Видеокарта — устройство, преобразующее графический образ, хранящийся как содержимое памяти компьютера, в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран монитора.
Существует три вида видеокарт:
Существует три вида видеокарт:
- Встроенный. Современные, да и не очень, CPU в большинстве случаев имеют в своем составе видеокарту. Ее возможностей хватит для повседневной офисной работы, серфинга в интернете, просмотра фильмов, даже для простеньких игр. К сожалению, когда речь заходит о 3D-моделировании, играх и прочих «тяжелых» в визуальном плане приложениях, возможностей встроенного видеоядра уже не хватает.
- Дискретная. Некая плата, устанавливаемая в свободный слот на материнской плате. По физическим размерам это внушительный девайс, да и возможности под стать.
- Внешняя. Подключается либо по USB (обычно используется с ноутбуками) или с помощью интерфейса Thunderbolt.
- Графический процессор (GPU)
- Микросхемы памяти (GDDR)
- Видеоконтроллер
- Цифро-аналоговый преобразователь
- Видео-ПЗУ
- Система охлаждения видеокарты
- Интерфейсные разъемы
Графический процессор
Графический процессор (англ. Graphics processing unit (GPU) — досл.: «графическое процессорное устройство») занимается расчётами выводимого изображения (рендеринг), производя обработку 2D и 3D графики. Графические процессоры по сложности мало чем уступают центральному процессору компьютера, и зачастую превосходят его как по числу транзисторов, так и по вычислительной мощности, благодаря большому числу универсальных вычислительных блоков. Однако архитектура GPU прошлого поколения обычно предполагает наличие нескольких блоков обработки информации, а именно: блок обработки 2D-графики, блок обработки 3D-графики, в свою очередь, обычно разделяющийся на геометрическое ядро (плюс кэш вершин) и блок растеризации (плюс кэш текстур) и др.
Видеопамять (VRAM)
Видеопамять выполняет функцию кадрового буфера, в котором хранится изображение, генерируемое и постоянно изменяемое графическим процессором и выводимое на экран монитора (или нескольких мониторов). В видеопамяти хранятся также промежуточные невидимые на экране элементы изображения и другие данные. На данный момент существует более 7 типов памяти для видеокарт: DDR, GDDR2, GDDR3, GDDR4, GDDR5, GDDR6, HBM и другие. Помимо видеопамяти, находящейся на видеокарте, графические процессоры обычно используют в своей работе часть общей системной памяти компьютера, прямой доступ к которой организуется драйвером видеоадаптера через шину AGP или PCI-e. В случае использования архитектуры Uniform Memory Access в качестве видеопамяти используется часть системной памяти компьютера.
Видеоконтроллер
Видеоконтроллер отвечает за формирование изображения в видеопамяти, даёт команды RAMDAC на формирование сигналов развёртки для монитора и осуществляет обработку запросов центрального процессора. Кроме этого, обычно присутствуют контроллер внешней шины данных (например, PCI или AGP), контроллер внутренней шины данных и контроллер видеопамяти. Ширина внутренней шины и шины видеопамяти обычно больше, чем внешней (64, 128 или 256 разрядов против 16 или 32), во многие видеоконтроллеры встраивается ещё и RAM.
Графические адаптеры (AMD, nVidia) обычно имеют не менее двух видеоконтроллеров, работающих независимо друг от друга и управляющих одновременно одним или несколькими дисплеями каждый.
Цифро-аналоговый преобразователь
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП; RAMDAC — Random Access Memory Digital-to-Analog Converter) служит для преобразования изображения, формируемого видеоконтроллером, в уровни интенсивности цвета, подаваемые на аналоговый монитор. Возможный диапазон цветности изображения определяется только параметрами RAMDAC. Чаще всего RAMDAC имеет четыре основных блока: три цифро-аналоговых преобразователя, по одному на каждый цветовой канал (красный, зелёный, синий — RGB), и SRAM для хранения данных о гамма-коррекции. Большинство ЦАП имеют разрядность 8 бит на канал — получается по 256 уровней яркости на каждый основной цвет, что в сумме даёт 16,7 млн цветов (а за счёт гамма-коррекции есть возможность отображать исходные 16,7 млн цветов в гораздо большее цветовое пространство). Некоторые RAMDAC имеют разрядность по каждому каналу 10 бит (1024 уровня яркости), что позволяет сразу отображать более 1 млрд цветов, но эта возможность практически не используется. Для поддержки второго монитора часто устанавливают второй ЦАП.
Видео-ПЗУ
Видео-ПЗУ (Video ROM) — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в которое записаны BIOS видеокарты, экранные шрифты, служебные таблицы и т. п. ПЗУ не используется видеоконтроллером напрямую — к нему обращается только центральный процессор.
BIOS обеспечивает инициализацию и работу видеокарты до загрузки основной операционной системы, задаёт все низкоуровневые параметры видеокарты, в том числе рабочие частоты и питающие напряжения графического процессора и видеопамяти, тайминги памяти. Также VBIOS содержит системные данные, которые могут читаться и интерпретироваться видеодрайвером в процессе работы (в зависимости от применяемого метода разделения ответственности между драйвером и BIOS). На многих картах устанавливаются электрически перепрограммируемые ПЗУ (EEPROM, Flash ROM), допускающие перезапись видео-BIOS самим пользователем при помощи специальной программы.
BIOS обеспечивает инициализацию и работу видеокарты до загрузки основной операционной системы, задаёт все низкоуровневые параметры видеокарты, в том числе рабочие частоты и питающие напряжения графического процессора и видеопамяти, тайминги памяти. Также VBIOS содержит системные данные, которые могут читаться и интерпретироваться видеодрайвером в процессе работы (в зависимости от применяемого метода разделения ответственности между драйвером и BIOS). На многих картах устанавливаются электрически перепрограммируемые ПЗУ (EEPROM, Flash ROM), допускающие перезапись видео-BIOS самим пользователем при помощи специальной программы.
Система охлаждения
Система охлаждения предназначена для сохранения температурного режима видеопроцессора и (зачастую) видеопамяти и зоны VRM в допустимых пределах.
Именно этот компонент (огромный радиатор, несколько вентиляторов) и бросается в глаза при первом взгляде на видеокарту. Исключение составляют, пожалуй, только бюджетные маломощные графические адаптеры, которые обходятся скромными по размеру и весу системами охлаждения.
Радиатор представляет собой довольно замысловатую железяку с большим количеством тонких ламелей, состоящую из нескольких секций и теплорассеивающих пластин, контактирующих с графическим процессором, чипами памяти и силовыми элементами системы питания. Практически все производители устанавливают несколько тепловых трубок для повышения эффективности работы радиатора.
Тепловая трубка – металлическая (часто медная, может быть покрыта никелем) герметичная, с легкоиспаряющейся жидкостью внутри. Эта жидкость испаряется в месте соприкосновения одного конца трубки с горячим элементом, после чего пар конденсируется на противоположном, холодном конце, после чего жидкость возвращается в горячий конец трубки.
Чаще всего применяются тепловые трубки с пористыми внутренними стенками, по которым жидкость под воздействием капиллярных сил перемещается в зону испарения вне зависимости от положения самой трубки в пространстве. Этой жидкостью может быть вода, аммиак, этанол и т. п.
Встречается и такой элемент, как испарительная камера. Это некая модернизация идеи тепловой трубки, использующая тот же принцип испарения жидкости, при которой отбирается тепло у охлаждаемого элемента. Разница в том, что плоская многослойная конструкция увеличивает эффективность этого процесса.
У разных производителей количество и конфигурация трубок различается. Часть их может использоваться для контакта с GPU, а для элементов системы питания устанавливается индивидуальная трубка. Может использоваться технология «прямого контакта», при которой тепловые трубки непосредственно контактируют с графическим процессором. Это позволяет улучшить теплообмен. Однако недостаточно просто забрать тепло тем или иным способом – тепловой трубкой и/или радиатором, это тепло надо еще куда-то деть. Для этого применяют вентилятор(ы).
Несколько лет назад референсные видеокарты NVidia и AMD использовали систему охлаждения с помощью турбины. Суть ее в том, что устанавливается только один радиальный вентилятор, который забирает воздух из корпуса и прогоняет его через всю видеокарту, выбрасывая наружу.
Под кожухом видеокарты установлен радиатор с большим количеством ребер. Главным недостатком такой системы охлаждения является шумность. Единственный вентилятор имеет небольшой размер, а для обеспечения нужного потока воздуха ему приходится вращаться на большой скорости. А чем она выше, тем выше и шум.
Оба производителя отказались от турбинной системы, начиная с семейств видеокарт NVidia RTX 2000 и AMD RX 6000. Предпочтение отдано более привычным осевым вентиляторам, которых может быть от одного до нескольких в зависимости от размера видеокарты. Некоторые производители используют противоположное направление вращения вентиляторов. Если их два, то один вращается по часовой стрелке, другой против. При трех вентиляторах обычно средний имеет противоположное направление вращения по отношению к крайним. Производители утверждают, что таким образом удается бороться с турбулентностью воздушного потока и улучшать обдув радиатора. Редкие модели видеокарт могут оснащаться одним или двумя дополнительными вентиляторами небольшого размера. Например, INNO3D GeForce RTX 3070 ICHILL X4 имеют небольшой вентилятор на верхней грани, обдувающий тепловую трубку с радиатором от цепей VRM. Альтернативой штатным системам охлаждения может быть жидкостная, которую можно установить самостоятельно, или производитель изначально предлагает модификацию видеокарты со смонтированным радиатором СЖО. Принципиально она не отличается от той, что используется для CPU, но есть некоторые различия. Проблема в том, что помимо графического чипа необходимо охлаждать еще микросхемы видеопамяти и цепи VRM, что делает теплосъемник довольно сложным конструктивно.
Полезной вещью может оказаться и защитная панель, которая закрывает обратную сторону печатной платы. Она как минимум защищает плату от возможных повреждений, улучшает механическую прочность видеокарты, а часто еще и участвует в охлаждении, для чего через термопрокладки контактирует с печатной платой в месте установки, например, силовых элементов системы питания.
Именно этот компонент (огромный радиатор, несколько вентиляторов) и бросается в глаза при первом взгляде на видеокарту. Исключение составляют, пожалуй, только бюджетные маломощные графические адаптеры, которые обходятся скромными по размеру и весу системами охлаждения.
Радиатор представляет собой довольно замысловатую железяку с большим количеством тонких ламелей, состоящую из нескольких секций и теплорассеивающих пластин, контактирующих с графическим процессором, чипами памяти и силовыми элементами системы питания. Практически все производители устанавливают несколько тепловых трубок для повышения эффективности работы радиатора.
Тепловая трубка – металлическая (часто медная, может быть покрыта никелем) герметичная, с легкоиспаряющейся жидкостью внутри. Эта жидкость испаряется в месте соприкосновения одного конца трубки с горячим элементом, после чего пар конденсируется на противоположном, холодном конце, после чего жидкость возвращается в горячий конец трубки.
Чаще всего применяются тепловые трубки с пористыми внутренними стенками, по которым жидкость под воздействием капиллярных сил перемещается в зону испарения вне зависимости от положения самой трубки в пространстве. Этой жидкостью может быть вода, аммиак, этанол и т. п.
Встречается и такой элемент, как испарительная камера. Это некая модернизация идеи тепловой трубки, использующая тот же принцип испарения жидкости, при которой отбирается тепло у охлаждаемого элемента. Разница в том, что плоская многослойная конструкция увеличивает эффективность этого процесса.
У разных производителей количество и конфигурация трубок различается. Часть их может использоваться для контакта с GPU, а для элементов системы питания устанавливается индивидуальная трубка. Может использоваться технология «прямого контакта», при которой тепловые трубки непосредственно контактируют с графическим процессором. Это позволяет улучшить теплообмен. Однако недостаточно просто забрать тепло тем или иным способом – тепловой трубкой и/или радиатором, это тепло надо еще куда-то деть. Для этого применяют вентилятор(ы).
Несколько лет назад референсные видеокарты NVidia и AMD использовали систему охлаждения с помощью турбины. Суть ее в том, что устанавливается только один радиальный вентилятор, который забирает воздух из корпуса и прогоняет его через всю видеокарту, выбрасывая наружу.
Под кожухом видеокарты установлен радиатор с большим количеством ребер. Главным недостатком такой системы охлаждения является шумность. Единственный вентилятор имеет небольшой размер, а для обеспечения нужного потока воздуха ему приходится вращаться на большой скорости. А чем она выше, тем выше и шум.
Оба производителя отказались от турбинной системы, начиная с семейств видеокарт NVidia RTX 2000 и AMD RX 6000. Предпочтение отдано более привычным осевым вентиляторам, которых может быть от одного до нескольких в зависимости от размера видеокарты. Некоторые производители используют противоположное направление вращения вентиляторов. Если их два, то один вращается по часовой стрелке, другой против. При трех вентиляторах обычно средний имеет противоположное направление вращения по отношению к крайним. Производители утверждают, что таким образом удается бороться с турбулентностью воздушного потока и улучшать обдув радиатора. Редкие модели видеокарт могут оснащаться одним или двумя дополнительными вентиляторами небольшого размера. Например, INNO3D GeForce RTX 3070 ICHILL X4 имеют небольшой вентилятор на верхней грани, обдувающий тепловую трубку с радиатором от цепей VRM. Альтернативой штатным системам охлаждения может быть жидкостная, которую можно установить самостоятельно, или производитель изначально предлагает модификацию видеокарты со смонтированным радиатором СЖО. Принципиально она не отличается от той, что используется для CPU, но есть некоторые различия. Проблема в том, что помимо графического чипа необходимо охлаждать еще микросхемы видеопамяти и цепи VRM, что делает теплосъемник довольно сложным конструктивно.
Полезной вещью может оказаться и защитная панель, которая закрывает обратную сторону печатной платы. Она как минимум защищает плату от возможных повреждений, улучшает механическую прочность видеокарты, а часто еще и участвует в охлаждении, для чего через термопрокладки контактирует с печатной платой в месте установки, например, силовых элементов системы питания.
Интерфейсные разъемы
Все видеокарты последних поколений используют интерфейс PCI-Express. Последние поколения перешли на 4-ю версию, хотя без проблем работают и в более старых версиях, например, PCIe 3.0. С помощью PCIe видеокарта подключается к материнской плате, через него также на видеокарту подается питание.
