Видеокарта (также называемая видеокартой , видеокартой , графическим адаптером , VGA - картой/VGA , видеоадаптером , адаптером дисплея или в просторечии графическим процессором ) — это компьютерная карта расширения , которая генерирует подачу графического вывода на устройство отображения, такое как монитор . Видеокарты иногда называют дискретными или выделенными видеокартами, чтобы подчеркнуть их отличие от встроенного графического процессора на материнской плате или центрального процессора . Графический процессор (GPU), выполняющий необходимые вычисления, является основным компонентом видеокарты, но аббревиатура « GPU» иногда также используется для ошибочного обозначения видеокарты в целом. [1]
Большинство видеокарт не ограничиваются простым выводом на дисплей. Графический процессор можно использовать для дополнительной обработки, что снижает нагрузку на центральный процессор . [2] Кроме того, такие вычислительные платформы, как OpenCL и CUDA, позволяют использовать видеокарты для вычислений общего назначения . Приложения вычислений общего назначения на видеокартах включают обучение ИИ , майнинг криптовалют и молекулярное моделирование . [3] [4] [5]
Обычно видеокарта поставляется в виде печатной платы (платы расширения), которую необходимо вставить в слот расширения. [6] У других могут быть специальные корпуса, которые подключаются к компьютеру через док-станцию или кабель. Они известны как внешние графические процессоры (eGPU).
Видеокарты часто предпочтительнее встроенной графики для повышения производительности.
Видеокарты исторически поддерживали различные стандарты компьютерного дисплея по мере их развития. Для IBM PC-совместимых ранних стандартов были MDA , CGA , Hercules , EGA и VGA .
В конце 1980-х годов компания Radius производила видеокарты для Apple Macintosh II с дискретными возможностями 2D QuickDraw . [7]
3dfx Interactive была одной из первых компаний, разработавших ориентированный на потребителя графический процессор с 3D-ускорением (серия Voodoo), а также первой компанией, разработавшей графический чипсет, предназначенный для 3D, но без поддержки 2D (что, следовательно, требовало наличия 2D-карты). работать).
NVIDIA RIVA 128 была одним из первых ориентированных на потребителя графических процессоров, интегрированных в один кристалл.
Большинство современных видеокарт построены на графических чипах AMD или Nvidia . [8] Большинство видеокарт предлагают различные функции, такие как 3D-рендеринг , 2D-графика , декодирование видео, ТВ-выход и возможность подключения нескольких мониторов ( мультимонитор ). Видеокарты также имеют возможности звуковой карты для вывода звука вместе с видеовыходом на подключенные телевизоры или мониторы со встроенными динамиками.
В отрасли видеокарты иногда называют графическими надстройками , сокращенно AIB , [8] при этом слово «графика» обычно опускается.
В качестве альтернативы использованию видеокарты видеооборудование может быть интегрировано в материнскую плату , ЦП или систему-на-кристалле в качестве встроенной графики. Реализации на базе материнской платы иногда называют «встроенным видео». Некоторые материнские платы поддерживают одновременное использование встроенной графики и видеокарты для питания отдельных дисплеев. Основными преимуществами интегрированной графики являются: низкая стоимость, компактность, простота и низкое энергопотребление. Встроенная графика часто имеет меньшую производительность, чем видеокарта, поскольку графическому процессору внутри встроенной графики необходимо совместно использовать системные ресурсы с ЦП. С другой стороны, видеокарта имеет отдельную оперативную память (ОЗУ), систему охлаждения и специальные регуляторы мощности. Видеокарта может разгрузить работу и уменьшить конфликты между шиной памяти и системной оперативной памятью, поэтому общая производительность компьютера может улучшиться в дополнение к увеличению производительности обработки графики. Такое улучшение производительности можно увидеть в видеоиграх , 3D-анимации и редактировании видео . [9] [10]
И AMD, и Intel представили процессоры и наборы микросхем для материнских плат, которые поддерживают интеграцию графического процессора в тот же кристалл, что и процессор. AMD рекламирует процессоры со встроенной графикой под торговой маркой Accelerated Processing Unit (APU), а Intel маркирует аналогичную технологию под названием « Intel Graphics Technology ». [11]
По мере роста вычислительной мощности видеокарт росла и их потребность в электроэнергии. Современные высокопроизводительные видеокарты обычно потребляют большое количество энергии. Например, расчетная тепловая мощность (TDP) GeForce Titan RTX составляет 280 Вт . [12] При тестировании с видеоиграми GeForce RTX 2080 Ti Founder's Edition потребляла в среднем 300 Вт. [13] Хотя производители процессоров и блоков питания в последнее время стремились к повышению эффективности, требования к мощности видеокарт продолжали расти, причем энергопотребление было самым большим среди всех отдельных частей компьютера. [14] [15] Хотя источники питания также увеличили свою выходную мощность, узкое место возникает в соединении PCI-Express , мощность которого ограничена 75 Вт. [16]
Современные видеокарты с потребляемой мощностью более 75 Вт обычно включают в себя комбинацию шестиконтактных (75 Вт) или восьмиконтактных (150 Вт) разъемов, которые подключаются напрямую к источнику питания. Обеспечение адекватного охлаждения в таких компьютерах становится проблемой. Компьютерам с несколькими видеокартами могут потребоваться блоки питания мощностью более 750 Вт. Отвод тепла становится важным фактором при проектировании компьютеров с двумя или более высокопроизводительными видеокартами. [ нужна цитата ]
Что касается серии Nvidia GeForce RTX 30 с архитектурой Ampere , было зарегистрировано, что RTX 3090 со специальной прошивкой под названием «Зал славы» достигает пикового энергопотребления до 630 Вт. Стандартная RTX 3090 может достигать пиковой мощности до 450 Вт. RTX 3080 может достигать 350 Вт, а 3070 может достигать аналогичного, если не немного меньшего, пикового энергопотребления. Карты Ampere — первые карты, в которых используется конструкция сквозного охлаждения, позволяющая рассеивать как можно больше тепла, особенно при большом энергопотреблении. [ нужна цитата ]
Видеокарты для настольных компьютеров имеют профили разных размеров, что позволяет добавлять видеокарты в компьютеры меньшего размера. Некоторые видеокарты имеют необычный размер и называются «низкопрофильными». [17] [18] Профили видеокарт основаны только на высоте: низкопрофильные карты занимают высоту меньше, чем высота слота PCIe, а некоторые могут быть даже «половинной высоты». [ нужна ссылка ] Длина и толщина могут сильно различаться: карты высокого класса обычно занимают два или три слота расширения, а современные видеокарты высокого класса, такие как RTX 4090, имеют длину более 300 мм. [19] Карта с более низким профилем предпочтительнее при попытке установить несколько карт или если видеокарты сталкиваются с проблемами зазора с другими компонентами материнской платы, такими как слоты DIMM или PCIE. Это можно исправить с помощью компьютерного корпуса большего размера , например, Mid-Tower или Full Tower. Полные башни обычно подходят для материнских плат большего размера, таких как ATX и micro ATX. [ нужна цитата ]
Некоторые видеокарты можно объединить вместе, чтобы обеспечить масштабирование обработки графики на нескольких картах. Это делается с помощью шины PCIe на материнской плате или, что чаще, с помощью моста данных. Обычно для связывания карты должны быть одной и той же модели, и большинство карт младшего класса не могут быть связаны таким образом. [20] AMD и Nvidia имеют собственные методы масштабирования: CrossFireX для AMD и SLI (начиная с поколения Тьюринга , замененного NVLink ) для Nvidia. Карты разных производителей чипсетов или архитектур не могут использоваться вместе для масштабирования нескольких карт. Если видеокарты имеют разные объемы памяти, будет использоваться наименьшее значение, а более высокие значения не учитываются. В настоящее время масштабирование карт потребительского уровня может осуществляться с использованием до четырех карт. [21] [22] [23] Для использования четырех карт требуется большая материнская плата правильной конфигурации. Видеокарта Nvidia GeForce GTX 590 может быть сконфигурирована в конфигурации с четырьмя картами. [24] Как указано выше, для оптимального использования пользователи предпочитают использовать карты с одинаковыми характеристиками. Материнские платы, включая ASUS Maximus 3 Extreme и Gigabyte GA EX58 Extreme, сертифицированы для работы с этой конфигурацией. [25] Для работы карт в SLI или CrossFireX необходим мощный источник питания. Требования к мощности должны быть известны до установки надлежащего источника питания. Для конфигурации с четырьмя картами необходим блок питания мощностью более 1000 Вт. [25] При использовании любой относительно мощной видеокарты нельзя игнорировать управление температурным режимом. Видеокартам требуется хорошо вентилируемый корпус и хорошие тепловые решения. Обычно требуется воздушное или водяное охлаждение, хотя графические процессоры младшего класса могут использовать пассивное охлаждение. В более крупных конфигурациях используются водные растворы или погружное охлаждение для достижения надлежащей производительности без теплового регулирования. [26]
SLI и Crossfire становятся все более редкими, поскольку большинство игр не полностью используют несколько графических процессоров из-за того, что большинство пользователей не могут себе их позволить. [27] [28] [29] Несколько графических процессоров до сих пор используются на суперкомпьютерах (например, в Summit ), на рабочих станциях для ускорения видео [30] [31] [32] и 3D-рендеринга, [33] [34] [35] [ 36] [37] визуальные эффекты , [38] [39] для моделирования, [40] и для тренировки искусственного интеллекта.
Графический драйвер обычно поддерживает одну или несколько карт одного производителя и должен быть написан для конкретной операционной системы. Кроме того, операционная система или дополнительный пакет программного обеспечения могут предоставлять определенные API-интерфейсы программирования для приложений, выполняющих 3D-рендеринг.
Некоторые графические процессоры разработаны с учетом конкретного использования:
По состоянию на 2016 год основными поставщиками графических процессоров (графических чипов или наборов микросхем), используемых в видеокартах, являются AMD и Nvidia. По данным Jon Peddie Research , в третьем квартале 2013 года доля рынка AMD составляла 35,5%, а доля Nvidia — 64,5% [41] . В экономике такая отраслевая структура называется дуополией . AMD и Nvidia также производят и продают видеокарты, которые в отрасли называются графическими надстройками (AIB). (См. «Сравнение графических процессоров Nvidia» и «Сравнение графических процессоров AMD» .) Помимо маркетинга собственных видеокарт, AMD и Nvidia продают свои графические процессоры авторизованным поставщикам AIB, которых AMD и Nvidia называют «партнерами». [8] Тот факт, что Nvidia и AMD напрямую конкурируют со своими клиентами/партнерами, усложняет отношения в отрасли. Также следует отметить то, что AMD и Intel являются прямыми конкурентами в индустрии процессоров, поскольку видеокарты на базе AMD могут использоваться в компьютерах с процессорами Intel. Интегрированная графика Intel может ослабить AMD, поскольку последняя получает значительную часть своих доходов от своих APU . По состоянию на второй квартал 2013 года насчитывалось 52 поставщика AIB. [8] Эти поставщики AIB могут продавать видеокарты под своими собственными торговыми марками, производить видеокарты для частных торговых марок или производить видеокарты для производителей компьютеров. Некоторые поставщики AIB, такие как MSI, производят видеокарты как на базе AMD, так и на базе Nvidia. Другие, такие как EVGA , производят только видеокарты на базе Nvidia, а XFX теперь производит только видеокарты на базе AMD. Некоторые поставщики AIB также являются поставщиками материнских плат. Большинство крупнейших поставщиков AIB базируются на Тайване, в их число входят ASUS , MSI , GIGABYTE и Palit . В число производителей AIB, базирующихся в Гонконге, входят Sapphire и Zotac . Sapphire и Zotac также продают видеокарты исключительно для графических процессоров AMD и Nvidia соответственно. [42]
Поставки видеокарт достигли пика в 1999 году и составили 114 миллионов штук. Для сравнения, в третьем квартале 2013 года они составили 14,5 миллионов единиц, что на 17% меньше уровня третьего квартала 2012 года. [41] В 2015 году объем поставок достиг 44 миллионов в год. [ необходима ссылка ] Продажи видеокарт имеют тенденцию к снижению из-за усовершенствований в технологиях интегрированной графики; высокопроизводительная графика, интегрированная в ЦП, может обеспечить конкурентоспособную производительность с видеокартами низкого уровня. В то же время продажи видеокарт в сегменте high-end выросли, поскольку производители переключили свое внимание на рынок игр и энтузиастов. [42] [43]
Помимо игровых и мультимедийных сегментов, видеокарты все чаще используются для вычислений общего назначения , таких как обработка больших данных . [44] Рост криптовалюты привел к чрезвычайно высокому спросу на видеокарты высокого класса, особенно в больших количествах, из-за их преимуществ в процессе добычи криптовалюты. В январе 2018 года цены на видеокарты среднего и высокого класса резко выросли, при этом у многих ритейлеров возникла нехватка запасов из-за значительного спроса на этом рынке. [43] [45] [46] Компании, производящие видеокарты, выпустили карты, предназначенные для майнинга, предназначенные для работы 24 часа в сутки, семь дней в неделю , и без портов видеовыхода. [5] Индустрия видеокарт потерпела неудачу из-за нехватки чипов в 2020–2021 годах . [47]
Современная видеокарта состоит из печатной платы, на которой смонтированы компоненты. К ним относятся:
Графический процессор ( GPU ), также иногда называемый визуальным процессором ( VPU ), представляет собой специализированную электронную схему , предназначенную для быстрого манипулирования и изменения памяти для ускорения создания изображений в буфере кадров , предназначенном для вывода на дисплей. Из-за большой степени программируемой вычислительной сложности для такой задачи современная видеокарта также сама по себе является компьютером.
.jpg/1280px-S3_Graphics_chrome_530_GT_card_(3044640155).jpg)
Радиатор установлен на большинстве современных видеокарт. Радиатор равномерно распределяет тепло, выделяемое графическим процессором, по радиатору и самому устройству. На радиаторе обычно установлен вентилятор для охлаждения радиатора и графического процессора. Не все карты имеют радиаторы, например, некоторые карты имеют жидкостное охлаждение и вместо этого имеют водяной блок; кроме того, карты 1980-х и начала 1990-х годов не выделяли много тепла и не требовали радиаторов. Большинству современных видеокарт требуются правильные тепловые решения. Они могут иметь водяное охлаждение или радиаторы с дополнительными подключенными тепловыми трубками, обычно изготовленными из меди для лучшей теплопередачи. [ нужна цитата ]
Видеобиос или прошивка содержит минимум программы для первоначальной настройки и управления видеокартой. Он может содержать информацию о памяти и таймингах памяти, рабочих скоростях и напряжениях графического процессора, а также другие сведения, которые иногда могут быть изменены. [ нужна цитата ]
Современные видео-BIOS не поддерживают все функциональные возможности видеокарт; их достаточно только для идентификации и инициализации карты для отображения одного из нескольких режимов буфера кадров или отображения текста. Он не поддерживает преобразование YUV в RGB , масштабирование видео, копирование пикселей, композитинг или любые другие 2D- и 3D-функции видеокарты, доступ к которым должен быть возможен с помощью программных драйверов. [ нужна цитата ]
Объем памяти большинства современных видеокарт колеблется от 2 до 24 ГБ . [48] Но с увеличением объема памяти до 32 ГБ по состоянию на последние 2010-е годы приложения для использования графики становятся все более мощными и распространенными. Поскольку доступ к видеопамяти необходим для графического процессора и схемы дисплея, для нее часто используется специальная высокоскоростная или многопортовая память, такая как VRAM , WRAM , SGRAM и т. д. Примерно в 2003 году видеопамять обычно основывалась на технологии DDR . . В течение и после этого года производители перешли на DDR2 , GDDR3 , GDDR4 , GDDR5 , GDDR5X и GDDR6 . Эффективная тактовая частота памяти современных карт обычно составляет от 2 до 15 ГГц . [ нужна цитата ]
Видеопамять может использоваться для хранения других данных, а также изображения на экране, например, Z-буфер , который управляет координатами глубины в 3D-графике , а также текстур , буферов вершин и скомпилированных программ шейдеров .
RAMDAC , или цифро-аналоговый преобразователь с произвольной памятью, преобразует цифровые сигналы в аналоговые сигналы для использования компьютерным дисплеем, который использует аналоговые входы, такие как дисплеи с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). RAMDAC — это своего рода микросхема оперативной памяти, которая регулирует работу видеокарты. В зависимости от количества используемых бит и скорости передачи данных RAMDAC преобразователь сможет поддерживать различные частоты обновления дисплея компьютера. С ЭЛТ-дисплеями лучше всего работать при частоте выше 75 Гц и никогда ниже 60 Гц, чтобы свести к минимуму мерцание. [49] (Это не проблема с ЖК-дисплеями, поскольку они практически не мерцают. [ нужна ссылка ] ) Из-за растущей популярности цифровых компьютерных дисплеев и интеграции RAMDAC в кристалл графического процессора оно практически исчезло. как дискретный компонент. Все современные ЖК-/плазменные мониторы, телевизоры и проекторы только с цифровыми подключениями работают в цифровой сфере и не требуют для этих подключений RAMDAC. Существуют дисплеи, оснащенные только аналоговыми входами ( VGA , компонентный, SCART и т. д.) . Для них требуется RAMDAC, но они преобразуют аналоговый сигнал обратно в цифровой, прежде чем смогут его отобразить, с неизбежной потерей качества, возникающей в результате этого цифро-аналогового преобразования. [ нужна цитация ] С постепенным отказом от стандарта VGA в пользу цифровых форматов, RAMDAC начали исчезать из видеокарт. [ нужна цитата ]
Наиболее распространенными системами соединения между видеокартой и дисплеем компьютера являются:
VGA , также известный как D-sub , представляет собой аналоговый стандарт, принятый в конце 1980-х годов и предназначенный для ЭЛТ-дисплеев, также называемый разъемом VGA . Сегодня аналоговый интерфейс VGA используется для видеоразрешения высокой четкости, включая 1080p и выше. Некоторые проблемы этого стандарта — электрический шум , искажение изображения и ошибка выборки при оценке пикселей. Хотя полоса пропускания передачи VGA достаточно высока для поддержки воспроизведения даже с более высоким разрешением, качество изображения может ухудшаться в зависимости от качества и длины кабеля. Степень разницы в качестве зависит от зрения человека и дисплея; при использовании соединения DVI или HDMI, особенно на ЖК-/LED-мониторах или телевизорах большего размера, ухудшение качества, если оно присутствует, становится заметно заметным. Воспроизведение Blu-ray с разрешением 1080p возможно через аналоговый интерфейс VGA, если на диске Blu-ray не включен токен ограничения изображения (ICT).
Цифровой визуальный интерфейс — это цифровой стандарт, разработанный для таких дисплеев, как плоские дисплеи ( ЖК-дисплеи , плазменные экраны, широкие телевизионные дисплеи высокой четкости ) и видеопроекторы. Были также некоторые редкие ЭЛТ-мониторы высокого класса, использующие DVI. Он позволяет избежать искажения изображения и электрического шума, сопоставляя каждый пиксель компьютера с пикселем дисплея, используя собственное разрешение . Стоит отметить, что большинство производителей включают в себя разъем DVI- I , позволяющий (через простой адаптер) выводить стандартный сигнал RGB на старый ЭЛТ или ЖК-монитор с входом VGA.
Эти разъемы предназначены для подключения к телевизорам , DVD-плеерам , видеомагнитофонам и игровым приставкам . Они часто поставляются с двумя вариантами 10-контактного разъема mini-DIN , а разделительный кабель VIVO обычно имеет либо 4 разъема ( вход и выход S-Video плюс вход и выход композитного видео ), либо 6 разъемов (вход и выход S-Video). , компонент YP B P R на выходе и композит на входе и выходе).
HDMI — это компактный аудио/видеоинтерфейс для передачи несжатых видеоданных и сжатых/несжатых цифровых аудиоданных с HDMI-совместимого устройства («устройства-источника») на совместимое цифровое аудиоустройство, монитор компьютера , видеопроектор или цифровое телевидение . [50] HDMI — это цифровая замена существующих аналоговых видеостандартов . HDMI поддерживает защиту от копирования посредством HDCP .
DisplayPort — это интерфейс цифрового дисплея, разработанный Ассоциацией стандартов видеоэлектроники (VESA). Интерфейс в основном используется для подключения источника видео к устройству отображения, например монитору компьютера , хотя его также можно использовать для передачи аудио, USB и других форм данных. [51] Спецификация VESA не требует лицензионных отчислений . VESA разработала его для замены VGA , DVI и LVDS . Обратная совместимость с VGA и DVI за счет использования адаптеров позволяет потребителям использовать видеоисточники, оснащенные DisplayPort, без замены существующих устройств отображения. Хотя DisplayPort обладает большей пропускной способностью и той же функциональностью, что и HDMI , ожидается, что он дополнит интерфейс, а не заменит его. [52] [53]
.png/1280px-ATI_Hercules_Card_1986_(cropped_and_transparent).png){kind=spacer}
В хронологическом порядке системами соединения видеокарты и материнской платы в основном были:
В следующей таблице приведено сравнение функций некоторых интерфейсов, перечисленных выше.
