Введение

Карта расширения, генерирующая видеосигнал для устройства отображения.

Графическая карта (также называемая видеокартой, дисплейной картой, графическим адаптером, VGA-картой/VGA, видеоадаптером, дисплейным адаптером или, в разговорной речи, GPU) — это компьютерная карта расширения, которая генерирует видеосигнал для устройства отображения, такого как монитор. Графические карты иногда называют дискретными или выделенными графическими картами, чтобы подчеркнуть их отличие от встроенного графического процессора на материнской плате или центрального процессора (ЦП). Графический процессор (GPU), выполняющий необходимые вычисления, является основным компонентом графической карты, однако аббревиатура "GPU" иногда ошибочно используется для обозначения графической карты целиком. Большинство графических карт не ограничиваются простым выводом изображения. Графический процессор может использоваться для дополнительных вычислений, что снижает нагрузку на центральный процессор. Кроме того, вычислительные платформы, такие как OpenCL и CUDA, позволяют использовать графические карты для вычислений общего назначения. Области применения вычислений общего назначения на графических картах включают обучение искусственного интеллекта, майнинг криптовалюты и молекулярное моделирование. Некоторые из них могут иметь отдельные корпуса и подключаться к компьютеру через док-станцию или кабель. Они известны как внешние графические процессоры (eGPU). Графические карты часто предпочтительнее встроенной графики для повышения производительности.

История

Графические карты исторически поддерживали различные стандарты компьютерного отображения по мере их развития. Для IBM PC-совместимых, распространёнными ранними стандартами были MDA, CGA, Hercules, EGA и VGA. В конце 1980-х годов компания Radius выпускала графические карты для Apple Macintosh II с дискретными возможностями 2D QuickDraw. 3dfx Interactive была одной из первых компаний, разработавших потребительский графический процессор с 3D-ускорением (серия Voodoo) и первой разработавшей графический чипсет, предназначенный исключительно для 3D, но без поддержки 2D (что требовало наличия 2D-карты для его работы). NVIDIA RIVA 128 была одним из первых потребительских графических процессоров, объединивших 3D- и 2D-процессоры на одном чипе. Большинство современных видеокарт создаются с использованием графических чипов от AMD или Nvidia, при этом слово "графических" обычно опускается.

Дискретное и интегрированное графическое изображение

В качестве альтернативы использованию видеокарты, видеооборудование может быть интегрировано в материнскую плату, процессор или систему на чипе в виде интегрированной графики. Реализации на основе материнской платы иногда называют "встроенной графикой". Некоторые материнские платы поддерживают одновременное использование как интегрированной графики, так и дискретной видеокарты для подключения отдельных дисплеев. Основными преимуществами интегрированной графики являются: низкая стоимость, компактность, простота и низкое энергопотребление. Интегрированная графика часто обладает меньшей производительностью, чем дискретная видеокарта, поскольку графический процессор в составе интегрированной графики должен совместно использовать системные ресурсы с центральным процессором. С другой стороны, дискретная видеокарта имеет собственную оперативную память (RAM), систему охлаждения и выделенные регуляторы питания. Дискретная видеокарта может разгрузить центральный процессор и уменьшить конкуренцию за шину памяти, что может повысить общую производительность компьютера, а также увеличить производительность в задачах графической обработки. Такое повышение производительности заметно в видеоиграх, 3D-анимации и видеомонтаже. Компании AMD и Intel представили процессоры и чипсеты материнских плат, поддерживающие интеграцию графического процессора в тот же кристалл, что и центральный процессор. AMD продвигает процессоры с интегрированной графикой под торговой маркой Accelerated Processing Unit (APU), а Intel использует бренд "Intel Graphics Technology" для аналогичных технологий.

Потребление электроэнергии

По мере увеличения вычислительной мощности графических карт, росла и их потребность в электрической энергии. Современные высокопроизводительные видеокарты, как правило, потребляют большое количество энергии. Например, тепловая проектная мощность (TDP) для GeForce Titan RTX составляет 280 Вт. При тестировании в видеоиграх, GeForce RTX 2080 Ti Founder's Edition в среднем потребляла 300 Вт электроэнергии. В то время как производители процессоров и блоков питания в последнее время стремятся к повышению эффективности, потребление энергии графических карт продолжало расти, оставаясь самым высоким среди всех отдельных компонентов компьютера. Хотя блоки питания также увеличили свою мощность, узким местом остается соединение PCI Express, которое ограничено подачей 75 Вт. Современные видеокарты с энергопотреблением более 75 Вт обычно оснащаются комбинацией шестиконтактных (75 Вт) или восьмиконтактных (150 Вт) разъемов, подключаемых непосредственно к блоку питания. Обеспечение достаточного охлаждения становится сложной задачей в таких системах. Компьютеры с несколькими видеокартами могут требовать блоки питания мощностью более 750 Вт. Отвод тепла становится ключевым аспектом при проектировании компьютеров с двумя или более высокопроизводительными видеокартами. Начиная с серии Nvidia GeForce RTX 30, архитектуры Ampere, модифицированная RTX 3090 под названием "Hall of Fame" была зафиксирована с пиковым энергопотреблением до 630 Вт. Стандартная RTX 3090 может достигать пикового значения в 450 Вт. RTX 3080 может потреблять до 350 Вт, а RTX 3070 – сопоставимую, если не немного меньшую, пиковую мощность. Видеокарты Ampere в исполнении Founders Edition оснащены системой охлаждения с "двунаправленным потоком", включающей вентиляторы над и под платой для максимально эффективного рассеивания тепла в заднюю часть корпуса компьютера. Аналогичная конструкция использовалась в графической карте Sapphire Radeon RX Vega 56 Pulse.

Размер

Графические карты для настольных компьютеров имеют различные размеры, что позволяет устанавливать их в компактные системы. Некоторые видеокарты отличаются от стандартных размеров и называются "низкопрофильными". Размеры графических карт определяются только по высоте: низкопрофильные карты занимают меньше места, чем высота слота PCIe, некоторые достигают "половинной высоты". Длина и толщина могут значительно варьироваться – высокопроизводительные карты обычно занимают два или три слота расширения, а современные флагманские модели, такие как RTX 4090, превышают 300 мм в длину. Низкопрофильная карта предпочтительна, когда необходимо установить несколько карт или когда возникают проблемы с совместимостью с другими компонентами материнской платы, например, с модулями DIMM или слотами PCIe. Решить эту проблему можно, используя более просторный корпус, например, Mid-Tower или Full-Tower. Корпуса Full-Tower обычно поддерживают материнские платы стандартов ATX и micro ATX.

Масштабирование с использованием нескольких карт

Некоторые видеокарты можно объединять для масштабирования графической обработки на нескольких картах. Это осуществляется с помощью шины PCIe на материнской плате или, чаще, с помощью моста данных. Как правило, для объединения карты должны быть одной и той же модели, и большинство карт начального уровня не поддерживают такую возможность. AMD и Nvidia предлагают собственные методы масштабирования: CrossFireX для AMD и SLI (с поколения Turing, замененного на NVLink) для Nvidia. Карты от разных производителей чипсетов или с разными архитектурами нельзя использовать вместе для масштабирования с использованием нескольких карт. Если у графических карт разный объем памяти, будет использоваться наименьший объем, а больший игнорироваться. В настоящее время масштабирование на картах потребительского уровня можно выполнять, используя до четырех карт. Использование четырех карт требует большой материнской платы с соответствующей конфигурацией. Графическая карта Nvidia GeForce GTX 590 может быть настроена для работы с четырьмя картами. Как упоминалось выше, для оптимальной работы пользователям рекомендуется использовать карты с одинаковой производительностью. Материнские платы, такие как ASUS Maximus 3 Extreme и Gigabyte GA EX58 Extreme, сертифицированы для работы с данной конфигурацией. Для питания карт в режимах SLI или CrossFireX необходим мощный блок питания. Перед установкой подходящего блока питания необходимо знать требования к энергопотреблению. Для конфигурации с четырьмя картами требуется блок питания мощностью 1000 Вт и выше. SLI и CrossFire становятся все менее распространенными, поскольку большинство игр не полностью используют несколько графических процессоров, а также из-за того, что большинство пользователей не могут себе их позволить. Несколько графических процессоров по-прежнему используются в суперкомпьютерах (например, Summit), на рабочих станциях для ускорения видео- и 3D-рендеринга, визуальных эффектов, для моделирования и обучения искусственного интеллекта.

Промышленность

По состоянию на 2016 год основными поставщиками графических процессоров (графических чипов или чипсетов), используемых в видеокартах, являются AMD и Nvidia. В третьем квартале 2013 года, по данным Jon Peddie Research, доля рынка AMD составила 35,5%, а Nvidia – 64,5%. В экономике такая структура отрасли называется дуополией. AMD и Nvidia также производят и продают видеокарты, которые в отрасли называются платами расширения для графики (AIB). (См. Сравнение графических процессоров Nvidia и Сравнение графических процессоров AMD.) Помимо продвижения собственных видеокарт, AMD и Nvidia продают свои графические процессоры авторизованным поставщикам AIB, которых AMD и Nvidia называют "партнерами".

Рынок

В 1999 году поставки графических карт достигли пика в 114 миллионов штук. Для сравнения, в третьем квартале 2013 года их объем составил 14,5 миллиона единиц, что на 17% меньше, чем в третьем квартале 2012 года. Помимо игровых и мультимедийных сегментов, графические карты все шире используются для вычислений общего назначения, например, для обработки больших данных. Рост популярности криптовалют привел к резкому увеличению спроса на высокопроизводительные графические карты, особенно в больших объемах, благодаря их преимуществам в процессе майнинга. В январе 2018 года цены на графические карты среднего и высокого класса резко выросли, и у многих розничных продавцов наблюдался дефицит из-за высокого спроса со стороны этой категории покупателей. Компании, производящие графические карты, выпустили специализированные карты для майнинга, предназначенные для круглосуточной работы без выходных и без видеовыходов. Индустрия графических карт испытала спад из-за дефицита чипов в 2020-2021 годах.

Части

Современная видеокарта состоит из печатной платы, на которой установлены компоненты. Среди них:

Графическая обработка

ГПУ (Graphics Processing Unit), также иногда называемый визуальным процессором (Visual Processing Unit, VPU), — это специализированная электронная схема, разработанная для быстрого манипулирования и изменения памяти с целью ускорения построения изображений в буфере кадров, предназначенном для вывода на дисплей. Благодаря высокой степени программируемой вычислительной сложности, присущей этой задаче, современная графическая карта фактически представляет собой самостоятельный компьютер.

Утеплитель

На большинстве современных видеокарт установлен радиатор. Радиатор рассеивает тепло, выделяемое графическим процессором, равномерно по всей своей поверхности и самому графическому процессору. Обычно на радиатор устанавливается вентилятор для охлаждения радиатора и графического процессора. Не все видеокарты оснащены радиаторами: например, некоторые охлаждаются жидкостью и используют водяной блок, а карты 1980-х и начала 1990-х годов выделяли мало тепла и не требовали радиаторов. Большинству современных видеокарт необходимы эффективные системы охлаждения. Они могут быть жидкостными или использовать радиаторы с дополнительными тепловыми трубками, как правило, медными, для оптимальной теплопередачи.

Видео BIOS

Видео BIOS или прошивка содержит минимальную программу для первоначальной настройки и управления видеокартой. Она может содержать информацию об объеме и таймингах памяти, рабочих частотах и напряжениях графического процессора, а также другие параметры, которые иногда можно изменить. Современные видео BIOS не поддерживают полную функциональность графических карт; они достаточны лишь для идентификации и инициализации карты, чтобы вывести один из нескольких режимов буфера кадров или текстового режима. Они не поддерживают преобразование YUV в RGB, масштабирование видео, копирование пикселей, композитинг или множество других 2D и 3D функций графической карты, к которым необходимо обращаться через программные драйверы.

Видеопамять

Тип Часовая частота памяти (МГц) Пропускная способность (ГБ/с) DDR 200–400 1.6–3.2 DDR2 400–1066 3.2–8.533 DDR3 800–2133 6.4–17.066 DDR4 1600–4866 12.8–25.6 GDDR4 3000–4000 160–256 GDDR5 1000–2000 288–336.5 GDDR5X 1000–1750 160–673 GDDR6 1365–1770 336–672 HBM 250–1000 512–1024

Объем видеопамяти большинства современных графических карт варьируется от 2 до 24 ГБ. Однако, с появлением карт объемом до 32 ГБ к концу 2010-х годов, области применения графики становятся все более мощными и распространенными. Поскольку видеопамять должна быть доступна графическому процессору (GPU) и схеме отображения, в ней часто используются специальные высокоскоростные или многопортовые типы памяти, такие как VRAM, WRAM, SGRAM и т.д. Примерно в 2003 году видеопамять обычно основывалась на технологии DDR. В течение и после этого года производители перешли на DDR2, GDDR3, GDDR4, GDDR5, GDDR5X и GDDR6. Эффективная частота памяти в современных картах обычно находится в диапазоне от 2 до 15 ГГц. Видеопамять может использоваться для хранения не только изображения на экране, но и других данных, таких как Z-буфер, который управляет координатами глубины в 3D-графике, а также текстуры, буферы вершин и скомпилированные программы шейдеров.

RAMDAC

RAMDAC, или цифро-аналоговый преобразователь с произвольным доступом, преобразует цифровые сигналы в аналоговые для использования компьютерными дисплеями с аналоговыми входами, такими как дисплеи с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). RAMDAC представляет собой разновидность микросхемы памяти, которая регулирует работу графического адаптера. В зависимости от количества используемых бит и скорости передачи данных RAMDAC, преобразователь сможет поддерживать различные частоты обновления изображения на дисплее. Для ЭЛТ-дисплеев рекомендуется работать на частоте выше 75 Гц и никогда не ниже 60 Гц, чтобы минимизировать мерцание. (Это не проблема для ЖК-дисплеев, поскольку они практически не мерцают.) В связи с растущей популярностью цифровых компьютерных дисплеев и интеграцией RAMDAC в кристалл графического процессора (GPU), он в основном исчез как отдельный компонент. Все современные ЖК-мониторы, плазменные панели, телевизоры и проекторы, оснащенные только цифровыми подключениями, работают в цифровой области и не требуют RAMDAC для этих подключений. Существуют дисплеи, которые имеют только аналоговые входы (VGA, компонентный, SCART и т.д.). Для них требуется RAMDAC, но они преобразуют аналоговый сигнал обратно в цифровой перед отображением, что приводит к неизбежной потере качества из-за этого преобразования из цифрового в аналоговый и обратно в цифровой. С постепенным отказом от стандарта VGA в пользу цифровых форматов, RAMDAC начали исчезать из графических карт.

Видеографический массив (VGA) (DE-15)

Также известный как D-sub, VGA — это аналоговый стандарт, принятый в конце 1980-х годов, разработанный для ЭЛТ-дисплеев, также называемый VGA-разъёмом. Сегодня аналоговый интерфейс VGA используется для видео высокой чёткости, включая разрешение 1080p и выше. К проблемам этого стандарта относятся электрические помехи, искажение изображения и погрешность дискретизации при определении пикселей. Хотя пропускная способность VGA достаточно высока для поддержки воспроизведения с ещё более высоким разрешением, качество изображения может ухудшаться в зависимости от качества и длины кабеля. Степень различия в качестве зависит от остроты зрения человека и характеристик дисплея; при использовании подключения DVI или HDMI, особенно на больших ЖК/LED-мониторах или телевизорах, ухудшение качества, если оно есть, становится заметным. Воспроизведение Blu-ray в разрешении 1080p возможно через аналоговый интерфейс VGA, если на Blu-ray диске не активирован токен ограничения изображения (ICT).

Цифровой визуальный интерфейс (DVI)

Digital Visual Interface – это цифровой стандарт, разработанный для дисплеев, таких как жидкокристаллические (LCD), плазменные экраны, широкоформатные телевизоры высокой четкости и видеопроекторы. Некоторые высококлассные ЭЛТ-мониторы также поддерживали DVI, хотя и реже. Он позволяет избежать искажений изображения и электрических помех, сопоставляя каждый пиксель, передаваемый компьютером, с пикселем дисплея в его собственном разрешении. Важно отметить, что большинство производителей оснащают устройства разъемом DVI-I, который позволяет (с помощью простого адаптера) выводить стандартный RGB-сигнал на старые ЭЛТ- или ЖК-мониторы с VGA-входом.

Видео-в видео-выход (VIVO) для S-Video, композитного видео и компонентного видео

Эти разъемы предназначены для подключения к телевизорам, DVD-плеерам, видеомагнитофонам и игровым приставкам. Они обычно представлены в двух вариантах мини-DIN-коннекторов с 10 контактами, а сплиттерный кабель VIVO чаще всего поставляется либо с 4 разъемами (вход и выход S-Video, а также вход и выход композитного видеосигнала), либо с 6 разъемами (вход и выход S-Video, выход компонентного сигнала YPbPr и вход и выход композитного видеосигнала).

Мультимедийный интерфейс высокой четкости (HDMI)

HDMI — это компактный аудио/видеоинтерфейс для передачи несжатых видеоданных и сжатых или несжатых цифровых аудиоданных с HDMI-совместимого устройства ("источник") на совместимое цифровое аудиоустройство, компьютерный монитор, видеопроектор или цифровой телевизор. HDMI является цифровой заменой устаревшим аналоговым видеостандартам. HDMI поддерживает защиту от копирования с помощью HDCP.

ДисплейПорт

DisplayPort — это цифровой интерфейс для подключения устройств отображения, разработанный Ассоциацией стандартов видеоэлектроники (VESA). Он используется главным образом для соединения видеоисточника с устройством отображения, например, компьютерным монитором, но также может передавать аудио, USB и другие типы данных. Спецификация VESA распространяется без лицензионных отчислений. VESA разработала DisplayPort как замену VGA, DVI и LVDS. Благодаря обратной совместимости с VGA и DVI через адаптеры пользователи могут использовать видеоисточники с интерфейсом DisplayPort, не заменяя существующие дисплеи. Несмотря на то, что DisplayPort обеспечивает более высокую пропускную способность при той же функциональности, что и HDMI, предполагается, что он будет дополнять этот интерфейс, а не вытеснять его.

Другие типы систем соединения

Тип соединителяОписание Композитное видео Для отображения на аналоговых системах с разрешением SD (PAL или NTSC) можно использовать выход RCA-разъема. Одноштырьковый разъем передает всю информацию о разрешении, яркости и цвете, что делает его видеосоединением наименьшего качества. В зависимости от видеокарты может поддерживаться цветовая система SECAM, а также нестандартные режимы, такие как PAL 60 или NTSC50. S Video Для отображения на аналоговых системах с разрешением SD (PAL или NTSC) кабель S Video передает две синхронизированные пары сигналов и заземления, обозначаемые как Y и C, через четырехконтактный мини-DIN-разъем. В композитном видео сигналы сосуществуют на разных частотах. Для этого сигнал яркости должен быть отфильтрован низкочастотным фильтром, что приводит к потере четкости изображения. Поскольку S Video сохраняет эти два сигнала разделенными, такая нежелательная низкочастотная фильтрация сигнала яркости не требуется, хотя полоса пропускания сигнала цветности все равно ограничена по сравнению с компонентным видео. 7P Нестандартные 7-контактные мини-DIN-разъемы (обозначаемые как "7P") используются в некоторых компьютерных устройствах (ПК и Mac). Разъем 7P принимает и полностью совместим со стандартным 4-контактным разъемом S Video. Три дополнительных контакта могут использоваться для передачи композитного (CVBS), RGB или YPbPr видеосигнала, или интерфейса I²C. 8-контактный мини-DIN 8-контактный мини-DIN-разъем используется в некоторых видеокартах ATI Radeon. Компонентное видео Использует три кабеля, каждый с RCA-разъемом (YCBCR для цифрового компонента или YPBPR для аналогового компонента); применяется в старых проекторах, игровых консолях и DVD-плеерах. Поддерживает разрешения SDTV 480i/576i и EDTV 480p/576p, а также HDTV разрешения 720p и 1080i, но не 1080p из-за отраслевых опасений по поводу защиты от копирования. Качество изображения эквивалентно HDMI для поддерживаемых разрешений, но для оптимальной производительности при воспроизведении Blu-ray, других источников 1080p, таких как PPV, или 4K Ultra HD, требуется цифровой дисплейный разъем. DB13W3 Аналоговый стандарт, ранее использовавшийся компаниями Sun Microsystems, SGI и IBM. DMS 59 Разъем, обеспечивающий выход DVI или VGA через один разъем. DE 9 Исторический разъем, использовавшийся графическими картами EGA и CGA, представляет собой гнездовой девятиконтактный D-субминиатюрный разъем (DE 9). Стандарт сигнала и распиновка обратно совместимы с CGA, что позволяет использовать мониторы EGA на картах CGA и наоборот.