ビデオカード

概要

IBM PCおよびPC/AT互換機の多くの機種では、ビデオ回路がマザーボード上には実装されておらず、ビデオカードによる拡張が容易である。しかし、ウェブサイト閲覧や電子メールのやり取り、オフィス作業など日常的な作業を行うには支障のない程度の性能を備えた表示回路を組み込んだチップセット（統合チップセット）と、それを搭載したマザーボードが出現し、そしてさらにGPUを内蔵したCPUが出現したことにより、安価なPCではビデオカードを搭載せず、オンボードグラフィックス機能やオンダイグラフィックス機能を用いるものが一般的となっている。このため、ビデオカードは高速な3D表示性能やマルチディスプレイ機能を目的として追加される場合が多い。また統合グラフィック機能のUMAによる性能低下を避けるためにビデオカードを追加する場合もある。
以上はパーソナルコンピュータ以外のUNIXワークステーションなどでもほぼ同様である。
2004年から、USB接続の製品も発売されている。当初は、PCI-USBブリッジを用いてSIS315を接続するというものであった。その後、2007年からは、DisplayLinkのチップを用いた製品が出回るようになっている。DisplayLinkの製品では、表示装置を仮想化し、ホスト側で映像を圧縮、ハードウェア側で伸張することによって、帯域が太いとは言えないUSB2.0などのバスで、ある程度のパフォーマンスを確保している。その様な構造になっているため、実際のドライバの処理はホスト側の演算コストとなるため、CPUパワーの低い環境でのパフォーマンスは低下する。また、BIOS等を持たないためOSやドライバが起動するまでは使用できないほか、他のビデオドライバと併用する形になるため、その相互の干渉によって不具合が生じたり、使用できないケースも存在する。これらの製品は、通常のビデオカードを複数増設するよりも条件のハードルは低く、パフォーマンスよりも制御できる画面の数、面積を要求するような状況で有用であるほか、NASなどの元々表示装置を持たない機器や、PDAなど、外部出力を持たない機器での利用例も存在する。

ビデオカードの構成

一般的なPC/AT互換機用ビデオカードは主に以下のモジュールにより構成される。

ビデオメモリ (VRAM)

表示する描画情報を保持するためのフレームバッファとして利用されるメモリ領域。大容量化に伴い、オフスクリーンバッファやシェーディングバッファなどとしても利用されるようになっている。グラフィックチップとは専用バスでポイント・ツー・ポイント接続される。広帯域で接続したほうが性能的には有利だが、コスト・実装面積・発熱などを優先しグラフィックチップの仕様より狭い帯域幅で接続することもある。
ビデオメモリには高速性と低価格性の両立が求められるため、汎用のDRAMだけでなく専用のRAMが用いられることも多い。かつては専用モジュールによりビデオメモリの増設に対応する製品も存在したが、2000年代以降ビデオメモリの増設に対応したビデオカードの存在は確認されておらず、おおむね512MB～4GB程度に固定されている。2014年にリリースされたAMD FirePro W9100、2015年にリリースされたNVIDIA GeForce GTX 980 Ti、GeForce GTX Titan X、NVIDIA Quadro M6000、AMD Radeon R9 390、2016年にリリースされたNVIDIA Titan X Pascalなど、一部のハイエンド製品やワークステーション・サーバー向け製品では6GB/8GB/12GB/16GB/24GB/32GBといった大容量ビデオメモリを搭載するものも出現し、さらに2016年には8GB版Radeon RX 480や6GB版GeForce GTX 1060など、ミドルレンジやミドルハイクラスの製品でも大容量ビデオメモリを搭載するものも出現している。
実装面積を重視するモバイル用途ではグラフィックチップのLSIパッケージにビデオメモリ用RAMを同梱している製品も存在する。

Unified Memory Architecture (UMA)

Unified Memory Architecture (UMA) とは、独立したビデオメモリを持たず、メインメモリをCPUと共有するシステムである。シェアードメモリ（シェアメモリ）・共有メモリなどとも呼ばれる。
メインメモリは同世代の専用ビデオメモリと比較すると低速であり、システムとメモリ帯域を共有するためシステムパフォーマンスが低下するなどのデメリットがある。反面、実装面積が少なく省スペース性に優れる、部品点数が少なく安価であるなどのメリットがあり、チップセット統合グラフィックス機能で多く採用されている。SoCではeDRAMにより性能問題に対処している事例もある。
メインメモリの高速化に伴い、単体型のグラフィックチップにおいてもNVIDIA社のTurbo Cache、AMD社のHyperMemoryなどメインメモリをビデオメモリ領域として利用する技術が登場している。

内部インターフェイス

ビデオカードとシステムを接続するためのインターフェイス。データ転送用に高速な専用バスを用いることが多い。

その他の内部インターフェイス

またHDMIの普及黎明期には、ビデオカード上のHDMI出力端子から音声を出力する為に、基板上にS/PDIF入力インターフェイスを供える製品も登場している。
その他、マルチGPU技術の制御用端子やビデオキャプチャカードとの連携用端子などのオプション機能用の端子が搭載されることも多い。

ビデオBIOS

ビデオカードに搭載されているBIOS。起動直後などシステムがリアルモードで動作している際にVGA互換モード表示機能を提供するためVGA-BIOSなどと呼ばれることもある。ビデオカード基板上のROMチップに格納されている。PC/ATと異なるアーキテクチャであるPC-9821等では、メインボード上に専用の表示回路を持っているため、VGA-BIOSを必要とせず、BIOSのプログラムそのものが非互換であるため、使用可能なボードであっても、BIOSを無効にしておく必要がある。

冷却機構

ビデオカードはPC内部で最も消費電力や発熱量が大きいパーツの一つであり、特に高性能なハイエンド製品では強力な放熱・冷却が必要となる。隣接する拡張スロット用空間を占有してしまうほど巨大なファンやヒートシンクを備える製品が2003年頃から登場し、2017年現在ではハイエンド製品では一般的となっている。1スロットのみ占有するタイプであっても、放熱性を保つよう隣のスロットはなるべく空けておくのが望ましい。
一方、消費電力の小さいローエンド製品では発熱が少なくファンレス仕様の物もある。

補助電源

ビデオカードの登場以来、駆動に必要な電力はデータインターフェイスから供給されるのが一般的であったが、2000年代初頭頃からのGPU消費電力の増大に伴い、データインターフェイス経由の給電を補うための専用電源インターフェイスが登場し、ミドルレンジ以上の製品での搭載が一般化した。
一般に補助電源と呼ばれており、6ピン1つで75W、8ピン1つで150Wまでの電力が供給できる。

IBM PCのビデオカード採用

1981年のIBM PCは、当時のみならず後のパーソナルコンピュータでも普通に見られた、ビデオ回りのハードウェアをオンボードで固定したものにはせず、ビデオカードとして独立させる設計を採用した。
IBM PCはビデオサブシステム（ビデオチップなど）を本体（マザーボード）にではなく、拡張カード（IBMはアダプターと呼ぶ）に搭載した。IBM PCの発売時には2種類のビデオカード（テキストモードのみのMDAと、グラフィックモードを持つCGA）が提供され、用途により選択・交換できた。
この拡張性により、IBM PCファミリーおよびIBM PC互換機では、ユーザーは本体を買い換えなくても、各社から販売される多様なビデオカードに交換（種類によっては追加して共存）し、対応したディスプレイとソフトウェアを使用すれば、より高速・高解像度な表示環境を得られるようになった。中でもHerculesのHGCは広く使われた。日本での東芝のダイナブック（初代J-3100 SS）も、CGAをベースに独自の日本語モード（640x400）を追加したものだった。
一文字テキスト出力（int 10h, ah=0eh）のような、BIOSの提供する機能としては高水準の機能を用意し（この機能を提供するBIOS ROMは本体ではなくビデオカードに載る）、MS-DOSなどはそちらを使うようにすることで、ハードウェアの差異に対するソフトウェアの互換性を確保した。

EGAの登場と上位互換

1984年のPC/ATではEGAが標準搭載されたが、これはMDAおよびCGAの上位互換であり、MDAとCGAの主要な表示モードを含んでいた。表示モードはソフトウェアで容易に切替できたため、下位の画面モードにしか対応していないソフトウェアも継続して使用できた。この上位互換は、その後の主要なビデオ規格でも継承され、また複数の画面解像度（走査周波数）に自動対応できるマルチスキャン方式のディスプレイが普及した。
EGAは広く普及し、各社がEGA上位互換のグラフィックチップやカードを製造した。日本でのAX規格のJEGAボードも、EGAをベースに独自の日本語モード（640x480）を追加したものだった。

VGAの登場と事実上の標準

1987年のPS/2ではVGAが搭載された。PS/2ではVGAチップはマザーボード上に搭載された（規格名称もAdapterからArrayになった）が、ビデオカードによる拡張性（置換え可能）は維持された。また従来のPC/AT（および互換機）用にもATバス用のVGA搭載ビデオカードが提供された。EGAの時と同様に上位互換性も維持され、VGAはEGAの画面モードを含み（従ってビデオ規格としてのVGAは、今でもMDAやCGAの各画面モードも含んでいる）、さらに独自の画面モード（640x480、16色など）が追加された。
VGAは急速に普及し、PC/AT互換機でもVGAは事実上の標準となった。2017年現在でもOSのインストール画面などはVGA表示を使用しているものが多い。日本IBMのPS/55はPS/2ベースで、前半は日本独自のディスプレイアダプター（1024x768、XGAとは別規格）を搭載していたが、英語モード（英語DOSおよび後のDOS/V）ではマザーボード上のVGAが使用できた。さらにPS/55も後半（1990年の5535-S以降）は、徐々にVGA（のみ）や、後述のXGAや各種SVGAに移行した。

日本の状況

世界の中でも日本だけは、PC-9801シリーズ、FMRシリーズ、マルチステーション5550などや、更にはIBM PC互換機ベースであるダイナブック、AX(JEGA)、PS/55（前半）でも、日本語表示モードでは固定解像度が主流の時代が続いた。
しかし1990年代にはDOS/VやMicrosoft Windowsなどグラフィック中心の使用形態が普及した影響もあり、各社はPC/AT互換機に移行した。この結果、日本でもビデオカードが一般化したが、以上の経緯により国内のPC/AT互換機の大多数は最初からVGA以上を搭載している。

SXGA以降

SXGA以降のビデオカードや画面解像度の傾向については、下記関連項目を参照のこと。

ノートパソコン

ノートパソコンではビデオチップがオンボード実装されているか統合グラフィック機能を用いている製品が一般的であり、ビデオカードの増設は基本的に不可能である。miniAGPをはじめ、NVIDIAのMXMやATIのAXIOMといった拡張インターフェイス規格が策定されているが、これらはPCの製造メーカーが複数ラインナップを揃えやすくすることを目的とした規格であり、エンドユーザーのアップグレード手段として意図されているものではない。このため、対応製品はほぼ出回っておらず、構造もユーザーによる交換を前提としていないことが多い。なお、マルチディスプレイ機能を提供するためのPCカード接続タイプやUSB接続タイプのグラフィックアダプタが一部で提供されている。
2016年3月にはAMDが、ノートPCに外付けGPUをつなぐ技術「AMD XConnect」を発表した。拡張カード接続に対応したPCとGPU格納ケースは、Thunderbolt 3規格で接続される  。

オンボード

マザーボードが持つグラフィックス機能を総括してオンボードグラフィックまたはオンボードビデオと呼ぶことが多い。これは、単体のグラフィックチップをマザーボードの基板に直接実装したものと、統合チップセットのグラフィックス機能を利用したものに大別される。基板に実装するタイプは高性能ノートパソコンやサーバ向マザーボードで用いられる。統合チップセットの登場以前は低価格機のグラフィックス機能はこのタイプを用いたものが多く、「オンボード」という呼称はこの形態に由来する。
統合チップセットは1999年に発表されたIntel 810以降、安価かつ省スペース性に優れるため急速に普及し、PCグラフィックス機能の主流となっている。特にIntel製のCPUに統合されたGPU (iGPU) はシェアが高い。ただしいずれも多くのユーザーがWeb閲覧やオフィスソフトなど一般的な用途で求める程度の性能に留まるため、ゲームのプレイや開発、マルチメディア作品の制作など高負荷な3D描画能力を求められる用途には向いていない。ただしPlayStation 4などのゲーム専用機に採用実績のあるAMD APUのように、統合型であっても高い演算性能を持つ製品もまた登場している。
Unified Memory Architecture (UMA) によりビデオメモリ用として確保・占有される一部のメインメモリ領域はシステムから使用できなくなり、実効メモリ容量が減少する。

日本国内メーカー

日本国内メーカーではアイ・オー・データ機器（挑戦者ブランドも展開）・バッファロー（玄人志向ブランドを含む）などの周辺機器メーカーがビデオカードの販売を手がけている。商品では、「グラフィックアクセラレータ」の名称が用いられた。アイ・オー・データ機器の製品は、設計こそリファレンスに準じたものになっていたものの、かつてはドライバが独自にチューニングされており、一定の評価を得ていた。その後、OEM供給を受けたATI/NVIDIA製品をラインナップしていたが、2010年12月発売のGA-RH5450を最後に、一旦取り扱いを終了していた。2014年には、4K UHD対応のビデオカードGA-GTX750TIを改めて取り扱うようになっているほか、2007年からDisplayLink社製のチップを用いたUSB接続の製品の販売を続けている。これら国内の取り扱い製品の中で特にカノープスはリファレンスデザインと異なる独自開発の基板およびドライバを採用したビデオカードの製造・販売を行い、マニア層を中心にかつて人気を博していたが、2002年に独自設計のビデオカードのリリースは終了し、2006年2月のMTVGA X1300Lのリリースを最後にビデオカード事業から撤退している。
またNECも産業向けワークステーション製品のビデオカードを一部製造・販売している。