Видеокарта — устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера, в видеосигнал для монитора.
Обычно видеокарта является платой расширения и вставляется в разъём расширения, универсальный (PCI-Express, PCI, ISA, VLB, EISA, MCA) или специализированный (AGP), но бывает и встроенной (интегрированной) в системную плату (как в виде отдельного чипа, так и в качестве составляющей части северного моста чипсета или ЦПУ).
Современные видеокарты не ограничиваются простым выводом изображения, они имеют встроенный графический микропроцессор, который может производить дополнительную обработку, разгружая от этих задач центральный процессор компьютера. Например, все современные видеокарты Nvidia и AMD (ATi) поддерживают приложения OpenGL на аппаратном уровне. В последнее время также имеет место тенденция использовать вычислительные способности графического процессора для решения неграфических задач
Современная видеокарта состоит из следующих частей: графический процессор, видеоконтроллер, видеопамять, цифро-аналоговый преобразователь, видео-ПЗУ, система охлаждения.
Графический процессор видеокарт
Графический процессор — отдельное устройство персонального компьютера или игровой приставки, выполняющее графический рендеринг. Современные графические процессоры очень эффективно обрабатывают и отображают компьютерную графику, благодаря специализированной конвейерной архитектуре они намного эффективнее в обработке графической информации, чем типичный центральный процессор.
Графический процессор в современных видеоадаптерах применяется в качестве ускорителя трёхмерной графики, однако его можно использовать в некоторых случаях и для вычислений (GPGPU).
Отличительными особенностями по сравнению с ЦП компьютера являются:
1. архитектура, максимально нацеленная на увеличение скорости расчёта текстур и сложных графических объектов;
2. ограниченный набор команд.
Примером может служить чип R520 от ATI или G70 от nVidia.
Видеоконтроллер видеокарт
Видеоконтроллер — специализированная микросхема, являющаяся главным компонентом схемы формирования видеоизображения в компьютерах и игровых консолях. Некоторые видеоконтроллеры также имеют дополнительные возможности, например, генератор звука.
До появления микросхем видеоконтроллеров схемы формирования изображения полностью строились на дискретной логике. К середине 1970-х годов ЭЛТ-дисплеи стали популярным устройством вывода информации для микрокомпьютеров, а развитие технологии производства микросхем позволило реализовать основную часть схемы формирования изображения в виде отдельной микросхемы. Это упрощало разработку подобных схем, уменьшало габариты печатных плат и потребление энергии, снизить стоимость конечных устройств. Дальнейшее развитие видеоконтроллеров привело к появлению более сложных и многофункциональных устройств — видеопроцессоров.
Главным компонентом схемы формирования изображения всегда является видеоконтроллер, но также могут использоваться дополнительные микросхемы — ОЗУ для хранения изображения, ПЗУ для хранения графики символов, и дополнительная дискретная логика (например, сдвиговые регистры) для построения законченной схемы. В любом случае, видеоконтроллер отвечает за генерацию необходимых синхросигналов, таких как сигналы вертикальной и горизонтальной синхронизации, сигнал обратного хода луча.
Видеопамять видеокарт
Видеопамять — часть оперативной памяти, отведённая для хранения данных, которые используются для формирования изображения на экране монитора.
При этом в видеопамяти может содержаться как непосредственно растровый образ изображения (экранный кадр), так и отдельные фрагменты как в растровой (текстуры), так и в векторной (многоугольники, в частности треугольники) формах.
Существует выделенная оперативная память для видеокарт, также называемая «Видеопамятью».
Как правило, чипы оперативной памяти припаяны прямо к текстолиту (плате) видеокарты, в отличие от съёмных модулей системной памяти, которые вставляются в стандартизированные разъёмы материнских плат. Одна половина чипов, обычно, припаяна под радиатором системы охлаждения видеокарты, а вторая — с обратной стороны. Чипы памяти представляют собой небольшие прямоугольные пластинки чёрного цвета.
Такая память используется только под нужды различных графических приложений и игр. Технологии производства ОЗУ видеокарт развиваются более стремительно, чем ОЗУ для персональных компьютеров, в связи с тем, что игровая индустрия никогда не стоит на месте.
По современным меркам, для самых требовательных игр уже давно не достаточно 128 bit шины-видеокарты, и по этому более-менее приемлемым показателем, является 256-bit. Но понятное дело, что чем больше ширина шины, тем лучше. Так же, имеет значение пропорциональность количества памяти её типу. 512 MB 128 bit DDR2 будет работать медленнее и гораздо менее эффективно, чем 256 MB 128 bit GDDR3 и т.п. По понятным причинам, 256 MB 256 Bit GDDR3 лучше, чем 256 Mb 128 Bit GDDR3 и т.п.
Сейчас (период 2010 года), чтобы играть комфортно в наиболее современные игры, необходимо 768 MB 320 bit GDDR4 (и более) и 3 ГБ (и более)RAM DDR3.
Память DDR SDRAM видеокарт
Этот тип памяти позволяет работать на удвоенной частоте по сравнению с обычной памятью SDRAM. Разработан для современных системных плат с частотой шины 133 МГц. В настоящее время DDR SDRAM используется во всех видеокартах среднего и высшего уровней.
Скорость видеопамяти видеокарт
Видеокарты с одним и тем же графическим процессором (GPU) могут взаимодействовать с видеопамятью, обладающей различными скоростными характеристиками.
Разрядность шины видеосистемы
Рассматривая память в системе отображения, следует также остановиться на формате обращения к памяти со стороны схем обработки изображения. В современной видеокарте все схемы, необходимые для формирования и обработки изображения, реализованы в специализированной микросхеме — графическом процессоре, установленном на этой же плате. Графический процессор и память обмениваются данными по локальной шине. Большинство современных адаптеров имеют 64-,128- или 256-разрядную шину. Кое-кого это может привести в замешательство: ведь с шиной сразу ассоциируются разъемы и т. п.
Но здесь речь идет о локальной шине, к которой имеют доступ только микросхемы графического процессора и памяти адаптера. Другими словами, если в описании видеоадаптера указано, что он 64-разрядный, не пугайтесь — в действительности это плата с 32-разрядным интерфейсом PCI-E16x или AGP, но внутри нее обмен между памятью и графическим процессором выполняется по 64-разрядной локальной шине.
Цифроаналоговый преобразователь видеокарт
Цифроаналоговый преобразователь видеокарты (обычно называемый RAMDAC) преобразует генерируемые компьютером цифровые изображения в аналоговые сигналы, которые может отображать монитор. Быстродействие цифроаналогового преобразователя измеряется в МГц, чем быстрее процесс преобразования, тем выше вертикальная частота регенерации.
В современных высокоэффективных видеокартах быстродействие может достигать 350 МГц и выше. В большинстве современных видеоадаптеров функции преобразователя поддерживаются непосредственно графическим процессором, однако у некоторых адаптеров с поддержкой нескольких мониторов есть отдельная микросхема RAMDAC, которая позволяет второму монитору работать с разрешением, отличным от установленного разрешения основного монитора.
При увеличении быстродействия цифроаналогового преобразователя происходит повышение частоты вертикальной регенерации, что позволяет достичь более высокого разрешения экрана при оптимальных частотах обновления (72-85 Гц и более).
Шина видеокарт
В настоящее время существует четыре разновидности шины AGP – 1х, 2х, 3х, 4x, и 8х. Оригинальная версия AGP 1х работает на частоте 66 МГц и обеспечивает максимальную скорость передачи данных 266 Мбайт/с. Версия AGP 2х работает на частоте 133 МГц и обеспечивает скорость передачи данных 533 Мбайт/с. AGP 4х обеспечивает скорость передачи данных до 1 Гбайта/с. Шина AGP 4х может использоваться также с AGP 2х -совместимыми системными платами.
Компания Intel 2001 году выпустила спецификацию 1.0 режима AGP 8х, скорость передачи данных которого достигает 2 Гбайт/с. Режим 8х совместим со слотами AGP 4х, присутствующим в системных платах. Хотя AGP 3.0 (AGP 8x) является самой быстрой версией шины AGP, для работы с не очень новой системой лучше воспользоваться видеокартой AGP 4x (1.5 В), которая будет работать с интерфейсом AGP 4х и 8х.
В настоящее время, наиболее распространенным является новый стандарт шины PCI-E (PCI Express) для персональных компьютеров, который сейчас приходит на замену AGP. Новая технология PCI-E обеспечивает достаточно широкую полосу пропускания шин ввода-вывода для удовлетворения растущих требований к скорости передачи данных по этим шинам. Ширину пропускания канала PCI Express можно масштабировать за счет добавления каналов с данными, при этом получаются соответствующие модификации шины (PCI-E x1, x4, x8, x16).
Производительность устройства PCI-E характеризуется числом используемых сигнальных линий (lanes). Одна линия имеет пропускную способность 250 Мбайт/с (за вычетом накладных расходов) в каждом направлении передачи сигналов. Так, интерфейс PCI-E 16x (16 линий) имеет пропускную способность 4 Гбайт/с.
Наличие двух одинаковых слотов PCI-E позволит использовать сразу два видеоадаптера в параллельном режиме SLI/CrossFire (см. далее).
Видеодрайвер видеокарт
Программный драйвер — важный элемент видеосистемы, с помощью которого осуществляется связь программного обеспечения с видеокартой. Ваша видеокарта может быть оснащена самым быстрым процессором и наиболее эффективной памятью, но плохой драйвер способен свести на нет все эти преимущества.
Видеодрайверы используются для поддержки процессора видеоадаптера. Несмотря на то, что видеокарты поставляются изготовителем вместе с драйверами, иногда используются драйверы, поставляемые вместе с набором микросхем системной логики.
Большинство производителей видеоадаптеров и наборов микросхем системной логики имеют свои Web-серверы, где можно найти информацию о самых последних версиях драйверов. Хотя может пригодиться драйвер, поставляемый вместе с набором микросхем системной логики, лучше использовать драйверы, поставляемые производителем адаптера.
Видео-ПЗУ видеокарт
Видео-ПЗУ — постоянное запоминающее устройство, в которое записаны видео-BIOS, экранные шрифты, служебные таблицы и т. п. ПЗУ не используется видеоконтроллером напрямую — к нему обращается только центральный процессор. Хранящийся в ПЗУ видео-BIOS обеспечивает инициализацию и работу видеокарты до загрузки основной операционной системы, а также содержит системные данные, которые могут читаться и интерпретироваться видеодрайвером в процессе работы (в зависимости от применяемого метода разделения ответственности между драйвером и BIOS). На многих современных картах устанавливаются электрически перепрограммируемые ПЗУ, допускающие перезапись видео-BIOS самим пользователем при помощи специальной программы.
Система охлаждения видеокарт
Система охлаждения — предназначена для сохранения температурного режима видеопроцессора и видеопамяти в допустимых пределах.
Графические API видеокарт
API (Application Programming Interface) предоставляют разработчикам аппаратного и программного обеспечения средства создания драйверов и программ, работающих быстрее на большом количестве платформ. Программные драйверы разрабатываются для взаимодействия непосредственно с API, а не с операционной системой и программным обеспечением.
В настоящее время существует два графических API — OpenGL (компания SGI) и Direct 3D (Microsoft).
DirectX — это набор API, разработанных для решения задач, связанных с программированием под Microsoft Windows. Наиболее широко используется при написании компьютерных игр. Пакет средств разработки DirectX под Microsoft Windows бесплатно доступен на сайте Microsoft. Зачастую обновленные версии DirectX поставляются вместе с игровыми приложениями, так как DirectX API обновляется достаточно часто, и версия, включённая в ОС Windows, обычно является далеко не самой новой.
OpenGL (Open Graphics Library — открытая графическая библиотека) — спецификация, определяющая независимый от языка программирования кросс-платформенный программный интерфейс для написания приложений, использующих двумерную и трёхмерную компьютерную графику.
Включает более 250-ти функций для рисования сложных трёхмерных сцен из простых примитивов. Используется при создании компьютерных игр, САПР, виртуальной реальности, визуализации в научных исследованиях. На платформе Windows конкурирует с Direct3D.
Хотя производители видеоадаптеров поддерживают стандарт OpenGL, компания Microsoft предоставляет поддержку Direct3D для более комплексного API, называемого DirectX.
DirectX 9 и выше являются последними версиями программного интерфейса, расширившего поддержку трехмерной графики и обеспечившего улучшенные игровые возможности.
Основные принципы работы ATI CrossFire
На ведущей видеокарте (master) находится специальный чип, позволяющий совмещать усилия ускорителей. Он попиксельно обрабатывает изображения, сгенерированные каждой карточкой, и объединяет их в единую картинку на мониторе. Вся полученная информация с ведомой видеокарты на ведущую передается по соединению через разъемы DMS-59 и DVI. Длина кабеля между двумя карточками в таком случае довольно мала, что позволяет избежать потерь при передаче данных.
Режимы работы видеокарт ATI CrossFire
На данный момент CrossFire поддерживает три режима рендеринга: SuperTiling, AFR, Scissor. В отличие от SLI-систем свободный выбор режимов недоступен и нужный режим выбирается драйвером автоматически.
Режимы работы видеокарт ATI: Scissor
Наиболее распространенный метод обработки изображений ATI CrossFire. Смысл в следующем, кадр делится пополам, каждой видеокарте достается по половине кадра, который она и обрабатывает. Теоретически кадр делится между видеокартами пропорционально мощности чипов карт. В том случае, если мощности видеокарт одинакова кадр делиться поровну, а когда видеокарты не равны соотношение может быть разным, более мощный чип забирает больше кадром, менее мощному чипу достается меньшее количество кадров.
В зависимости от игровых сцен нижняя часть кадра может меняться реже верхних или наоборот. В этом случае в ATI CrossFire предусмотрено увеличение обрабатываемой зоны кадра для не активной в данный момент видеокарты. Но такие «мероприятия» существенно увеличивают нагрузку на чипы видеокарт.
Режимы работы видеокарт ATI: SuperTiling
Стандартный режим работы ATI CrossFire. Этот режим делит изображение на множество «зерен». Часть из которых идет на обработку одной видеокарты, вторая – другой видеокарте. Режим позволяет равномерно распределить нагрузку между видеокартами в приложениях, где требуется высокая четкость изображения. Однако видеокарты должны просчитывать всю геометрию сцены. Известно, что данный режим не поддерживают компьютерные игры построенные на основе API OpenGL.
Режимы работы видеокарт ATI: Alternate Frame Rendering (AFR)
Считается одним из самых быстрых режимов работы видеокарт ATI CrossFire. Смысл работы в следующем, одна из видеокарт производит расчеты четных кадров, вторая – нечетных соответственно. В итоге общая нагрузка на видеокарты равномерно распределяется по двум графическим процессорам видеокарт. Данная технология (AFR) была задействована еще на ранних двухчиповых видеокартах ATI CrossFire. Недостатком будет лишь то, что AFR будет работать только в играх использующих функции «render-to-texture».
Кроме этого стоит учитывать, что производительность ATI CrossFire в режиме AFR зависит от особенностей обрабатываемой в данным момент сцены. Также стоит не путать обрабатываемый кадр с кадром отображаемым, – это абсолютно разные кадры.
Так что AFR будет эффективен для отображения качественной картинки в приложениях, не требующих плавной смены кадров для комфортной работы с ними. Этот режим будет больше заметен в стратегиях, чем, например в шутерах.
Режимы работы видеокарт ATI: Super AA
Режим Super AA, позволяет добиться существенного повышения качества изображения в ущерб дополнительным FPS. Основа работы SuperAA заключается в следующем, видеокарты генерируют одну сцену с разными шаблонами FSAA. Затем чип видеокарты CrossFire объединяет их, заключая в единое целое. Что позволяет добиться лучшего сглаживания «зернистости», т.е. уменьшения размера точек – пикселей, известной под именем aliasing.
По количеству режимов работы ATI CrossFire превзошла видеокарты NVIDA, однако это не гарантирует, что качество их реализации остается на должном уровне. Режимом AFR в достаточной степени обладают технологии обеих компаний, а Scissor — просто несколько переработанный режим работы видокарты Split Frame Rendering от NVIDIA. Режим SuperAA повышает качество в ущерб производительности, а практичность SuperTiling вызывает сомнения. Кто победит в борьбе за дополнительные FPS остается вопросом из разряда, «без ответов».
Выше я отмечал, что существует две версии чипсетов: AMD и Intel. Компьютеры построены е на базе процессора AMD «не требуют» установки, какой режим использовать – с одной видекартой или с двумя, режим работы устанавливается автоматически, что в «корне» отличается от NVIDIA nForce4 SLI. Вообще технология 130-нанометрового изготовления была изначально приспособлена для разгона видеокарт в домашних условиях без использования дорогих систем для ее охлаждения.
У видеокарт ATI CrossFire можно выделить следующие преимущества:
ATI CrossFire автоматически адаптируется под любую игру, но только при одном условии – игры должны быть построены на основе API DirectX и API OpenGL;
связка CrossFire может быть построена на любой карте ATI, независимо от BIOS, чипа и производителя карты;
кроме того, выпускавшиеся ранее модели ATI CrossFire отлично работают с современными моделями видеокарт;
ATI CrossFire поддерживает большее количество режимов работы, чем связка от NVIDIA SLI, но ATI делает упор больше на качество графики, чем на ее высокую производительность в игре;
Недостатки CrossFire:
Основным недостатком ATI является тандем «ведущей и ведомой» видеокарты, причем стоит отметить, что цена «ведущей» (master) карточки ATI CrossFire значительно выше, чем у ведомой. У NVIDIA стоимость видеокарт одинакова.
В итоге можно сделать вывод, что обе компании будут конкурировать еще долго. Как долго можно только гадать, но уже сейчас становится ясно, что увеличение производительности видеокарт будет идти не в ущерб цены последней.