Современные графические платы – это мощнейшие программно-аппаратные комплексы, по производительности оставляющие далеко позади остальные компоненты ПК. ComputerBild расскажет о том, какими бывают и что умеют видеоадаптеры.

Первые персональные компьютеры не содержали в своей архитектуре отдельного графического процессора в том виде, в котором он существует сегодня. Для вывода текста на экран монохромного монитора не требовалось каких-то сложных решений, поэтому возможностей простейшего видеоконтроллера вполне хватало.
С появлением компьютерных игр и программ для обработки графики остро встал вопрос о специализированном устройстве для вывода изображения на цветной монитор с большим, чем 640х480 точек, разрешением. Сначала были разработаны системы для вывода пиксельной графики, а позже, по мере роста интереса к трехмерным играм, и графические ускорители, обеспечива­ющие 3D-функции. В настоящее время видеоконтроллер и ускоритель объединены в единое целое – устройство под названием видеокарта (видеоадаптер).

АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ

Основой любой видеокарты является графический процессор (GPU – Graphic Processor Unit) (1). Подобно ЦП, он производит обработку команд, но, в отличие от центрального процессора ПК, GPU работает со специальными графическими инструкциями, которые используются только в программировании 2D и 3D-изображений.
Кроме графического процессора, видеокарта содержит вспомогательные элементы.
Интерфейс (2) (например, PCI Express) обеспечивает взаимодействие материнской платы с установленным в нее видеоадаптером.
Видеопамять (3) хранит данные для работы видеокарты.
Блок разъемов (4) служит для подключения к видеокарте устройства вывода изображения: монитора, проектора или телевизора. Аналоговый сигнал обычно выводится через разъем VGA (5), а цифровой – через разъем DVI (6). В некоторых видеокартах используется разъем DVI-D.
Современные видеокарты потребляют до 200 Вт электроэнергии, которая большей частью преобразуется в тепло – его необходимо эффективно отводить. Поэтому важным элементом конструкции видеоадаптера является система охлаждения (7).

Сверхспециализация

Благодаря архитектуре, оптимизированной для работы с изображениями, графический процессор имеет намного более высокую вычислительную скорость, чем ЦП компьютера, поскольку в нем реализован эффективный алгоритм распараллеливания задач. Видеопроцессор состоит из большого количества (в топовых моделях – больше 1,5 тыс.) небольших блоков, способных работать отдельно друг от друга и с огромной скоростью. Такая архитектура связана с особенностью расчетов в 3D-графике, значительная часть которых представляет собой перемножение больших матриц чисел. Такие расчеты отлично распараллеливаются.

Экономия на графике

Видеокарты выпускаются в виде отдельной платы, однако в бюджетных компьютерах ради экономии графическое ядро встраивают в микросхему чипсета материнской платы. Такие видеокарты называются интегрированными или встроенными, в то время как выполненные в виде отдельной платы именуют дискретными. Интегрированные видеоадаптеры выпускают компании Intel, VIA, SIS, ATI (принадлежит компании AMD) и NVIDIA, а дискретные – ATI и NVIDIA.
Встраиваемые системы практически всегда работают медленнее дискретных видеокарт. Зато они дешевы и потребляют мало энергии. Поэтому интегрированная графика используется в основном в ноутбуках и офисных компьютерах, то есть там, где не предъявляются высокие требования к производительности в 3D. Только некоторые из встраиваемых решений ATI и NVIDIA позволяют в приемлемом качестве играть в трехмерные игры.

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Функциональность современной видеокарты без специального ПО – видеодрайвера – крайне ограничена. Без этой программы даже самый мощный видеоадаптер может не больше, чем простейшие видеоконтроллеры 20-летней давности. Видеодрайвер не только служит интерфейсом между системой и видеокартой, но и является инструментом для реализации большинства графических функций, вплоть до самых продвинутых.

Библиотеки трехмерной графики

Когда не существовало стандартных методов обработки графики, то при написании игр каждый графический элемент или эффект приходилось программировать заново, исходя из возможностей и особенностей конкретной видеокарты. Это создавало большие трудности для написания игр и программ, поэтому начали появляться стандартные методы описания графических примитивов и операций над ними, названные библиотеками трехмерной графики. Их функции реализуются посредством видеодрайвера. Наиболее широко сегодня используются две библиотеки.
OpenGL. Создана фирмой SGI для стандартизации доступа к графическим возможностям видеокарт без привязки к определенной ОС. Внедрение OpenGL значительно снизило время и стоимость производства программ.
Отличительной особенностью OpenGL является то, что эта библиотека содержит только функции обработки графики. Взаимодействие со звуковой подсистемой, клавиатурой и мышью, важное при создании компьютерных игр, в ней не предусмотрено. Поэтому OpenGL для написания игр сегодня практически не применяется.
DirectX. Эта библиотека была разработана фирмой Microsoft в 1995 году специально для облегчения написания игр и программ в среде Windows. DirectX позволяет обрабатывать не только графику (двухмерную и трехмерную), но и данные с устройств управления (клавиатуры, мыши, джойстика), проигрывать звуки, музыку и видео разных форматов, а также осуществлять соединение по сети. DirectX является неотъемлемой частью операционной системы Microsoft Windows. Большинство игр разрабатывается с использованием именно этого инструмента. Для ОС Windows 7 рабочей версией DirectX является 11.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИДЕОКАРТ

Мало кто из пользователей производительных ПК знает, что большую часть времени мощнейший GPU простаивает. Это тем более обидно, что по производительности графический чип существенно опережает ЦП. Например, самый быстрый Intel Core i7 с простыми математическими вычислениями справляется в 12 раз медленнее, чем «середнячок» Radeon HD 4850. Поэтому энтузиасты цифровых технологий заинтересовались дешевой «рабочей силой» современных GPU.

Непрофильная работа

В 2003 году официально стартовала инициатива GPGPU (General-purpose Graphics Processing Units – процессоры общего назначения), суть которой – использование вычислительных ресурсов видеокарт в прикладных, не графических задачах. Первопроходцам пришлось очень нелегко. Они были вынуждены обращаться к графическому процессору при помощи средств OpenGL и Direct3D, то есть представлять, например, модель финансовых процессов как совокупность текстур, наносимых на трехмерный объект.
Первым инструментом, позволившим программистам общаться с GPU на привычном для них языке, стал C with streams – расширение языка Си, позволяющее сравнительно легко работать с потоковыми данными. Это расширение представляло GPU как простой процессор для параллельных вычислений.
Следующим получившим известность проектом в области GPGPU стала технология CUDA, представленная компанией NVIDIA в 2007 году. Разумеется, ATI не осталась в стороне и предложила свой вариант технологии GPGPU под названием Stream. В чем-то он уступает CUDA, в чем-то превосходит ее, но недостаток у обеих технологий одинаков: они работают только на своей платформе.
Первый открытый стандарт GPGPU был принят в 2008 году. Называется он OpenCL (Open Computing Language – открытый язык для вычислений) и разработан компанией Apple.

Подход с другой стороны

И в Intel, и в AMD отлично понимают, что будущее персональных компьютеров – за интеграцией ЦП и GPU в одном кристалле. С одной стороны, такое решение ускоряет взаимодействие процессоров, с другой – интегрированный графический процессор неизбежно будет слабее дискретного. Но подобная интеграция неизбежна, поскольку нынешний виток развития процессоров представляет собой постепенное увеличение числа независимых ядер на одном чипе.
Графикой в ЦП дело не ограничивается. Компания AMD ввела новый термин – APU (Accelerated Processing Unit). Он обозначает устройство, совмещающее в себе не только центральный и графический процессоры, но и некоторые другие ускорители.
Вынашивает свой GPGPU-проект и компания Intel. Ее разработка называется Larrabee и базируется на идее, противоположной логике AMD, поскольку предполагает создание GPU из большого числа процессоров x86.

Итоги и перспективы

Распределение ролей между центральным и графическим процессорами в будущем изменится. Но как именно – это пока вопрос. У каждого из производителей – свое мнение на этот счет, однако понятия «параллельные вычисления», «интеграция» и «конвергенция» употребляются всеми разработчиками. Каким окажется новое поколение графических процессоров, мы увидим уже скоро.

Статья взята с сайта Computer Bild