Компьютерный ликбез: видеокарта

Мы продолжаем серию статей под общим названием «Компьютерный ликбез». На этот раз мы затронем следующий не менее важный компонент, а именно видеокарту. Мы постараемся подробно рассмотреть столь необходимую деталь в современном компьютере и немного окунёмся в историю создания и развития видеоподсистемы ПК.

Для охлаждения графического процессора Chaintech GeForce 7600GT используется активное охлаждение (кулер), состоящее из медного радиатора и небольшого вентилятора-турбинки.

Система охлаждения

Некоторые маломощные видеокарты обходятся пассивным охлаждением, то есть обычным радиатором из алюминия или сплава. Самые производительные видеоадаптеры снабжаются высокими монстрообразными комбинированными кулерами, использующими тепловые трубки. Такие кулеры накрывают практически всю поверхность платы, охлаждают попутно видеопамять, но из-за их размеров соседний слот на материнской плате становится недоступным. Зато горячий воздух от карты выгоняется из корпуса наружу, чего не происходит с обычными системами охлаждения. Также некоторые производители оснащают высокоуровневые адаптеры системами водяного охлаждения, которые по эффективности могут превосходить лучшие воздушные кулеры, а иногда и более экзотическими решениями вроде термоэлектрического кулера Пельтье.

Система охлаждения «монстра» GeForce 8800Ultra

Не менее важной характеристикой активной системы охлаждения является уровень шума вентилятора, который бывает порой невыносимым, особенно во время игры в любимый шутер. Так как большинство видеокарт снабжено управлением оборотов вентилятора в зависимости от температуры ядра, то, естественно, чем выше температура чипа, тем будет выше уровень шума системы. Обычно шумноватыми бывают «жужжалки» до 50 мм в диаметре и турбины на GeForce 7600/7900, а также на адаптерах AMD Radeon X1800/1900. Вентиляторы размером 60-80 мм особым шумом не выделяются, так же как и видеокарты класса GeForce 8800 и AMD HD 2900, в которых инженеры уделили должное внимание уровню шума, издаваемого кулером.

Ещё один из «монстров»: Radeon HD 2900XT

Чтобы передача тепла от видеоядра и памяти к системе охлаждения была хорошей, используется термоинтерфейс: термопаста или более твёрдый состав, который называется «терможвачка» – из-за полного сходства с жевательной резинкой. Если по каким-либо причинам необходимо заменить кулер на видеокарте, то о термопасте забывать не стоит, иначе будет наблюдаться нестабильная работа видеоконтроллера – до полного его выхода из строя.

На видеокарте, как и на материнской плате, имеется микросхема BIOS, в которой хранится информация о видеоадаптере, экранные шрифты и так далее, но в отличие от материнской платы в BIOS видеоадаптера зайти практически нельзя, его можно лишь сохранить, изменить и затем прошить заново.

Для хранения изображений, текстур и другой необходимой информации на плате видеокарты установлены чипы памяти, соединённые с графическим процессором специальной шиной, ширина которой определяется в битах: 64, 128, 256, 320, 384, 512. Необходимая разрядность шины, поддерживаемая видеопроцессором, получается путём установки определённого количества микросхем с интерфейсом 16 или 32 бит. Шиной в 16 бит снабжены чипы первого стандарта графической памяти GDDR и второго поколения – GDDR2, шиной в 32 бит могут похвастаться чипы как первого поколения, так и третьего – GDDR3, а также вышедшего совсем недавно четвёртого – GDDR4. Так, если карта оборудована памятью стандарта GDDR2, то для шины 128 бит необходимо будет 8 микросхем, если же на карте установлена GDDR3, то хватит и четырёх. Чем больше общая ширина шины, тем выше пропускная способность памяти, а это, в свою очередь, влияет на производительность видеоадаптера в играх при высоком разрешении и при качественной графике (все настройки – на максимуме). Шина памяти в 64 бит сильно ограничивает скорость пересылки данных и используется в видеокартах начального уровня (в среднем до 70 долларов США), производительность которых не позволяет насладиться в полной мере всеми красотами современных игр. Видеокарта GeForce 7300GS, серия Radeon HD 2400 как раз являются представителями видеоадаптеров с 64-битной шиной, заложенной ещё в процессе разработки, а не путём искусственного ограничения методом недоустановки чипов памяти. Более интересен адаптер с шиной в 128 бит, которая используется в картах среднего класса, а также в производительных Low-End-решениях (карты стоимостью от 70 до 200 долларов), – в таком случае можно будет использовать разрешение экрана 1024х768 пикселей и настройки качества графики в широких пределах. Рассматриваемый нами образец Chaintech GeForce 7600GT имеет шину в 128 бит и всего 4 чипа памяти (32х4=128). Видеокарты, находящиеся в самом начале класса High-End, используют 256-битную шину, что позволяет играть на таких адаптерах уже при разрешении 1280х1024 точек с довольно «тяжёлыми» настройками. И именно с такими видеокартами складывается интересная ситуация при выходе нового поколения акселераторов Middle-End с 128-битной шиной – производительность в обоих случаях примерно равна: GeForce 6800GS (256 бит) и GeForce 7600GT (128 бит), GeForce 7900GS (256 бит) и GeForce 8600GTS (128 бит).

Radeon X1950Pro с 256-битной шиной памяти

Карты с шиной 320 и 384 бит относятся к самому высокому уровню и основаны на чипах компании NVIDIA: GeForce 8800GTS (320), GeForce 8800GTX (384) и GeForce 8800Ultra (384). Пропускной способности памяти этих видеокарт хватает для игры при разрешениях от 1280х1024 до 1600х1200 и высоком качестве графики, вплоть до включения полноэкранного сглаживания и анизотропной фильтрации. Компания AMD представила серию Radeon HD 2900 уже с 512-битной шиной, что, как и в случае с разработкой NVIDIA, позволяет насладиться всеми красотами современных игровых приложений при высоком разрешении.

Чипы памяти располагаются возле графического процессора на лицевой стороне платы, но в зависимости от объёма, типа памяти шины также могут быть расположены и на обратной стороне. Объём каждого чипа в отдельности измеряется в мегабитах, и после установки производителем на видеокарту определённого количества микросхем получается необходимый объём памяти: 32, 64, 128, 256, 320, 512, 784 и 1024 МБайт. Чем больше объём, тем больше можно хранить необходимой информации, а значит, качественнее можно будет выставить настройки графики в игровых приложениях. Правда, необходимость большого объёма памяти зависит от производительности видеокарты. Например, 512 Мбайт для Radeon X1950XTX и GeForce 7900GTX в некоторых случаях необходим, а для GeForce 7600GS и Radeon X1600Pro – это как рыбе зонтик, графические процессоры просто не способны заполнить такой объём памяти. Объём 32 и 64 Мбайт сейчас устанавливается на видеокарты начального уровня, поддерживающие технологию TurboCache от NVIDIA и HyperMemory от ATI, – видеоадаптер с такой технологией использует часть системной памяти, и для использования такой видеокарты необходимо как минимум 512 Мбайт в системе, а то и целых 1 Гбайт. Память объёмом 128 Мбайт является прерогативой видеокарт класса Low-End, а также иногда встречаются видеокарты ATI с HyperMemory и таким объёмом набортной памяти. 256 Мбайт уже относится и к видеокартам среднего уровня, и к более производительным решениям. Необходимость в 320-1024 Мбайт уже проявляется в классе High-End, но иногда 512 Мбайт, а уже и 1024 Мбайт устанавливают на малопроизводительные решения – в данном случае это просто маркетинговый ход. На видеокарте Chaintech GeForce 7600GT установлено 256 Мбайт памяти, этого хватит для игры в современные игры при разрешении 1024х768 и с качеством выше среднего.

Следующий пункт, отвечающий за характеристики видеопамяти, – её рабочая частота, влияющая на пропускную способность. Так как современная память использует технологию DDR (Double Data Rate -удвоенная скорость передачи данных), то в качестве значений может указываться как реальная частота, так и эффективная, то есть равная удвоенной реальной. Реальную частоту памяти можно вычислить по времени доступа, указанному в маркировке чипов. Например, в Chaintech GeForce 7600GT установлены чипы со временем доступа 1,2 нс (маркировка чипов K4J52324QC-BJ12 – число 12 и означает 1,2 нс), тогда реальная частота равна 1000/1,2=833 МГц или округлённо 800 МГц, а эффективная будет 800*2=1600 МГц. Иногда производители устанавливают более скоростную память, но работающую на меньшей, чем положено, частоте, тем самым оставляя лазейку для оверклокеров. На видеокартах с памятью GDDR и GDDR2 эффективные частоты могут достигать 1000 МГц, на картах с GDDR3 частоты достигают 2200 МГц, а с GDDR4 – более 2 ГГц.

С приходом интерфейса PCI Express как доминирующей шины для обмена данными между видеокартой и материнской платой у разработчиков видеопроцессоров снова появилась возможность объединения нескольких видеокарт, а именно двух, для совместной работы над 3D-сценой. Подобное объединение видеоакселераторов отразилось в обновлённой технологии SLI (Scalable Link Interface – масштабируемый интерфейс соединений) от NVIDIA и в технологии CrossFire от AMD. Чтобы построить тандем из видеокарт NVIDIA, необходима специальная материнская плата на базе чипсета от NVIDIA с двумя разъёмами PCI-E x16 и поддерживающая SLI. Для обмена данными между собой карты выше начального уровня соединяются специальным мостиком, а видеоадаптеры Low-End передают информацию по шине PCI Express. Путём небольших ухищрений с драйверами SLI можно заставить работать и на чипсете Intel, если материнская плата оборудована двумя разъёмами PCI-E x16. Режим CrossFire официально поддерживают чипсеты как от AMD, так и от Intel, что делает более широким выбор по подбору компонентов. В любом случае, материнская плата должна иметь два разъёма PCI-E x16. Первое поколение видеокарт AMD (тогда ещё ATI) требовало для объединения в массив использования специальной «ведущей» модификации видеокарты Crossfire Edition и кабеля для синхронизации. Для объединения последних моделей видеокарт, как и в случае с SLI, используются два специальных мостика, а ведущей выступает обычная модель. Если же карты не поддерживают такую возможность, то обмен данными происходит по шине PCI Express.

Оригинальный файл

Видеокарта на базе GeForce 7950 GX2

Также компания NVIDIA выпустила видеокарту GeForce 7950 GX2, состоящую из двух адаптеров на базе GeForce 7950GT, которую можно устанавливать в системы с одним разъёмом PCI-E x16. Фактически это тот же SLI, просто видеокарты связаны напрямую, а не через материнскую плату. Существенным минусом технологий по объединению видеокарт является то, что 100%-ный эффект от их использования не достигается, к тому же все эти технологии зависят от поддержки со стороны приложений и драйверов. Если поддержки нет, то и роста производительности не происходит.

Шестиштырьковый разъём питания

Как и любому электронному устройству, видеокарте необходимо питание. В большинстве случаев видеоадаптерам с интерфейсом памяти в 128 бит достаточно питания, подаваемого от шины PCI Express, а это максимум 75 Вт, чего с лихвой хватает тому же GeForce 7600GT. При этом схема питания таких видеокарт не отличается особой сложностью. Для более производительных решений, начиная с карт, поддерживающих 256-битный интерфейс памяти или рассчитанных на оверклокинг, устанавливаются разъёмы дополнительного питания, к которым подводятся 12 В и земля от блока питания. Видеокарты GeForce 6-й и 7-й серии, GeForce 8600GTS и GeForce 8800 GTS, а также высокоуровневые адаптеры Radeon оснащаются одним 6-штырьковым разъёмом, карты GeForce 8800GTX и GeForce 8800Ultra идут уже с двумя такими разъёмами, а серия Radeon HD 2900 оснащается одним 6- и одним 8-штырьковым разъёмами. При этом для нормальной работы Radeon HD 2900XT достаточно и двух 6-штырьковых коннекторов, но для разгона требуется 8-контактный.

Шести- и восьмиштырьковый разъёмы питания на Radeon HD 2900XT

Схемы питания видеокарт High-End имеют сложный вид, занимают порой львиную долю адаптера и оснащаются системами охлаждения, как отдельными, так и общими с ядром и памятью.

Каждая видеокарта имеет разъёмы для подключения мониторов и телевизора. Обычные ЭЛТ и TFT-мониторы подключаются к VGA-разъёму – D-Sub, через который вся информация передаётся в аналоговом виде. Недостатком такого метода является малая помехозащищенность, появление артефактов и замыливание изображения, так как в видеокарте картинка формируется в цифровом виде, потом в специальном блоке – RAMDAC (RAM – память произвольного доступа и DAC – цифро-аналоговый преобразователь) преобразуется в аналоговый вид, и уже в мониторе операция повторяется в обратном порядке.

Разъёмы: D-Sub, ТВ-выход и DVI

Для повышения качества передаваемого сигнала предназначен цифровой интерфейс – DVI, информация по которому передаётся в цифровом виде, без потерь. Подобные интерфейсы устанавливаются в TFT-мониторах, проекторах и в каждой современной видеокарте.

Разъёмы: ТВ-выход и 2 DVI

Если на карте установлены два цифровых разъёма, а в наличии есть монитор, работающий только с аналоговым сигналом, то существуют переходники DVI/D-Sub.

ТВ-выход S-Video, напоминающий разъём PS/2, позволяет вывести видеосигнал на телевизор или другое устройство, оборудованное соответствующим входом. При этом из него путём использования различных переходников и разветвителей можно вывести и сигнал высокой чёткости – HDTV (High-definition television), и обычный видеосигнал, такой же, как выводится в «компьютерные» выходы. Для подключения обычного телевизора с разъёмом типа «тюльпан» используются переходники.

Блок, состоящий из двух RAMDAC и отвечающий за преобразование сигнала, обычно встроен в графический процессор, но при разработке серии акселераторов GeForce 8800 компании NVIDIA пришлось его вынести за пределы GPU, дабы исключить влияние различных помех внутри чипа, ведь кроме RAMDAC микросхема объединила в себе ещё и ТВ-вход и выход.

Расположение внешнего RAMDAC справа от ядра

И крупным планом

Но D-Sub и DVI в скором времени могут исчезнуть (D-Sub уже начинает исчезать), и на смену им придёт цифровой интерфейс HDMI, который кроме видеосигнала может передавать звук, и для подключения соответствующего телевизора достаточно будет всего одного кабеля. Уже видеоадаптеры AMD серий Radeon HD 2900/2600/2400 изначально поддерживают данный интерфейс (через переходник DVI/HDMI) и содержат 5.1-канальный аудиокодек, что позволяет обойтись без дополнительной звуковой платы. А встроенные функции в видеоадаптеры по обработке видео позволяют разгрузить центральный процессор, тем самым направив его ресурсы на более необходимые вычисления.

Заключение

Как видите, такой простой на первый взгляд компонент, как видеокарта, имеет очень сложное строение, каждый блок отвечает за определённые операции, в сумме дающие нам возможность насладиться любимыми играми и фильмами, которые и являются катализатором для прогрессивного развития видеоподсистемы компьютера. И, конечно же, не стоит забывать об обновлении программного обеспечения для видеокарт (драйверов), особенно после выхода очередной игрушки.