Как работает 3d видеокарта
Мы привыкли воспринимать видеокарты как дополнение к основному процессору. А бывают даже интегрированные видюхи. Но на самом деле. Видеокарта - это компьютер в компьютере, который выполняет намного больше операций, чем остальные компоненты системы. Смотрите сами:
- В центральном процессоре - 4, 8, ну может 16 ядер. В видеокарте вычислительных блоков - тысячи!
- В ней миллиарды транзисторов, гигабайты своей видеопамяти с пропускной способностью до терабайта в секунду.
- И всё это потребляет мощности, весит и стоит как отдельный комп!
Вот например характеристики GeForce RTX 3090:
- Ядра CUDA: 10496 | Тензорные ядра : 328 | Ядра трассировки лучей: 82
- 28 млрд. транзисторов
- Видеопамять: 24 ГБ GDDR6X
- Пропускная системной памяти: > 1 ТБ/с
- Цена: от 136 990 руб.
Но раз видюхи такие производительные, зачем нам вообще центральный процессор? И в чем всё-таки отличия CPU от GPU?
А чем видеокарты отличаются между собой? Как такая бандура помещается в ноутбук? И главное выясним, можно ли в играть в Cyberpunk 2077 на ноутбуке на ультра-настройках. Поговорим об этом и о многом другом в большом разборе!
Сейчас видеокарты много чего умеют делать и часто делают некоторые задачи куда быстрее и эффективнее CPU? Но к такому положению вещей мы пришли не сразу. Первые видеокарты было бы справедливо назвать ASIC-ками (Application-Specific Integrated Circuit), то есть интегральными схемами специального назначения. Что это значит?
Центральный процессор - это универсальный чип. Он может выполнять совершенно разного рода задачи. Всё потому, что каждое ядро центрального процессора - это много разных блоков, каждый из которых умеет делать свой тип вычислений.
Это удобно, потому как на центральном процессоре мы можем сделать любое вычисление. И в принципе, один огромный ЦП может заменить собой вообще все остальные чипы. Но естественно, это будет неэффективно. Поэтому для специфических задач на помощь центральному процессору часто приходят сопроцессоры или ASIC-ки то есть отдельные чипы, заточенные под эффективное решение какой-то конкретной задачи.
Так в середине 90-х такой конкретной задачей стало ускорение первых 3D-игр вроде Quake!
Разъем PCI
Графические карты соединяются с компьютером через разъем на материнской плате. По нему подается питание и происходит обмен данными с процессором. Мощные видеокарты часто используют больше энергии, чем позволяет системная плата, поэтому они снабжаются разъемом для прямого соединения с блоком питания.
Подключение обычно производится через интерфейсы PCI, AGP и PCI Express (PCIe). Последний является наиболее современным и обеспечивает наибольшую скорость передачи данных между картой и материнской платой. PCIe поддерживает использование нескольких ускорителей графики одновременно.
Этап 1. Растеризация.
Трёхмерный объект изначально векторный. Он состоит из треугольников, которые можно описать вершинами. То есть, по сути, объект - это набор вершин, со своими координатами в трехмерном пространстве.
Но ваш экран двумерный, да ещё и состоит из пикселей. Так как нам отобразить векторный 3D объект в двухмерном пространстве? Правильно - спроецировать его!
Мы переносим координаты вершин на плоскую поверхность соединяем их при помощи уравнений прямых на плоскости и заполняем пикселями плоскости треугольников. На этом этапе мы получаем двухмерную проекцию объекта на экране.
Как работает видеокарта?
Этап 2. Текстурирование
Дальше нам нужно как-то раскрасить модельку. Поэтому на растрированный объект по текстурным координатам натягивается текстура.
Но просто натянуть текстуру недостаточно, ее нужно как-то сгладить. Иначе при приближении к объекту вы просто будите видеть сетку текселей. Прям как в первых 3D-играх типа DOOM. Поэтому дальше к текстуре применяются различные алгоритмы фильтрации.
На первых видеокартах применялась билинейная интерполяция. Её вы и видели на примере с Quake. Всё, что она делает - это линейно интерполирует промежуточные цвета между четырьмя текселями, а полученное значение становится цветом пикселя на экране.
Такую интерполяцию активно используют используют и сейчас. Но в дополнении к ней также делают трилинейную интерполяцию - это еще более продвинутая версия сглаживания, но используют её только на стыках разных уровней детализации текстур, чтобы их замаскировать.
А вот чтобы вернуть четкости текстурам под углами к камере используют анизотропную интерполяцию. Чем выше её коэффициент тем четче получается картинка, так как для получения цвета каждого пикселя делается до 16 выборок. Особенно это заметно на поверхностях, находящихся под острым углом к камере. То есть, к примеру, на полу.
Окей, теперь мы получили цветное изображение. Но этого всё ещё недостаточно, потому как в сцене нет освещения. Поэтому переходим к следующему этапу с интригующим названием пиксельный шейдер или затенение пикселей.
Как работает видеокарта?
Если говорить в общем, то центральный процессор сообщает видеокарте, как должно выглядеть изображение, а видеокарта решает, в каком порядке необходимо расположить пиксели для корректного отображения, и посылает сигнал на монитор. Все это работает так быстро и слажено, что мы не задумываемся об этом при работе за компьютером. Сам графический процессор, который отвечает за обработку изображений, состоит из большого числа транзисторов (количество может достигать 300 миллионов).
Важность видеокарты в современных устройствах
Видеокарта является неотъемлемой частью современного ноутбука, компьютера и других периферийных устройств. Без нее невозможно вывести на экран монитора изображения, просматривать видео или играть в компьютерные игры.
Как и в большинстве компьютерных технологий, в графике развитие происходило следующим образом:
сначала были видеокарты, имеющие некоторые дополнительные возможности, большие, чем обеспечиваемые стандартом VGA, для использования которых необходимо было использовать специальные программы. Некоторые игры и программы были специально переписаны/подправлены для этого.
Потом, с увеличением количества игр и видеоадаптеров, появилась необходимость стандартизировать графический интерфейс.
Наверное многие помнят, что года три назад, на дискетах к видеокарте были драйверы для Windows 3.1, ACAD, 3DS. Эти программы использовали собственный интерфейс для работы с различными ускорителями. Позже был приняты стандарт VBE (VESA BIOS extension). С его помощью многие программы стали универсальнее.
Потом программы стали писать для MS Windows и здесь работа с видео была переложена на драйверы видеокарты. Однако, в это время работа под DOS обеспечивала большую производительность, и к тому-же, игры стали смещаться в область трехмерного представления действия.
С появлением Windows95 ситуация сильно изменилась, а когда MS выпустила DirectX, многие разработчики вздохнули с облегчением. Теперь им приходилось оперировать не портами видеокарт, а вызовами DirectX API, что несомненно проще.
Несмотря на все возрастающую скорость процессоров, их мощности не удовлетворяют требованиями потребителей, жаждущих красивых и динамичных 3D аркад. Кто рисовал мультфильмы в 3DS, должны помнить, сколько времени занимал рендеринг одной сцены! А теперь это хотят делать в реальном времени и с одновременным рассчетом передвижений дюжены участников игры!
В это время уже делали ускорители двумерной графики, умеющие рисовать линии, окружности, закрашивать прямоугольники, но переход к трехмерной графике потребовал резкого скачка в производительности видеоконтроллеров и видеопамяти. Теперь Вы можете наблюдать, что из этого получилось.
Под 3D ускорителем понимают чип, который может ускорить некоторые операции по обработке и выводу 3D изображения. На аппаратном уровне выполняются такие функции, как наложение текстур, масштабирование, обработка источников света, удаление невидимых поверхностей и т.д. Результатом является освоюождение от сложных вычислений центральный процессор вашего ПК.
К сожалению, бывает так, что при наличии только 2-3 функций, имеющих отношение к 3D, многие производители уже называют чип "3D ускорителем". Но мы им верить не будем и попробуем все своими руками и посмотрим своими глазами.
Как всегда, для распространения этой технологии потребовались стандарты. В их качестве выступили MS Direct 3D и OpenGL.
Первый используется большинством игр для ОС Windows95, второй — больше распространен в WindowsNT, а также может использоваться играми типа Quake2, GLQuake, GLHexen. Какой из стандартов "выиграет" заранее неизвестно, поэтому желательна поддержка всех, что есть :) .
- Windows 95 (или Windows 98, Windows NT 5.0)
- драйвер видеокарты с поддержкой DirectX (или сам DirectX, если ваша карта/чип поддерживается им, как например S3 Trio64V+, S3 Virge)
- пакет DirectX
- программа, которая знает, что есть DirectX и умеет его использовать.
- Для OpenGL нужна поддержка со стороны драйвера видеокарты, библиотека opengl32.dll (или другая, в зависимости от карты), для WindowsNT очень рекомендуется Service Pack 3.
Следует отметить, что даже если ваша видеокарта не содержит 3D ускорителя, Вы можете использовать 3D программы через Direct 3D и OpenGL, однако, в этом случае вся работа по расчету трехмерных сцен ляжет на процессор и общая производительность системы может очень Вас разочаровать. Например, скорость Quake2 при работе через программную реализацию OpenGL составит не более 1fps при выполнении под Windows95 на iPMMX166.
В этом случае технология такая — функции, не поддерживаемые видеоконтроллером, эмулируются программно. Отсюда можно придумать критерий выбора видеокарты — чем больше 3D функций она поддерживает (аппаратно), тем лучше.
Но и здесь есть проблема — большинству пользователей ПК, названия этих функций ничего не говорят, производители же часто называют все "своими" именами, а выбор только по количеству возможностей может несильно отражаться на качестве, зато сильно на цене.
Поэтому, мы решили провести собственное расследование.
ATi PRO TURBO PC2TV
В этой карте используется чип ATi Rage II, который является 2D/3D ускорителем. Есть драйверы для Windows95, совместимые с Direct3D. Поддержка OpenGL ожидается, но для этой карты это не актуально.
Приятным дополнением является возможность вывода изображения на TV, особенно она понравится владельцам 14" мониторов. TV может подключаться через Video или S-Video вход. Во втором варианте предполагается улучшенное качество, но я это не проверял.
Система кодирования цвета — NTSC или PAL, зависит от варианта карты (см. наклейку на микросхеме с видеобиосом — там это написано).
Поддерживаются все разрешения до 800х600 включительно.
Причем, вывод на TV требует только подключения этого TV — можно работать вообще без монитора, но с TV! Только не забывайте, что TV это все-таки не монитор и с четкостью изображения там похуже. Т.е. для работы конечно это применять сложно, но для игр — очень неплохо. Я пробовал играть в Jedi Knight и смотреть VideoCD — мне понравилось.
Добавлю еще одно личное замечание — драйверы к этой карте установились сразу и очень хорошо. Я вспоминаю мое общение с Matrox MGA с содроганием, и не ожидал от ATi такого сервиса. Драйверы меня очень порадовали и я проникся ATi!
ATi XPERT@WORK
Следущее поколение чипов 2D/3D ускорителей ATi Rage Pro расчитано как на шину PCI, так и AGP. В качестве видеопамяти, может использоваться SGRAM или WRAM. Скорость 3D карты под Windows 95 при работе через Direct3D очень впечатляет, она работает в 1.5-2 раза быстрее ATi Rage II. Вероятно, версии для AGP будут еще быстрее. Поддержка OpenGL для Windows95 ожидается в начале следующего года.
Под WindowsNT OpenGL действительно работает уже сейчас. Скорость прорисовки Quake2 была достаточна для игры, но комфортнее под WindowsNT Вы себя почувствуете, если поставите RAM 64Mb или больше.
Карта XPERT@PLAY, тоже созданная на базе Rage Pro, имеет выход на TV, качество обещают лучше, чем у PC2TV.
Дискретные видеокарты
Это как раз вариант для тех, кому как раз -таки нужна хорошая графическая производительность.
Дискретные видеокарты отличаются своими вычислительными мощностями в сравнении с интегрированными видеоадаптерами, так как имею свою собственную память — следовательно нет необходимости лезть и на пару с процессором брать оперативную память компьютера, хотя дискретная видеокарта и это тоже умеет
Дискретная карта не интегрирована в материнскую плату, а располагается отдельно, являясь независимой.
Интегрированные видеокарты
Это видеочипы, интегрированные в ядро процессора (CPU), (пребывают на кристалле процессора ) или, реже, вшиты в материнскую плату( как правило, находятся сами по себе, но вообще могут находиться под чипом именуемым “северным мостом“. Интегрированные видеокарты дают слабые показатели для тех, кто хочет хорошую графическую производительность.
Ведь интегрированные решения для этого не рассчитаны и используются в, например, офисных компьютерах(или ноутбуках), где предполагается, что не будет сильных нагрузок на видеочип.
Проблема интегрированных видеокарт в том, что они не имеют собственную оперативную память (ОЗУ), и используют вместе с процессором одну оперативную память компьютера, при том передача сигнала идет по одной системной шине — и то, и другое, на самом деле, сильно тормозит работу.
Интегрированная видеокарта идет вместо со всеми остальными компонентами на плате, так как, очевидно, она на этой плате располагается
Как работает видеокарта?
Компьютер можно представить в виде организации с собственным художественным отделом, в который направляется запрос нарисовать картину. Отдел решает, каким должен быть рисунок, а затем наносит его на бумагу. В конце концов, чья-то идея реализуется в видимое изображение. Принцип работы видеокарты такой же. Процессор и программное обеспечение передают информацию на графическую карту, которая решает, какими должны быть пиксели на экране, чтобы получилось требуемое изображение. Затем эти данные направляются по кабелю на монитор.
Работа видеокарты компьютера зависит от следующих основных составных частей:
- соединения с материнской платой, через которое поступают питание и данные;
- процессора, который занимается обработкой каждого экранного пикселя;
- графической памяти, хранящей данные о каждом пикселе и завершенных изображениях;
- системы вывода на дисплей конечного результата.
Этап 4. Сохранение
После кучи вычислений при помощи информации из всех вышеперечисленных текстур наступает последний этап. Мы получили финальный цвет пикселя и сохраняем его в видеопамять. А после обработки всей сцены мы уже можем выводить картинку на экран.
Принцип работы видеокарты: подключение монитора
Большинство графических карт позволяют вывести изображение на 2 дисплея. Соединение производится через порты DVI, HDMI, DisplayPort, поддерживающие ЖК-мониторы, и VGA, к которому подключаются экраны ЭЛТ-типа. На некоторых картах есть 2 DVI-порта.
Но это не исключает возможность использование электронно-лучевых трубок, поскольку они могут подключаться через адаптер.
Компания Apple ранее производила мониторы с фирменным разъемом ADC, который был заменен портом DVI, а затем – Thunderbolt на основе USB-C, обратно совместимый с HDMI и DisplayPort.
Большинство пользуется только одним дисплеем. Тем, кому необходимо 2 монитора, могут приобрести графическую карту с возможностью вывода изображения два экрана. Такие ПК могут поддерживать 4 и более дисплеев.
Графический процессор
Принцип работы видеокарт основан на получении данных из ГПУ и преобразовании их в изображения.
Подобно материнской плате, графическая карта – это печатная плата с процессором и ОЗУ. Она также оборудуется микросхемой системы ввода-вывода (БИОС), в которой хранятся настройки и которая при запуске диагностирует работу памяти, системы ввода и вывода.
Графическое процессорное устройство похоже на ЦПУ компьютера. Однако ГПУ специально спроектировано для проведения сложных геометрических и математических вычислений, которые нужны для рендеринга изображения. В некоторых наиболее быстрых процессорах транзисторов больше, чем в среднем ЦПУ. ГПУ выделяет много тепла, поэтому обычно охлаждается радиатором или кулером с вентилятором.
Помимо огромной вычислительной мощности, графические процессоры для анализа и использования данных взаимодействуют со специальным программным обеспечением. Компании nVidia и ATI выпускают подавляющее большинство чипов для видеокарт. Они разрабатывают собственные средства повышения производительности. Чтобы достичь более высокого качества изображения, в графических процессорах используются:
При сохранении общего принципа работы видеокарт каждый производитель разрабатывает собственные техники окрашивания, наложения оттенков, текстур и шаблонов.
Поскольку ГПУ создает изображения, оно должно их где-то хранить. Для этого служит оперативное запоминающее устройство. Оно хранит информацию о всех пикселях, их цвете и местоположении.
Часть ОЗУ также может выполнять функцию буфера кадров с завершенными изображениями, пока не придет время их отобразить. Как правило, память работает с очень высокой скоростью и является двунаправленной, т. е.
система может считывать и записывать данные одновременно.
Графическое ОЗУ непосредственно подключено к цифро-аналоговому преобразователю ЦАП, который преобразует изображение в сигнал, используемый дисплеем. В некоторых видеокартах есть несколько таких модулей, что повышает производительность и позволяет поддерживать больше одного монитора.
ЦАП направляет окончательное изображение по кабелю. Подробно принцип работы видеокарты с интерфейсами описан ниже.
Первые видеокарты
Без ускорения Quake выглядел достаточно постредсвенно. Всё очень пиксельное и тормозное.
Но стоило прикупить себе волшебный 3D-акселератор. Подключить его к вашей основной 2D-видеокарте снаружи коротким VGA кабелем. Да-да, раньше это делалось так. И Quake превращался в нечто запредельное. Игра становилась, плавной, красочной, а главное работала в высоком для того времени разрешении и соответственно никаких пикселей.
Тогда это воспринималось практически как магия. Но за счет чего происходило такое кардинальное улучшение картинки? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте разберемся как работает видеокарта поэтапно.
Гибридные решения
Этот вариантподразумевает в себе совмещение интегрированной видеокарты и дискретной.
Если вы не планируете сильно грузить свой комьютер( или ноутбук), например - вам нужно просто сидеть в интернете, запускать легкие игры, иногда программировать, с использованием редакторов, а может даже и IDE, редактировать таблицы — то можно взять компьютер(или ноутбук) с интегрированной видеокартой — они стоят дешевле дискретных.
Если же вы хотите получить от компьютера больших мощностей, к примеру, поиграть в нововышедшие игры, смотреть видео в лучшем качестве, то стоит сделать выбор в пользу дискретной видеокарты.
Устройство видеокарты — из чего она состоит
Графический процессор — обрабатывает выводимое изображение и 3D графику. Чем он лучше и новее, тем лучше будет производительность.
Видеоконтроллер — обрабатывает данные получаемые от графического процессора, формирует изображение в памяти устройства. Дает сигнал преобразователю для формирования развертки монитора.
ОЗУ — временная память. Здесь хранится уже готовое изображение для быстрого его вывода на экран. Оно может часто меняться, поэтому чем быстрее такая память, и чем ее больше — тем выше будет производительность в играх и при обработке графики в программах.
ПЗУ — постоянная память. Здесь хранится BIOS адаптера и другие системные ресурсы. Доступ к ПЗУ имеет лишь центральный процессор вашего ПК.
Цифро-аналоговый преобразователь — преобразует данные, которые формирует видеоадаптер в понятный нам цветовой диапазон, раскидывая его по пикселям на мониторе, именно это мы и видим на наших дисплеях.
Коннекторы — разъемы подключения.
Система охлаждения — то, что охлаждает видеопроцессор и память устройства. Обычно это кулеры с системой водяного охлаждения.
Виды видеокарт
Видов графических карт на рынке не такое большое количество, по сути основных только три. Основными производителями являются NVidia и AMD Radeon и Intel, остальные фирмы просто пользуются их наработками. Intel планирует в будущем выпустить свои дискретные модели, сейчас они производят только интегрированные.
Для чего нужна видеокарта
Видеокарта нужна для вывода и обработки изображения. Она преобразовывает информацию в понятную нам картинку и выводит ее на экран. Не будет графического адаптера, не будет и картинки. Но, к счастью в большинстве современных материнских плат есть уже встроенная — интегрированная графическая плата, и, если вытащить из системного блока внешнюю — дискретную, компьютер все равно будет работать и выводить картинку на экран.
Отвечает за быстроту обработки графических данных. Чем новее и производительнее графическая плата, тем быстрее будет обработка графики. Так, чтобы видео/графические редакторы, игры и т.д. работали быстро и не тормозили — нужна модель помощнее.
Быстродействие
Скорость работы видеокарты прямо зависит от аппаратного обеспечения.
На ее быстродействие больше всего влияют следующие технические характеристики:
- тактовая частота;
- ширина шины памяти;
- пропускная способность ОЗУ;
- объем оперативной памяти и ее частота;
- частота ЦАП.
ЦПУ и материнская плата ПК также играют определенную роль, поскольку даже очень быстрая видеокарта не способна компенсировать плохую работу системы.
Дискретная видеокарта — что это
Дискретная видеокарта — это высокопроизводительный видеоадаптер, подключаемый к материнской плате компьютера. Отличается наличием встроенной памяти, но в некоторых моделях может быть и без нее. Заменяема — подключается отдельно.
Именно такие видео-адаптеры можно увидеть в продаже множества магазинов. Если вам нужна хорошая производительность в работе с графикой и в играх — это именно оно. Существуют варианты, как для домашних ПК с системным блоком, так и для ноутбуков.
Принцип работы видеокарты: описание системы, понятие, устройство
Изображение на экране дисплея состоит из мельчайших точек, называемых пикселями. При наиболее распространенном разрешении Full HD их количество превышает 2 млн, и ПК должен решить, что делать с каждым из них.
Для этого нужен посредник, который мог бы преобразовать двоичные данные в видимое изображение.
Если компьютер не справляется с этой задачей с помощью аппаратного обеспечения материнской платы, ее выполнение берет на себя графическая карта.
Производимые вычисления сложны, но устройство и принцип работы видеокарты понять легко. В данной статье рассмотрены ее основные компоненты, их функции, а также факторы, сочетание которых обеспечивает высокую производительность и эффективность ПК.
Внешняя видеокарта
Внешняя видеокарта имеет собственный графический процессор и оперативную память. Она располагается на материнской плате (подключается через разъем ) и может заменяться при необходимости. Такая видеокарта дороже и потребляет много энергии, но ее производительность выше. Внешние видеокарты почти всегда имеют вентилятор. Он нужен чтобы избежать перегрева, поскольку высокая производительность ведет к нагреванию графического процессора, а вентилятор - простой способ его охладить.
Этап 3. Пиксельный шейдер.
Вообще шейдер - это штука, которая позволяет программисту что-то делать с вершинами, треугольниками и пикселями на программном уровне. В случае Пиксельных Шейдеров - это даёт разработчикам разработчиком возможность динамически менять цвет каждого пикселя экрана по программе.
Кстати, впервые поддержка простых шейдеров появились в 2001 году, когда появилась NVIDIA GeForce 3. До этого освещение тоже делалось, но аппаратными средствами и разработчики особо не могли влиять на результат. Так вот сегодня это самый ресурсоемкий этап, на котором для каждого пикселя нужно просчитать как он отражает, рассеивает и пропускает свет. Как ложатся тени по поверхности модели и прочее. То есть иными словами рассчитывается финальный цвет пикселя.
Каждый объект сцены описывается при помощи нескольких текстур:
- Карта нормалей, текстура, в которой хранятся векторы нормалей для каждой точки поверхности. При помощи этих векторов рассчитывается попиксельное освещение.
- Карта зеркальности, которая описывает сколько света отражается от поверхности.
- Карта шероховатостей (roughness mapbump map), которая описывает микрорельеф поверхности или то, как поверхность будет рассеивать свет.
- Альбедо карта, то есть карта диффузии или естественный цвет объекта.
- И прочие.
Трассировка лучей
Что такое трассировка лучей? Несмотря, на то что видеокарты за годы своей эволюции обросли поддержкой кучи эффектов. Игры действительно стали выглядеть впечатляюще круто. Но всё равно, остались выглядеть как игры. Почему?
Дело в том, что до появления технологии трассировки лучей, в играх не было настоящего глобального освещения. Оно рассчитывалось для каждого объекта по отдельности, причем поочередно. Соответственно, мы не могли рассчитать как объекты влияют друг на друга, как преломляется и отражается свет между разными объектами. А всё глобальное освещение сцены просто заранее "запекалось" в текстуру в графическом редакторе игры. Есть еще зонды и куча других техник, которые позволяют получить грубую имитацию глобального освещения с кучей недостатков - протеканием света сквозь объекты, повышенными требованиями к объему видеопамяти, отсутствием физики, так как если изменится положение объектов в сцене, то и освещение придется заново считать, а с использованием заранее подготовленных ресурсов - это невозможно.
А вот трассировка лучей впервые позволила, построить освещение по законам природы и сняла кучу ограничений. Ну практически. Как это работает?
Вместо того, чтобы поочередно считать освещение для каждого объекта Сначала выводится вся трехмерная сцена и упаковывается в BVH коробки для ускорения трассировки. После чего из камеры в упакованную 3D-сцену запускается луч и мы смотрим с какой поверхностью он пересечется. А дальше от этой точки строится по одному лучу до каждого источника освещения. Так мы понимаем где свет, а где тень.
А если луч попал на отражающий объект, то строится еще один отраженный луч и так мы можем считать переотражения. Чем больше переотражений мы считаем, тем сложнее просчет, но реалистичнее результат.
Всё практически как в жизни, но для экономии ресурсов, лучи запускаются не от источника света а из камеры. Иначе бы пришлось просчитывать много лучей, которые не попадают в поле зрения игрока, то есть делать бесполезные, отнимающие ресурсы GPU вычисления.
Изображение на экране дисплея состоит из мельчайших точек, называемых пикселями. При наиболее распространенном разрешении Full HD их количество превышает 2 млн, и ПК должен решить, что делать с каждым из них. Для этого нужен посредник, который мог бы преобразовать двоичные данные в видимое изображение. Если компьютер не справляется с этой задачей с помощью аппаратного обеспечения материнской платы, ее выполнение берет на себя графическая карта.
Как выбрать видеокарту — Характеристики
Рассмотрим основные характеристики графических адаптеров, на которые следует обратить внимание при выборе.
1. Производитель. На данный момент лучшими являются NVidia и AMD Radeon. Для определенных целей выбирайте своего производителя, например, модели от AMD в некоторых случаях лучше справляются с работой в видео-редакторах.
2. Частота работы процессора. От нее будет зависеть производительность в работе с видео и графикой. Выше — лучше.
3. Тип видео памяти. Выбирать следует наиболее производительный и новый тип ОЗУ, на данный момент это GDDR6.
4. Объем видео памяти. Чем ее больше — тем большую производительность вы получите.
5. Частота и ширина шины памяти. Это скорость с которой будут обмениваться данными между собой процессор и память. Чем больше показатель в обоих пунктах — тем лучше, чтобы получить пропускную способность нужно разделить частоту на ширину. К примеру: 192 бит/8 * 8000 Мгц = 192.0 GB/s.
6. Форм фактор. Обаятельно отталкивайтесь от того, какой форм фактор подойдет для вашей материнской платы и корпуса. Смотрите сколько слотов она будет занимать и есть ли для нее место в системном блоке.
7. Система охлаждения — шум. От того, какая установлена на видеоадаптер система охлаждения будет зависеть издаваемый ею шум и нагрев. Почитайте отзывы перед приобретением.
8. Максимальное разрешение. Проверьте, чтобы карта поддерживала разрешение монитора.
9. Разъем. Обязательно посмотрите подойдет ли она к разъему вашего монитора. На матерински платах подключение обычно идет через разъем PCI Express.
Внешняя видеокарта — что это
Относительно новый вид видеоадаптеров. Это тоже очень производительная карта, та же дискретная, но уже подключается через специальный переходник к вашему ПК или ноутбуку.
Именно для ноутбуков она пользуется огромной популярностью. Когда нужно обработать большое количество видеоданных и графики — это отличное решение.
Другие соединения
В дополнение к материнской плате и монитору некоторые графические карты позволяют подключиться к:
- телевизионному дисплею (через выход TV-out либо S-video);
- аналоговым видеокамерам (посредством ViVo и видеовхода);
- цифровым камерам (через USB или FireWire).
Отдельные видеокарты снабжаются телетюнерами.
Типы видеокарт
Видеокарты делятся на 3 типа:
- Интегрированные видеокарты(т.е Встроенная графика или IGP )
- Дискретные видеокарты(т.е Внешняя видеокарта)
- Гибридные решения
В заключение
В следующих публикациях будет продолжена тема аппаратного обеспечения компьютера и вы узнаете, что такое центральный процессор вашего ПК. Хорошего вам настроения.
Встроенная видеокарта
Встроенные видеокарты являются частью материнской платы . Поэтому их еще называют " интегрированными ". Разъем для подключения монитора в этом случае находится непосредственно на плате. Они доступны и не требуют много энергии. Но чуда не бывает. Эти карты не очень мощные и явялются скорее бюджетным вариантом. Кроме того такая видеокарта расходует ресурсы самого компьютера, тем самым снижая и его мощность. Такая видеокарта не подойдет для игр, где есть, например, открытый мир или реалистичные ландшафты, но вполне подойдет для офисной работы.
Разъем PCI
Графические карты соединяются с компьютером через разъем на материнской плате. По нему подается питание и происходит обмен данными с процессором. Мощные видеокарты часто используют больше энергии, чем позволяет системная плата, поэтому они снабжаются разъемом для прямого соединения с блоком питания.
Подключение обычно производится через интерфейсы PCI, AGP и PCI Express (PCIe). Последний является наиболее современным и обеспечивает наибольшую скорость передачи данных между картой и материнской платой. PCIe поддерживает использование нескольких ускорителей графики одновременно.
Основные характеристики видеокарты
Среди основных характеристик можно выделить объем и тип видеопамяти, разъемы для подключения и их типы, тактовую частоту.
Здесь все просто. Объем видеопамяти современных видеокарт стартует с 1 гигабайта. Для игр отдают предпочтения картам от 2 гигабайт и выше. В общем, чем больше, тем лучше. Что касается типа видеопамяти , то чем современнее стандарт, тем выше скорость работы памяти. Самый современный на сегодня стандарт – GDDR5, но самый популярный GDDR3 в силу своей доступности. Самые популярные разъемы для видеокарт - HDMI, DVI, VGA. Хорошо, если разъемов несколько. Это облегчает подключение. Тактовая частота - один из основных показателей. Чем она выше, тем видеокарта мощнее. А чем мощнее видеокарта, тем лучше это для пользователя.
Если вам понравилось, подписыватесь на наш канал, ставьте лайки и читайте другие статьи про устройство компьютера:
Каждый компьютерный пользователь, а особенно геймеры — отлично знают, что видеокарта является одним из самых главных компонентов компьютера и ноутбука. Чтобы видео и игры не тормозили, работали стабильно и все шло плавно.
Она необходима, чтобы выдавать обрабатываемую информацию компьютера в виде изображения. Так, все, что вы видите сейчас на своем мониторе — обрабатывает и выводит видеоадаптер вашего ПК или ноутбука.
Из аппаратного обеспечения мы уже успели рассмотреть, что такое SSD и жесткий диск. Сегодня речь пойдет о видеоконтроллере компьютера, рассмотрим, что это такое, как работает и какие бывают его виды.
Как работает видеокарта?
Компьютер можно представить в виде организации с собственным художественным отделом, в который направляется запрос нарисовать картину. Отдел решает, каким должен быть рисунок, а затем наносит его на бумагу. В конце концов, чья-то идея реализуется в видимое изображение.
Принцип работы видеокарты такой же. Процессор и программное обеспечение передают информацию на графическую карту, которая решает, какими должны быть пиксели на экране, чтобы получилось требуемое изображение. Затем эти данные направляются по кабелю на монитор.
Создавать изображение из двоичных чисел сложно. Чтобы вывести на экран трехмерную картинку, графическая карта сначала должна рассчитать каркас из прямых линий. Затем она заполняет его пикселями.
После этого добавляются цвет, освещение и текстура. В высокоскоростных компьютерных играх графический процессор должен выполнять все эти расчеты не менее 60 раз в секунду.
Без него нагрузка на ЦПУ была бы слишком велика.
Работа видеокарты компьютера, в принципе, зависит от следующих 4-х основных составных частей:
- соединения с материнской платой, через которое поступают питание и данные;
- процессора, который занимается обработкой каждого экранного пикселя;
- графической памяти, хранящей данные о каждом пикселе и завершенных изображениях;
- системы вывода на дисплей конечного результата.
Графический процессор
Принцип работы видеокарт основан на получении данных из ГПУ и преобразовании их в изображения. Подобно материнской плате, графическая карта – это печатная плата с процессором и ОЗУ. Она также оборудуется микросхемой системы ввода-вывода (БИОС), в которой хранятся настройки и которая при запуске диагностирует работу памяти, системы ввода и вывода.
Графическое процессорное устройство похоже на ЦПУ компьютера. Однако ГПУ специально спроектировано для проведения сложных геометрических и математических вычислений, которые нужны для рендеринга изображения. В некоторых наиболее быстрых процессорах транзисторов больше, чем в среднем ЦПУ. ГПУ выделяет много тепла, поэтому обычно охлаждается радиатором или кулером с вентилятором.
Помимо огромной вычислительной мощности, графические процессоры для анализа и использования данных взаимодействуют со специальным программным обеспечением. Компании nVidia и ATI выпускают подавляющее большинство чипов для видеокарт. Они разрабатывают собственные средства повышения производительности. Чтобы достичь более высокого качества изображения, в графических процессорах используются:
- полноэкранное сглаживание краев 3D-объектов;
- анизотропная фильтрация, повышающая четкость видео.
При сохранении общего принципа работы видеокарт каждый производитель разрабатывает собственные техники окрашивания, наложения оттенков, текстур и шаблонов.
Поскольку ГПУ создает изображения, оно должно их где-то хранить. Для этого служит оперативное запоминающее устройство. Оно хранит информацию о всех пикселях, их цвете и местоположении. Часть ОЗУ также может выполнять функцию буфера кадров с завершенными изображениями, пока не придет время их отобразить. Как правило, память работает с очень высокой скоростью и является двунаправленной, т. е. система может считывать и записывать данные одновременно.
Графическое ОЗУ непосредственно подключено к цифро-аналоговому преобразователю ЦАП, который преобразует изображение в сигнал, используемый дисплеем. В некоторых видеокартах есть несколько таких модулей, что повышает производительность и позволяет поддерживать больше одного монитора.
ЦАП направляет окончательное изображение по кабелю.
Интегрированная видеокарта — что это
Интегрированная видеокарта — это видеоконтроллер уже встроенный в материнскую плату. Не отличается большой скоростью в обработке видео и чаще не имеет своей оперативной памяти и системы охлаждения.
Встроена по умолчанию в большинство современных материнских плат и позволяет обеспечивать минимальную производительность в обработке графики.
Зачем это 3D нужно.
- Вы получите большее значение fps (от 30) в большинстве новых игр, причем скорее всего он будет не сильно зависеть от разрешения и количества цветов. Зато картинка будет сильно лучше.
Пример: картинка Quake2 software (56.5Кб),
картинка Quake2 OpenGL (32.5Кб). Совместимость с OpenGL и/или Direct3D позволит Вам и в будущем наслаждаться красивыми изображениями. - Если вы любите 3DS, то, возможно, картинки и в ней будут рисоваться быстрее.
- Наличие нетривиального 3D ускорителя позволит чувствовать себя уверенее среди любителей 3Dfx и говорить, что "у меня величина fps тоже больше 30"
- Возможно, где-то есть офисные программы, желающие рисовать свои кнопочки через Direct3D
- Также вероятно, что будущие операционные системы будут требовать 3D ускорителя для прорисовки трехмерных курсоров от трехмерных мышек, теней окошек и перспективного отображения размещения файлов на вашем жестком диске, но этого может и не произойти.
Таким образом реально сегодня работает только п.1. :)
Для сравнения были использованы следующие, "специально" отобранные, недорогие (не Hi-End) карты:
карта | чип | память | цена |
ATi XPERT@WORK | ATi Rage Pro | 4MB SGRAM | $175 |
ATi PRO TURBO PC2TV | ATi Rage II | 4MB SGRAM | $175 |
ViewTop ET7 | Tseng ET6000 | 4MB MDRAM | $65 |
ATi карты широко распространены, имеют хорошие драйверы и техническую поддержку. ATi Rage Pro используется ведущими приизводителями ПК (на западе :) — IBM Aptiva S6S, Compaq Prolinea 4840, Dell Optiplex GXa.
Карты на основе Riva 128, Voodoo и т.д. не рассмотривались в силу их отсутствия и некоторого личного недоверия к их драйверам, возможностям, сложностям ;)
Если вам есть, что добавить, пишите!
Подробнее про рассматриваемые карты можно рассказать следущее:
Как работает видеокарта
1. Центральный процессор компьютера отправляет графическому адаптеру потоки данных, которые необходимо преобразовать в картинку на мониторе.
2. Видеоадаптер производит необходимые расчеты и обработку. Многое зависит в этом процессе от ПО, о том, как установить драйвера на видеокарту — написано в соответствующем материале.
3. Выводит изображение по пикселям монитора — на экран.
Интересно! Чем более высокого разрешения монитор, тем больше соответственно на нем пикселей. Поэтому на экранах с большим разрешением — количеством пикселей, время обработки изображения увеличивается. Больше пикселей-разрешение на дисплее — дольше время обработки.
Первые видеокарты
Без ускорения Quake выглядел достаточно постредсвенно. Всё очень пиксельное и тормозное.
Но стоило прикупить себе волшебный 3D-акселератор. Подключить его к вашей основной 2D-видеокарте снаружи коротким VGA кабелем. Да-да, раньше это делалось так. И Quake превращался в нечто запредельное. Игра становилась, плавной, красочной, а главное работала в высоком для того времени разрешении и соответственно никаких пикселей.
Тогда это воспринималось практически как магия. Но за счет чего происходило такое кардинальное улучшение картинки? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте разберемся как работает видеокарта поэтапно.
Теперь приведем несколько цифр:
Тестовая конфигурация: iPMMX166, 32Mb EDO RAM, MS Windows 95 OSR2 PE, DirectX 5.0
Rage Pro | Rage II | ET6000 | |
---|---|---|---|
DOS | |||
gspeed (среднее) | 274 | 263 | 288 |
Quake (fps) | |||
320x200 | 37 | 34 | 40 |
640x480 | 13 | 13 | 16 |
Windows | |||
Intel Media Benchmark | |||
Video | 226.82 | 227.17 | 227.70 |
Image | 653.47 | 659.98 | 664.71 |
3D | 138.37 | 140.22 | 139.28 |
WinTune 97 | 35Mb/s | 27Mb/s | 40Mb/s |
Xing 3.02 window/full screen | 68fps | 55fps | 67fps |
WinQuake (fastvid) (fps) | |||
320x200 full screen | 38 | 36 | 40 |
320x240 window | 34 | 34 | 33 |
640x480 window | 28 | 27 | 27 |
DirectX 3D | |||
MS Tunnel Dx3D 512x384 (fps) | (Dx3D HAL) | (Dx3D HAL) | (Ramp emulation) |
16bit window | 113 | 41 | 15 |
16bit full screen | 70 | 35 | 14 |
32bit window | 113 | 32 | 8 |
32bit full screen | 70 | 35 | 7 |
PC Players 3D benchmark (fps) | (Dx3D HAL) | (Dx3D HAL) | (Ramp emulation) |
320x200 window | 37.3 | 20 | 14 |
320x200 full screen | 29.8 | 18 | 13 |
640x480 window | 26.5 | 7.5 | 5.1 |
640x480 full screen | 22.6 | 8.4 | 5.1 |
Для сравнения с Hi-End приведем еще два результата PC Players 3D benchmark в режиме 1024x768x16bit full screen:
Мы продолжаем нашу серию статей про устройство компьютера. Сегодня мы поговорим про видеокарту. Видеокарта - это то, что отвечает за обработку изображения и вывод его на монитор нашего компьютера. Сегодня их разделяют преимущественно на встроенные и внешние видеокарты, о которых мы и поговорим в первую очередь.
Что такое видеокарта — видеоадаптер
Видеокарта (видеоадаптер) — это часть аппаратного обеспечения компьютера и ноутбука, устройство, которое отвечает за обработку данных — машинного кода, переводя его в доступное изображение. Т.е. простыми словами, видеоадаптер занимается переводом программного кода в понятное для пользователя изображение на его мониторе, телевизоре или любом другом дисплее.
Представляет из себя плату с микросхемами, кулерами и разъемами, которая устанавливается в корпус ПК или ноутбука. Они могут быть, как уже интегрированными в материнскую плату, так и дискретными. О видах графических плат подробнее написано в соответствующей главе этой статьи ниже.
Мощность
Все эти вычисления нужно проводить очень быстро и главное параллельно. Например, чтобы вывести 60 раз в секунду 4К-изображение нужно посчитать цвет примерно полумиллиарда пикселей. А если мы хотим 120 FPS - то целый миллиард. Именно поэтому видеокарты отличаются по структуре от центрального процессора.
Центральный процессор заточен под последовательное, но очень быстрое выполнение множества разнообразных вычислений. Поэтому ядер в центральном процессоре мало, но зато они умеют быстро щелкать любые задачи. А вот в GPU вычислительных блоков тысячи, они не умеют максимально быстро выполнять задачи с небольшим количеством данных последовательно как процессор, но очень быстро делают параллельные вычисления с большим количеством данных. Например, NVIDIA GeForce RTX 3090 в пике может делать до 38 триллионов операций с плавающей точкой в секунду.
Так как видеокартам нужно постоянно загружать и выгружать огромное количество данных в память, то у них используется и свой тип памяти - GDDR. У неё выше задержки, чем в обычной DDR, поэтому такую память не имеет смысла использовать в качестве оперативной. Но у GDDR существенно выше ширина канала и пропускная способность, которая уже сейчас доходит до 1 ТБ в секунду.
Это позволяет видеокартам обрабатывать сотни миллиардов пикселей в секунду.
Вся эта мощь нужна только для того чтобы в игры играть? На самом деле - нет. Видеокарты уже давно используется для профессиональных задач.
Но стало это возможно только в 2006 году, когда вышла карточка GeForce 8800, в которой впервые появились ядра CUDA - Compute Unified Device Architecture. Это унифицированные ядра, которые впервые позволяли использовать видеокарту не только для игр, но и для любых массивных параллельных вычислений: типа рендеринга видео, симуляции воды, дыма, ну или майнинга крипты, если вдруг это еще актуально.
А в 2018 году, произошла другая революция - появилась архитектура Turing, а вместе с ней новые типы ядер и, конечно же, технологии трассировки лучей. Поговорим сначала о ней.
ViewTop ET7 и все остальные на чипе Tseng ET6000
Несомненно, является одной из самых быстрых 2D карт. Преимущество обеспечивается применением оригинального типа видеопамяти MDRAM, позволяющей даже при объеме 2Мб работать с полной скоростью на 128bit шине видеопроцессора.
Из достоинств отметим скорость ускорителя 2D и MPEG и невысокую цену.
Из недостатков есть только один — слабый RAMDAC, всего на 135MHz. (Есть слухи, что есть карты на ET6100, у которых этот недостаток немного исправлен и там RAMDAC уже 175 MHz).
Для большинства 14" и 15" мониторов это не важно, но для профессинальной работы, например, в режиме 1024x768 эта карта непригодна, т.к. обеспечивает в этом режиме кадровую развертку с частотой 75Гц.
Читайте также: