Введение
Многие, сидя за компьютером и играя в любимую игру или просматривая видео, наверняка, задумывались, как этой железной коробке удаётся преподносить нам такую порой великолепную картинку, изображение. И, возможно, такие вопросы тревожат и наших читателей. Не так давно одним моим другом мне был задан простой вопрос: «Как это монитор может выводить изображение?» Конечно, вопрос им был поставлен не верно, но суть его мыслей я уловил сразу и стал объяснять. Во-первых, изображение формирует не монитор, а видеоадаптер, который в дальнейшем подаёт сигнал на дисплей. Во-вторых, если быть более точным, то видеоадаптер это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Видеоадаптер определяет разрешающую способность дисплея и количество цветов. По выражению лица товарища было ясно, что ему ничего не ясно, и я принялся объяснять более подробно, что, в конечном счете, вылилось в целый рассказ. В сегодняшней статье будут описаны устройство и работа видеокарты, а также будет раскрыто основное предназначение видеоадаптера.
Знакомство с устройством и работой видеоадаптера
Не будем вдаваться в историю появления видеокарт, т.к. это уже прошлое, да и подобного материала в сети Internet достаточно много, так что поиск не составит большого труда. На момент написания статьи современный видеоадаптер приблизительно выглядит так:
На фото изображена видеокарта Radeon HD 2600 XT. И как все 3D-акселераторы, это многослойная печатная плата, на которой находится множество микросхем, разного рода конденсаторы, резисторы и другие микроэлементы, а также разъемы для подключения монитора и телевизора. Цвет текстолита может быть разным как и его конструкция.
Для более подробного визуального рассмотрения, удалим систему охлаждения нашей карты.
Любой 3D-акселератор состоит из трёх основных компонентов: графический процессор или в сокращении GPU (Graphic Processing Unit), видеопамять, а также различные разъёмы подключения. Сначала подробнее рассмотрим GPU. В прошлом, формированием изображения занимались центральный процессор компьютера и программное обеспечение, а видеокарты играли роль лишь точки хранения кадров картинки. Но со временем требования к качеству изображения возрастали, что, в конечном счете, стало толчком создания специального графического процессора, который способен в одиночку формировать картинку без особой помощи центрального процессора.
На фото изображен современный графический процессор. По центру мы наблюдаем кремниевый кристалл, который был получен из кремневого слитка и прошедший множество обработок, а также фотолитографию. Обычно на кристалл наносится маркировка, которая может информировать о том, когда именно был выпущен GPU, а также о «семействе» которому принадлежит ядро. Также стоит упомянуть о так называемом техпроцессе (размер одного элемента (транзистора) чипа и точность процесса производства). От того, по какому техпроцессу произведено ядро зависит множество факторов. Во-первых, чем меньше расстояние между элементами в упаковке (в кристалле) и соответственно чем меньше сами элементы, то скорость передачи данных возрастает, также уменьшается тепловыделение микроэлементов за счёт малой электрозависимости и повышение тактовых частот работы графического ядра видеокарты. Соответственно используя улучшенный техпроцесс элементов в кристалле размещают больше, а размеры готового GPU часто становятся меньше. Во-вторых, опять таки чем меньше техпроцесс, тем меньше затрат на производство такого кристалла. Хотя тут некоторые могут поспорить. Рассматривая только современные достижения в области минимализации техпроцесса, на сегодняшний день существует два наиболее выгодных и прогрессивных. Известная компания по производству графических чипов NVIDIA сегодня новые карты выпускает по 65-нм техпроцессу, а такая же крупная компания соперник – AMD, выпускает свои ядра на 55-нм техпроцессе.
Ещё один фактор которым выделяется графический чип, является его тактовая частота работы. Тактовая частота напрямую влияет на производительность графического процессора. Чем она выше, тем больше работы можно выполнить за секунду. Но стоит выделить некоторый нюанс. Надо также учитывать, что на производительность очень сильно влияет архитектура ядра. У современных карт она исчисляется разного рода функциональными графическими блоками. Обычно, чем больше блоков, тем больше производительность карты. Узнать всё это о своей видеокарте вам помогут специализированные утилиты (Everest, RivaTuner).
Ясно, что, как и всякий полупроводниковый прибор, потребляющий электроэнергию, графическое ядро тоже испускает тепло, которое следует отводить. Над этим давно позаботились производители, и сейчас буквально каждый GPU снабжается системой охлаждения.
Система охлаждения включающая в себя вентилятор и радиатор, всё в целом зовётся кулером. Конструкция кулеров всегда разная и каждый производитель вправе её изменять по своему усмотрению.
Вторым основным компонентом в работе видеоадаптера является его видеопамять. Память видеокарты сильно влияет на производительность. Но и у этого компонента есть свои особенности. Например, многие неопытные пользователи любят выбирать производительный видеоадаптер путём сравнения объёма памяти. Это не всегда верное решение, т.к. при этом надо обращать внимание также на тип памяти, на ширину шины и соответственно на частоту работы. Объём памяти у современных видеокарт колеблется от 256 Mb и вплоть до гигантских объёмов – 1Гб. Ширина шины памяти тоже отличается сильным разбросом – от 64 bit до 512 bit. Сейчас наиболее актуальными типами памяти являются чипы: GDDR2; GDDR3; GDDR4. Внешне они очень похожи.
На фото изображён чип памяти GDDR4. Он также как и GPU изготавливается из полупроводникового материала. На корпус нанесена маркировка, из которой без проблем можно узнать фирму изготовителя данного чипа, а также когда конкретно он был создан. Из второй строчки маркировки можно определить, какую латентность имеет данный чип. Обычно латентность определяют по двум последним цифрам. Как мы видим, у нас 0.9нс, что теоретически соответствует частоте 2200MHz (1000:0,9*2). Таким образом, мы определили частоту работы памяти. Не стоит также забывать от таймингах, которые также играют далеко не последнюю роль в производительности. Обычно, чем меньше значение, тем больше производительность. Определить какие тайминги имеет ваш 3D-акселератор можно путём использования специализированных утилит (для карт AMD – Rabit, для NVIDIA — Nibitor).
Если рассчитать порядок становления изображения, то получится следующее: графический процессор получает информацию об изображении из памяти видеокарты, после чего данные передаются в цифро-аналоговый преобразователь (RAMDAC), который непосредственно отвечает за преобразование цифровых данных об изображении в аналоговый сигнал, распознающийся любым монитором.
На фото изображены выходы для подключения телевизора и монитора с цифровым сигналом работы.
Несколько слов стоит сказать и о интерфейсе видеокарт. Сегодня самым перспективным интерфейсом связующий поток данных процессора и видеокарты является PCI-Express x16, хотя уже «в спину дышит» и PCI-Express 2.0. Не могу не упомянуть и о устаревшем интерфейсе AGP, который возможно в скором времени исчезнет с прилавков, т.к. высокопроизводительные карты с таким интерфейсом уже не выпускают. Основное отличие интерфейсов, это их скорость пропускания данных. К примеру, PCI-Express x16 имеет предел пропускания до 4000 Мбайт/с, а устаревший AGP 8x — 2133 Мбайт/с. Очевидно предполагать, что чем больше скорость пропускания, тем лучше производительность, но сегодня разница производительности не существенная, но имеет место.
Обычно топовые видеокарты снабжаются разъёмом дополнительного питания, т.к. для их нормального функционирования, питания только от одной материнской платы не достаточно.
На фото изображены разъёмы дополнительного питания видеокарты. Хочу отцентрировать внимание на том, что при покупке такой видеокарты стоит убедиться, что у вашего блока питания есть разъём для подобного входа и что у блока достаточно мощности.
Также достаточную популярность приобрело создание тандемов из пары и более видеокарт. У компании NVIDIA технология объединения двух карт называется SLI, трёх – Triple SLI.
Объединение карт происходит при помощи соединительных мостиков.
У AMD — CrossFire, где компания обещает в скором будущем реализовать технологию CrossFire X, что позволит объединять три и более видеокарты.
На сегодняшний день, компания AMD предлагает ПО, при использовании которого, пара видеокарт может работать без соединительных мостов.
Понятно, что при такой конфигурации вам потребуется весьма мощный блок питания с соответствующими разъёмами и, конечно же, соответствующая материнская плата.
Принцип построения видеокартой 3D-изображения
После ознакомления с устройством видеокарты перейдём к вопросу построения трёхмерного изображения.
Сегодняшние видеокарты основаны на унифицированной архитектуре. В основу унифицированной архитектуры легло понятие потоковой обработки данных, благодаря которой появилась возможность отправки информации на повторную обработку без ожидания завершения всех стадий конвейера.
Новый вид шейдеров – геометрический, был добавлен совсем недавно. Главной его задачей является работа с геометрией на уровне простого, а не вершин, что способствует меньшей загрузки центрального процессора. Раньше, у старых видеочипов существовало разделение на пиксельные и вершинные процессоры, но современные видеокарты отказались от этого и название стало одно – потоковые процессоры, что несколько облегчило работу, т.к. в любой момент времени они могут быть перепрограммированы под различные нужды приложения.
Заключение
В сегодняшней статье мы не вдавались в подробности и не рассматривали детали. Целью базового экскурса было, показать из каких основных частей состоит современная видеокарта, а также описать принцип работы всех компонентов в целом. Надеюсь, что теперь некоторым нашим читателям стало более ясно, что из себя представляет современный 3D-акселератор и каким образом выводится изображение на экраны дисплеев.
