Сейчас компоненты ПК имеют тенденцию к интеграции: в материнские платы «засовывают» звуковые и видеокарты, а в цп интегрируют ядро для обработки графики.

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

Филиал РУДН в г. Перми

 

Факультет: ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА

Дисциплина: ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

 

 

РЕФЕРАТ ПО ТЕМЕ

«Архитектура видеокарт»

Фарыма Глеб Алексеевич

 1 курс, ПИ-10-1

№ 3732100153

 

 

ПЕРМЬ

                                                    2011 год         

Содержание

 

 

Введение……………………………………………………………………………………….3

Основные характеристики видеокарт……………………………………………….………5

Основные компоненты видеокарты………………………………………………………....6

Технологии…………………………………………………………………………………....6

Технологии NVIDIA………………………………………………………………………….7

Технологии AMD………………………………………………………………………….…8

Интерфейсы видеокарт……………………………………………………………………....9

Функциональные блоки видеокарт…………………………………………………………12

Решения на нескольких видеокартах……………………………………………………….13

Устройство видеоускорителя………………………………………………………………..15

Классический пример конвейера……………………………………………………………20

Унифицированная архитектура……………………………………………………………...21

Ядро и память.Разгон.………………………...…………………………………..…………..22

Заключение………………………………………………….…………………………….…...22

Источники……………………………………………………………………………………...23

Введение.

Работа с графикой – одна из сложных задач, выполняемым персональным компьютером. Видеокарта – это сложное многофункциональное звено из всех компонентов компьютера. По другому ее также еще называют видеоплата, видеоадаптер. На нее ложатся такие задачи, как обработка и вывод на экран монитора изображения. Видеоплата обладает собственной оперативной памятью и не зависит от основной.

В последнее время многие системные платы идут с встроенным видеоядром и исходя из этого покупать отдельно видеокарту нет необходимости.

Все пользователи ПК делятся на две группы:

Пользователи, работающие с офисными приложениями, Интернетом, простой графикой, прослушиванием музыки – для них качество видеокарты стоит не на первом месте;

Пользователи-любители компьютерных игр и профессиональные дизайнеры – для них вопрос качества видеокарты просто жизненно необходим.

Видеокарты обычно являются так называемыми платами расширения, которые вставляются в специальные слоты на основной (системной или материнской) плате компьютера. Это сделано для упрощения модернизации, прежде всего. Самые дешевые графические решения могут быть встроены в чипсет системной платы, они обычно хоть и могут выполнять функции игровой 3D видеокарты, но делают это крайне медленно и подходят разве что для обычной офисной работы или двухмерных игр. У пользователя есть возможность как покупки нового компьютера целиком, так и модернизации (или upgrade — апгрейда) старой конфигурации, с приобретением части новых и вероятной продажи (выбрасывания в мусор, откладывания на черный день или для сборки очередного ПК — на выбор) старых комплектующих. Заменив наиболее важные комплектующие, зачастую можно сравнительно небольшими средствами поднять производительность ПК для того, чтобы играть в современные игры с приемлемой производительностью.

Несмотря на то, что определение слабого звена для игрового компьютера не всегда является простой задачей, чаще всего в низкой производительности будет виновата именно видеокарта, а не процессор или малый объем памяти. Да, существуют игры, которые при определенных условиях будут ограничены процессором (они называются «процессорозависимыми»), игры, которые сильно страдают от недостатка оперативной памяти, но в первую очередь, производительность игры зависит от видеокарты. И чем более высокие графические настройки в играх вы хотите использовать, тем большая нагрузка ляжет на неё, и тем большая зависимость будет от её производительности. Особенно к этому относятся такие настройки, как разрешение экрана, уровень антиалиасинга и анизотропной фильтрации, которые нагружают исключительно видеокарту.

Сейчас компоненты ПК имеют тенденцию к интеграции: в материнские платы «засовывают» звуковые и видеокарты, а в ЦП интегрируют ядро для обработки графики.

Вероятно, данная тенденция вызвана желанием создать унифицированный процессор, который обрабатывал бы все сразу, так как подобный подход к обработке информации был «обкатан» на консолях (Xbox, Xbox 360 совмещали 3 вида обработчиков в 1) и показал себя очень неплохо. Возможно, эта архитектура и была уместна на консолях, но, похоже, принцип взаимозаменяемости компонентов будет сопровождать ПК ещё долго.

Зато на «персоналках» прослеживается тоже кое-что занятное: разработчики, уперевшись в предел частоты одного ядра, делают ставку на распараллеливание вычислений, и не зря – коэффициент прироста производительности от последующих ядер все возрастает (в основном благодаря усовершенствованию технологий).

Технологии.

Основное назначение – придать картинке максимальную реалистичность при минимальных ресурсозатратах. В связи с тем, что поставщика видеокарт два, то технологии разнятся. Но специфика развития отрасли и продвижение ОC Windows заставляет производителей придерживаться общих технологий:

1) DirectX — библиотека драйверов, встроенных в Windows, позволяющая игровым программам использовать такие возможности «железа», как встроенные технологии сглаживания (сейчас есть DirectX 10,11.).

2) Пиксельные шейдеры - создают максимально реалистичные повер­хности, от дрожащего на ветру листа до волнистой глади озера, регулируют освещенность пикселей. DX 8.1 поддерживает шейдеры версии 1.1, DX 9.0 — шейдеры 2.0, DX 9.0c — шейдеры 3.0 и DX10 — шейдеры версии 4.0.

3) Поддержка цифрового интерфейса вывода (DV). Жидкокристаллические мониторы скоро совсем вытеснят привычные для нас модели на ос­нове электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Большинство ЖК-мониторов поддерживает не аналоговый, а цифровой метод передачи информа­ции с системного блока, и производители видеоплат все чаще осна­щают их соответствующим разъемом.

 

Технологии NVIDIA

1) 3D Vision для профессионалов обеспечивают высококачественную среду для работы со стереоскопическим 3D.

2) Технология 3D VISION Surround позволяет задействовать три монитора в режиме Full HD 3D.

3) Архитектура CUDA - это революционная архитектура параллельных вычислений.

4) NVIDIA GPUDirect™ - обеспечивает прирост производительности до 30% при передаче данных. Непосредственный доступ к памяти к видеопамяти, минуя ОЗУ.

5) Hybrid SLI - о бъединяет дискретные графические процессоры с встроенным в материнскую плату.

6) Технология Optimus автоматически оптимизирует расход заряда батареи, обеспечивая более долгую работу и поддерживая графическую производительность.

7) PhysX – это мощный физический движок, обеспечивающий реалистичную физику в режиме реального времени в самых последних ведущих играх для ПК и консоли.

8) PowerMizer - передовая программно-аппаратная технология специально предназначена для увеличения времени работы ноутбуков от батарей. PowerMizer позволяет пользователям настраивать производительность системы и потребление энергии под свои нужды с помощью удобных инструментов настройки.

9) PureVideo обеспечивает плавное воспроизведение HD видео во всех форматах при высокой четкости картинки. Субпиксельная обработка высокой точности позволяет масштабировать видео так, что даже в маленьких окнах видео будет иметь HD качество.

10) SLI - многопроцессорная графическая технология использует увеличенную полосу пропускания шины PCI Express и включает интеллектуальные аппаратные и программные средства, позволяющие нескольким графическим процессорам работать эффективно для достижения высокой производительности.

Раньше компания NVIDIA предлагала поддержку технологии SLI только в своих чипсетах. С закатом бизнеса разработчикам пришлось ослабить поводья ― поддержка SLI появилась во многих чипсетах Intel. Наконец, в лагере «зеленых» решили сдаться окончательно. Если верить опубликованным данным, компания собирается активировать свою технологию в чипсетах для будущих процессоров AMD на основе микроархитектуры Bulldozer.

Информация была получена из внутренней презентации компании NVIDIA.

 Разработчик предложит поддержку SLI в чипсетах AMD 990FX (SLI, 3-way SLI) и AMD 990X (SLI). Эти чипсеты предназначены для работы с процессорами под кодовым именем Zambezi ― это настольные “монстры” для энтузиастов. Компания NVIDIA предполагает, что будущая платформа AMD предложит весьма высокую производительность в играх, так что SLI отлично дополнит общую функциональность. Что важно, компания не собирается активировать поддержку технологии через переходный мост NF200 ― чипсеты обойдутся без дополнительной дорогостоящей логики – это значительно упростит слияние технологий этих компаний и снизит цену.

 

Интерфейсы видеокарт.

1) AGP (Accelerated Graphics Port или Advanced Graphics Port) — это высокоскоростной интерфейс, основанный на спецификации PCI, но созданный специально для соединения видеокарт и системных плат. Шина AGP лучше подходит для видеоадаптеров по сравнению с PCI (не Express!) потому, что она предоставляет прямую связь между центральным процессором и видеочипом, а также некоторые другие возможности, увеличивающие производительность в некоторых случаях, например, GART — возможность чтения текстур напрямую из оперативной памяти, без их копирования в видеопамять; более высокую тактовую частоту, упрощенные протоколы передачи данных и др.В отличие от универсальной шины PCI, AGP используется только для видеокарт.

Интерфейс имеет несколько версий, последняя из них — AGP 8x с пропускной способностью 2.1 Гб/с, что в 8 раз больше начального стандарта AGP с параметрами 32-бит и 66 МГц. Новых системных плат с AGP уже не выпускают, они окончательно уступили рынок решениям с интерфейсом PCI Express, но AGP до сих пор имеет широкое распространение и дает достаточную пропускную способность даже для новых видеочипов.Спецификации AGP появились в 1997 году, тогда Intel выпустил первую версию описания, включающую две скорости: 1x и 2x. Во второй версии (2.0) появился AGP 4x, а в 3.0 — 8x. Рассмотрим все варианты подробнее:
AGP 1x — это 32-битный канал, работающий на частоте 66 МГц, с пропускной способностью 266 Мбайт/с, что в два раза выше полосы PCI (133 Мбайт/с, 33 МГц и 32-бит).
AGP 2x — 32-битный канал, работающий с удвоенной пропускной способностью 533 Мбайт/с на той же частоте 66 МГц за счет передачи данных по двум фронтам, аналогично DDR памяти (только для направления «к видеокарте»).
AGP 4x — такой же 32-битный канал, работающий на 66 МГц, но в результате дальнейших ухищрений была достигнута учетверенная «эффективная» частота 266 МГц, с максимальной пропускной способностью более 1 ГБ/с.
AGP 8x — дополнительные изменения в этой модификации позволили получить пропускную способность уже до 2.1 ГБ/с.Видеокарты с интерфейсом AGP и соответствующие слоты на системных платах совместимы в определенных пределах. Видеокарты, рассчитанные на 1.5 В, не работают в 3.3 В слотах, и наоборот. Но существуют универсальные разъемы, которые поддерживают оба типа плат. В настоящее время этот интерфейс устарел, но используется на многих старых ПК и энтузиастами, ведь основная проблема этого интерфейса – отсутствие технологической поддержки (например, DirectX 10 или PhysX.)

2) PCI Express (PCIe или PCI-E, не путать с PCI-X), ранее известная как Arapaho или 3GIO, отличается от PCI и AGP тем, что это последовательный, а не параллельный интерфейс, что позволило уменьшить число контактов и увеличить пропускную способность. PCIe — это лишь один из примеров перехода от параллельных шин к последовательным, вот другие примеры этого движения: HyperTransport, Serial ATA, USB и FireWire. Важное преимущество PCI Express в том, что он позволяет складывать несколько одиночных линий в один канал для увеличения пропускной способности. Многоканальность последовательного дизайна увеличивает гибкость, медленным устройствам можно выделять меньшее количество линий с малым числом контактов, а быстрым — большее.Интерфейс PCIe пропускает данные на скорости 250 Мбайт/с на одну линию, что почти вдвое превышает возможности обычных слотов PCI. Максимально поддерживаемое слотами PCI Express количество линий — 32, что дает пропускную способность 8 ГБ/с. А PCIe слот с восемью рабочими линиями примерно сопоставим по этому параметру с быстрейшей из версий AGP. Что еще больше впечатляет при учете возможности одновременной передачи в обоих направлениях на высокой скорости. Наиболее распространенные слоты PCI Express x1 дают пропускную способность одной линии (250 Мбайт/с) в каждом направлении, а PCI Express x16, который применяется для видеокарт, и в котором сочетается 16 линий, обеспечивает пропускную способность до 4 ГБ/с в каждом направлении.Несмотря на то, что соединение между двумя PCIe устройствами иногда собирается из нескольких линий, все устройства поддерживают одиночную линию, как минимум, но опционально могут работать с большим их количеством. Физически, карты расширения PCIe входят и работают нормально в любых слотах с равным или большим количеством линий, так, PCI Express x1 карта будет спокойно работать в x4 и x16 разъемах. Также, слот физически большего размера может работать с логически меньшим количеством линий (например, на вид обычный x16 разъем, но разведены лишь 8 линий). В любом из приведенных вариантов, PCIe сам выберет максимально возможный режим, и будет нормально работать.Чаще всего для видеоадаптеров используются разъемы x16, но есть платы и с x1 разъемами. А большая часть системных плат с двумя слотами PCI Express x16, работает в режиме x8 для создания SLI и CrossFire систем. Физически другие варианты слотов, такие как x4, для видеокарт не используются. Напоминаю, что всё это относится только к физическому уровню, попадаются и системные платы с физическими PCI-E x16 разъемами, но в реальности с разведенными 8, 4 или даже 1 каналами. И любые видеокарты, рассчитанные на 16 каналов, работать в таких слотах будут, но с меньшей производительностью.PCI Express отличается не только пропускной способностью, но и новыми возможностями по энергопотреблению. Эта необходимость возникла потому, что по слоту AGP 8x (версия По разъему PCI Express можно передавать до 75 Вт, а дополнительные 75 Вт получают по стандартному шестиконтактному разъему питания. В последнее время появились видеокарты с двумя такими разъемами, что в сумме дает до 225 Вт.

3) PCI Express 2.0. В дальнейшем, группа PCI-SIG, которая занимается разработкой соответствующих стандартов, представила основные спецификации PCI Express 2.0. Вторая версия PCIe вдвое увеличила стандартную пропускную способность, с 2.5 Гб/с до 5 Гб/с, так что разъем x16 позволяет передавать данные на скорости до 8 ГБ/с в каждом направлении. При этом PCIe 2.0 совместим с PCIe 1.1.Спецификация PCIe 2.0 поддерживает как 2.5 Гб/с, так и 5 Гб/с скорости передачи, это сделано для обеспечения обратной совместимости с существующими PCIe 1.0 и 1.1 решениями. Обратная совместимость PCI Express 2.0 позволяет использовать прошлые решения с 2.5 Гб/с в 5.0 Гб/с слотах, которые просто будут работать на меньшей скорости. А устройство, разработанное по спецификациям версии 2.0, может поддерживать 2.5 Гб/с и/или 5 Гб/с скорости.

Основное нововведение в PCI Express 2.0 — это удвоенная до 5 Гб/с скорость, но это не единственное изменение, есть и другие нововведения для увеличения гибкости, новые механизмы для программного управления скоростью соединений и т.п. В PCI-SIG разработали новую спецификацию для обеспечения увеличивающегося энергопотребления графических карт, она расширяет текущие возможности энергоснабжения до 225/300 Вт на видеокарту. Для поддержки этой спецификации используется новый 8-ми-штырьковый разъем питания.

4) PCI Express 2.1. Основное нововведение в PCI Express 2.1 — это удвоенная до 10 Гб/с скорость.

5) PCI Express External. В 2007 году группа PCI-SIG, занимающаяся официальной стандартизацией решений PCI Express, объявила о принятии спецификации PCI Express External Cabling 1.0, описывающих стандарт передачи данных по внешнему интерфейсу PCI Express 1.1. Эта версия позволяет передавать данные со скоростью 2.5 Гб/с, а следующая должна увеличить пропускную способность до 5 Гб/с. В рамках стандарта представлены четыре внешних разъема: PCI Express x1, x4, x8 и x16. Старшие разъемы оснащены специальным язычком, облегчающим подключение. Внешний вариант интерфейса PCI Express может использоваться не только для подключения внешних видеокарт, но и для внешних накопителей и других плат расширения. Максимальная рекомендованная длина кабеля при этом равна 10 метров, но её можно увеличить при помощи соединения кабелей через повторитель.Чем это может быть полезно для видеокарт? Например, это точно может облегчить жизнь любителей ноутбуков, при работе от батарей будет использоваться маломощное встроенное видеоядро, а при подключении к настольному монитору — мощная внешняя видеокарта. Значительно облегчится апгрейд подобных видеокарт, не нужно будет вскрывать корпус ПК. Производители смогут делать совершенно новые системы охлаждения, не ограниченные особенностями карт расширения, с питанием должно быть меньше проблем — скорее всего, будут использоваться внешние блоки питания, рассчитанные специально на определенную видеокарту, их можно в один внешний корпус с видеокартой встроить, используя одну систему охлаждения. Должна облегчиться сборка систем на нескольких видеокартах (SLI/CrossFire).

Устройство видеоускорителя.

Считается, что прадедушкой современной видеокарты (также известной как графическая плата, видеоадаптер, графический адаптер, видеоакселератор) является адаптер MDA (Monochrome Display Adapter), представленный в 1981 году для IBM PC. Видеокарта того времени имела 4Кбайт видеопамяти, работала только с текстовой информацией и с разрешением 720х350 точек (80х25 символов), а цвет букв зависел от типа монитора: белые, изумрудные или янтарные. Дальнейшее развитие MDA было выпущено в 1982 году известной компанией Hercules и называлось Hercules Graphics Controller (HGC), но и эта видеокарта не позволяла работать с графикой. Стоит заметить, что длина карты HGC была более 30 см.

И только с выходом видеоадаптера CGA (Color Graphics Adapter), который стал основой для последующих стандартов, появилась возможность работать с цветной графической информацией в разрешении 320х200 (16 цветов) и 640х200 (монохромный режим – то есть чёрно-белый), при этом объём памяти видеокарты уже равнялся 16 Кбайт. Следующий стандарт для видеокарт – Enhanced Graphics Adapter (EGA), разработанный в 1984 году, позволял при разрешении 640x350 работать с 16 цветами из 64-цветной палитры одновременно. Ёмкость видеопамяти составляла всё те же 16 Кбайт, а также была заявлена совместимость с CGA и MDA.

Все описанные выше видеокарты подключались к монитору через 9-контактный разъём и передавали информацию в цифровом виде. Только с выходом адаптера стандарта MCGA (Multicolor Graphics Adapter – многоцветный графический адаптер) произошёл переход на аналоговый сигнал, так как палитра была увеличена до 262144 цветов (по 64 оттенка на каждый из базовых цветов Red/Green/Blue). Разрешение экрана, выдаваемое MCGA при работе с текстом, было 640х400 с 256 одновременно отображаемыми цветами, для графических приложений – 320х200 точек. Разъём для подключения к монитору приобретает привычный для нас вид – 15-контактный D-Sub. Следующим витком эволюции компьютерной видеоподсистемы является VGA (Video Graphics Array – графический видеомассив), который появился в 1987 году. Адаптеры VGA уже поддерживали разрешение 640х480 и 256 цветов (из палитры в 262144 цвета), объём памяти составлял 256 Кбайт, а соотношение сторон экрана равнялось привычным сейчас 4:3. Именно с этого стандарта пошло множество знакомых сейчас простонародных названий: VGA'шный монитор, VGA'шный разъём и так далее. Более того, именно из этой аббревиатуры развились сокращённые названия разрешений (например, теперь считается, что VGA – это 640х480 точек, SVGA – 800х600, XGA – 1024х768 и так далее).

И наконец, в 1991 году появляются первые адаптеры SVGA (Super VGA), позволяющие работать при разрешении 800х600 и 1024х768 точек, количество отображаемых цветов увеличилось до 65536 (High Color) и 16,7 млн (True Color). Также появляется возможность пользователю задать частоту обновления экрана монитора – до этого момента она была жёстко привязана к определённому значению. Память видеоадаптеров SVGA была уже более 1 Мбайт.

Для связи с видеокартой и передачи необходимых данных в самом начале эры IBM PC использовался интерфейс XT-Bus, потом на смену ему пришла шина ISA (Industry Standard Architecture – архитектура промышленного стандарта). Но и ISA уже не хватало для относительно большого потока данных. Тогда она была дополнена интерфейсом VLB (или VESA), который в итоге был заменён шиной PCI (Periferal Component Interconnect – объединение внешних компонентов). PCI является более универсальной шиной, через которую можно было подключать множество других контроллеров, не только видеоадаптеры, к тому же она способна работать и на других платформах.

С развитием графических оболочек операционных систем (например, Windows) видеокарты взяли на себя часть вычислений по окончательному выводу изображения на экран, которые обычно производил центральный процессор: перемещение окон, рисование линий, шрифтов и другие. С появлением трёхмерных игр видеокарты обзавелись 3D-акселератором, который сперва имел вид отдельной платы, вставляемой в свободный разъём на материнской плате, а позже уже был интегрирован дополнительным чипом на видеокарту – до этого момента видеоадаптер позволял работать только с двухмерной графикой (2D). Далее, с развитием технологий производства полупроводников, графический чип стал содержать в себе все необходимые блоки, отвечающие как за 2D-, так и 3D-графику. Для максимальной универсальности и совместимости видеокарт с программным обеспечением компания Microsoft создаёт API DirectX (API – интерфейс программирования приложений), работающий в среде Windows. Так как мир не однополярный и кроме Windows существуют и другие операционные системы, был разработан альтернативный API – мультиплатформенный OpenGL, а также его дополнение для звука – OpenAL.

Именно в те времена доминирующая на тот момент компания 3dfx (все активы 3dfx после банкротства перешли к NVIDIA) представляет технологию SLI (Scan Line Interleave – чередование строчек), благодаря которой появилась возможность объединить две подобные видеокарты с шиной PCI для формирования изображения методом чередования строк, что увеличивало быстродействие графической подсистемы и разрешение экрана. Действительно, всё новое – это хорошо (в данном случае – очень хорошо) забытое старое: спустя почти 15 лет NVIDIA возродила SLI.

Ближе к концу 90-х прошлого века видеоадаптеры получают собственную шину – AGP (Accelerated Graphics Port – ускоренный графический порт) и приобретают черты современных видеокарт: объём локальной видеопамяти достиг десятков мегабайт, появилась возможность выводить видеоизображение на ещё один приёмник, например, телевизор. Из-за ограничений шины PCI, а именно её разновидностью является AGP, производителям графических процессоров пришлось в итоге отказаться от технологий, подобных SLI (о современных компьютерных шинах вы можете узнать в этом материале).

И только в начале 2000 годов происходит революционный скачок, благодаря которому мы теперь можем наслаждаться реалистичной графикой в играх последних лет. Появился более скоростной интерфейс – PCI Express (PCI-E), появилась возможность подключать два монитора, причём информация опять выводится в цифровом виде (в более расширенном виде, чем в первых поколениях видеокарт), объём памяти в некоторых случаях достигает 1 Гбайт (1024 Мбайт). Рассказывать об эволюции видеокарт, экзотических решениях и «выдумках» инженеров можно бесконечно. Однако, учитывая темпы развития IT-индустрии и бесперспективность графических технологий и архитектур прошлого поколения, мы не станем подробно останавливаться на «старых» видеокартах, а рассмотрим современные, поддерживающие интерфейс PCI Express.

Видеокарта, как и любой другой продукт, рассчитанный на розничный рынок, поставляется в коробке (Retail-версия) как обычной, так и оригинальной формы. Изредка, в последнее время всё реже, покупателю предлагают приобрести продукт в OEM- или так называемой bulk-комплектации, то есть без коробки: антистатический пакет с видеокартой, необходимые кабели и переходники, диск с драйвером. Такая комплектация предназначена для продажи только компаниям – сборщикам компьютеров и не должна попадать в розничную продажу. Естественно, никакой разницы в видеокартах нет, не хватает лишь красивой коробки, которая обеспечивает заметную долю удовольствия от приобретения.

В комплект поставки современного видеоадаптера обычно входят всевозможные переходники, инструкция, диск с драйверами, иногда и с дополнительным программным обеспечением, а также различные бонусы (но не обязательно): игры, чехлы, джойстики.

В качестве основного примера мы рассмотрим видеокарту производства Chaintech, построенную на базе GeForce 7600GT и оснащённую 256 Мбайт видеопамяти.

Видеокарта, как и материнская плата, представляет собой очень сложное устройство, но меньших размеров и с небольшим количеством разъёмов. Размеры видеокарт примерно зависят от того класса, к которому они относятся, так как имеют схематические решения различной сложности: карты начального – Low-End – класса имеют длину около 15-18 см, Middle-End – в среднем 20 см, а длина High-End достигает 25-27 см. Конечно, это не регламентированное требование, а результат того обстоятельства, что мощные контроллеры требуют более сложного набора сопутствующих компонентов. Печатная плата видеоадаптера состоит из нескольких слоев, каждый из которых содержит тонкие токопроводящие дорожки, компоненты видеокарты устанавливаются только на верхних слоях: лицевой и обратной. И ни в коем случае нельзя делать дополнительные отверстия на плате – прецеденты были, и не один раз, – видеокарта сразу же выйдет из строя. С каждой стороны плата покрыта диэлектрическим лаком и усеяна множеством мелких элементов (резисторы, конденсаторы), так что обращаться с видеоадаптером необходимо аккуратно, чтобы не повредить эти элементы.

 

Все дорожки на плате объединяют между собой графическое ядро (GPU – графический процессор, видеоядро), видеопамять, раздельные подсистемы питания ядра и памяти (иногда и разъём для дополнительного питания – в случае мощной видеокарты), интерфейсный разъём для подключения к материнской плате, а также разъёмы для подключения мониторов и телевизора.

Ключевым компонентом любой современной видеокарты является графический процессор, который занимается расчётами выводимой на экран информации и трёхмерных сцен. На данный момент разработкой графических процессоров занимаются в основном компании NVIDIA, продвигающая серию GeForce, и AMD, купившая канадскую компанию ATI с её линейкой Radeon. Остальные игроки графического рынка, увы, не выдержали конкуренции и той скорости, с которой разрабатываются очередные поколения видеокарт, и если и выпускают свою продукцию, то отличной производительностью и массовостью похвастаться не могут. В зависимости от того, какой GPU положен в основу видеокарты, определяются её характеристики: поддержка тех или иных технологий визуализации и рендеринга, тип памяти и ширина её шины.

Графическое ядро представляет собой припаянный к плате чип, в большинстве случаев без защитной крышки, кристалл которого содержит сотни миллионов транзисторов (даже в несколько раз больше, чем у центральных процессоров). Каждый такой чип состоит из вычислительных блоков, контроллеров шины и памяти, блоков для вывода видеоинформации (RAMDAC). Вся эта структура определяется архитектурой ядра, которая сперва разрабатывается для самого мощного видеоадаптера в семействе-поколении, например: G70, G80 – NVIDIA, R580, R600 – AMD. Затем «топовое» ядро упрощается для менее производительных решений методом исключения определённых блоков. Случаи разработки принципиально новых ядер для среднего и нижнего уровня рынка довольно редки.

 

Для того чтобы удалось разместить всё больше и больше транзисторов в кристалле ядра, используются новые, более тонкие техпроцессы, благодаря которым уменьшаются размеры элементов и повышается рабочая частота чипа. На данный момент графические процессоры производятся по 90, 80 и 65 нм технологическим нормам. В сравнении с концом 90-х годов и началом 2000-х, когда доминировал техпроцесс 250-220 нм, современное производство без каких-либо оговорок можно считать настоящим прорывом, тем более что на носу уже техпроцесс 45 нм. Общее правило «тоньше техпроцесс – выше частота – меньше тепла» объясняется следующим образом: транзистор, мельчайшая единица, из которого состоят все блоки GPU, представляет собой своеобразные ворота для электронов. Стенки и «створка ворот» – затвор транзистора – изготавливаются из диэлектрика, не пропускающего ток, а передаются электроны по стоку. Но так как идеального диэлектрика нет, существуют токи утечки – некоторое количество электронов всё же пробивается через закрытый затвор, вызывая тот самый нагрев. Для того чтобы заставить транзисторы переключаться быстрее (повысить частоту), нужно подать на них больший ток, а это приведёт к большему нагреву. Более мелкие транзисторы, произведённые по более тонкому техпроцессу, требуют для своей работы меньшие токи, а следовательно, и токи утечки у них меньше. Вот потому-то более «тонкие» чипы, как правило, работают на более высокой частоте и греются меньше. Кроме того, производители полупроводников и занимающиеся собственно производством чипов неустанно изыскивают новые способы уменьшить токи утечек: новые диэлектрические сплавы и вещества с низкой проницаемостью. Вот уже мы дожили до того, что, например, ядро G86 (GeForce 8600) при хорошем охлаждении достигает и перешагивает через порог 1 ГГц.

В данный момент времени происходит переход от архитектуры традиционной конвейерной обработки данных графическим процессором к унифицированной и более гибкой благодаря новому API DirectX 10. В предыдущем поколении видеокарт данные, полученные от центрального процессора, сперва обрабатываются вершинным блоком (также называется процессором, конвейером): создаются вершины, над которыми производятся преобразования, дополненные вершинными шейдерами (программы, добавляющие некоторые эффекты объектам, например – мех, волосы, водная гладь, блеск и так далее). Далее вершины собираются в примитивы – треугольники, линии, точки, после чего переходят в пиксельный блок. Здесь определяются конечные пиксели, которые будут выведены на экран, и над ними проводятся операции освещения или затенения, текстурирования (этим занимается блок TMU – Texture Mapping Unit, который связан с пиксельным конвейером), присвоения цвета, добавляются эффекты от пиксельных шейдеров.

 

Классический пример конвейера.

Далее вычисляются координаты конкретного пикселя, чтобы отбросить те, которые будут скрыты другими объектами и не видны пользователю. В следующем блоке фрагменты собираются в полигоны, состоящие из отдельных пикселей, и уже готовая картинка передаётся в память для последующей выборки и вывода на экран. В характеристиках видеокарт, поддерживающих DirectX 9, всегда упоминается количество пиксельных, вершинных процессоров и текстурных блоков. Например, в видеоадаптере GeForce 7600 GT есть 12 пиксельных и 5 вершинных процессора (ввиду меньшей нагрузки на вершинные конвейеры их количество – в пределах 2-8 шт. в зависимости от уровня графического процессора) и 12 TMU – по одному на пиксельный конвейер. Естественно, чем больше текстурных блоков, тем больше будет производительность видеокарты. Но компания ATI, начиная с серии Radeon X1000, отошла от привычной формулы «один TMU на один пиксельный конвейер», уменьшив общее количество «текстурников», которые теперь не связаны напрямую с пиксельными процессорами благодаря оптимизации архитектуры видеоядра. При этом количество пиксельных конвейеров в самой старшей модели видеокарты было увеличено до 48, а количество TMU осталось на уровне 16 шт. Такое решение – своего рода задел на будущее, так как в последние годы всё более заметно, что разработчики игр ориентируются не на грубую силу в виде огромного числа полигонов, а на тонкий расчёт, то есть использование сложных шейдеров, требующих математической вычислительной мощи.

Недостаток процесса формирования 3D-сцены при классическом рендеринге состоит в том, что, если уже обработанные данные нужно снова запросить и изменить, приходится дожидаться завершения всего конвейера и заново вычитывать их из памяти или вообще снова получать данные от центрального процессора. Также разделение ядра на отдельные вершинные и пиксельные процессоры сильно ограничивает разработчиков графических приложений, ведь необходимо предусмотреть все варианты геометрии и эффектов в будущих играх, учитывая особенности решений обоих ведущих производителей видеокарт.

 

Ядро и память.Разгон.

Частота графического процессора задаётся, исходя из возможностей чипа или маркетинговых соображений разработчиков, иногда даже поддаётся заводскому разгону (оверклокинг – повышение рабочих частот компонентов компьютера) производителями видеокарт, чтобы выделить продукт и привлечь потенциального покупателя. Плохого в этом ничего нет, так что если есть возможность приобрести изначально разогнанный видеоадаптер, да ещё и по той цене, что и обычный, то это будет отличным выбором. Ядро рассматриваемой нами видеокарты Chaintech GeForce 7600GT функционирует на частоте 600 МГц, в отличие от номинальной в 560 МГц, – налицо заводской разгон. Обычно высокоуровневые видеокарты работают на более низких частотах, чем младшие собратья, – виной тому более высокая сложность чипа класса High-End, и с ростом частоты таких ядер будет повышаться уровень энергопотребления, а следовательно, и тепловыделение. В видеокартах классом ниже справиться с повышенным тепловыделением куда проще, чем в высокоуровневом сегменте. В некоторых графических процессорах компании NVIDIA используются различные частоты для большей части ядра и некоторых функциональных блоков, например, в GeForce 8800GTX ядро работает на частоте 575 МГц, а стрим-процессоры на частоте 1350 МГц. Или же в GeForce 7900GS ядро работает на частоте 450 МГц, а блок геометрии на 470 МГц. Более того, частота стрим-процессоров растёт не линейно по отношению к основной частоте ядра, а в процентном соотношении: если ядро разогнать с 575 до 625 МГц, то есть на 8,6%, то частота шейдерного домена составит 1466 МГц.

 

Заключение.

Видеокарты – наиболее используемый ресурс персональных компьютеров, и их значение очень велико в том смысле, что имея столько возможностей, они постоянно развиваются, что влечет за собой постоянные замены всех остальных комплектующих.

В связи с тем, что нагрузки на них возрастают, уже сейчас мы наблюдаем огромные скачки в развитии этого направления.

Возможно, уже совсем скоро забудут названия сегодняшних новинок, ведь все индустрии сейчас требуют как можно большего количества обработанных с ПК данных, а кино - и игровая индустрии являются одними из самых прибыльных по всей планете. Производительность видеокарт растет в геометрической прогрессии, равно как и их стоимость. Прогресс в этой области не остановить и уже совсем скоро, благодаря возможностям видеоадаптеров, виртуальная жизнь станет ещё более яркой.

ИСТОЧНИКИ:

http://www. radeon.ru

http://www.spravkapc.ru

http://www.ixbt.com

http://www.ferra.ru

http://www.igromania.ru

http://ru.wikipedia.org

http://www.nvidia.ru

http://www.kompstat.ru

http://www.sd-company.su

http://www.mobimag.ru

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

Филиал РУДН в г. Перми

 

Факультет: ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА

Дисциплина: ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

 

 

РЕФЕРАТ ПО ТЕМЕ

«Архитектура видеокарт»

Ф