Kaj je grafična kartica in kako deluje?

Čisto vsak računalnik potrebuje grafično kartico. Dandanes za resnejše delo, kot je grafično oblikovanje ali igranje iger, potrebujemo samostojno grafično kartico, medtem ko za pisarniško delo, brskanje po spletu in predvajanje filmov zadostuje že integrirana grafična kartica. Kot že samo ime pove, je ta del računalniške strukture zadolžen za prikazovanje slike na računalniškem zaslonu, ki je sestavljena iz drobnih pikic, katerim pravimo piksli. Današnji ekrani vsebujejo že več milijonov pikslov in grafična kartica mora seveda vedeti, kaj narediti z vsakim, da se nam na zaslonu prikaže slika. Ker pa to še ni dovolj zahtevno, se vsak piksel osveži približno 60 krat v sekundi (pri 60Hz zaslonih).

Razgibana zgodovina

Razvoj grafičnih kartic sega že v 70. leta dvajsetega stoletja. Prvič so se pojavile v arkadnih napravah. Arkadni sistem Namco Galaxian je leta 1979 uporabljal specializirano grafično kartico, ki je podpirala RGB spektrum 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 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. Mogoče pa prav takšno uporabljajo v seriji Fallout.

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

V letu 1988 nas je ATI presenetil z njihovo “VGA Wonder Card”. Imela je digitalni in analogni video konektor. Grafično jedro je delovalo pri hitrosti 10MHz, video pomnilnik pa je bil velikosti 256KB, katerega se je dalo nadgraditi na 512KB.

Leta 1996 je 3dfx predstavil grafično kartico Voodoo1, ki je prva grafična kartica, dostopna domačim uporabnikom, sposobna poganjati 3D grafiko. Jedro se je vrtelo pri 50MHz, video pomnilnik pa je bil, za takratne razmere, vrtoglavih 2MB. Jedro je bilo izdelano na 500nm tehnologiji. 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 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 dve grafični kartici v skupnem delovanju. To tehnologijo si je Nvidia prisvojila leta 2004.

Počasi je začelo podjetje 3dfx zaradi slabih odločitev v vodstvu propadati in tako ga je leta 2002 prevzela Nvidia (predvsem zaradi avtorskih pravic). Začetek modernih grafičnih kartic se je začel leta 1999, ko je Nvidia izdelala kartico GeForce 256. Podpirala je DirectX 7, jedro se je vrtelo pri 166MHz s pomočjo 32MB video pomnilnika. Istočasno je ATI izdal kartico Rage Fury Maxx, ki je bila prva grafična kartica z dvema grafičnima jedrima. Jedro je imelo frekvenco 125MHz, vendar je imela še enkrat toliko pomnilnika, kot kartica iz nasprotnega tabora, 64MB.

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 vseh časov. Leta 2004 je Nvidia izdala GeForce 6800, prvo kartico iz strani Nvidie 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 dve največji podjetji za izdelavo grafičnih kartic, te pa dosegajo vedno večjo zmogljivost.

Integrirana ali samostojna?

OK, zdaj smo dali skozi celo šolsko uro poučne zgodovine. Poglejmo si, kakšne so razlike med integrirano in samostojno grafično kartico. Ker nekateri uporabniki ne potrebujejo zmogljivih in cenovno zelo dragih grafičnih kartic, sta proizvajalca Intel in AMD v svoje procesorje ali matične plošče začela vgrajevati integrirana grafična jedra, katera so čisto dovolj za pisarniška opravila in brskanje po spletu. Taka 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, seveda pa je navadno to funkcija, ki se samostojno vklopi ob dodanju ločene grafične kartice.

Prednost integriranih grafičnih kartic je predvsem nižja cena in nižja poraba, slabost pa predvsem to, da mora deliti “resurse” z procesorjem. Medtem ima samostojna grafična kartica svoj pomnilnik (RAM), hlajenje, napajanje, vsi ti deli so pa še dodatno specializirani za procesiranje slike.

Velikost, poraba, hlajenje in SLI/CrossFire

Medtem ko pri integriranih karticah ne rabimo paziti na njihovo velikost in porabo, je le to pri samostojnih še kako pomembno, saj jih najdemo namreč v vseh možnih velikostih. Zasedejo lahko 1, 2 ali celo 3 razširitvene reže, v dolžino pa merijo od dolžine PCIe reže pa vse do 30cm in več. Prav tako je potrebno paziti na širino grafičnih kartic, saj se lahko zgodi, da ne boste mogli zapreti stranice računalnika.

Za pogon najzahtevnejših iger, potrebujemo zmogljivo grafično kartico, kar pa privede do večje porabe (ta se zmanjšuje iz generacije v generacijo). Porabijo pa lahko od vrtoglavih 500W (AMD R9 295X2), pa do manj kot 75W. S tem se razlikujejo tudi napajalni priključki na sami kartici. Če ima manj kot 75W se napaja kar iz PCIe reže, če pa ima porabo višjo potrebuje samostojno napajanje iz napajalnika. Večja kot je poraba, višje so tudi temperature, za kar pa poskrbijo hladilniki vseh vrst. Najosnovnejši so pasivni hladilniki, sledijo jim tisti z 1, 2 ali 3 ventilatorji, entuziasti pa radi posežejo po vodnem hlajenju. Zračno hlajenje se deli pa 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 izpihajo ven iz ohišja, odprti hladilniki pa pihajo skozi hladilna rebra v grafično kartico in zrak izpihujejo v ohišje iz vseh strani kartice.

Za tiste, ki jim nikoli ni dovolj pa obstaja tehnologija SLI iz strani Nvidie in CrossFire iz strani AMD-ja, s katero lahko povežemo 2 ali več grafičnih kartic skupaj za povečanje grafične moči. Tukaj bi rad poudaril, 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.

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.

Grafična procesna enota (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 ta mnogo več jeder, vendar so precej šibkejša in tečejo na manjši frekvenci.

Video pomnilnik (VRAM)

Pomnilnik na modernih grafičnih karticah znaša v povprečju od 4GB pa vse do 12GB, za strokovne namene se pa najdejo tudi do 32GB. V video pomnilniku se nahaja slika, ki se prikaže na zaslonu in razne teksture. Omogoča precej večjo 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 so brez ventilatorja. Služi odvajanju toplote iz grafičnega jedra, pomnilnika, napajalnega sistema, itd. Namesto zračnega hladilnika lahko uporabimo vodni blok, ki je pa 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 druge detajle, 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 pa smo uporabljali vodila kot so AGP, PCI-X, ISA in druge.

Izhodi

Poznamo ogromno različnih vrst video izhodov. Danes je med najbolj uporabljenimi HDMI, DisplayPort in DVI, prav tako pa ne smemo pozabiti na VGA, saj je še vedno močno prisoten v naših domovih.

Delovanje grafične kartice

Ok, 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 samo igro ogromno. Ker so takšni problemi enostavni za preračunavanje je bolj efektivno in hitreje, če jih preračuna 1000 jeder, čeprav so precej počasnejša, kot pa 4 ali 8 jeder. Mogoče vam bom lahko razložil 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 pa učitelj zaradi večjega 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 ne pojavijo piksli na zaslonu.

Povzetek

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

O tem katero grafično kartico kupiti si lahko preberete v članku “Katero grafično kartico kupiti (Februar 2017)?“