Vse o grafičnih karticah

Čisto vsak računalnik potrebuje grafično kartico. Dandanes za grafično oblikovanje, igranje iger ali drugo resno delo na računalniku potrebujemo samostojno grafično kartico. Za pisarniško delo, brskanje po spletu in predvajanje filmov zadostuje že integrirana grafična kartica, ki je del večine procesorjev. Kaj pa sploh je grafična kartica in kaj je njena naloga? Kot lahko sklepamo že iz imena, je ta del računalniške strukture zadolžen za prikazovanje slike na računalniškem zaslonu. Monitorji prikazujejo sliko, sestavljeno iz drobnih pikic oziroma pikslov. Današnji ekrani vsebujejo že več milijonov pikslov (resolucija 1920×1080 recimo vsebuje 2.073.600 pikslov). Vsak piksel je lahko aktiven ali ne, podprte barve pa se razlikujejo glede na tip monitorja. Naloga grafične kartice je (med drugim) vedeti, kako obarvati vsakega izmed njih, da na zaslonu vidimo želeno sliko. Ker pa to ni dovolj zahtevno, mora grafična kartica vsak piksel (na običajnem 60Hz monitorju) osvežiti približno 60 krat na sekundo.

Razgibana zgodovina

Razvoj grafičnih kartic sega v 70. desetletje prejšnjega stoletje. Prvič so se pojavile v arkadnih napravah. Arkadni sistem Namco Galaxian je leta 1979 uporabljal specializirano grafično kartico, ki je podpirala RGB spekter barv. V tem obdobju je po naših domovih slovel eden prvih računalnikov Atari 2600 (1977), ki je uporabljal video transformator, imenovan “Television Interface Adapter”. Leta 1981 je IBM izdelal “Monochrome Display Adapter”, ki naj bi veljal za prvo pravo grafično kartico na svetu. Ni bila sposobna prikazovanja prave grafike, ampak je prikazovala 80 stolpcev in 25 vrstic raznih črk in znakov v zeleni barvi na črnem ozadju. 

Leta 1983 je Intel izdal svojo grafično kartico, imenovano “iSBX 275 Video Graphic Multimode Board”, za katero je bilo potrebno odšteti vrtoglavih 1000$. Prikazovala je 8 različnih barv v resoluciji 256×256 (v črno-beli je podpirala 512×512) in vsebovala 32KB video pomnilnika. Lahko je risala črte, kroge, loke, kvadrate in druge oblike.

Monochrome Display Adapter

V letu 1988 nas je ATI presenetil z izidom “VGA Wonder Card”. Bila je ena prvih kartic z digitalnim in analognim video priključkom. Grafično jedro je delovalo pri hitrosti 10MHz, video pomnilnik pa je bil velikosti 256KB z možnostjo nadgradnje na 512KB.

Leta 1996 je 3dfx predstavil grafično kartico Voodoo1. Gre za prvo grafično kartico, dostopno domačim uporabnikom, katera je sposobna prikazovati 3D grafiko. Jedro je bilo izdelano na 500nm tehnologiji in se vrtelo pri 50MHz, video pomnilnik pa je bil, za takratne razmere, vrtoglavih 2MB. Večina se jo najbrž spominja po poganjanju iger, kot sta DOOM in Quake.

 Istega leta je prvič prišla na trg tudi Nvidia NV1, ki pa ni bila preveč uspešna. Zato je leto kasneje Nvidia predstavila grafično kartico Riva 128 GPU, ki pa še vedno ni bila takšen uspeh kot Voodoo1, vendar je popeljala Nvidio na pravo pot. Leta 1998 je 3dfx predstavil naslednika Voodoo 2. Velika novost je bila SLI podpora, torej podpora za dve grafični kartici v skupnem delovanju. To tehnologijo si je Nvidia prisvojila leta 2004.
Z začetkom novega stoletja se je na trgu grafičnih kartic začel boj med dvema velikanoma, Nvidia in ATI/AMD. Leta 2002 je ATI predstavil grafično kartico Radeon 9700 Pro, ki je takrat veljala za najhitrejšo kartico. Leta 2004 je Nvidia izdala GeForce 6800, prvo kartico s SLI podporo. Dve leti kasneje je Nvidia predstavila kartico GeForce 8800 GTX, ki velja za prvo kartico s podporo CUDA jeder. Do danes sta Nvidia in AMD še vedno zdaleč največja proizvajalca grafičnih kartic, te pa dosegajo vedno večjo zmogljivost.

Integrirana ali samostojna?

Šli smo skozi celotno zgodnjo zgodovino grafičnih kartic. Sedaj pa si poglejmo, kakšne so razlike med integrirano in samostojno grafično kartico.

Osnovni uporabniki ne potrebujejo zmogljivih in cenovno dražjih ločenih grafičnih kartic, ki pogosto s sabo potegnejo tudi potrebo po močnejšem napajalniku. Zato proizvajalca Intel in AMD v svoje procesorje ali matične plošče vgrajujeta integrirana grafična jedra, katera zadostujejo za osnovno rabo, kot je gledanje filmov, opravljanje pisarniških opravil in brskanje po spletu.

Grafična jedra, vgrajena v matično ploščo, se imenujejo “on-board video”, vgrajena v procesor pa APU (accelerated processing unit). V BIOSu lahko integrirano grafično kartico onemogočimo in tako uporabljamo samostojno grafično kartico, seveda pa se to tudi samostojno zgodi ob vstavitvi ločene grafične kartice.

Prednost integriranih grafičnih kartic je predvsem nižja cena in nižja poraba, slabost pa predvsem to, da delijo pomnilnik s procesorjem oziroma samostojnim RAM pomnilnikom. Medtem ima samostojna grafična kartica svoj pomnilnik (RAM), hlajenje in napajanje, celotna kartica pa je še dodatno specializirana za procesiranje slike. Dandanašnje serije (sploh AMD) procesorjev vsebujejo dosti močnejše integrirane grafične kartice kot je to veljalo nekdaj. Že same po sebi so zmožne poganjati nekoliko enostavnejše igre, zato potreba po nizkocenovnih ločenih grafičnih karticah postaja preteklost.

Velikost, poraba, hlajenje in SLI/CrossFire

Medtem, ko pri integriranih karticah ne rabimo paziti na velikost in porabo, je to pri samostojnih še kako pomembno. Kartice namreč lahko najdemo v vseh možnih velikostih in oblikah. Zasedejo lahko 1, 2 ali celo 3 razširitvene reže, v dolžino pa merijo od dolžine PCIe reže pa vse do 30cm in več. Specializirani nizkoprofilni oziroma “low profile” hladilniki so posebej ustvarjeni za manjša ohišja, v katera grafičnih kartic drugače ni možno vstaviti. Treba je biti pozoren tudi na širino, saj se lahko zgodi, da ob preveliki grafični kartici ne bo možno zapreti ohišja.

Za pogon najzahtevnejših iger potrebujemo zmogljivo grafično kartico, kar pa privede do večje porabe (ta se sicer zmanjšuje iz generacije v generacijo). Porabijo lahko od vrtoglavih 500W (AMD R9 295X2), pa do manj kot 75W oziroma z novimi serijami še manj kot to. S tem se razlikujejo tudi napajalni priključki na sami kartici. Če ima manj kot 75W se lahko popolnoma napaja kar iz PCIe reže, če pa je poraba višja, pa potrebuje samostojno napajanje iz napajalnika. Večja, kot je poraba, višje so običajno tudi temperature, katere lahko grafična kartica odvaja preko štirih različnih tipov hladilnikov ali pasivnega hlajenja.

Najosnovnejši so torej pasivni hladilniki, ki vsebujejo zgolj “radiator”, ki preko okoliškega zraka odvaja temperaturo in je zato ustrezen zgolj za zelo nizko-zmogljive grafične kartice. Sledijo jim tisti z zračnim hlajenjem, ki lahko vsebuje enega ali več ventilatorjev. Zračno hlajenje se deli še na referenčen in odprte hladilnike. Referenčni vsebujejo samo en ventilator, skozi katerega vlečejo zrak in ga potiskajo skozi grafično kartico in ga na zadnji strani pri reži odvedejo iz ohišja, kar jih naredi idealne sploh za utesnjena ohišja in več grafičnih kartic. Odprti zračni hladilniki zrak odvajajo skozi hladilna rebra direktno v ohišje. Entuziasti radi posežejo tudi po vodnem ali hibridnem vodnem hlajenju, ki temperaturo odvajata preko tekočine in sta tako bolj konstantna, a to prav tako lahko vodi do pregrevanja, če tekočine ustrezno ne hladimo (navadno preko enega ali več ventilatorjev).

Za tiste, ki želijo še več grafične zmogljivosti obstaja tehnologija SLI iz strani Nvidie in CrossFire iz strani AMD-ja. Preko njiju katero lahko povežemo dva ali več grafičnih kartic skupaj za povečanje grafične moči. Tukaj moramo poudariti, da se moč kartic ne sešteva in da morajo biti kartice istih jeder in izvedbe, prav tako mora matična plošča podpirati SLI ali Crossfire tehnologijo. Nvidia grafične kartice potrebujejo mostiček, medtem ko tega nove AMD kartice ne potrebujejo. Oba proizvajalca sta z novimi modeli v veliki meri ukinila podporo za ti tehnologiji in sklepamo, da bo to veljalo tudi za prihodnje grafične kartice.

Deli grafične kartice

Grafične kartice so tiskano vezje na katerem so montirane različne komponente. Nekatere so zelo podobne samem računalniku. Takšne so grafična procesna enota, pomnilnik, BIOS, itd. Druge manjše in manj pomembne komponente ne bom opisoval, saj se nočem spuščati v podrobnosti.

Grafični čip (GPU)

Temu delu grafične kartice lahko rečemo tudi procesor. Služi za preračunavanje grafičnih informacij in s tem razbremeni procesor računalnika (CPU). V primerjavi z navadnim procesorjem ima mnogo več jeder, vendar so precej šibkejša in tečejo na nižji frekvenci.

Video pomnilnik (VRM)

Pomnilnik na modernih grafičnih karticah znaša v povprečju od 4GB pa vse do 12GB, za strokovne namene pa ga najdemo tudi do 64GB. V video pomnilniku se nahaja slika, ki se prikaže na zaslonu, in razne teksture. Omogoča precej višjo hitrost kot navaden pomnilnik.

Hladilnik

Na vseh grafičnih karticah, ki se jih danes lahko kupi, se nahaja hladilnik. Lahko imajo en, dva, tri ali pa nobenega ventilatorja. Služi odvajanju toplote iz grafičnega jedra, pomnilnika, napajalnega sistema, itd. Namesto zračnega hladilnika lahko uporabimo vodni blok, ki pa je bistveno dražja izbira.

Video BIOS

To ni fizični del grafične kartice, vendar je zelo pomemben. Je minimalen program oz. spisana koda, ki kontrolira grafično kartico. Vsebuje podatke, kot so hitrost jedra, voltaža grafičnega procesorja in drugi detajli, ki se jih da spreminjati (navitje grafične kartice).

RAMDAC

Včasih je bil to poseben čip za pretvarjanje digitalnih signalov v analogne. Danes je integriran v procesor grafične kartice.

Vodilo grafične kartice

Danes poznamo eno vrsto vodila, ki jo imenujemo PCI Express (PCIe). Seveda se z leti nadgrajuje, zato imamo več verzij – od 1.0a do 3.0. V preteklosti smo uporabljali vodila, kot so AGP, PCI-X, ISA in druga.

Izhodi

Poznamo ogromno različnih vrst video izhodov. Danes sta med najbolj uporabljenimi HDMI in DisplayPort, prav tako pa ne smemo pozabiti na VGA, saj je še vedno močno prisoten v naših domovih, v porasti pa sta tudi Thunderbolt in USB-C. DPI je izhod, ki je dandanes že zastarel in se ne uporablja več.

Delovanje grafične kartice

Najpomembnejša lastnost grafične kartice so jedra. Ima jih namreč več kot 1000. Teh jeder pa ne smemo zamenjati s procesorskimi jedri, saj je arhitektura povsem različna. Jedra v grafičnem procesorju preračunavajo geometrijske probleme in teh je med igranjem iger ali ob grafičnemu delu ogromno. Ker so takšni problemi enostavni za preračunavanje je efektivneje in hitreje, če jih preračunava 1000 počasnih jeder kot pa 4 ali 8 hitrih jeder. Mogoče vam bomo lahko razložili na tak način. Učenci v šoli so jedra grafičnega procesorja, učitelj pa je jedro procesorja. Če si učenci razdelijo nalogo na več manjših in enostavnih koščkov jo bodo rešili pred učiteljem. Če pa je naloga zahtevnejša in je ni mogoče razdeliti na majhne koščke, jo bo učitelj zaradi več znanja rešil hitreje.

Torej, procesor pošlje grafični kartici informacije o sliki. Grafični procesor preračuna, kako uporabiti piksle, da nastane slika na zaslonu. Izdelava slike iz binarnih informacij je zapleten postopek. Ko jedra vse preračunajo, morajo rezultate in izdelano “sliko” nekam shraniti, preden se pokaže na našem zaslonu. Tukaj pride na vrsto video pomnilnik. VRAM shrani podatke o vsakem pikslu, njegovi barvi in lokaciji na zaslonu. Del tega pomnilnika imenovan “frame buffer” shranjuje dokončano sliko, dokler ne napoči čas, da jo naše oči zagledajo.

Video pomnilnik je povezan z digitalno-analognim prevajalnikom (RAMDAC) in pretvori sliko v analogni signal, katerega lahko monitor uporabi. Kar se tiče digitalnih izhodov (DVI, HDMI, DisplayPort) pretvorbe ne potrebujejo, saj pošiljajo digitalne signale. V tem primeru se pretvorba ne zgodi, dokler se piksli ne pojavijo na zaslonu.

Povzetek

Mislim, da se zdaj vsi strinjamo o zapletenosti izdelave in samega delovanje te čudovite naprave. Napredek je v zadnjih 50 letih na tem področju močno napredoval in upam, da nas bodo v prihodnje inženirji strojne opreme še mnogokrat presenetili. Morda pa bodo postale grafične kartice tako varčne, da bomo imeli majčken računalnik v žepu… Aja, se že dogaja v mobilni industriji.

VAŠ RECOSI

Oglejte si naš nabor akcijskih izdelkov: LINK