Изображение, которое пользователи видят на мониторе – это графические данные, которые прошли трансформацию, и именно ее осуществляет видеокарта. Она преобразует информацию, переданную процессором, в картинку. Также устройство отвечает за декодирование видео и ускорение рендеринга, управляет пикселями, проводит вычислительные задачи, относящиеся к графике. На сегодняшний день существует 3 основных вида оборудования:
Чуть подробнее о них поговорим ниже.
Отдельно стоит рассмотреть мобильные девайсы. Они представляют собой вынесенную отдельно видеопамять и видеочип со своей системой питания. Встретить такое исполнение чаще всего можно в ноутбуках. Возможности устройства несколько скромнее по сравнению с обычными, ввиду небольшой частоты и объема видеопамяти. Это связано с ограничениями в системе охлаждения.
Наиболее популярный вариант, востребованный, как у профессионалов, так и обычных пользователей. Состоят из собственного процессора и видеопамяти, поэтому для работы не «откусывают» оперативную память на ПК или ноутбуке. Имеют отличную производительность, позволяют играть в требовательные к железу игры, заниматься графическим дизайном и трехмерным моделированием.
Важно. Дискретные видеокарты могут как извлекаться отдельно, так и быть распаянными на материнской плате.
Их встраивают в процессор, точнее на его подложку устанавливают видеочип. Роль видеопамяти выполняет оперативная память гаджета. В таких картах отсутствует дополнительная система питания, ведь на процессор уже поступает нужное напряжение. Мощность и производительность тут небольшие, но зато у таких устройств высокий уровень автономности.
Подключаются отдельно, по сути это дискретная карта, но оснащенная собственным блоком питания. Одним из главных недостатков является небольшая пропускная способность – здесь используется кабель ThunderBolt, а не технология PCI Express. Обычно внешние модели применяют для ноутбуков, когда хотят запустить тяжелые игры или профессиональные графические изображения. Также подходят для майнинга криптовалюты.
Поскольку дискретные модели наиболее популярны, то на их примере и рассмотрим устройство видеокарты. Состоит она из:
Также есть видеоконтроллеры, преобразователи и запоминающие устройства (ПЗУ). Основная начинка заключена между печатной платой и системой охлаждения.
Это основа, на которой размещаются все электронные компоненты устройства. Существует 2 вида печатных плат – эталонные (референсные) и не эталонные. Производители эталонных – AMD и NVIDIA – предлагают их вендорам. Не эталонные создаются уже вендорами, чаще всего изготавливаются под какие-то флагманские решения.
В центре платы расположен графический процессор, его еще называют GPU или видеочип. Он состоит из 3 основных функциональных блоков:
У каждого блока есть собственные контроллер и кэш.
Для корректной работы графического процессора нужна подложка, на которой он, собственно и располагается. Она подводит напряжение к видеочипу и обеспечивает передачу данных. Между платой и подложкой находится слой шариков из припоя – тип соединения BGA. Если же из-за смещения шариков нарушается контакт, то происходит сбой, известный как «отвал».
Чтобы начать обработку, видеочип должен получить данные от оперативной памяти и процессора. А вот для их хранения и записи результатов потребуется видеопамять (VRAM). Графический процессор опоясывают чипы GDDR, в середине 20-х годов XXI-го столетия появилось уже 5 и 6 поколение. Объем памяти здесь 1-2 Гб, а тип соединения BGA. Также используются карты с видеопамятью HBM, расположенной на подложке.
Канал, который связывает VRAM и GDDR – шина памяти. От нее зависит объем обрабатываемых данных – чем выше разрядность, тем больше данных. В этом плане HBM лучше GDDR, ведь у нее разрядность около 4,1 Мбит против 384 бит. Также важно учитывать пропускную способность памяти, то есть, сколько Гб информации она сможет обработать за секунду.
Оперативная память видеокарты обменивается данными с процессором через разъем PCI Express на материнской плате. В PCI Express каждая линия имеет по 2 контакта на передачу и прием, а также 4 для заземления. Все современные материнские платы оснащены контактными площадками на 16 линий в разъеме Х16. При этом для работы видеокарты используются любые линии, что можно проследить на примере функционирования майнинг-ферм. Здесь установлен разъем PCI Express Х1, и производительность остается максимальной. Правда, в майнинге минимальные показатели обмена данными. Обусловлено это тем, что выгружаются лишь результаты вычислений, а инструкции после загрузки никуда не перемещаются.
Количество линий и контактов имеет значение практически для всех процессов – от игр до монтажа с рендером, ведь объемы перемещения данных огромны. Общее количество контактов в разъеме PCI Express Х1 – 188. Девять из них питают карту, а 128 обмениваются информацией. Каждый разъем выдает до 75 Вт, в то время, как карта потребляет до 600 Вт.
Чтобы обеспечить нужные объемы потребления, распаивают дополнительные разъемы питания на 6- , 8- , 16-Pin. Объемы передачи для каждого разъема:
Кроме этого, требуется еще и стабильное напряжение для каждого компонента устройства:
Учитывается также и входящее напряжение, оно составляет 12,5 и 3,3 Вольта.
За запитывание карты и ограничение напряжения отвечает система питания VRM. Сначала ток идет из разъема через шунтирующий резистор, там измеряется для расчета энергопотребления. Далее фильтрация через конденсаторы и попадание в VRM. Тут резисторы и удвоители обрабатывают сигнал, сглаживают острые импульсы и пики. Помехи подавляются дросселями, а мосфетами и драйверами управляет контроллер (распределяет питание по мосфетам). Мосфеты нужны для понижения напряжения, их столько, сколько фаз питания.
Почему нагревается видеокарта? Это происходит из-за кремния. Из этого полупроводника сделаны транзисторы, которые, в свою очередь, являются основой видеопамяти и чипа.
Транзистор можно назвать воротами, работающими от аккумулятора. Если он разряжен, то ворота закрыты – логический 0. При заряженном аккумуляторе ворота открываются, поступает ток – логическая 1. Во время работы видеокарты ворота необходимо закрывать, но аккумулятор то заряжен, поэтому ток уходит на заземление, превращаясь в тепло. Объемы тепла зависят от частоты закрытия/открытия, а их за секунду бывает до нескольких миллиардов. Транзисторов, кстати, также миллиарды.
Отводится тепло с помощью систем охлаждения, их производительность напрямую зависит от производительности самой видеокарты. Бывают пассивные системы охлаждения, которые представляют собой ребристый кусок алюминия. Если сюда добавить вентилятор, то получается уже активная система. Они часто используют в офисной компьютерной технике и маломощных игровых картах.
Более сложный тип отвода тепла – когда на теплотрубки из меди, в которых находится вода в вакууме, нанизывают пластины. В месте нагрева вода испаряется, а в холодной части пар конденсируется и потом, снова в виде воды, поступает к нагретому концу. Трубки по структуре пористые, что обеспечивает капиллярный эффект. Их подводят к видеочипу, иногда используют прижимную пластину, где расположена испарительная камера (принцип ее работы аналогичен теплотрубкам).
Чтобы тепло с процессора передавалось эффективнее, между чипом и местом прижатия наносится термопаста. Для охлаждения зоны питания и видеопамяти используют радиатор – передача тепла осуществляется через термопрокладки, толщина у них разная. Системы такого типа встречаются на видеокартах большой мощности. Иногда тепло отводит даже декоративный бэкплейт, находящийся с тыльной стороны.
Очень редко встречаются устройства с жидкостным охлаждением. На лицевой стороне находится водоблок, к нему через отверстия подключают шланги. С тыльной стороны располагается бэкплейт. Нагретую жидкость, отдельно вынесенная помпа отправляет в радиатор, где ее обдувает вентилятор, таким образом происходит процесс охлаждения.
Вентиляторы подключаются через специальный разъем на печатной плате, могут быть осевыми (в количестве 2-3 штук) и радиальными/турбинными. В первом случае воздух выходит из любых щелей. Во втором корпус полностью закрытый, воздух втягивается внутрь турбиной, а выходит со стороны разъемов. Радиальный вентилятор всегда только один.
Все современные карты подключаются к монитору через разъемы HDMI (3 версии) и DisplayPort (5 версий), разные версии имеют разную частоту и разрешение. За использование HDMI производители должны платить 10000 $ в год и еще 4 цента с каждого кабеля/порта, у DisplayPort такса 20 центов. У более старых моделей встречаются разъемы DVI и VGA.
Еще на рынке представлены устройства с беспроводной технологией подключения – GALAX/KFA2 GTX 460 WHDI. Изображение в качестве Full HD передается на расстояние 30 метров посредством 5 антенн – ее стоимость около 500 долларов.
У NVIDIA есть разъем SLI, а у AMD - CrossFire. Благодаря алгоритму Alternate Frame Randering можно объединить от двух видеокарт. Одна карта работает с четным кадрами, вторая с нечетными, правда, прирост производительности здесь не самый впечатляющий.
Центральный процессор, используя координаты вершин многоугольников-полигонов, строит трехмерный объект, после чего на него накладывается текстура. Появившиеся артефакты устраняют с помощью фильтрации. Для этого используются билинейные и трехлинейные алгоритмы, оставляющие только остаточные артефакты. Полностью от артефактов позволяет избавиться анизотропный алгоритм, также он устраняет размытие картинки.
Изображение выводится на монитор через геометрические формулы, благодаря которым объект из трехмерного трансформируется в двухмерный. Как говорилось выше, фильтрацией и выводом занимаются блоки растеризации. Появившаяся на границе кривых линий лесенка, устраняется методом сглаживания. Создание рельефа текстуры происходит в результате затемнения пикселей. Это делается с помощью текстуры карты:
В процессе тесселяции добавляются полигоны, увеличивается детализация. Тесселяцию, пиксельный шейдинг и сглаживание выполняют вычислительные ядра. Только на одну секунду сцены в качестве Full HD требуется вычислить цвет более 125 млн пикселей.
NVIDIA производит вычислительные ядра CUDA, они очень хороши для рендера, относятся к категории обычных. RT-ядра рассчитывают процесс переотражения света от объектов, отвечая за трассировку лучей, то есть, глобальное освещение. Нейросети используют вычисления тензорных ядер, проводящие операции между кластерами-матрицами. Они нужны и для DLSS. Чтобы кадр с низким разрешением превратился в кадр с высоким, используется реконструкция данных из предыдущего кадра, игрового движка и нейросети. Это позволяет сэкономить ресурсы, ведь DLSS вычисляет цвет 15 пикселей, а видеочип – пяти.
AMD выпускает практически аналогичные ядра – FidelityFX Super Resolution. Здесь используется фильтр Ланцоша, его накладывают на кадр с низким разрешением, из-за чего на краях объектов добавляется резкость. Такой метод относится к программным и доступен для любой видеокарты.
Согласитесь, сложная, но очень полезная информация и теперь вы знаете все про видеокарты и понимаете, какое колоссальное значение они имеют для техники. А еще вы сможете подобрать оптимальное устройство для себя или посоветовать что-то друзьям и знакомым.
