Karta graficzna

Frame buffer

Najwcześniejszym komercyjnym protoplastą kart graficznych był frame buffer (bufor ramki) o handlowej nazwie Picture System, z roku 1974 firmy Evans & Sutherland, wyświetlał obraz w 256 odcieniach szarości o rozdzielczości 512 na 512 pikseli.

Charakter buforów ramki miały wszystkie wczesne systemy graficzne w mikrokomputerach osobistych oparte na układach graficznych generujących obraz na podstawie danych o kolorach i punktach na ekranie przechowywanych w pamięci komputera. Operacje na tej pamięci najczęściej wykonywał procesor główny komputera, czasem wspomagany dodatkowymi układami (np. ANTIC w komputerach Atari, Blitter i Copper w Amigach). W wielu wczesnych komputerach o zamkniętej architekturze była to integralna, niezmienna część architektury komputera. Pojawienie się standardu IBM PC z otwartą architekturą, w której za generację grafiki odpowiadała karta rozszerzenia, umożliwiło instalację sterownika graficznego dobranego w zależności od potrzeb. Pierwszymi standardami graficznymi w komputerach IBM PC były CGA (karta z kolorową grafiką) oraz MDA (monochromatyczna karta pracująca wyłącznie w trybie tekstowym). Pierwsze standardy kart graficznych miały również charakter bufora ramki lecz zwykle już miały dedykowaną, zainstalowaną na karcie pamięć. Tak było również z kolejnymi standardami graficznymi dla komputerów IBM PC i kompatybilnych (takimi jak Hercules, EGA i VGA), a także kartami dla innych komputerów, w tym rodzin Macintosh czy Amiga.

Istotną cechą bufora ramki jest to w jaki sposób zorganizowana jest pamięć reprezentująca obraz. Wyróżnić można dwa modele:

• planar – w którym dane o pikselach składowane są bitplanach. W każdym bitplanie dokładnie 1 bit przypada na każdy piksel. Ilość bitplanów determinuje ilość dostępnych kolorów. W modelu tym dane pojedynczego piksela są rozrzucone w pamięci w poszczególnych bitplanach i programowy dostęp do nich jest utrudniony.
• chunky – w którym wszystkie bity opisujące dany piksel są zapisane razem, jeden po drugim, w pamięci bufora ramki.

We wczesnych standardach większość trybów graficznych o ograniczonej ilości kolorów miała model planar. Pierwszym trybem korzystającym z modelu danych chunky był tryb 13h kart VGA o rozdzielczości 320×200 pikseli w 256 kolorach, w którym dane każdego piksela były zapisane w 1 bajcie.

Każdy ze standardów graficznych wymagał monitora (zwykle CRT) współpracującego z kartami pracującymi w danym standardzie, działającego z określonymi w standardzie parametrami generacji obrazu, w szczególności rodzajem sygnałów i złącz, częstotliwością odchylania i rozdzielczością. Mogły one być kompatybilne wstecz (podobnie jak karty) jednak tryby wykorzystujące pełnię możliwości (szczególnie - rozdzielczość) zwykle wymagały monitora dla określonego standardu (lub wyższego). Wyjątkiem była karta Hercules wymagająca specjalnego monitora pracującego w tym standardzie.

Kolejne rozwinięcia karty VGA, nazywane wówczas zbiorczo SVGA, nie były już standardem ustalonym przez IBM. Niezależni producenci kart konkurowali oferując coraz większe możliwości, w tym zwiększenie ilości kolorów do 256 w trybie 640×480, oraz tryby w nowych rozdzielczościach, najczęściej: 800×600, 1024×768 (16 do 256 kolorów), a także zwiększano ilość kolorów: do 32768 (15 bitów na piksel), 65536 (16 bitów, czyli 2 bajty na piksel), lub ponad 16 mln. kolorów (24 bity, 3 bajty na piksel). Tryby te, pomimo często takich samych parametrów i podobnej organizacji danych pamięci obrazu, były implementowane w różny sposób, przez co ich wykorzystanie przez producentów oprogramowania było utrudnione. Powstała organizacja VESA, która opracowała rozszerzenie podstawowego BIOSu, VESA BIOS Extension, które standardyzowało programowanie nowych trybów graficznych.

Współcześnie bufor ramki to integralna część struktury każdej karty graficznej, czyli wydzielony obszar pamięci VRAM.

Przed główną erą GPU

Pierwszą kartą graficzną produkowaną na masową skalę, która implementowała ideę osobnego procesora do przetwarzania grafiki, podobnie jak we współczesnych konstrukcjach, był IBM Professional Graphics Adapter (PGA) z 1984 roku, przeznaczony dla komputerów IBM XT i IBM PC/AT. W przeciwieństwie do współczesnych GPU, które przetwarzają dane równolegle, korzystając z wielowątkowości, PGA posiadał procesor 8088, który przetwarzał dane sekwencyjne z podstawowym pipeliningiem, zgodnie z ówczesną architekturą x86. Aż do wczesnych lat 80. XX wieku, przed pojawieniem się rozwiązań zastosowanych w PGA, systemy graficzne były jednostkami zajmującymi się obsługą pamięci ramki do przechowywania i generowania obrazu, zintegrowanym buforem ramki.

Główna era GPU

• Pierwsza generacja (1999) związana z DirectX 7, obejmuje postęp w technologiach 3D, większą wydajność obliczeń, wdrożenie akceleracji sprzętowej. W tym samym roku NVIDIA wprowadziła pojęcie GPU (Graphics Processing Unit).

• Druga generacja (2001–2006) wprowadziła DirectX 8, 9. Programowalne jednostki obliczeniowe: vertex shaders (cieniowanie wierzchołków) oraz pixel shaders (cieniowanie pikseli). Opracowano modele cieniowania Shader Model 1.0, 2.0 i 3.0. Jedną z najbardziej rozpoznawalnych serii GPU tej generacji była NVIDIA GeForce 3.

• Trzecia generacja (2006–2009) czas DirectX 10 i DirectX 11, Shader Model 4.0, architektura CUDA, umożliwiającą wykonywanie obliczeń ogólnego przeznaczenia (GPGPU). Pierwszą serią kart graficznych w pełni zgodnych z DirectX 10 była NVIDIA GeForce 8.

• Czwarta generacja (2009–2015) wprowadziła DirectX 11, Shader Model 5.0. Pierwszą serią kart graficznych w pełni kompatybilną z DirectX 11 była AMD Radeon HD 5000.

• Piąta generacja (2015–2020) wprowadzenie niskopoziomowych API, takich jak DirectX 12 i Vulkan, umożliwiło obsługę wielowątkowości oraz zwiększyło efektywność obliczeniową. Ikonicznym modelem karty graficznej tego okresu była NVIDIA GeForce GTX 1080 Ti.

• Szósta generacja (2020–obecnie) DirectX 12 Ultimate czyli pełna implementacja śledzenia promieni (ray tracingu). Układy tej generacji oferują znaczący wzrost mocy obliczeniowej i wsparcie dla zaawansowanych efektów graficznych w czasie rzeczywistym.

Podstawowe elementy karty graficznej

• procesor graficzny (GPU) – serce karty graficznej
• Video random-access memory (VRAM) – pamięć RAM karty graficznej
• wyjścia sygnałów
• złącze do płyty głównej
• układ chłodzenia

W przeszłości część kart graficznych posiadała:

• RAMDAC (ang. RAM + Digital-to-Analog Converter) przetwornik cyfrowo-analogowy – odpowiedzialny za przekształcenie cyfrowych danych z pamięci obrazu na sygnał sterujący dla monitora analogowego; w przypadku kart wyłącznie z wyjściem cyfrowym RAMDAC nie występuje.
• framegrabber – układ zamieniający zewnętrzny, analogowy sygnał wideo na postać cyfrową (tylko w kartach posiadających przechwytywanie obrazu),
• procesor wideo – układ wspomagający dekodowanie i przetwarzanie strumieniowych danych wideo; w najnowszych konstrukcjach zintegrowany z procesorem graficznym.

Typy slotów / magistral dla kart graficznych

W kolejnych generacjach komputerach osobistych stosowane było wiele rodzajów magistral (i zarazem standardów złącz, czyli slotów), które służyły do podłączania kart graficznych. Wśród nich były także takie, które powstały specjalnie do tego celu (np. AGP).

Chronologicznie pojawiły następujące standardy:

• ISA (Industry Standard Architecture) – złącze magistrali szeroko stosowane w komputerach zgodnych z IBM PC i ich późniejszych rozwinięciach w latach 80. i wczesnych 90.
• Zorro – magistrala używana w komputerach Amiga wprowadzona wraz z Amigą 1000 w 1985.
• MCA - 16- i 32-bitowa magistrala w komputerach linii IBM PS/2
• VESA Local Bus - 32-bitowa szyna lokalna, używana głównie przez karty graficzne
• EISA - 32-bitowe rozszerzenie magistrali ISA
• PCI (Peripheral Component Interconnect) – standard głównej lokalnej magistrali komunikacyjnej w przemyśle komputerowym między 1992 a 2004, został zastąpiony przez PCI-Express.
• AGP (Accelerated Graphics Port) – magistrala zaprojektowana dla kart graficznych, wprowadzona w 1997 roku, używana głównie w komputerach osobistych do połowy lat 2000.
• PCI-Express (PCIe) wersje 1.0 do 3.0 – następca PCI i AGP, wprowadzony jako standard w 2004.

We współczesnych komputerach osobistych spotykane są:

• PCI-Express 4.0, 5.0 i 6.0

Wyjścia sygnału

historyczne:

• D-Sub
• P&D (Plug and Display)
• DFP (Digital Flat Panel)
• DVI (Digital Visual Interface)
• WHDI (Wireless Home Digital Interface)

obecne:

• HDMI (High-Definition Multimedia Interface)
• DisplayPort
• USB-C (z obsługą DisplayPort Alternate Mode)
• Thunderbolt

Zasilanie

Karta graficzna korzystająca ze złącza PCI Express jest zasilana bezpośrednio z płyty głównej, co umożliwia pobór mocy do 75 W. Układy graficzne o wyższym zapotrzebowaniu energetycznym wyposażane są w dodatkowe złącza zasilania:

• Złącza PCIe:
  • 6-pinowe – dostarczają dodatkowe 75 W, co pozwala na łączny pobór mocy przez kartę do 150 W.
  • 8-pinowe – dostarczają dodatkowe 150 W, umożliwiając łączny pobór mocy do 225 W.

Wraz ze standardem PCIe 5.0 wprowadzono złącze 16-pinowe 12VHPWR, stosowane w kartach graficznych NVIDIA GeForce RTX 4090 oraz niektórych modelach RTX 4080. Po jego wprowadzeniu odnotowano przypadki nadmiernego nagrzewania i topienia się wtyczek.

• Molex – starszy typ złącza zasilania, stosowany w wcześniejszych modelach kart graficznych.

Układ chłodzenia

Większość kart graficznych do poprawnego działania potrzebuje układu chłodzenia. Najwięcej ciepła wytwarza GPU, dlatego stosuje się trzy rozwiązania:

• Chłodzenie pasywne – stosowane w mniej wydajnych kartach.
• Chłodzenie aktywne – poprzez montaż wentylatora lub wentylatorów na radiatorze.
• Chłodzenie wodne – w kartach o dużej emisji cieplnej montuje się układ chłodzenia wodą.

Elementem wydzielającym ciepło jest również pamięć RAM karty graficznej. Zazwyczaj jest chłodzona wspólnym z GPU układem chłodzenia.

Historyczne zastosowania w komputerach stacjonarnych

Istniały dwie szerzej znane technologie łączenia kart graficznych w celu zwiększenia wydajności w grach komputerowych. Pierwsza, od Nvidii o nazwie SLI (Scalable Link Interface), wspierana do roku 2020. Druga od ATI później AMD, funkcjonująca pod różnymi nazwami jako: ATI Multi-Rendering (AMR); CrossFire; CrossFireX; Multi-GPU (MGPU) (w kolejności chronologicznej). Rozwijana przez AMD do roku 2019. Zarówno w przypadku AMD, jak i Nvidii, do trybu Multi-GPU wymagany był mostek łączący dwie karty.

Mniej znanym rozwiązaniem było ATI Hybrid CrossFireX, wprowadzone na rynek pod koniec 2007 roku wraz z chipsetami serii AMD 700. Później przemianowane na AMD Dual Graphics. Pozwalało na łączenie dedykowanej karty graficznej z zintegrowanym procesorem graficznym, szybko porzucone przez producenta. Za niszową można uznać SLI (Scan Line Interleave) od 3dfx, z drugiej połowy lat 90. XX wieku, mimo identycznego akronimu jak SLI (Scalable Link Interface) od Nvidii, to różne technologie.

Inne historyczne rozwiązania

Jeszcze trzy inne firmy wdrożyły w swoich produktach łączenie kart graficznych. Były to S3 Graphics z MultiChrome, XGI Technology z BitFluent Protocol i Metabyte z Parallel Graphics Configuration.

Współczesne standardy i architektury komunikacyjne

Obecnie technologie łączenia wielu procesorów graficznych (GPU) są wykorzystywane w akceleracji uczenia maszynowego (AI), wysokowydajnych obliczeniach (HPC), oraz w renderowaniu grafiki 3D.

Uniwersalne interfejsy i magistrale

• PCIe (PCI Express) – podstawowa magistrala komunikacyjna między CPU a GPU oraz między GPU i innymi urządzeniami w systemie.