Что такое видеокарта?

Многие пользователи персональных компьютеров не разбираются в его комплектующих и задают себе вопрос: что такое видеокарта? Она является неотъемлемой частью компьютера, потому что контролирует графический вывод и обеспечивает передачу изображения на монитор. В этой статье подробно разберём что такое видеокарта и из чего она состоит.

Что такое видеокарта?

Видеокартой называется графическим процессор (GPU), он является блоком расширения компьютера, который выполняет вывод графики. Процессор вычисляет данные, которые преобразуются графической картой и выводятся на подключенные мониторы. Графическая карта является важной частью и должна соответствовать процессору (CPU). Некоторые компьютеры могут работать без видеокарты потому что процессор уже имеет встроенный видео чип. К таким процессорам можно отнести i-CPU Intel в которых установлен графический блок. В то время процессоры AMD Ryzen без видеокарты работать не могут. Только платформа AMD Raven Ridge будет иметь встроенные графические блоки. Платформа Intel X99 и процессоры XEON не имеют собственного графического блока.

Одна из топовых GPU

Существуют два типа графических карт. Первый в виде расширения для ПК в слот PCI — E, и второй который устанавливается в чипсет основного процессора ее называю встроенной. Оттуда данные, которые отвечают за отображение изображения, отправляются на монитор через интерфейс (VGA, DVI, HDMI или DisplayPort) с помощью соединительного кабеля. 

Вы можете подумать, что программы обработки изображений сильно зависят от мощной графической карты, но они больше зависят от быстрого процессора и, прежде всего, большого количества оперативной памяти. Видеокарта или графический процессор только улучшает скорость передачи. Например, при масштабировании, вращении областях рисования или перемещении окон и других элементов изображения, так же при обработке данных изображения и видео.

История развития видеокарт

Роль, которую играют сегодня видеокарты, сильно отличается от той, что была в первые годы компьютерной эры. В конце 1970-х и 1980-х их задача заключалась в том, чтобы отображать на мониторе только простой текст и графику. Отображение некоторых цветов было уже революционным в то время.

EGA видеокарта для шины XT
Видеокарта 1980 года
IBM PC

Даже расчет отдельных пикселей, который мы считаем само собой разумеющимся сегодня, был редкостью. Это потому, что вычислительная мощность предыдущих видеокарт была просто слишком слабой, чтобы отображать изображения с высоким разрешением. Вместо этого использовался только текстовый режим, с которым работал ПК.

В то время еще не было современной графики, в которой отдельные пиксели отображаются на мониторе. В так называемом текстовом режиме выводились только фиксированные блоки для адресации и отображения определенных букв и цифр.

Поэтому скажем не было возможности запускать компьютерные игры с высоким разрешением или вызывать мультимедийные приложения.

Время не стоит на месте. Первые текстовые игры на компьютере которые становились всё сложнее, и требовали больше графических ресурсов способствовали стремительному развитию видео чипов.

Структура видеокарты:

Графический процессор

Ядром видеокарты является графический процессор. Он состоит из множества транзисторов, которые выполняют вычисления. В отличие от CPU для выполнения сложных вычислений GPU использует значительно больше ядер. В результате видеокарты, как правило, работают быстрее, чем процессор.

Графический процессор состоит из различных компонентов. Наиболее важными являются шейдерные блоки. Они рассчитывают трехмерные элементы, с одной стороны, цвет с фрагментными шейдерами, с другой — геометрические фигуры (треугольники) с вершинными шейдерами. Затем тесселяционные шейдеры снова разделяют примитивы (треугольники), геометрические шейдеры могут добавлять дополнительные элементы, если они доступны. Затем сцена растеризуется, текстурируется и интерполируется пиксельным шейдером TMU (блоком отображения текстуры). Данные растеризуются и снова выводятся в ROP (Raster Operation Processor).

Эти вычисления всегда выполняются параллельно. Это означает, чем больше количество шейдеров TMU и ROP, тем быстрее будет производиться обработка, следовательно, частота кадров будет выше.

GPU без кулера
Посередине расположен графический процессор. Вокруг расположены модули памяти.

Видеопамять (VRAM)

Видеопамять называется (VRAM) является основной памятью видеокарты. Кадры и другие расчетные данные временно хранятся на ней. В современных настольных видеокартах обычно используется минимум 1-4 ГБ видеопамяти. Тем временем, 6 и 8 ГБ видеопамяти гораздо более распространены, поскольку игры с большим количеством деталей требуют большого объема памяти. Лучшие модели от Nvidia 2080ti или Titan RTX, также имеют 12-24 ГБ GDDR6 видеопамяти.

Больше не значит хорошо, это относится к памяти которую вы могли наблюдать в описании например 1 или 2 Гб. По сути это хранилище в которое поступают видео данные для обработки и считывания графическим процессором. И вот производительность от нее не зависит. Скорость определяет сколько информации, пропускает видеокарта и обозначается она в битах, допустим 128 или 256. Частота измеряется в МГц и от нее зависит пропускная способность шины. И тут тоже не все так просто. Например карта, которая имеет 256 бит и частоту 900 МГц пропускать будет все 28,8 Гб/с, а 128 бит и 2400 уже 38,4 Гб/с.

Изображение GPU

Разъем PCIe

Видеокарта подключается к материнской плате через разъем PCIe 3.0 x16. В большинстве случаев 16 линий PCIe 3.0 ведут непосредственно от процессора к графической карте, чтобы обеспечить максимально быструю связь. В конфигурациях с несколькими графическими процессорами может случиться так, что эти шестнадцать линий PCIe 3.0 придется разделить на 8 линий для двух видеокарт, если больше нет доступных линий. Платформа Intel X99 может обеспечить до 40 линий, поэтому здесь можно подключить либо две видеокарты с 16 линиями PCIe 3.0, либо три или четыре каждая по 8 линий. Тем не менее, основная платформа от Intel (Kabylake) и AMD (Ryzen) обеспечивает всего 24 линии, поэтому можно подключить не более двух видеокарт с 8 линиями каждая, поскольку четыре слота зарезервированы для слота M.2.

Источник питания

Видеокарты могут питаться двумя способами. С одной стороны, сам порт PCIe обеспечивает мощность до 75 Вт, поэтому небольшие графические карты, такие как AMD RX 460 или Nvidia GTX 1050, не требуют дополнительного источника питания. Если требуется больше энергии, производители устанавливают дополнительные соединения, которые обычно расположены в верхней или задней части платы. Можно установить до трех контактных разъемов 8pin, каждый из которых обеспечивает дополнительные 100 Вт.

Цепи питания на GPU
Два 8-контактных разъема питания GPU. Соединения для вентиляторов, которые расположены на видеокарте, можно увидеть выше.

Воздушное охлаждение

Графический процессор и микросхемы памяти на видеокарте выделяют много тепла. Чтобы рассеивать это тепло, производители используют охлаждения. Оно располагается прямо на плате и составляют фактическое тело видеокарты. Тепловая пластина установлена ​​на графическом процессоре, который соединяется с большим радиатором через тепловые трубки. Часть радиатора охлаждает цепи питания. Различают радиальные и осевые вентиляторы.

Радиальный вентилятор захватывает мощный поток воздуха, прогоняет его через радиатор и выбрасывает наружу за пределы корпуса компьютера. Но на очень мощных горячих видеокартах, под нагрузкой в тяжелых играх, турбина может начинать гудеть. Преимущество радиального вентилятора состоит в том, что воздух выходит непосредственно из корпуса. Поскольку на карту можно установить только один радиальный вентилятор, его часто приходится вращать очень быстро, что увеличивает громкость.

(Изображение: Radeon XFX)
XFX RX 480 в эталонном дизайне с радиальным вентилятором.

Осевые вентиляторы прижимают холодный воздух к радиатору снизу рассеивая тепло в корпусе ПК. Преимущество осевых вентиляторов: в зависимости от конфигурации три вентилятора одновременно охлаждают радиатор, что делает их значительно тише.

GPU охлаждение
Топовая GPU в разборе c осевыми вентиляторами

Все решения воздушного охлаждения зависят от количества видеокарт. Поэтому в большинстве видеокарт используются два слота PCIe с апертурой. Показанный на картинке выше Asus Strix GTX 1080Ti имеет высоту 2,5 слота. Некоторые решения для охлаждения имеют высоту даже 3 слота. Эти кулеры также увеличивают длину видеокарт, что может быть проблемой, особенно в компактных корпусах. Кроме того, конфигурация SLI или Crossfire не всегда возможна.

Водяное охлаждение (СВО)

Само название говорит за себя. В системе СВО в качестве теплоносителя используется вода. То есть сначала тепло от нагревающих элементов передается напрямую в воду, в отличии от воздушного, где передача происходит сразу в воздух.

От процессора или графического чипа тепло сначала передается через теплообменник воде. Далее нагретая вода двигается в радиатор, где тепло из водной среды отдается воздуху и отрабатывается во внешнюю среду. Качает же водный поток, как водится, специальный насос – помпа.

Основное преимущество водянки тихая работа и более лучший отвод тепла. Из минусов можно отметить риск того что охлаждающая жидкость може протеч и вызвать короткое замыкание. Часто это происходит с дешевыми или китайскими сборками.

GPU c водянкой
Топовая GPU c водяным охлаждением

Подключение монитора

Разъемы для подключения монитора находятся на видеокарте за пределами ПК. Современные видеокарты имеют до трех разъемов, которые имеют разные типы и служат разным целям. Большинство современных мониторов подключаются через DisplayPort, в то время на телевизорах установлены только порты HDMI. Чем сильнее графическая карта, тем больше соединений установлено и выше поддерживаемое разрешение. Текущий стандарт — Displayport 1.4, HDMI 2.0 и часто также порт DVI для старых экранов.

Особенности и дополнение:

SLI и Crossfire

Особенно на более мощных компьютерах часто используется комбинация из двух или более видеокарт. Для этого AMD и Nvidia разработали собственные технологии, обеспечивающие связь между видеокартами. Nvidia называет свою технологию SLI (Scalable Link Interface). Для SLI требуется дополнительное соединение между видеокартами, так называемый мост SLI. Материнская плата должна также поддерживать SLI, что обычно возможно только на чипсете Z у Intel и на чипсете X у AMD. Благодаря мосту и соединению через PCIe, вычисление графики делится между двумя видеокартами. У компании АМД тоже есть такая технология Crossfire. Основное отличие состоит в том, что AMD не нужен мост, и обмен происходит только через PCIe.

VSync, GSync и Freesync

VSync (вертикальная синхронизация) — это технология, разработанная для уменьшения артефактов изображения (так называемые сбои). В случае видеокарт это предотвращает обновление данных изображения, пока изображение все еще создается на экране. Это создает однородное изображение при игре. Однако всё становится проблематичным, когда экран работает с более высокой частотой, чем вывод графической карты, например, при 60 Гц, в то время как видеокарта выдает только 50 кадров (изображений). Это может вызвать микро-заикание, которое может замораживать экран на долю секунды. Задержка также увеличивается.

Чтобы решить эту проблему, Nvidia разработала технологию GSync. Если монитор поддерживает эту технологию то, микро-заиканий не будет. Для этого вывод экрана динамически синхронизируется с выводом видеокарты.

Параллельно AMD также разработала решение этой проблемы. Это называется Freesync.

Чтобы использовать соответствующую технологию при покупке монитора, убедитесь чтобы видеокарта и технология соответствовали друг другу. Видеокарты AMD не могут использовать GSync, и наоборот, графические карты Nvidia не могут использовать Freesync.

Какая видеокарта мне подходит?

Чтобы найти подходящую видеокарту для своих целей, вы должны ответить на несколько вопросов:

  • Для чего будет использоваться видеокарта? (например, игры, рендеринг, редактирование видео и т. д.)
  • Какие игры или программы будут использовать карту?
  • Какой монитор вы планируете подключить?
  • В каком разрешении экрана будете играть / работать?
  • GSync или Freesync важны?
  • Вы планируете SLI подключение нескольких карт?

Производители видиокарт

Как и материнские платы, выпуском видеокарт занимаются сторонние производители. Например, более 20 производителей-партнеров производят видеокарты для Nvidia и AMD. Графические чипы и память от Nvidia или AMD приобретаются и дополняются собственными платами и собственными решениями для охлаждения. Существует множество возможностей для разгона и дополнений, таких как светодиодное освещение.

В последние годы Asus стал основным производителем Nvidia. В частности, графические карты Strix настоятельно рекомендуются с точки зрения охлаждения, внешнего вида и функций, но также имеют высокую цену. MSI с сериями Gaming X и Gigabyte тесно следуют за ними. Другими производителями являются Zotac, KFA², Palit, PNY, Inno3D, Gainward и EVGA. KFA2 и Gainward, они являются отличной альтернативой, предлагают хорошее охлаждение за небольшие деньги. Asus или MSI также предлагают бюджетные карты с более дешевыми решениями для охлаждения или радиальными вентиляторами.

Основными производителями AMD являются Asus, MSI и Gigabyte. Другим крупным производителем является Sapphire, который постоянно предлагает лучшие решения для охлаждения графических процессоров AMD своей серии Nitro. Другими производителями являются XFX, HIS, PowerColor и Club3D.

Бюджетные видеокарты

Карты из серии начального уровня от Nvidia и AMD особенно подходят для начинающих. Nvidia предлагает видеокарты GTX 1050 и GTX 1050ti с двумя и четырьмя ГБ видеопамяти. AMD конкурирует с RX 560 и RX 570 против последних, последние быстрее, чем 1050 и 1050ti. С переходом с поколения 4 на 5 для карт AMD RX 560 теперь также значительно более конкурентоспособен с 1050 и 1050ti. RX 550 также доступен с апреля, что особенно интересно для очень компактных компьютеров и HTPC. Карты AMD также доступны с двумя и четырьмя ГБ видеопамяти. Эта категория в основном позволяет играть игры в Full HD. Все видеокарты очень подходят для киберспортивных игр, таких как League of Legends или Dota 2. Battlefield 1, CS: GO и другие шутеры также можно легко играть со скоростью 60 FPS со средней детализацией.

Видеокарты среднего класса

В настоящее время существует определенный дисбаланс в среднем классе. Nvidia предлагает модели GTX 1060 и GTX 1070, в то время как AMD может предложить только RX 580. Это примерно сравнимо с GTX 1060. Большим преимуществом, которым обладает здесь AMD, является видеопамять. AMD устанавливает 4 ГБ и 8 ГБ в RX 580, которые значительно более современны, чем 3 ГБ и 6 ГБ в GTX 1060. Кроме того, память в 1060 в версии на 3 ГБ не такая, как в модели на 6 ГБ, что значительно быстрее.

GTX 1070, с другой стороны, в настоящее время является движущей силой в верхнем среднем классе и может использоваться для игры в большинство игр с очень высоким уровнем детализации при разрешении QHD (2560 × 1440). Однако на нескольких мониторах границы четко обозначены. Младший брат, GTX 1060, работает медленнее, но также позволяет детализировать игры с очень высокой детализацией и более 60 FPS на Full HD. Radeon RX 580 также не достигает производительности 1070, но напрямую конкурирует с 1060.

Видеокарты высокого класса

До появления Sapphire Fire Pro S9150 от АМД, реальную роль в сегменте высокого класса играла только Nvidia. Текущие топовые модели от Nvidia — RTX 2080 TI и Titan RTX. С 2080 TI в сочетании с Intel Core i9 9900K, в настоящее время очень мощный однопроцессорный компьютер может быть построен примерно за € 2000.

RTX 2080 вполне достаточно для игр до 8K на одном экране. Однако вполне может случиться, что производительность FPS упадёт ниже 60 если включить технологию рейтрейсинга. В этом случае может помочь команда SLI или 2080 TI. С текущей точки зрения, Titan гораздо производительнее 2080 TI, но стоит такое удовольствия гораздо дороже . Если вам все еще нужна самая быстрая лошадь в конюшне, нужно покупать Titan RTX.

Вывод

  • Видеокарта является очень важным компонентом ПК, и без нее у нас не было бы изображения на мониторе. Она преобразует информацию в видимые и понятные символы, графику и изображения, которые могут отображаться на мониторе через соединительный кабель с использованием аналоговых и цифровых сигналов.
  • Более ранние видеокарты не имеют много общего с современными, которые намного мощнее и быстрее в расчете.
  • Поскольку в последние годы технические требования рынка игр для ПК сильно возросли, производительность видеокарт также значительно возросла.