Lekce 8 - Stavíme si počítač - Grafická karta - Historie, popis

V minulé lekci, Stavíme si počítač - Operační paměť (RAM), jsme si vysvětlili princip operační paměti RAM v počítači a popsali si její parametry - kapacitu, frekvenci a napětí DDR.

Funkční základ počítače máme již sestavený, ale stále v něm chybí spousta důležitých komponent. Jednou z nich je rozšiřující grafická karta. Té se budeme v dnešním dílu tutoriálu o stavbě PC věnovat.

Dedikovaná grafická karta

Grafická karta je zařízení převádějící data na digitální signál, který nám poté monitor zobrazí jako obraz. Integrovaná grafická karta se nachází v procesoru (je to tzv. APU = CPU + GPU). Dříve byly ale grafické karty integrované v základní desce (on-board video). Dedikovaná grafická karta je instalována odděleně, je obvykle výkonnější a větší, než integrovaná.

Právě o této dedikované kartě budeme dnes hovořit. Pokud plánujete hrát na svém počítači hry, APU (procesory s integrovanou grafickou kartou) si rozhodně nedoporučuji pořizovat, tyto APU totiž většinou nepodávají dostatek výkonu a navíc se zbytečně zatěžuje procesor. Další problém integrovaných grafických karet je např. s pamětí, kterou taková grafická karta ubere z RAM počítače.

Vývoj grafických karet

Dedikovaná grafická karta je v současné době vůbec nejvýkonnější technologie v počítači a má za sebou bohatou historii. Původní počítače neměly grafickou kartu integrovanou, a proto se musela vždy koupit zvlášť. První grafické karty se vyvíjely ve dvou oblastech. Zvyšoval se počet najednou zobrazených barev (2, 4, 16, 256, high color, true color) a vylepšovalo se také rozlišení, které podporovaly. Počet barev byl obvykle vázán na rozlišení a této dvojici se říkalo video mód.

Na obrázku lze vidět starší grafickou kartu Trident VGAa 9000:

Jakmile grafické karty dosáhly dostatečně vysokých rozlišení a maximálního počtu barev, objevila se tzv. hardwarová akcelerace.

Akcelerovaná grafika

Hardwarová akcelerace umožňuje přenést vykreslování některých tvarů jen na grafický procesor (GPU) a vůbec tím nezatěžovat centrální procesor počítače (CPU). Výsledkem je mnohem vyšší výkon, a to jednak proto, že CPU toho stihne více, ale také proto, že GPU je navržené tak, aby vykonávalo specifické grafické úlohy a dokáže to tudíž mnohem rychleji, než by to zvládlo CPU.

2D akcelerace

První grafické karty podporovaly tzv. 2D akceleraci a uměly velmi rychle vykreslovat základní tvary (např. čáru, kruh nebo obrázek). Těchto funkcí se často využívalo pomocí rozhraní Direct Draw u starších 2D her. Akcelerace se využívala i pro vykreslování grafického rozhraní Windows.

3D akcelerátory

S obrovským úspěchem 3D her se začalo přemýšlet o akceleraci i při zobrazování 3D grafiky. První 3D čipy byly v podstatě jen doplněné 2D čipy o 3D funkce (např. S3 VIRGE). Tyto pokusy byly poměrně neúspěšné. Prvním pravým 3D akcelerátorem byla slavná karta Voodoo od 3Dfx, která podporovala pouze 3D akceleraci a sloužila jako doplňovací grafická karta k té s 2D akcelerací. Výsledky byly velmi dobré a umožnily mnohem kvalitnější zobrazení.

Na obrázku můžeme vidět již zmiňovaný akcelerátor Voodoo 1:

3D akcelerace funguje na principu rychlého zobrazování otexturovaných trojúhelníků. Trojúhelníků proto, že je to útvar, ze kterého lze složit naprosto libovolné těleso. Můžete si představit, že ze dvou trojúhelníků složíte obdélník, ale i kruh, když jich dáte dostatečné množství jedním vrcholem do středu.

Akcelerované grafické karty

Dnešní grafické karty akcelerují jak 3D, tak 2D grafiku. Kromě různě texturovaných trojúhelníků umožňují rychle vykonávat spoustu dalších efektů, jako jsou např. osvětlení nebo shadery, pomocí kterých se tvoří např. efekt plastičnosti (Bump mapping).

Na obrázku vidíme novodobé grafické karty GTX a RTX:

Stejně jako tomu bylo u CPU, i u GPU si můžeme všimnout vzrůstajícího problému s uchlazením čipu.

Stavba grafické karty

Grafická karta je v podstatě počítač v počítači, který je zaměřený na grafické výpočty. Na kartě nalezneme grafický procesor (GPU), který běží stejně jako CPU na nějaké taktovací frekvenci. Procesory grafických karet mají několik jednotek pro specifické úlohy (typicky pro shadery, texturování a renderování celkového výstupu). GPU má oproti CPU mnohem více jader (někdy jich má i stovky) a je tedy navrženo pro paralelní zpracování. Některé úlohy na něm mohou běžet až 14x rychleji (měření Intelu) než na CPU, obvykle je však "jen" několikrát rychlejší.

Dále karta obsahuje určité množství paměti RAM a to obvykle v podobě GDDR 5 na frekvenci několika GHz a o velikosti několika GB. Zatímco paměť RAM na základní desce je hrami využívána zejména pro načítání např. map a zvuků, RAM grafické karty slouží k ukládání grafických dat, zejména textur. To jsou fotky, kterými jsou obalená 3D tělesa, aby vypadala realisticky.

Pravdou je, že jsou komponenty na grafické kartě technologicky dále, než PC komponenty, které jsme si popisovali v minulých dílech. GPU, i paměti jsou mnohem rychlejší. Je vidět, že renderování 3D scén je pro počítač velmi náročná úloha a jsou pro ni zapotřebí mnohem výkonnějších technologie, než pro běžnou práci s PC.

Paradoxně je tedy grafický procesor technologicky dále, než ten centrální.

Na vnějším panelu karty nalezneme několik konektorů, pojďme si vysvětlit, jaké k čemu slouží.

Konektory

Na obrázku lze vidět konektory HDMI, DVI-D a VGA přímo na grafické kartě:

DVI

DVI je starší, ale současně stále používané digitální rozhraní pro připojení monitorů, televizí a projektorů. Vyskytuje se v modifikacích DVI-I a DVI-D. DVI-I je stoprocentně kompatibilní s DVI-D a má navíc i analogový výstup, který lze pomocí převodky převést na VGA.

VGA

Starší VGA konektor se na nových grafických kartách již příliš nenachází. Používal se pro analogové monitory a projektory. Při větším rozlišení displeje na něm vzniká nepříjemné rušení.

HDMI

HDMI je aktuálně jeden z nejpoužívanějších kompaktních rozhraní pro digitální přenos videa a zvuku.

DisplayPort

Grafické karty obsahují obvykle také DisplayPort, který lze na DVI nebo HDMI převést. Měl by v budoucnu HDMI nahradit. Pozor, sice ho lze převést na HDMI a připojit na něj HDMI monitor, ale opačně to nefunguje. Monitor jen s DisplayPortem nelze zapojit do DVI.

V příští lekci, Stavíme si počítač - Grafická karta - Seznámení s výrobci, si představíme dva výrobce grafických karet a popíšeme si jejich produkty GeForce a Radeon. Nezapomene zmínit kritéria pro výběr grafické karty.