Современная видеокарта представляет собой сплав двух некогда независимых устройств – графического адаптера и ускорителя трехмерной графики. У большинства пользователей видеокарта ассоциируется с 3D-играми, поэтому апгрейд до более мощной модели всегда вызывает массу положительных эмоций. Что интересно, область применения графических адаптеров не ограничивается только развлечениями, ведь их вычислительная мощь превосходит иные центральные процессоры. Именно поэтому видеокарты быстро развиваются и проникают во все сегменты рынка электроники: от десктопов и лэптопов до смартфонов и суперкомпьютеров.
Из глубин прошлого
Почетное звание первопроходца принадлежит графическому адаптеру MDA (Monochrome Display Adapter), выпущенному компанией IBM вместе с самым первым IBM PC в 1981 году. Он поддерживал разрешение 720х350 пикселов и выводил на экран до 25 строк текста в черно-белом режиме, ни о какой графике, тем более цветной, речь по понятным причинам не шла. Чем же он был примечателен? На тот момент уже существовали компьютеры от Apple и Atari, обеспечивающие вывод цветной графики.
Особенностью адаптера MDA было то, что устанавливался он в слот шины ISA, обладающей открытой архитектурой. Покупатель IBM PC мог самостоятельно заменить видеокарту на более продвинутую, например на появившуюся в том же году CGA (Color Graphics Adapter), способную выводить на экран символы 16 цветов и четырехцветные изображения небольшого разрешения. В 1984 году на смену CGA пришла модель EGA (Enhanced Graphics Adapter), расширившая цветовую гамму до 64 цветов.
1987 год ознаменовал новую эру графических адаптеров. Сначала в версии MCGA (Multicolor Graphics Adapter) инженерам IBM удалось улучшить текстовый режим до 50 строк, а графический – до 262 144 цветов, что вынудило перейти с цифровой на аналоговую передачу сигнала на монитор. А несколькими месяцами позже была представлена видеокарта VGA (Video Graphics Array), на долгие годы ставшая неоспоримым стандартом отрасли. В графическом режиме разрешение составляло 640x480 точек, тем самым на десятилетие унифицировав соотношение сторон экрана монитора 4:3. В 1991 году появилось понятие Super VGA (16 млн цветов при разрешении 800х600 точек), которое было принято ассоциацией VESA для обеспечения совместимости видеокарт разных производителей. Серьезным толчком к дальнейшему развитию видеокарт стало массовое распространение операционных систем с графическим интерфейсом.
Сложная штуковина
Прежде всего отметим, что графические ускорители для персональных компьютеров делятся на два вида: интегрированные и дискретные. Первые встроены в кристалл центрального процессора или чипсета материнской платы, вторые являют собой отдельный микрочип или плату расширения. Интегрированная графика не обладает высоким потенциалом, зато позволяет сэкономить при покупке компьютера, если нет нужды в мощном 3D-акселераторе. Долгие годы ее уделом были лишь офисные компьютеры, но с недавних пор ей стало по плечу и большинство мультимедийных задач. Для трехмерных игр и других ресурсоемких задач обойтись без дискретной видеокарты все же не удастся, поскольку ее производительность в разы, а то и десятки раз выше.
В современном видеоадаптере можно выделить несколько ключевых элементов.
Графический процессор (GPU), на котором лежит задача построения картинки (рендеринга), как 2D, так и 3D. В прошлом графические процессоры состояли из нескольких специализированных блоков (2D-ускоритель, блок растеризации, блок геометрических расчетов), ныне же им на смену пришли универсальные программируемые шейдерные процессоры. Благодаря этому ресурсы современного GPU можно целиком использовать для решения самых разных задач, включая обычные «неграфические» вычисления.
Видеопамять. Данные для построения изображения (координаты вершин треугольников, текстуры) и картинка, готовая к выводу на монитор, хранятся в памяти, размещенной на плате видеоадаптера. Современные видеокарты оснащаются быстрой памятью типа GDDR5 объемом до 3 Гб.
Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП, RAMDAC – Random Access Memory Digital-to-Analog Converter) – служит для преобразования изображения, формируемого видеоконтроллером, в аналоговый сигнал для монитора. Глубина цвета отображаемой картинки зависит от разрядности каналов ЦАП. 8-разрядный преобразователь обеспечивает 256 уровней яркости каждого цветового компонента, что в сумме дает 16,7 млн оттенков. Стоит отметить, что мониторы и видеопроекторы, подключаемые к цифровому DVI-выходу видеокарты, для преобразования потока цифровых данных используют собственные цифроаналоговые преобразователи и от характеристик ЦАП видеокарты не зависят.
 Неотъемлемой частью видеокарт стала система охлаждения, которой зачастую приходится рассеивать пару сотен ватт тепла, что сопоставимо с двумя-тремя лампочками накаливания. Если маломощные бюджетные графические адаптеры и интегрированные решения обходятся пассивным охлаждением (алюминиевым или медным радиатором), то остудить высокопроизводительные модели способны лишь кулеры хитроумной конструкции. Современные системы воздушного охлаждения состоят из тепловых трубок, ребристого радиатора и одного или нескольких вентиляторов. Все чаще предпочтение отдается более эффективным и в то же время практически бесшумным водоблокам, работающим по принципу непрерывной циркуляции жидкости в замкнутой системе.
ВХОД И ВЫХОД
С другими компонентами компьютера современные видеокарты обмениваются данными посредством интерфейса PCI Express x16. Но кое-где еще применяются и графические адаптеры с разъемом предыдущего поколения – AGP, который канул в Лету из-за недостаточной пропускной способности.
На экран компьютера изображение с видеокарты передается через интерфейсы LVDS, VGA, DVI, HDMI и DisplayPort. Стандарт LVDS применяется для прямого подключения дисплея к графическому ускорителю, встретить его можно в ноутбуках и встраиваемых системах, где нет необходимости часто разбирать конструкцию. Видеовыход VGA (он же D-Sub) можно смело назвать последним из могикан, ведь он единственный оставшийся представитель эры аналоговой передачи изображения. Но уходить на пенсию «дедушка» не спешит и до сих пор применяется на равных с цифровыми интерфейсами. Завершится жизненный цикл VGA в 2015 году, когда все ведущие производители видеокарт прекратят поставки решений с этим разъемом.
Цифровой интерфейс DVI первым пришел на смену VGA, повысив до 2560х1600 пикселов максимально допустимое разрешение, да и четкость картинки в целом. Для сравнения: VGA уже при разрешении 1920х1080 пикселов не обеспечивает должного качества картинки. Но явные недостатки раннего DVI – большое количество контактов кабеля и неумение передавать звуковой сигнал – сыграли на руку разработчикам лицензируемого интерфейса HDMI. Впрочем, в компьютерной технике HDMI начинает вытесняться интерфейсом DisplayPort, который свободен от каких-либо лицензионных выплат и поддерживает умопомрачительное разрешение до 3840х2400 пикселов и подключения множества мониторов к одному разъему.
 Не играми едиными
Массовая популяризация трехмерных игр вынуждала из года в год наращивать производительность видеокарт, но их потенциал практически не использовался в двухмерных приложениях. Особенности архитектуры современных графических процессоров, а именно большое число универсальных вычислительных ядер, позволяет им существенно ускорять обработку данных. Камнем преткновения остается сложность распараллеливания многих приложений на большое число потоков, поэтому разработчики сосредоточились на двух направлениях развития вычислений на видеокартах. OpenCL – кросс-платформенный свободный стандарт, положенный в основу технологии AMD Stream. NVIDIA тоже поддерживает OpenCL, но основную ставку делает на собственную закрытую технологию CUDA (ударение на первый слог). OpenCL активно применяется для научных экспериментов, при обработке финансовых данных и показателей сейсмической активности. Технология CUDA, наоборот, ближе к простому народу, ведь ее среди прочих поддерживают приложения компании Adobe для обработки видео и изображений (Premiere и Photoshop).
Параллельные вычисления, бесспорно, перспективны, но все еще относятся к технологиям завтрашнего дня, тем не менее одну задачу видеокарты уже давно выполняют мастерски – ускоряют видео. Специально для этой цели в графический процессор встраивается отдельный модуль – видеодекодер (AMD Unified Video Decoder и NVIDIA PureVideo Decoder), кото рый стал неотъемлемой частью даже маломощных интегрированных графических ускорителей, в том числе последних моделей компании Intel.
7000 ВИДЕОКАРТ В ОДНОМ КОМПЬЮТЕРЕ
Китайский суперкомпьютер Tianhe-1a из Национального университета оборонных технологий в Тяньцзине является самым мощным суперкомпьютером в мире. Он состоит из 14 336 центральных процессоров Intel Xeon X5670 и 7168 графических адаптеров NVIDIA Tesla M2050 с поддержкой технологии CUDA.
Вычислительная мощность Tianhe-1a в общепринятом тесте быстродействия суперкомпьютеров LINPACK составляет 2,5 Пфлопс. Если бы он состоял только из центральных процессоров, то для достижения аналогичного уровня производительности понадобилось бы использовать больше 50 тысяч чипов. Применение графических адаптеров вместо CPU еще и снизило суммарное энергопотребление Tianhe-1a с 12 до 4 МВт, экономя электроэнергию, которой хватило бы для освещения пяти тысяч жилых домов. Третье место в рейтинге занимает суперкомпьютер Nebulae, тоже с видеокартами NVIDIA Tesla (1,27 Пфлопс в LINPACK). Таким образом, на данный момент в Китае находится две из трех мощнейших вычислительных машин мира.
 Смертельная битва
Несмотря на то что 60% глобальных поставок графических ускорителей принадлежит интегрированным решениям Intel, самая ожесточенная борьба ведется между AMD и NVIDIA.
В середине 1990-х рынок видеоадаптеров делило множество компаний, и почти каждая из них пыталась реализовать ускорение 3D-графики в своих продуктах. ATI, S3, Matrox, Rendition, NVIDIA выпускали платы, оснащенные рудиментарными функциями 3D-акселерации. Особняком стояла 3Dfx со своими специализированными 3D-ускорителями, работавшими в связке с обычными 2D-видеокартами.
Из этой толкучки победителями вышли два производителя: ATI, поглощенная в 2006 году компанией AMD, и NVIDIA. Они примерно поровну поделили рынок дискретных графических адаптеров, постоянно соревнуясь и конкурируя между собой. У каждой из них в арсенале есть уникальные разработки: к примеру, платы NVIDIA так пока и не научились работать с шестью мониторами одновременно, а продукты ATI лишены поддержки PhysX, технологии ускорения расчетов физики в игровых программах.
Будущее видеокарт
Многие аналитики предрекают закат эры персональных компьютеров как игровой платформы под натиском смартфонов, планшетов и облачных сервисов вроде быстро набирающего популярность OnLive. Напрашивается вывод, что видеокарты пострадают от этого в первую очередь, однако события последних лет неоспоримо доказали, что в графических адаптерах заложен гигантский потенциал, выходящий далеко за рамки их привычного применения. К примеру, видеокарты вполне способны выполнять расчеты, причем не только «для дома, для семьи», но и в серьезных промышленных и научных целях. Компания Intel даже воскресила свой давний проект Larrabee и теперь готовит к выходу 50-ядерный ускоритель вычислений Knights Corner. Так что игровые видеокарты никуда не денутся, а лишь сменят вектор развития с настольных компьютеров на мобильные устройства, интегрируясь в SoC-чипы (система на кристалле). Но всегда найдутся истинные компьютерные энтузиасты и заядлые игроманы, готовые отдать последнюю рубаху ради новенькой флагманской видеокарты с любимым именем Radeon или GeForce.
Юрий Валерианов, Computer Bild
|
