Видеокарта (также называемая видеокартой , видеокартой , графическим ускорителем , графическим адаптером , картой VGA/VGA , видеоадаптером , адаптером дисплея или в просторечии ГП ) — это плата расширения компьютера , которая генерирует поток графического вывода на устройство отображения, такое как монитор . Видеокарты иногда называют дискретными или выделенными графическими картами, чтобы подчеркнуть их отличие от интегрированного графического процессора на материнской плате или центрального процессора (ЦП). Графический процессор (ГП), который выполняет необходимые вычисления, является основным компонентом в видеокарте, но аббревиатура «ГП» иногда также используется для ошибочного обозначения видеокарты в целом. [1]
Большинство графических карт не ограничиваются простым выводом на дисплей. Графический процессор может использоваться для дополнительной обработки, что снижает нагрузку на центральный процессор. [2] Кроме того, вычислительные платформы, такие как OpenCL и CUDA, позволяют использовать графические карты для вычислений общего назначения . Приложения вычислений общего назначения на графических картах включают обучение искусственного интеллекта , майнинг криптовалют и молекулярное моделирование . [3] [4] [5]
Обычно видеокарта поставляется в виде печатной платы (платы расширения), которая вставляется в слот расширения. [6] Другие могут иметь специальные корпуса, и они подключаются к компьютеру через док-станцию или кабель. Они известны как внешние графические процессоры (eGPU).
Видеокарты часто предпочтительнее интегрированной графики для повышения производительности.
Графические карты, также известные как видеокарты или графические процессоры (GPU), исторически развивались вместе со стандартами компьютерных дисплеев , чтобы соответствовать передовым технологиям и требованиям пользователей. В области совместимых с IBM PC ранних стандартов были Monochrome Display Adapter (MDA) , Color Graphics Adapter (CGA) , Hercules Graphics Card , Enhanced Graphics Adapter (EGA) и Video Graphics Array (VGA) . Каждый из этих стандартов представлял собой шаг вперед в способности компьютеров отображать больше цветов, более высокие разрешения и более богатые графические интерфейсы, закладывая основу для развития современных графических возможностей.
В конце 1980-х годов достижения в области персональных компьютеров привели к тому, что такие компании, как Radius, разработали специализированные графические карты для Apple Macintosh II . Эти карты были уникальны тем, что включали в себя дискретные возможности 2D QuickDraw , улучшая графический вывод компьютеров Macintosh за счет ускорения рендеринга 2D-графики. QuickDraw, основная часть графического пользовательского интерфейса Macintosh, позволяла быстро отображать растровую графику, шрифты и формы, и внедрение таких аппаратных улучшений ознаменовало эру специализированной обработки графики в потребительских машинах.
Эволюция графической обработки сделала большой скачок вперед в середине 1990-х годов с выпуском 3dfx Interactive серии Voodoo , одного из самых ранних потребительских графических процессоров, который поддерживал 3D-ускорение. Однако эти карты были полностью предназначены для 3D-обработки и не имели поддержки 2D, что требовало использования отдельной 2D-графической карты в тандеме. Архитектура Voodoo ознаменовала собой значительный сдвиг в графических вычислениях, переложив сложную задачу 3D-рендеринга с CPU на GPU, что значительно улучшило игровую производительность и графический реализм.
Разработка полностью интегрированных графических процессоров, которые могли обрабатывать как 2D, так и 3D-рендеринг, началась с появлением NVIDIA RIVA 128. Выпущенный в 1997 году, RIVA 128 был одним из первых потребительских графических процессоров, который интегрировал как 3D, так и 2D-процессоры на одном чипе. Это нововведение упростило требования к оборудованию для конечных пользователей, поскольку им больше не требовались отдельные карты для 2D и 3D-рендеринга, тем самым прокладывая путь для широкого внедрения более мощных и универсальных графических процессоров в персональных компьютерах.
В настоящее время большинство графических карт построены на чипах, полученных от двух основных производителей: AMD и Nvidia . Эти современные графические карты многофункциональны и поддерживают различные задачи, выходящие за рамки рендеринга 3D-изображений для игр. Они также обеспечивают обработку 2D-графики, декодирование видео , вывод на ТВ и многомониторные конфигурации . Кроме того, многие графические карты теперь имеют встроенные звуковые возможности, что позволяет им передавать аудио вместе с видеовыходом на подключенные телевизоры или мониторы со встроенными динамиками, что еще больше улучшает мультимедийные возможности.
В графической индустрии эти продукты часто называют графическими платами расширения (AIB). [7] Термин «AIB» подчеркивает модульную природу этих компонентов, поскольку они обычно добавляются к материнской плате компьютера для улучшения его графических возможностей. Эволюция от первых дней отдельных 2D и 3D карт до сегодняшних интегрированных и многофункциональных графических процессоров отражает продолжающиеся технологические достижения и растущий спрос на высококачественные визуальные и мультимедийные возможности в вычислительной технике.
В качестве альтернативы использованию графической карты, видеооборудование может быть интегрировано в материнскую плату , ЦП или систему на кристалле в качестве интегрированной графики. Реализации на основе материнской платы иногда называют «встроенным видео». Некоторые материнские платы поддерживают использование как интегрированной графики, так и графической карты одновременно для питания отдельных дисплеев. Основными преимуществами интегрированной графики являются: низкая стоимость, компактность, простота и низкое потребление энергии. Интегрированная графика часто имеет меньшую производительность, чем графическая карта, поскольку графический процессор внутри интегрированной графики должен делить системные ресурсы с ЦП. С другой стороны, графическая карта имеет отдельную оперативную память (ОЗУ), систему охлаждения и выделенные регуляторы мощности. Графическая карта может разгрузить работу и уменьшить конкуренцию за шину памяти от ЦП и системной оперативной памяти, поэтому общая производительность компьютера может улучшиться в дополнение к повышению производительности при обработке графики. Такие улучшения производительности можно увидеть в видеоиграх , 3D-анимации и редактировании видео . [8] [9]
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 с интегрированной графикой под торговой маркой Accelerated Processing Unit (APU), в то время как Intel выпускает похожую технологию под торговой маркой « Intel Graphics Technology ». [10]
По мере увеличения вычислительной мощности видеокарт росла и их потребность в электроэнергии. Современные высокопроизводительные видеокарты, как правило, потребляют большое количество энергии. Например, тепловая расчетная мощность (TDP) для GeForce Titan RTX составляет 280 Вт . [11] При тестировании с видеоиграми среднее потребление энергии GeForce RTX 2080 Ti Founder's Edition составило 300 Вт. [12] В то время как производители ЦП и блоков питания в последнее время стремятся к повышению эффективности, требования к мощности видеокарт продолжают расти, при этом потребление энергии является самым большим среди всех отдельных компонентов компьютера. [13] [14] Хотя блоки питания также увеличили свою выходную мощность, узкое место находится в соединении PCI-Express , которое ограничено подачей 75 Вт. [15]
Современные видеокарты с потребляемой мощностью более 75 Вт обычно включают комбинацию из шестиконтактных (75 Вт) или восьмиконтактных (150 Вт) разъемов, которые подключаются напрямую к источнику питания. Обеспечение адекватного охлаждения становится проблемой в таких компьютерах. Компьютерам с несколькими видеокартами могут потребоваться блоки питания мощностью более 750 Вт. Отвод тепла становится основным фактором при проектировании компьютеров с двумя или более высокопроизводительными видеокартами. [ необходима цитата ]
Что касается серии Nvidia GeForce RTX 30, архитектура Ampere , то было зафиксировано, что RTX 3090 с пользовательской вспышкой под названием «Hall of Fame» достигла пиковой потребляемой мощности до 630 Вт. Стандартная RTX 3090 может достигать пиковой мощности до 450 Вт. RTX 3080 может достигать до 350 Вт, в то время как 3070 может достигать аналогичной, если не немного более низкой пиковой потребляемой мощности. Карты Ampere варианта Founders Edition имеют конструкцию охладителя «двойной осевой поток через» [16] , которая включает вентиляторы над и под картой для рассеивания как можно большего количества тепла в направлении задней части корпуса компьютера. Похожая конструкция использовалась в видеокарте Sapphire Radeon RX Vega 56 Pulse. [17]
Видеокарты для настольных компьютеров имеют разные профили размеров, что позволяет добавлять видеокарты в компьютеры меньшего размера. Некоторые видеокарты не имеют обычного размера и называются «низкопрофильными». [18] [19] Профили видеокарт основаны только на высоте, при этом низкопрофильные карты занимают меньше высоты слота PCIe, некоторые могут быть всего лишь «половинной высоты». [ требуется цитата ] Длина и толщина могут сильно различаться, при этом высококлассные карты обычно занимают два или три слота расширения, а современные высококлассные видеокарты, такие как RTX 4090, превышают длину 300 мм. [20] Карта с более низким профилем предпочтительна 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 более крупного компьютерного корпуса, такого как mid-tower или full-tower. Full-tower обычно подходят для более крупных материнских плат таких размеров, как ATX и micro-ATX. [ требуется цитата ]
В конце 2010-х и начале 2020-х годов некоторые модели видеокарт высокого класса стали настолько тяжелыми, что они могут провисать вниз после установки без надлежащей поддержки, поэтому многие производители предоставляют дополнительные опорные кронштейны. [21] Провисание графического процессора может повредить графический процессор в долгосрочной перспективе. [21]
Некоторые видеокарты можно объединить, чтобы масштабировать обработку графики на нескольких картах. Это делается с помощью шины PCIe на материнской плате или, что более распространено, моста данных. Обычно карты должны быть одной модели для объединения, и большинство бюджетных карт не могут быть объединены таким образом. [22] У AMD и Nvidia есть собственные методы масштабирования: CrossFireX для AMD и SLI (начиная с поколения Turing , замененного NVLink ) для Nvidia. Карты от 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 игнорируются. В настоящее время масштабирование на картах потребительского класса можно выполнить с использованием до четырех карт. [23] [24] [25] Для использования четырех карт требуется большая материнская плата с надлежащей конфигурацией. Видеокарта GeForce GTX 590 от Nvidia может быть сконфигурирована в конфигурации из четырех карт. [26] Как указано выше, пользователи захотят придерживаться карт с одинаковой производительностью для оптимального использования. Материнские платы, включая ASUS Maximus 3 Extreme и Gigabyte GA EX58 Extreme, сертифицированы для работы с этой конфигурацией. [27] Для работы карт в SLI или CrossFireX необходим большой блок питания. Требования к питанию должны быть известны до установки надлежащего блока питания. Для конфигурации из четырех карт необходим блок питания мощностью более 1000 Вт. [27] С любой относительно мощной видеокартой нельзя игнорировать управление температурой. Видеокартам требуются хорошо вентилируемые корпуса и хорошие тепловые решения. Обычно требуется воздушное или водяное охлаждение, хотя графические процессоры начального уровня могут использовать пассивное охлаждение. Более крупные конфигурации используют водные решения или иммерсионное охлаждение для достижения надлежащей производительности без теплового дросселирования. [28]
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. [29] [30] [31] Несколько графических процессоров по-прежнему используются на суперкомпьютерах (например, в Summit ), на рабочих станциях для ускорения видео [32] [33] [34] и 3D-рендеринга, [35] [36] [37] [38] [39] визуальных эффектов , [40] [41] для моделирования, [42] и для обучения искусственного интеллекта.
Графический драйвер обычно поддерживает одну или несколько карт одного и того же поставщика и должен быть написан для определенной операционной системы. Кроме того, операционная система или дополнительный программный пакет могут предоставлять определенные программные API для приложений, чтобы выполнять 3D-рендеринг.
Некоторые графические процессоры разработаны с учетом конкретных условий использования:
По состоянию на 2016 год основными поставщиками графических процессоров (графических чипов или чипсетов), используемых в графических картах, являются AMD и Nvidia. В третьем квартале 2013 года доля рынка AMD составляла 35,5%, а Nvidia — 64,5% [43] по данным Jon Peddie Research. В экономике такая структура отрасли называется дуополией . AMD и Nvidia также производят и продают графические карты, которые в отрасли называются графическими платами расширения (AIB). (См. Сравнение графических процессоров Nvidia и Сравнение графических процессоров AMD .) Помимо маркетинга собственных графических карт, AMD и Nvidia продают свои графические процессоры авторизованным поставщикам AIB, которых AMD и Nvidia называют «партнерами». [44] Тот факт, что Nvidia и AMD напрямую конкурируют со своими клиентами/партнерами, усложняет отношения в отрасли. AMD и Intel являются прямыми конкурентами в отрасли ЦП, что также заслуживает внимания, поскольку видеокарты на базе AMD могут использоваться в компьютерах с ЦП Intel. Интегрированная графика Intel может ослабить AMD, в которой последняя получает значительную часть своего дохода от своих APU . По состоянию на второй квартал 2013 года насчитывалось 52 поставщика AIB. [44] Эти поставщики AIB могут продавать видеокарты под своими собственными брендами, производить видеокарты для частных торговых марок или производить видеокарты для производителей компьютеров. Некоторые поставщики AIB, такие как MSI, производят как видеокарты на базе AMD, так и Nvidia. Другие, такие как EVGA , производят только видеокарты на базе Nvidia, в то время как XFX теперь производит только видеокарты на базе AMD. Несколько поставщиков AIB также являются поставщиками материнских плат. Большинство крупнейших поставщиков AIB базируются в Тайване, и они включают ASUS , MSI , GIGABYTE и Palit . Производители AIB из Гонконга включают Sapphire и Zotac . Sapphire и Zotac также продают видеокарты исключительно для графических процессоров AMD и Nvidia соответственно. [45]
Поставки видеокарт достигли пика в 114 миллионов в 1999 году. Для сравнения, в третьем квартале 2013 года они составили 14,5 миллионов единиц, что на 17% меньше, чем в третьем квартале 2012 года. [43] В 2015 году поставки достигли годового общего объема в 44 миллиона . [ требуется цитата ] Продажи видеокарт имеют тенденцию к снижению из-за улучшений в технологиях интегрированной графики; высокопроизводительная графика, интегрированная в ЦП, может обеспечить конкурентоспособную производительность с низкопроизводительными видеокартами. В то же время продажи видеокарт выросли в сегменте high-end, поскольку производители переключили свое внимание на игровой и энтузиастский рынок. [45] [46]
Помимо игрового и мультимедийного сегментов, видеокарты все чаще используются для вычислений общего назначения , таких как обработка больших данных . [47] Рост криптовалюты привел к чрезвычайно высокому спросу на высокопроизводительные видеокарты, особенно в больших количествах, из-за их преимуществ в процессе майнинга криптовалюты. В январе 2018 года видеокарты среднего и высокого класса испытали значительный скачок цен, и у многих розничных продавцов возник дефицит запасов из-за значительного спроса на этом рынке. [46] [48] [49] Компании, производящие видеокарты, выпустили специальные карты для майнинга, предназначенные для работы 24 часа в сутки, семь дней в неделю и без портов видеовыхода. [5] Индустрия видеокарт понесла убытки из-за нехватки чипов в 2020–2021 годах . [50]
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 с целью ускорения построения изображений в буфере кадра, предназначенном для вывода на дисплей. Из-за большой степени программируемой вычислительной сложности для такой задачи современная графическая карта также является компьютером сама по себе.
.jpg/1280px-S3_Graphics_chrome_530_GT_card_(3044640155).jpg)
На большинстве современных видеокарт установлен радиатор . Радиатор равномерно распределяет тепло, вырабатываемое графическим процессором, по всему радиатору и самому блоку. Радиатор обычно имеет вентилятор, установленный для охлаждения радиатора и графического процессора. Не все карты имеют радиаторы , например, некоторые карты имеют жидкостное охлаждение и вместо этого имеют водоблок; кроме того, карты 1980-х и начала 1990-х годов не выделяли много тепла и не требовали радиаторов. Большинству современных видеокарт нужны надлежащие тепловые решения. Они могут охлаждаться водой или через радиаторы с дополнительными подключенными тепловыми трубками, обычно изготовленными из меди для лучшей теплопередачи. [ необходима цитата ]
Видео BIOS или прошивка содержит минимальную программу для начальной настройки и управления графической картой. Она может содержать информацию о памяти и ее синхронизации, рабочих скоростях и напряжениях графического процессора и другие детали, которые иногда могут быть изменены. [ необходима цитата ]
Современные видео BIOS не поддерживают полную функциональность графических карт; они достаточны только для идентификации и инициализации карты для отображения одного из нескольких кадровых буферов или режимов текстового отображения. Он не поддерживает преобразование YUV в RGB , масштабирование видео, копирование пикселей, композитинг или любую из множества других 2D и 3D функций графической карты, к которым должны обращаться программные драйверы. [ необходима цитата ]
Объем памяти большинства современных графических карт составляет от 2 до 24 ГБ . [51] Но с объемом до 32 ГБ в последние 2010-е годы приложения для использования графики становятся все более мощными и распространенными. Поскольку видеопамять должна быть доступна графическому процессору и схеме дисплея, она часто использует специальную высокоскоростную или многопортовую память, такую как VRAM , WRAM , SGRAM и т. д. Около 2003 года 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 в современных картах обычно составляет от 2 до 15 ГГц . [ необходима цитата ]
Видеопамять может использоваться для хранения других данных, а также изображения на экране, например, Z-буфера , который управляет координатами глубины в 3D-графике , а также текстур , буферов вершин и скомпилированных шейдерных программ .
RAMDAC , или цифро-аналоговый преобразователь с произвольным доступом к памяти, преобразует цифровые сигналы в аналоговые сигналы для использования компьютерным дисплеем, который использует аналоговые входы, например, дисплеями с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). RAMDAC — это своего рода микросхема RAM, которая регулирует работу графической карты. В зависимости от количества используемых бит и скорости передачи данных RAMDAC преобразователь сможет поддерживать различные частоты обновления компьютерного дисплея. С дисплеями с ЭЛТ лучше всего работать на частоте более 75 Гц и никогда ниже 60 Гц, чтобы минимизировать мерцание. [52] (Это не проблема для ЖК-дисплеев, поскольку они практически не мерцают. [ необходима цитата ] ) Из-за растущей популярности цифровых компьютерных дисплеев и интеграции RAMDAC в кристалл графического процессора, он в основном исчез как дискретный компонент. Все современные ЖК-мониторы/плазменные телевизоры и проекторы с цифровыми соединениями работают в цифровом формате и не требуют RAMDAC для этих соединений. Существуют дисплеи, которые имеют только аналоговые входы ( 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, вытекающей из этого цифро-аналогово-цифрового преобразования. [ необходима цитата ] С постепенным отказом от стандарта VGA в пользу цифровых форматов RAMDAC начали исчезать из графических карт. [ необходима цитата ]
Наиболее распространенные системы соединения видеокарты и дисплея компьютера:
Также известный как D-sub , VGA — это аналоговый стандарт, принятый в конце 1980-х годов для дисплеев с ЭЛТ, также называемый разъемом VGA . Сегодня аналоговый интерфейс VGA используется для видеоразрешений высокой четкости, включая 1080p и выше. Некоторые проблемы этого стандарта — электрический шум , искажение изображения и ошибка выборки при оценке пикселей. Хотя пропускная способность передачи VGA достаточно высока для поддержки воспроизведения с еще 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-мониторах или телевизорах большего размера, ухудшение качества, если оно присутствует, заметно. Воспроизведение Blu-ray с разрешением 1080p возможно через аналоговый интерфейс VGA, если на диске Blu-ray не включен маркер ограничения изображения (ICT).
Цифровой визуальный интерфейс — это цифровой стандарт, разработанный для дисплеев, таких как плоские дисплеи ( ЖК-дисплеи , плазменные экраны, широкоэкранные телевизионные дисплеи высокой четкости ) и видеопроекторы. Также были некоторые редкие высококачественные ЭЛТ-мониторы, которые использовали DVI. Он позволяет избежать искажения изображения и электрических помех, сопоставляя каждый пиксель с компьютера с пикселем дисплея, используя его собственное разрешение . Стоит отметить, что большинство производителей включают в комплект разъем DVI- I , позволяющий (через простой адаптер) выводить стандартный сигнал RGB на старый ЭЛТ- или ЖК-монитор с входом VGA.
Эти разъемы включены для обеспечения подключения к телевизорам , DVD-плеерам , видеомагнитофонам и игровым консолям . Они часто поставляются в двух вариантах 10-контактного разъема mini-DIN , а кабель-разветвитель VIVO обычно поставляется либо с 4 разъемами ( вход и выход S-Video плюс композитный видео вход и выход), либо с 6 разъемами (вход и выход S-Video, компонентный выход YP B P R и композитный вход и выход).
HDMI — это компактный аудио/видеоинтерфейс для передачи несжатых видеоданных и сжатых/несжатых цифровых аудиоданных с устройства, совместимого с HDMI («исходное устройство»), на совместимое цифровое аудиоустройство , компьютерный монитор , видеопроектор или цифровой телевизор . [53] HDMI — это цифровая замена существующих аналоговых видеостандартов . HDMI поддерживает защиту от копирования через HDCP .
DisplayPort — это цифровой интерфейс отображения, разработанный Ассоциацией стандартов видеоэлектроники (VESA). Интерфейс в основном используется для подключения источника видео к устройству отображения , такому как монитор компьютера , хотя он также может использоваться для передачи аудио, USB и других форм данных. [54] Спецификация VESA не требует отчислений . VESA разработала его для замены VGA , DVI и LVDS . Обратная совместимость с VGA и DVI с помощью адаптеров- донглов позволяет потребителям использовать источники видео, оснащенные DisplayPort, без замены существующих устройств отображения. Хотя DisplayPort имеет большую пропускную способность при той же функциональности, что и HDMI , ожидается, что он будет дополнять интерфейс, а не заменять его. [55] [56]
.png/1280px-ATI_Hercules_Card_1986_(cropped_and_transparent).png){kind=spacer}
Хронологически системы соединения между видеокартой и материнской платой были, в основном:
В следующей таблице представлено сравнение функций некоторых интерфейсов, перечисленных выше.
