Всё про видеокарты

Видеокарта — это важнейший и критически значимый элемент [геймерский и/или профессиональный] персонального компьютера, относящийся к комплектующим и отвечающий за преобразование некого графического образа, хранящегося в ОЗУ или видеопамяти в форму пригодную для вывода на экран монитора. Устройство представляется дискретным [изначально — плата расширения], а не интегрированным.

На текущем этапе совершенствования комплектующих категории компьютерной техники графическая карта представляется крайне сложным вычислительным устройством [фактически и практически это отдельный компьютер в компьютере], которое кроме вывода и обработки 2D/3D-графики, предназначено для иных вычислений плюс майнинга криптовалют, а также задействующее искусственный интеллект для построения наилучшей достоверности и реализма.

История появления

Понятие «Видеокарта» появилось не сразу, то есть не одновременно с первыми громоздкими компьютерами, ведь на заре ПК ещё не существовало мониторов. Наверное реальным революционером стал ПК Xerox Alto ещё в 1973 году. Изделие Xerox PARC реально опережавшее своё время, не получило широкого распространения из-за того, что разрабатывалось сугубо как исследовательский агрегат под НИИ компании, а не коммерческий продукт хотя позже и планировалось поточное производство.

Первая видеокарта (первоначально — это ещё плата расширения) способная выводить цветное изображение увидела свет в 1976 году! Так же знаковым можно считать решение ALT-256 от Matrox, получившее место для хранения кадрового буфера — видеопамять (VRAM).

Версия. Схема понятий/эволюции названий: Плата расширения → Видеоадаптер/Видеоплата → Видеокарта

Радикально всё изменилось с появлением первой массовой «персоналки» от IBM в 1981 году — PC 5150, предлагающей использовать платы расширения, в том числе и видеоадаптеры под два типа мониторов: MDA — монохромный или CGA — цветной (16 цветов). Следующим шагом стало появление EGA-адаптера в 1984 году, а 1987-м VGA-адаптера, принесший большую палитру цветов и соотношение сторон 4:3.

Бурный интерес к 3D-играм был неизбежен в связи с появлением 3D-ускорителя Voodoo Graphics от 3dfx, начавшего экспансию игровой индустрии ПК в середине 1990-х, продемонстрировав доселе невиданную 3D-производительность и отправившего в нокаут кучу старожил. При этом компания 3dfx активировала настоящую 3D-графическую войну (участники: 3dfx, ATI, Matrox и Nvidia), и в последствии сама стала её жертвой, будучи поглощённой более расторопной «НВИДИА».

Где-то к концу 90-х стало окончательно понятно, что центральный процессор будет не в состоянии справляться с 3D-фукционалом в одиночку, и S3 Savage 2000 с NVIDIA GeForce 256 первыми внедрили на рынок технологии способные на обработку вершин используя аппаратно механизм T&L; карта «зелёных» показала очередное существенное увеличение 3D-производительности. В начале 2000-х осталось всего два игрока на рынке дискретных предложений: AMD/ATI (летом 2006 года ATI приняла предложение AMD) и NVIDIA.

Виды и типы

По конструкции, подключению и размещению

• Дискретная — полноценный GPU на базе текстолитовой PCB, подключается через специальный слот на материнской плате;
• Интегрированная (нельзя назвать полноценной видеокартой) — размещается в кристаллах CPU/APU, отсутствующую собственную память, компенсирует за счёт системной RAM; удобный вариант для бюджетных сборок и в качестве временной «затычки»;
• Внешняя — называется eGPU, дискретная подключаемая к любому устройству (часто ноутбук) при наличии интерфейса Thunderbolt 3/4, USB 4.0, M.2 и даже SATA. Существуют в виде готового (кейс, блок питания и видеокарта) или кастомного (все компоненты (БП и переходник) собираются по отдельности) решения.

По назначению или сфере применения

• Профессиональная — для вычисления тяжелых операций при построении 3D моделей (расчёты и прорисовка), весьма критичны к объёму видеопамяти (см. VRAM);
• Геймерская — заполнение текстур (рендеринг), чем выше скорость, тем выше производительность ⇒ разрешение и качество картинки в гейминге.

Компоненты, как устроена видеокарта

Компоненты (основные):

• PCB — печатная плата, на которой и распаяны GPU, VRAM, разъёмы питания, транзисторы и др. компоненты, вплоть до миниатюрных ЖК-экранов. Подключение к материнской плате через слот расширения.
• GPU — чип, где находятся вся аппаратная вычислительная мощность.
• VRAM — видеопамять, «общается» с графическим процессором по средствам битного интерфейса — шины; обычно это чётное количество распаянных чипов на печатной плате.
• Outputs — подключение к монитору могут использоваться разные типы разъёмов: VGA, DVI (оба устаревшие; первый — ЭЛТ-эпоха, второй ещё «держит цифру»), DisplayPort и HDMI. Кроме ПК-дисплеев к видеокарте активно подключают широкоформатные телевизоры, девайсы для виртуальной реальности.
• Power — дополнительное электропитание стало неизбежным, когда увеличивающаяся производительность, потребовала дополнительного питания, так как 75 Вт от слота перестало хватать.
• Cooler — система охлаждения обязательный атрибут практически всех видеоадаптеров, чем производительней GPU, тем мощнее охладитель ему потребуется. Встречаются монструозные кулеры, занимающие 3 и даже 4 слота системной платы.

Основные характеристики

Видеокарта имеет приличное количество характеристики, на которые стоит обратить внимание при выборе. Каждый GPU построен по определённой архитектуре, у «АМД» и «НВИДИА» они свои, однако концептуально различий в компоновке элементов графического процесса нет.

• GPU:
  • Core — ядро основная вычислительная единица, ещё называемая потоковый процессор (SP) у AMD и CUDA — NVIDIA. К слову, CUDA это платформа «зелёной команды» занимающаяся сложными параллельными вычислениями, как программно-аппаратная архитектура существенно поднявшая производительность, появилась в 2007 году.
  • TMU — блоки текстурирования.
  • ROP — блоки операций растеризации.
• VRAM:
  • Тип — наиболее актуальной и востребованной остаётся поколение GDDR (GDDR7 — последняя версия на момент опубликования статьи), а также была попытка (от части успешная/неуспешная; дорого) внедрения на рынок видеокарт «кубической» HBM и HBM2 со стороны AMD.
  • Объём — чем размер видеопамяти, тем больше он позволяет хранить данных подготовленных графическим процессором, а следовательно играть в высоком разрешении без лагов.
  • Частота — выражается в МГц, оказывает влияние на пропускную способность памяти и производительность.
  • Шина — битность или разрядность, от каждой микросхемы видеопамяти к графическому чипу идут дорожки, не более 32, умножаемые на количество чипов VRAM; пример: 32×8=256 бит (текущий максимум — 384 бита).
  • Пропускная способность памяти (ПСП) — измеряется в ГБ/с и вычисляется по формуле: Частота×Шина÷8.
• TDP — энергопотребление карты, значение плавающее, в простое, мультимедиа и игровом режиме показатели существенно отличаются. В спецификациях обычно указывается максимальное значение, исходя из которого следует подбирать блок питания. Также показатель TDP напрямую связано с тепловыделением, чем выше, тем мощнее кулер нужен.

Почему сильно греется чип и шумит кулер

Для вычислительного процесса требуется питание. На заре видеокартам хватало того, что предлагал слот, однако с уменьшением техпроцесса, а соответственно увеличением числа транзисторов и увеличением объёма вычислительной мощности потребовались дополнительные разъёмы питания: 6/8/16-pin. Энергопотребление возросло до невероятных значений, а следовательно и тепловыделение (ведь по сути чип — обменник).

Первые чипы имели пассивное охлаждение, однако уже скоро (к концу 90-ч) на них стали клеить радиаторы (голые и с вентиляторами). Дальнейший рост тепловыделения потребовал куда более мощный систем охлаждение, кулеров или охладителей. Постепенно появились/внедрялись: термопаста, кожухи, турбины, испарительные камеры, термонакладки на VRAM и радиаторы для VRM, тепловые трубки (медные, никелированные), 2- и 3-вентиляторные решения и водяное охлаждение.

Высокий уровень шума (свыше около 40 дБ(А)) стал настоящим вызовом конструкторам, которым оставалось только увеличивать габариты кулеров и доводить до ума радиаторы и лопасти вертушек, используя воздушный поток как можно продуктивнее. С появлением 2- и 3-слотовых «батонов» положение стало стало выправляться, так как SLI и CrossFire были уже неактуальны. Дело оставалось за функцией Fan stop idle.

Долгое время продукты AMD оставались лидерами в номинации «Печка», однако с уменьшением техпроцесса и внедрением новых архитектур показатели температура/шум стали сопоставимы с артикулами «green team». На 2024 год флагманские модели NVIDIA демонстрируют просто потрясающе низкие (для своей производительности) уровни шума при реально монструозных размерах, свыше 4-х слотов (см. обзор RTX 4090).

Технологии (современные)

Технологии недолго стоят на месте, новые перспективные достаточно быстро внедряются в поддержку видеокарт.
NVIDIA:

• G-Sync — синхронизирует частоту обновления дисплея (модель должна быть сертифицированной) и частоту кадров видеокарты, предлагая плавный (без лагов и рывков) и комфортный геймерский опыт.
• GPU Boost — в зависимости от термальных показателей и текущей нагрузки динамически изменяет частоту и вольтаж чипа с целью предоставить максимальную производительность в конкретной задаче.
• RTX — трассировка лучей в реальном времени, поднимает качество картинки на новый, более реалистичный уровень, взамен требуя у производительности «жирный» кусок, однако «НВИДИА» нашла выход (см. «ДЛСС»). Появилась вместе со 2000 серией; последние карты, несущие аббревиатуру GTX — 1600-серия.
• DLSS — апскейлинг берёт картинку в низком разрешении и пересоздаёт для текущего разрешения монитора при помощи ИИ.
• DLAA — метод сглаживания на основе ИИ, работает сразу в нативном разрешении.

AMD:

• FSR — .

Intel:

• XeSS — .

Основные производители GPU

Три компании, выпускающие дискретные GPU и готовые решения на их основе: ATI (красные), Intel (синие) и NVIDIA (зелёные). Долгое время на рынке прибывал красно-зеленый дерби. Однако недавно синий коллектив после продолжительного перерыва решил включиться в борьбу, начав довольно успешно покорять наиболее доходный сегмент мейнстрим рынка — начальный уровень; в ассортименте Intel пока нет High-end моделей для энтузиастов, а также артикула для крепкого среднего уровня.

Партнёры

У изготовителей GPU есть партнёры, выпускающие кастомные варианты, которые отличаются разнообразными линейками, от бюджетных до флагманских моделей. Такие вендоры предлагают свои собственные разработки систем охлаждения, двойной BIOS, разъёмы подключения корпусных вентиляторов, популярный фабричный разгон GPU и нередко VRAM и прочий функционал.

Самые известные бренды: ASUS, MSI, GigaByte, Palit, Colorful, Gainward, XFX и Sapphire. Не все «кастомщики» одновременно имеют дело с «тремя китами», например, «Сапфир» и «ИКСФИКС» эксклюзивно сотрудничают только с «АМД», Zotac с «НВИДИА», а Sparkle с «Интел».

Перспективы развития

Видеокарта проделала длинный путь и пока остаётся единственным решением 3D-графики как для гейминга, так и профессионального использования. Неизбежное внедрение новых технологий позволит ещё больше расширить функционал и визуальные эффекты. Однако возможен ли побочный эффект в виде дальнейшего роста габаритов уже не только топовых решений или всё же произойдет революция, которая позволит «сдуть» до приемлемых размеров при этом увеличив производительность; реальная помощь от ИИ [разумная видеокарта?].

Текущие дизайны архитектур графических чипов скорее всего — тупиковая ветвь развития ввиду используемых материалов и техпроцессов. Однако заинтересованный круг скорее станет до упора «доить» эту возможность и предлагать что-то реально инновационное пока не будет. Да, ИИ помогает через DLSS (и аналоги) уже создавать полноценный следующий кадр в «высоком», однако что дальше.

Перспективы нельзя назвать туманными, скорее всего мир видеокарт всё же ожидает прорыв, возможно через очередной неизбежный более жёсткий кризис(ы), связанный с ростом курса криптовалют и требований к железу AAA-игр.