Grafická karta

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0b/PowerColor_Radeon_X850XT_PE.jpg/220px-PowerColor_Radeon_X850XT_PE.jpg

Radeon X850XT Platinum Edition

Grafická karta je v současné době volitelnou součástí počítače. Jejím úkolem je přijímat úkoly od CPU nebo APU, zpracovávat je a vytvářet grafický výstup na monitoru, nebo též ve spolupráci s CPU provádět obecné výpočty (GPGPU) atd. Dříve byla připojena přes AGPslot, zatímco dnes je většinou připojena přes PCI-Express slot.

Stavba karty

Popis karty

Grafická karta se stará o grafický výstup na monitorTV obrazovku či jinou zobrazovací jednotku. V případě, že grafická karta obsahuje tzv. VIVO (video - in a video-out), umožňuje naopak i analogový vstup videosignálu např. při ukládání videosouborů z videokamery, videopřehrávačů apod.

Součástky v grafické kartě

·         GPU - grafický procesor. Obsahuje řadič paměti, unifikované shadery, TMU jednotky, ROP jednotky a další. Zpracovává 3D geometrii na 2D obraz, zobrazitelný na zobrazovacím zařízení.

·         Unifikované shadery - moderní náhrada za pixel shadery a vertex shadery. Jsou programovatelné a díky tomu nemusí počítat pouze zobrazovaná data, ale i výpočty pro vědu a další (GPGPU, viz například OpenCLDirectComputeCUDA). V současné době (2014) jde v podstatě o RISC procesory. Shadery AMD (architektura GCN) se dále dělí na skalární (celočíselnou) a vektorovou část (pohyblivou řádovou čárku).

·         Řadič pamětí - stará se o komunikaci mezi grafickou pamětí a GPU. NVIDIA i AMD podporují až GDDR5.

·         TMU jednotky (Texture mapping unit) - mapuje textury na objekty.

·         ROP jednotky (Render Output unit) - zabezpečuje výstup dat z grafické karty.

·         Paměť - zde jsou ukládány informace potřebné pro činnost GPU.

Typ

DDR

DDR2

DDR3

GDDR2

GDDR3

GDDR4

GDDR5

Efektivní frekvence paměti (MHz)

166 - 950

533 - 1000

700 - 2200

700 - 1000

700 - 2400

2000 - 3600

3400 - 5600

Propustnost (GB/s)

5,3 - 30,4

12,8 - 32

22,4 - 70,4

22,4 - 32

22,4 - 76,8

63 - 115,2

108,8 - 179,2

Propustnost je při 256-bitové sběrnici. Brát pouze orientačně. Záleží na daném modelu grafické karty.

·         Firmware (=BIOS) - základní programové vybavení grafické karty, které je na vlastním paměťovém čipu. Jsou v něm uloženy informace o modelu grafické karty, GPU, taktovací frekvenci GPU a grafické paměti, napětí GPU a další informace.

·         RAMDAC - převodník digitálního signálu, se kterým pracuje grafická karta, na analogový, kterému rozumí zobrazovací zařízení (monitor).

·         Výstupy:

·         VGA - analogový grafický výstup (používán starými monitory CRT a kompatibilními zařízeními). Možno převést redukcí z digitálního výstupu DVI.

·         DVI - digitální grafický výstup (používaný většinou LCD panelů, projektory a novějšími zobrazovacími zařízeními).

·         S-Video

·         Component video - analogový výstup, používá 3 RCA konektory (Y, CB, CR), konektory jsou na některých projektorechTV, DVD přehrávačích a dalších.

·         Composite Video - analogový výstup s malým rozlišením, používá RCA konektor

·         HDMI - výstup na zobrazovací zařízení (nejčastěji televizor) s vysokým rozlišením.

·         DisplayPort - digitální grafický výstup ve vysokém nekomprimovaném rozlišení. S konektory DVI ani HDMI není kompatibilní.

·         DB13W3 - analogový výstup používaný v systémech Sun MicrosystemsSGI a IBM.

Výrobci grafických čipů

·         nVidia - Vývoj grafických čipů, čipsetů a dalších integrovaných obvodů (čipů pro přenosná zařízení).

·         AMD - Vývoj grafický čipů, čipsetů a dalších integrovaných obvodů.

·         Intel - Grafické čipy od Intelu jsou pouze na základních deskách v podobě IGP provedení a jako součást procesorů.

·         VIA Technologies - Vyvíjí levné grafické čipy hlavně pro svoji platformu, ale grafické čipy jsou kompatibilní, takže je možné je použít i u jiných platforem.

·         Matrox - Vyvíjí drahé, profesionální grafické karty pro práci s grafikou a úlohami CAD/CAM ve vysokém rozlišení.

·         Existují další specificky zaměření výrobci.

Funkce grafické karty

Grafická karta vykonává grafické výpočty a vytváří údaje srozumitelné zobrazovacímu zařízení (monitorTV a další). Ovladače informují Operační systém o způsobu komunikace s grafickou kartou.

Chlazení grafické karty

Vzduchové chlazení

Na vzduchové chlazení grafické karty se používá buď pasivní kovový chladič, nebo se přidává ventilátor. Případně se používá v kombinaci s heatpipes ke zvýšení chladicí účinnosti.

Vodní chlazení

Většinou se používá pouze u nejvýkonnějších grafických karet, který produkují největší odpadní teplo a to jenom jako TOP edice. Slouží k snížení teploty a hlučnosti a používá se zejména, pokud je celý počítač chlazen vodním chlazením.

Problémy s chlazením

Referenční chladiče jsou v 95 % dostatečné na uchlazení grafické karty (GPU). Problém vzniká při kombinaci pasivního chlazení a nedostatečného větrání skříně nebo prachu na pasivních částech a znemožnění proudění vzduchu (částečné nebo úplné).

Problémy, ale vznikají také při výměně chlazení a nesprávném odhadu teploty GPU, paměťových čipů, napájecích obvodů, případně ještě jiné součástky na grafické kartě (tzv. poddimenzované chlazení). K tomu většinou dojde při výměně aktivního chlazení za pasivní, většinou za účelem snížení hlučnosti. Proto je dobré se informovat (výrobce, prodejce, internet,...), o množství ztrátového tepla, kartou vyzářeném a podle toho zvolit adekvátní způsob chlazení.

Omezení grafické karty

Grafická karta je limitována:

·         Návrh grafické karty - Grafické karty jsou roztříděny do řad (nižší, střední, vyšší, HIGH-END) a na tom závisí jejich výkon.

·         PCB - Stabilitu ovlivňují použité součástky a chladič.

·         Výkonem CPU - Podle výkonu grafiky je potřeba výkonné CPU, aby byla schopna dodat potřebná data.

·         Výkonné grafické karty postavené na 2 a více GPU potřebují pro plný výkon buďto vysoko taktovaný dvoujádrový CPU (2,8 GHz a výš) nebo vysoko taktovaný čtyřjádrový CPU (2,5 GHz a výš), třeba u Radeon HD4870 X2 se projeví výkon čtyřjádrového CPU až na 3 GHz.

·         Velikostí a frekvenci operační paměti - Načíst data z paměti trvá podstatně kratší dobu než z HDD.

·         A současně si může do ní přistupovat pro data, ale naopak to nejde.

·         Rychlostí slotu - To se projevuje hlavně při CF nebo SLI u PCI-Express slotu 1.1, kde při zapojení 8x8 linek nestačí přenosová rychlost.

·         Ovladače - starají se o to, aby grafická karta pracovala na plný výkon. bývají často nedoladěné, problémy řeší až novější verze.

·         Zdroj - Pokud máte slabý zdroj, nemusí dodat dostatek elektrické energie počítači a díky tomu se PC chová nestabilně a nepodává maximální možný výkon.

·         Nedostatečné chlazení - Pokud máte na grafické kartě nedostatečné chlazení, může dojít k přehřátí pamětí, napájecích obvodů nebo dalších součástí. Moderní grafický čip ochranu proti přehřátí, jako CPU, která při dosažení určité teploty přepne kartu do 2D režimu.

·         Software - V současné době je nejlepším příkladem software Mantle (oproti OpenGL a zejména DirectX), při jehož použití dochází k odlehčení CPU a/nebo řádovému zvýšení výkonu[1][2][3].

Historie

První grafická karta byla vyvinuta firmou IBM pro IBM PC v roce 1981. Jednalo se o MDA (Monochrome Display Adapter), který uměl pracovat pouze v textovém režimu.

Původní 3D akcelerátor byl vyráběn na desce, která byla spojena s normální grafickou kartou.

Jedním z největších představitelů grafických karet byla karta Hercules Graphics Adapter (HGC). Ta s sebou přinesla i další možnosti v rozlišení, kdy se v jednobarevných obrázcích hodnota rozlišení zvedla z doposud maximálních 80×25 znaků na vysoce kvalitních 720×348 pixelů.

Pravou revoluci mezi 3D akcelerátory udělala firma 3dfx s řadou Voodoo. Na tu dobu "velmi revoluční", ale i "moc výkonné" řešení. Zprvu firma nebyla schopna najít někoho, kdo by podporoval její API Glide nebo vyrobil karty (a to tento nápad nabízeli jako "výhodnou" nabídku). Nakonec po méně vydařené řadě Voodoo 4 a problémové řadě Voodoo 5byla odkoupena společností NVIDIA.

V dnešní době jsou na trhu již velice výkonné grafické adaptéry, které bez problému zvládají i rozlišení 3200×2400 pixelů při barevné hloubce 32 bitů, tak vysoké hodnoty však obvykle nedokáže zobrazit jeden monitor. Hlavní výrobci těchto grafických karet jsou firmy ATI (koupena společností AMD v roce 2006) a nVidia a v oblasti integrovaných grafických karet především Intel. Firma ATI svou řadu grafických karet pojmenovala Radeon, firma nVidia GeForce. V polovině roku 2006 byly na světovém trhu vládci v oboru grafických karet grafické čipy nVidia 7900 GTX (která již podporovala SLI) od firmy nVidia a grafický čip Radeon X1900 XTX od firmy ATI. V roce 2007 má obrovský náskoknVidia, díky svojí sérii GeForce8, podporující DirectX 10, kdy první dvě karty 8800GTX/GTS vyšly už na podzim 2006. Během května 2007 se na trhu objevila nová vlajková loď nVidie - 8800 Ultra, nejvýkonnější karta ze série GeForce8, a od AMD Radeon HD 2900 XT. Dle očekávání není verze 2900 XT výkonnější než starší 8800GTX od nVidie. Další výrobci, jako je např. Matrox, Kyro, S3/Via, Rendition, SIS, Trident, XGI zaujímají v současnosti pouze minoritní část trhu, nebo se soustředí na specifické grafické požadavky. Zaměřují se (např. Matrox) na profesionální oblast trhu (zpracování videa a CAD programy). Jedním z důvodů, proč se mezi velkými výrobci grafických karet nemohou objevit nové společnosti a ani není možný návrat v minulosti velkých výrobců, jsou ovladače grafických karet, které musí řešit veškeré chyby se kterými jsou vydávány nové hry, a nově vstoupivší společnost nemůže mít dostatek lidských zdrojů a financí na to, aby tyto chyby ve hrách v ovladačích svých grafických karet řešila.[4]

Po vydání řady HD3000 od AMD dorovnala poměr výkon/cena s NVIDIÍ, ale už nikdy nevydala HIGH-END jádro. Používá 2 GPU na 1 PCB pro dosažení vyššího výkonu (používá přitom CF technologie). NVIDIA při vydání 8800GT ohrožuje trh, je velmi prodávaná a má v tu dobu jeden z nejlepších poměrů výkon/cena. Dokonce ohrozí i HIGH-END, při použití SLI má vyšší výkon než nejvýkonnější grafiky. Následuje vydání řady HD4000 od AMD. Díky zvýšení výkonu se může s NVIDIÍ měřit ve všech segmentech. NVIDIA odpoví vydáním řady GTX 200, která má vysoký výkon, ale přesto model GTX280 neporazí 9800GX2, přestože cenou se mu vyrovná. V Q3 2008 vydává NVIDIA grafiky na 55 nm a ohrožuje AMD, díky vyšším frekvencím a menší spotřebě. V roce 2009 ohlasila AMD vydání RV740 (HD47x0) na 40 nm a RV790 (výkonnější RV770) stále na 55 nm. NVIDIA přejmenovala 9800GTX+ na GTS250, ale pozměnila PCB karty, kvůli lepší konkurenci a ohlašuje vydání GTX275.

Sběrnice IBM PC

·         PC-BUS

·         ISA - univerzální 16bitová sběrnice

·         ISAAT-BUS - takřka stejná specifikace univerzální 16bitové sběrnice 4,77 MHz (max. 9,6 MB/s), 8 MHz (max. 16 MB/s), 10 MHz (max. 20 MB/s), 12 MHz (max. 24 MB/s) a 16 MHz (max. 32 MB/s)

·         MCA - proprietární 16bitová nebo 32bitová sběrnicie

·         EISA - 32bitová sběrnice zpětně kompatibilní se sběrnicí ISA

·         VESA

·         VLB - 32bitové rozšíření ke sběrnici ISA, především pro videokarty

·         PCI - univerzální 32bitová sběrnice, 33 MHz (max. 132 MB/s), 66 MHz (max. 264 MB/s), 133 MHz (max. 532 MB/s)

·         PCI64 - univerzální 64bitová sběrnice, 33 MHz (max. 264 MB/s), 66 MHz (max. 532 MB/s), 133 MHz (max. 1066 MB/s)

·         AGP - pouze na videokarty

·         PCI-Express - univerzální sběrnice, ve verzi 16x se používají většinou pouze pro grafiky, ostatním kartám (zvukovésíťové a další) stačí nižší 8x, 4x, 1x provedení slotu.

Grafické módy (PC)

Starší

 

Rok

Text mód

Grafický mód

Barev

Paměť

MDA

1981

80*25

320*200

2

KB

CGA

1981

80*25

640*200

4

16 KB

HGC (Hercules)

1982

80*25

720*348

2

64 KB

EGA

1984

80*25

640*350

16

256 KB

EGC

1984

80*25

640*400

16

 

IBM 8514

1987

80*25

1024*768

256

 

MCGA

1987

80*25

320*200

256

 

VGA

1987

80*25

640*480

256

256 KB

SVGA

1989

80*25

800*600

256

512 KB

XGA

1990

80*25

1024*768

65,536

MB

Novější

Veškeré současné grafické adaptéry (pro obyčejné spotřebitele) podporují 32 bitovou barevnou hloubku. Následující seznam obsahuje některá nejpoužívanější rozlišení.

Poměr stran 4:3

·         XGA 1024×768

·         SXGA− 1280×960

·         SXGA+ 1400×1050

·         UXGA 1600×1200

·         QXGA 2048×1536

·         QSXGA+ 2800×2100

·         QUXGA 3200×2400

Poměr stran 5:4

·         SXGA 1280×1024

·         QSXGA 2560×2048

·         SINS 3200x2560

Poměr stran 8:5 (16:10)

·         WXGA 1280×800

·         WXGA+ 1440×900

·         WSXGA+ 1680×1050

·         WUXGA 1920×1200

·         WQXGA 2560×1600

Poměr stran 16:9

·         WVGA 854×480

·         HD 720 1280×720

·         WXGA 1366×768

·         WXGA++ 1600×900

·         HD 1080 1920×1080 (full HD)

·         QFHD 3840 x 2160 (ultra HD)

Výrobci grafických karet

·         ASUS

·         BFG (v roce 2010 přestala s výrobou)

·         Club3D

·         EVGA

·         Gainward

·         GigaByte

·         Hewlett-Packard

·         Leadtek

·         MSI

·         PowerColor

·         Sapphire

·         Zotac

·         Matrox

·         HIS

·         nVidia

·         Galax

·         Palit