4 увеличивает частотный диапазон вплоть до 2400 МГц. Новейшие графические карты ATI Radeon HD 4870 используют память GDDR-5 с фантастической частотой – 3200 МГц.

Частота памяти, как и частота графического процессора, оказывает большое влияние на производительность видеокарты в играх, особенно при использовании полноэкранного сглаживания. При прочих равных условиях, чем больше частота памяти, тем выше быстродействие, т.к. графический процессор будет меньше «простаивать» в ожидании поступления данных. Частота памяти в 1800 МГц является нижней границей, отделяющей высокопроизводительные карты от менее быстрых.

3. Разрядность шины видеопамяти гораздо сильнее влияет на общую производительность карты, чем частота памяти. Она показывает, сколько данных может передать память за один такт. Соответственно, двукратное увеличение разрядности шины памяти эквивалентно удвоению ее тактовой частоты. Основная масса современных видеокарт имеют 256-битную шину памяти. Уменьшение разрядности до 128 или, тем более, до 64 бит наносит сильный удар по быстродействию. С другой стороны, в самых дорогих видеокартах шина может быть «расширена» до 512 бит (пока этим может похвастаться лишь новейший GeForce GTX 280), что оказывается весьма кстати, принимая во внимание мощность их графических процессоров.

Основные характеристики и параметры видеокарт

Технологический процесс — определяет размер элементов в ядре. Чем меньше размер элементов — тем меньше площадь ядра, стоимость и энергопотребление. Обычно (но не всегда) целые линейки видеокарт выпускают по одинаковому техпроцессу. Узнать, по каким нормам выпускается определенный чип, можно при помощи специальных утилит (например, Everest). На данный момент в сфере видеочипов стандартом является 14 нм техпроцесс (например, видеокарты Radeon RX 470 и Geforce GTX 1070).

Объем видеопамяти — определяет объем данных, которые ускоритель может загрузить в свою собственную память. Больший объем видеопамяти снизит частоту обращения к RAM, таким образом можно избавиться от лишних задержек в работе ПК. Наиболее оптимальным выбором для современных игр, сегодня считается 4096 Мбайт памяти, которой должно хватить всем современным приложениям. Многие производители предлагают видеокарты с вдвое большим объемом, но, как показывают тесты, прирост от использования 8192 Мбайт незначительный.

Тип видеопамяти конечно, большой объем видеопамяти необходим для нормальной работы ПК, но еще важно, на какой скорости работает эта память. GDDR (англ. Graphics Double Data Rate) — подвид энергозависимой динамической памяти с произвольным доступом (DRAM) и удвоенной скоростью передачи данных (DDR — Double-Dynamic Rate), предназначенный для использования в графических картах (видеокартах). На данный момент в видеокартах используют память GDDR, которая за один такт передает информацию сразу в две стороны, тем самым удваивая частоту шины памяти. Например, если чип памяти работает на частоте 500МГц, то в случае памяти DDR эффективная частота шины памяти будет 1000МГц.

На сегодня в видеокартах могут применяться следующие типы видеопамяти:

• GDDR- частота до 600МГц. Это такие видеокарты как Radeon 9600, GeForce 6600, GeForce FX5600. Эта память давно устарела и не используется в современных видеокартах.
• GDDR2 — частота от 600 до 1000МГц. Устарела.
• GDDR3 — частота от 900 до 2000МГц, используется в большинстве старых видеокарт.
• GDDR4 — частоты от 2 ГГц. На данный момент ее имеют отдельные версии Radeon HD2900xt, HD 3870 (x2).
• GDDR5 — частоты до 7 ГГц. Такая память установлена на топовые современные видеокарты.

Частота памяти. Она зависит от времени выборки — это интервал времени между началом обработки запроса к запоминающего устройства и получением от него запрошенных данных. Измеряется в наносекундах, например время выборки памяти 2,5 нс для типа памяти GDDR3.

Ширина шины памяти — определяет скорость и разгон графической памяти. Могут быть варианты с 32, 64, 128, 256, 512 битной шириной шины памяти. Большая ширина шины обеспечивает лучшую пропускную способность и эффективность разгона. Для бюджетных Low-End решений практически всегда используются урезанные до 64 или даже 32 бит шины, однако среди игровых видеокарт преобладает шина 256 или 512 бит.

Частота чипа или тактовая частота GPU — указывает сколько тактов в секунду может выполнять видеочип и определяет максимальный объем работы, который процессор может выполнить в единицу времени. Чем выше частота GPU тем больше производительность.

Шейдеры — это небольшие программы, которые выполняются процессором видеокарты и предназначены для определения конечного изображения трехмерной сцены. Шейдеры используются как в играх, так и в 3D моделировании. Чаще всего шейдеры используются в параллельных процессах обработки графики, благодаря чему снимается часть нагрузки с центрального процессора, а значит, увеличивается эффективность. Если видеокарта не содержит специальных процессоров для их обработки, их можно выполнять в режиме эмуляции за счет ресурсов центрального процессора. Шейдеры позволяют изображать сложные поверхности с помощью простых геометрических форм. Шейдеры как правило отвечают за какой-нибудь графический эффект, например с рассеяния света, эффект отражения, преломления. Различают шейдеры вершинные и пиксельные.

Число пиксельных и вершинных шейдерных блоков очень важно. Вершинные шейдерные блоки выполняют расчеты каркасов объектов, а пиксельные — заполняют их. Соответственно, чем больше шейдерных блоков, тем больше графики процессор сможет обработать за такт. Эти параметры вместе с тактовой частотой определяют производительность графического процессора.

Также используют унифицированные шейдерные блоки, которые одновременно могут обрабатывать пиксельные и вершинные шейдеры, в зависимости от того что нужно в данный момент. Такая технология впервые появилась в видеочипах 8 поколения nVidia (G80) и серии 2000 от AMD / ATI (R600).

Технология динамического освещения (High dynamic range (HDR), вывела реалистичность картинки в играх на новый уровень. Нововведения позволило по-новому отображать блики воды, свет, проходящий через полупрозрачные поверхности (витражи), и многое другое.

Фильтрация текстур — если в виртуальном мире посмотреть издалека на дорогу, то текстуры на ней будут смазаны. Фильтрация текстур позволяет устранить этот недостаток. Существует несколько видов фильтрации: билинейная, трилинейная и анизотропная. Самая качественная, но и самая сложная для ускорителя — анизотропная фильтрация. NVIDIA и ATI применяют собственные технологии для расчета фильтрации, поэтому результат получается разный.

Сглаживание (антиалиасинг (antialiasing)) — как известно, в играх при низком разрешении на краях объектов можно наблюдать «зубчатую» границу, по-научному такое явление называется алиасингом. Сглаживание — это технология, позволяющая сделать пределы кривых линий более гладкими. Если не вдаваться в подробности, то принцип сглаживания прост — увеличивается разрешение картинки, значение цвета предельных точек усредняется между цветом изображения и цветом фона. Таким образом, «зубчатая» граница размывается. Следует отметить, что антиалиасинг — очень ресурсоемкая технология.

Количество блоков текстурирования (TMU) — количество блоков, определяющих текстурную производительность (скорость выборки и наложения текстур), особенно при использовании трёхлинейной и анизотропной фильтрации. Наибольшее значение блоки TMU имеют в относительно старых играх дошейдерной эпохи, хотя и сейчас они не потеряли актуальности.

Количество блоков растеризации (ROP) , осуществляющих операции записи рассчитанных видеокартой пикселей в буферы и операции их смешивания (блендинга). Как и в случае с блоками TMU, актуальность блоков ROP в период господства шейдерной архитектуры несколько снизилась.

Время доступа памяти (измеряется в нс) — величина, обратно пропорциональной рабочей частоте видеопамяти. Чем меньше время доступа, тем больше максимальная рабочая частота памяти.

Пропускная способность памяти — объем информации, проходящей через память за одну секунду. Она равна эффективной частоте памяти, умноженной на разрядность памяти. Естественно, чем выше пропускная способность памяти тем лучше. Особенно высокие требования предъявляются при работе видеокарты в сложных режимах (высокое разрешение, сглаживание и фильтрация текстур).

DirectX (от англ. Direct — прямой, непосредственный) — это готовый набор функций (API), которые могут использовать разработчики приложений API, разработанных для решения задач, связанных с программированием под Microsoft Windows. DirectX наиболее широко используется при написании компьютерных игр.

Пакет средств разработки DirectX под Microsoft Windows бесплатно доступен на сайте Microsoft. Чаще всего обновленные версии DirectX поставляются вместе с игровыми приложениями, так как DirectX API обновляется достаточно часто, и версия, включенная в ОС Windows, конечно является далеко не самой новой.

В настоящее время наиболее новой является версия DirectX 12, рассчитанная под операционную систему Windows 10.

OpenGL (Open Graphics Library — открытая графическая библиотека, графическое API) — спецификация, определяющая независимый от языка программирования кросс-платформенный программный интерфейс для написания приложений, использующих двумерную и трехмерную компьютерную графику. Наиболее современная версия — OpenGL 4.3.

Поддержка кодеков. С выходом каждого нового поколения видеокарт в ядра добавляется аппаратная поддержка новых видеокодека. Она позволяет снять нагрузку с процессора при обработке видео.

Коннектор

Слот, с помощью которого подключается монитор (или несколько – на каждый порт отдельный). Сегодня можно купить графический ускоритель с одним из следующих коннекторов:

Существуют также адаптеры, которые позволяют подключить монитор к видеокарте, на которой нет подходящего слота.

Какие бывают видеокарты

Видеокарты разделяют на два вида:

1. Встроенная.
2. Дискретная.

По названию «встроенная» сразу ясно, что речь идёт о видеочипе, уже встроенном в материнскую плату. Это базовая видеокарта, которая для работы использует ресурсы всей системы. То есть, видео обрабатывается центральным процессором, а временные файлы хранятся в оперативной памяти компьютера. Встроенной видеокарты хватает для работы, учёбы, просмотра фильмов и сериалов на компьютере.

Дискретная видеокарта — это та самая отдельная плата со своими компонентами системы, которая устанавливается в отдельный слот на материнской плате. Дискретный видеоадаптер позволяет разгрузить основные компоненты компьютера, ведь всю графическую информацию он обрабатывает самостоятельно. Он не потребляет лишних ресурсов, работает практически полностью автономно. Профессионалам в области видео и графики, а также геймерам бывает очень сложно обойтись без дискретной видеокарты: картинка может тормозить, компьютер перегреваться, а работа в разных приложениях затрудняться из-за перегрузки процессора.

Принцип действия видеокарты

состоит в следующем.

1. Процессор формирует цифровое изображение в виде матрицы NхM n-разрядных чисел и записывает его в видеопамять. Участок видеопамяти, отведённый для хранения цифрового образа текущего изображения (кадра), называется кадровым буфером или фрейм-буфером.
2. Видеокарта последовательно считывает (сканирует) содержимое ячеек кадрового буфера и формирует на выходе видеосигнал, уровень которого в каждый момент времени пропорционален значению, хранящемуся в отдельной ячейке. Сканирование видеопамяти осуществляется синхронно с перемещением электронного луча по экрану монитора. В результате яркость каждого пикселя на экране монитора пропорциональна содержимому соответствующей ячейки памяти видеокарты.
3. По окончанию просмотра ячеек, соответствующих одной строке растра, видеокарта формирует импульсы строчной синхронизации, инициирующие обратный ход луча по горизонтали, а по окончании сканирования кадрового буфера формирует сигналы, вызывающие движение луча снизу вверх.

Таким образом, частоты строчной и кадровой развёртки монитора определяются скорость сканирования содержимого видеопамяти, т.е. видеокарта.

Основные производители графических чипов

Сейчас существует только две крупные компании-производители графических процессоров — NVIDIA и AMD (торговые марки GeForce и Radeon соответственно). Однако сами они не продают потребителям видеокарты, так как работают с другими компаниями, выпускающими готовые продукты на базе видеопроцессоров этих производителей. Видеокарты от разных производителей, изготовленные на одинаковом чипе производства AMD или NVIDIA, часто отличаются только упаковкой, наклейками и комплектацией, поскольку основаны на оригинальном дизайне.

Иногда конечный производитель видеокарт разрабатывает собственный дизайн изделия, повышает частоты, изменяет систему охлаждения и так далее. Таким образом он пытается выделить свой продукт среди других подобных, основанных на одинаковом процессоре.