Κάρτα γραφικών

Η κάρτα γραφικών είναι τμήμα ενός υπολογιστή, το οποίο λαμβάνει δεδομένα από την Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (CPU) για να τα μετατρέψει σε εικόνα, η οποία θα προβληθεί στην οθόνη. Η κάρτα γραφικών είναι μια πλακέτα κυκλωμάτων, η οποία περιλαμβάνει έναν επεξεργαστή και κυκλώματα μνήμης RAM. Διαθέτει επίσης ένα μικροκύκλωμα (chip) εισόδου / εξόδου (BIOS), το οποίο αποθηκεύει τις ρυθμίσεις της κάρτας και εκτελεί διαγνωστικά για τη μνήμη, την είσοδο και την έξοδο κατά την εκκίνηση του συστήματος. Ο επεξεργαστής γραφικών της κάρτας, που ονομάζεται μονάδα επεξεργασίας γραφικών (Graphics Processing Unit, GPU), είναι παρόμοιος με τον επεξεργαστή ενός υπολογιστή. Μια GPU, ωστόσο, έχει σχεδιαστεί ειδικά για την εκτέλεση των πολύπλοκων μαθηματικών και γεωμετρικών υπολογισμών που είναι απαραίτητοι για την απόδοση γραφικών. Μερικές από τις ταχύτερες GPUs διαθέτουν περισσότερα τρανζίστορ από το μέσο όρο της CPU. Μια GPU παράγει πολλή θερμότητα, έτσι ώστε να είναι απαραίτητη η χρήση ενός ανεμιστήρα (μερικές κάρτες γραφικών διαθέτουν και σύστημα υδρόψυξης). Εκτός από την επεξεργαστική της ισχύ, η GPU χρησιμοποιεί ειδικό προγραμματισμό για καλύτερη ανάλυση της χρήσης των δεδομένων. Οι εταιρείες AMD και nVidia παράγουν τη συντριπτική πλειοψηφία των GPU για την παγκόσμια αγορά. Και οι δύο εταιρείες έχουν αναπτύξει τις δικές τους καινοτομίες και βελτιώσεις για τις επιδόσεις των GPU. Για να βελτιωθεί η ποιότητα της εικόνας, χρησιμοποιούνται οι εξής τεχνικές: Anti aliasing πλήρους οθόνης (FSAA), που απαλύνει τις άκρες του τρισδιάστατου αντικειμένου Ανισότροπο φιλτράρισμα (AF), το οποίο καθιστά τις εικόνες ευκρινέστερες.Κάθε εταιρεία έχει επίσης αναπτύξει ειδικές τεχνικές για να βοηθήσει την GPU για την απόδοση καλύτερων χρωμάτων, σκίασης, υφής και άλλων στοιχείων της εικόνας. Σημαντικό χαρακτηριστικό, επίσης, σε μια κάρτα γραφικών είναι και ο ρυθμός ανανέωσης πλαισίων (frame rate). Η αρχή λειτουργίας κινούμενων γραφικών στον υπολογιστή είναι η ίδια με αυτήν του κινηματογράφου: Προβάλλονται στην οθόνη 24 διαδοχικές εικόνες (frames, πλαίσια) ανά δευτερόλεπτο, προκειμένου η κινούμενη εικόνα να εμφανίζει σωστή ροή, χωρίς διακοπές, στο θεατή. Ο ρυθμός αυτός εξαρτάται τόσο από τον επεξεργαστή και τη μνήμη RAM που διαθέτει η κάρτα όσο και από ειδικό λογισμικό, που συνήθως ενσωματώνεται σε αυτήν.

 Οι κάρτες γραφικών εμφανίζονται για πρώτη φορά στον πρώτο «προσωπικό υπολογιστή» IBM PC το 1981. Ονομαζόταν Μονόχρωμος Προσαρμογέας Γραφικών (Monochrome Display Adapter, MDA) και ήταν ένα κύκλωμα (κάρτα) που προέβαλε μόνο κείμενο σε πράσινο ή λευκό χρώμα μαύρο υπόβαθρο. Ακολούθησαν οι κάρτες CGA (Color Graphics Adaptor) με δυνατότητα απεικόνισης οκτώ χρωμάτων (συχνά όχι ταυτόχρονα) και EGA (Enhanced Graphics Adaptor) με δυνατότητες απεικόνισης 64 χρωμάτων. Στους σημερινούς υπολογιστές το ελάχιστο πρότυπο για τις νέες κάρτες βίντεο είναι το Video Graphics Array (VGA), το οποίο επιτρέπει 256 χρώματα και την εμφάνιση εικόνων. Με υψηλά πρότυπα απόδοσης όπως ο Quantum Extended Graphics Array (QXGA),οι κάρτες βίντεο μπορεί να εμφανίσουν εκατομμύρια χρώματα σε ανάλυση έως και 2040 x 1536 pixel. Καθώς η GPU δημιουργεί συνέχεια «εικόνες», πρέπει κάπου να αποθηκεύει τις ήδη ολοκληρωμένες «εικόνες». Χρησιμοποιεί για το σκοπό αυτό τη μνήμη RAM της κάρτας, την αποθήκευση δεδομένων για κάθε εικονοστοιχείο (pixel), το χρώμα του και τη θέση του στην οθόνη. Τμήμα της μνήμης RAM μπορεί επίσης να δράσει ως ρυθμιστικό πλαίσιο: Αυτό σημαίνει ότι θα έχει ολοκληρώσει τις «εικόνες» και θα είναι η στιγμή να τις εμφανίσει στην οθόνη. Συνήθως, η βίντεο RAM λειτουργεί σε πολύ υψηλές ταχύτητες και έχει διπλό δίαυλο, πράγμα που σημαίνει ότι το σύστημα μπορεί να διαβάσει και να γράψει σε αυτήν την ίδια στιγμή. Η μνήμη RAM συνδέεται άμεσα με το μετατροπέα σήματος ψηφιακό-σε-αναλογικό (DAC). Αυτός ο μετατροπέας, που ονομάζεται επίσης RAMDAC, μεταφράζει την εικόνα σε αναλογικό σήμα, καθώς η σημερινή οθόνη δεν μπορεί ακόμη να χρησιμοποιήσει ψηφιακό σήμα. Ορισμένες κάρτες έχουν πολλαπλές RAMDACs, που μπορούν να βελτιώσουν τις επιδόσεις και να υποστηρίξουν περισσότερες από μία οθόνες και τελικά στέλνουν την τελική εικόνα για την προβολή στην οθόνη μέσω καλωδίου DVI, VGA, HDMI ή DisplayPort. Οι περισσότερες σύγχρονες κάρτες γραφικών είναι πάνω από 2 GB για υψηλότερες επιδόσεις (ειδικά στο όρο που χρησιμοποιούμε ως «GAMING») Τα πιο διαδεδομένα συστήματα για τη σύνδεση μεταξύ της κάρτας βίντεο και της οθόνης του υπολογιστή είναι: Video Graphics Array (VGA): To VGA υποστηρίζει το πρότυπο που έχει εκδοθεί στα τέλη της δεκαετίας του 1980, με οθόνες που υποστηρίζουν υποδοχή καθοδικού σωλήνα. Μερικά προβλήματα αυτού του προτύπου είναι ότι μπορεί να υπάρξει παραμόρφωση της εικόνας και ότι δεν έχει κατάλληλη προστασία από ηλεκτρικές παρεμβολές οι οποίες μπορεί να προκαλούνται από μια κοντινή, υψηλής τάσης ηλεκτρική πηγή.Digital Visual Interface (DVI): Με βάση την ψηφιακή τεχνολογία, το πρότυπο αυτό έχει σχεδιαστεί για οθόνες όπως οι LCD, οι LED, οι οθόνες πλάσματος, οι μεγάλες οθόνες υψηλής ευκρίνειας, οι τηλεοράσεις και video projectors. Έχει υψηλή προστασία από την παραμόρφωση της εικόνας και από τις ηλεκτρικές παρεμβολές.High-Definition Multimedia Interface (HDMI): Ένα προηγμένο σύστημα μετάδοσης ψηφιακού ήχου και βίντεο που κυκλοφόρησε το 2003 και χρησιμοποιείται ως το κύριο και γρηγορότερο σύστημα σύνδεσης για τις καινούριες κονσόλες παιχνιδιών καθώς και για τα καινούρια DVD και Blu-ray players σε μια οθόνη. Το HDMI έχει υψηλή προστασία και δεν επηρεάζεται από εξωτερικές παρεμβολές. Οι κάρτες γραφικών μπορούν να χρησιμοποιήσουν σημαντική ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας, μέρος της οποίας χάνεται σε θερμότητα. Εάν αυτή η θερμότητα δεν απάγεται, ο επεξεργαστής γραφικών της κάρτας μπορεί να υπερθερμανθεί και να προκληθεί βλάβη. Γι αυτό το λόγο, οι κατασκευαστές τοποθετούν πάντοτε κάποιο σύστημα απαγωγής της θερμότητας: Παθητική απαγωγή (ψύκτρα): Πάνω στον επεξεργαστή γραφικών τοποθετείται απλή ψύκτρα από αλουμίνιο ή χαλκό. Το πλεονέκτημά της είναι η αθόρυβη λειτουργία. Στις πιο ισχυρές κάρτες, όμως, δεν παρέχει επαρκή απαγωγή θερμότητας. Ψύκτρα και βεβιασμένη ροή αέρα (ανεμιστήρας). Η ταχύτητα περιστροφής του ανεμιστήρα μπορεί να αλλάζει (π.χ. να ελέγχεται αυτόματα από τον επεξεργαστή γραφικών ή τη μητρική κάρτα) για πιο αποτελεσματική ή πιο ήσυχη λειτουργία. Ψύκτρα και υδρόψυξη: Το σύστημα υδρόψυξης χρησιμοποιεί νερό αντί για αέρα, ως μέσο απομάκρυνσης της θερμότητας από την ψύκτρα προς το περιβάλλον. το νερό κυκλοφορεί μέσα στην ψύκτρα και, με εξωτερικές σωληνώσεις, μεταφέρει την εκλυόμενη θερμότητα σε εναλλάκτη θερμότητας (ψυγείο) με ανεμιστήρα, μακριά από τον επεξεργαστή γραφικών ή ακόμη και έξω από το περίβλημα του υπολογιστή. Πάνος Γεωργιάδης. Εισαγωγή στο GPU Computing. GreekLUG 2013. Συμβαίνει στα 00:00.