Что нужно знать о видеокартах? Руководство THG для начинающих пользователей, часть I – THG.RU

Что нужно знать о видеокартах?

Архитектура ПК x86 существует на рынке уже более двух десятков лет, но, наверное, не все знают, что мощные графические ускорители, отвечающие в компьютере за визуализацию 2D и 3D, появились только в середине 90-х годов.

Чтобы не терять возможность модернизации, видеокарта обычно представляет собой дополнительную плату, которая вставляется в слот материнской платы вашего ПК. Самые дешёвые графические решения, от которых требуется только 2D или работа под Windows, часто интегрированы в чипсет материнской платы. Современные видеокарты могут похвастаться впечатляющим списком возможностей и спецификаций, которые год от года всё увеличиваются. Сегодня в обзорах графических ускорителей можно встретить такие термины, как HDMI, ROP, пропускная способность, пиксельные шейдеры и т.д. Но если вы ещё не стали опытным пользователем, то вся эта терминология превращается просто в кашу в голове. И чтобы её устранить, мы решили выпустить очередное руководство для начинающих пользователей, на сей раз посвящённое видеокартам. Руководство разбито на три части.

Кроме того, мы рекомендуем ознакомиться с другими статьями THG.ru, которые будут полезны для начинающих пользователей.

• HDMI: интерфейс настоящего и будущего
• Энциклопедия интерфейсов компьютера: руководство THG
• Что нужно знать о беспроводных сетях: руководство для начинающих пользователей
• Выбираем материнскую плату: руководство THG
• BIOS Setup FAQ: как настроить BIOS
• Руководство “сетевика”: улучшаем производительность беспроводной сети
• Руководство “сетевика”: 802.11a второго поколения
• Руководство “сетевика”: Wi-Fi Protected Access (WPA)
• Руководство по решению проблем: когда беспроводные сети мешают друг другу
• Ремонтируем Windows XP: руководство Tom’s Hardware Guide
• Введение в технологию VoIP: руководство THG
• Защищаем беспроводную сеть: руководство THG
• Безопасность в Интернете: руководство THG, часть I
• Безопасность в Интернете: руководство THG, часть II

Из чего состоит видеокарта?

Выходы

Именно здесь располагаются выходы видеокарты. Обратите внимание, что слотовая панель практически каждой карты расширения доступна снаружи корпуса ПК. Поэтому на ней и располагаются все нужные входы и выходы.

После установки видеокарты в ваш ПК на задней панели корпуса можно будет обнаружить соответствующие разъёмы. Именно к ним и подключается дисплей. Многие видеокарты дают несколько (два) выходов, поэтому одновременно можно пользоваться несколькими дисплеями. Существуют разные интерфейсы дисплеев, но, в целом, их подразделяют на цифровые и аналоговые.

Компьютер – это цифровая машина, работающая с нулями и единицами. Поэтому цифровой формат для компьютера является “родным”, его лучше использовать и для подключения монитора к видеокарте. Современные дисплеи прошли долгий путь развития от первых электронно-лучевых трубок (ЭЛТ). ЭЛТ-дисплей использует электронную пушку, которая выстреливает по трём типам мельчайших точек на поверхности экрана, которые, в свою очередь, начинают светиться красным, зелёным или синим цветом. ЭЛТ-мониторы по своей природе аналоговые, поэтому для них цифровой сигнал превращается в аналоговый с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), который размещён на видеокарте. С появлением жидкокристаллических дисплеев (ЖК) потребность в ЦАП исчезла, но этот компонент всё равно присутствует на случай подключения аналоговых ЭЛТ-мониторов.

VGA-выход (D-Sub)

Разъём для подключения аналогового дисплея имеет 15 ножек и чаще всего выкрашен в голубой цвет.

Вообще, под сокращением VGA подразумевают определённое разрешение (video graphics array), то есть массив из горизонтальных и вертикальных точек (пикселей). Но в области графического “железа” VGA часто расшифровывают как графический адаптер (video graphics adapter). Соответствующий разъём называют VGA или D-Sub 15. Он предназначается для вывода аналогового сигнала, причём качество такого сигнала может отличаться от одной видеокарты к другой. Дорогие видеокарты используют качественные компоненты, поэтому дают ясную и чёткую картинку даже на высоких разрешениях.

Интерфейс VGA был стандартом до появления цифрового интерфейса DVI (Digital Visual Interface), но он популярен и до сих пор. Выходы D-Sub VGA по-прежнему используются для подключения большинства ЭЛТ-мониторов. Их также можно встретить на большинстве цифровых проекторов и даже на HDTV-телевизорах. Впрочем, для цифровых мониторов мы всё же рекомендуем использовать цифровые интерфейсы.

DVI-выход

DVI расшифровывается как Digital Video/Visual Interface.

DVI – стандартный цифровой интерфейс для вывода видео на плоские ЖК-дисплеи (за исключением самых дешёвых моделей). Если ваша видеокарта не старше 2004 года, то, скорее всего, у неё есть DVI-выход. Большинство видеокарт с DVI-выходами поставляются вместе с переходниками, преобразующими сигнал с DVI на VGA/D-Sub. Так что владельцам аналоговых ЭЛТ-мониторов расстраиваться не стоит. Все современные видеокарты дают два DVI-выхода, которые позволяют подключить два дисплея и расширить возможности рабочего стола Windows. Впрочем, два дисплея поддерживает любая комбинация выводов DVI и D-Sub/VGA. Для новых дисплеев с большой диагональю и разрешением, например, для 30″ ЖК-панелей Dell и Apple, требуется выход с двухканальным DVI (Dual-Link), который поддерживает “родное” разрешение 2560×1600.

Композитный видео-выход (“тюльпан”)

Композитный видео-выход “тюльпан”, также известный как разъём RCA (Radio Corporation of America).

Традиционный видео-выход, повсеместно встречающийся у телевизоров и других видеоустройств, например, видеомагнитофонов. Видеосигнал проходит через единственный коаксиальный кабель. В результате мы получаем аналоговый сигнал низкого разрешения, который обычно хорош только для презентаций или игр. Вряд ли стоит читать с подключённого через “тюльпан” телевизора, поскольку качество очень низкое. Впрочем, “тюльпан” подходит для видео стандартного разрешения.

S-Video (или S-VHS)

S-Video обозначает “Super Video” или “Super VHS”.

S-Video – ещё один аналоговый интерфейс видео, распространённый в телевизионной индустрии. На телевизор он даёт такой же сигнал низкого разрешения, как и “тюльпан”, но цветовая информация разнесена по трём каналам, соответствующим базовым цветам. В итоге мы получаем более качественный сигнал, чем композитный по одному кабелю, но по-прежнему низкое динамическое разрешение. Хотя S-Video превосходит по качеству “тюльпан”, стандарт сильно уступает компонентному выходу (Y, Pb, Pr).

Компонентный выход

Компонентные выходы слишком велики, чтобы располагать их на видеокарте, поэтому практически всегда используется переходник. Обычно переходник даёт компонентное видео (первые три разъёма) и звук (последние два разъёма).

Данный стандарт предусматривает три раздельных разъёма типа “тюльпан”: “Y”, “Pb” и “Pr”. Они обеспечивают раздельную цветовую информацию для HDTV (телевидение высокого разрешения). Подобный тип соединения также присутствует на многих цифровых проекторах. Хотя сигнал передаётся в аналоговой форме, его качество вполне можно сравнить с интерфейсом высокого разрешения VGA. Через компонентный интерфейс можно передавать видео высокого разрешения (HD).

HDMI
HDMI расшифровывается как “High Definition Multimedia Interface“. HDMI – стандарт будущего. Это единственный интерфейс, который обеспечивает передачу видео- и аудио-информации по одному кабелю. HDMI был разработан для телевидения и кино, но и компьютерные пользователи смогут полагаться на HDMI для просмотра видео высокого разрешения.

Выходы HDMI на видеокартах встречаются очень редко, но в будущем они должны стать более популярными. Просмотр видео высокого разрешения через компьютер может потребовать как видеокарты с выходом HDMI, так и монитора с поддержкой HDMI.

Интерфейсы видеокарт

Здесь показан интерфейс видеокарты. Сегодня это AGP или PCI Express.

Своей интерфейсной частью видеокарта вставляется в материнскую плату вашего компьютера. По сути, это слот, с помощью которого компьютер и видеокарта обмениваются информацией. Так как на материнской плате обычно присутствует слот какого-либо одного типа, то важно покупать видеокарту, которая будет ему соответствовать. Например, видеокарта PCI Express не будет работать в слоте AGP. Они не только несовместимы физически, но и используют разные протоколы передачи данных.

Самым важным аспектом интерфейса видеокарты является пропускная способность (bandwidth). Термин “пропускная способность” определяет количество информации, которое может пройти через интерфейс за отведённое время. Чем больше пропускной способности даёт интерфейс, тем быстрее может работать видеокарта. По крайней мере, в теории. Но на практике интерфейс значит не так много, как можно было бы подумать.

ISA

ISA расшифровывается как Industry Standard Architecture.

Здесь этот интерфейс присутствует только в качестве представителя давней истории, поскольку это самый старый стандарт. Видеокарты с интерфейсом ISA устарели уже очень и очень давно. Сегодня даже материнскую плату со слотом ISA найти очень трудно.

Были 8-битные и 16-битные версии карт ISA. Только последний вариант использовал полностью все контакты (см. фотографию). Карты EISA или Extended ISA позволяли увеличить пропускную способность до ширины 32 бита, кроме того, они поддерживали управление шиной (bus mastering). Но такие карты были слишком дорогие, поэтому они уступили место другим интерфейсам.

PCI

32-битная классическая шина PCI. По сей день она используется для разных стандартов карт расширения.

PCI расшифровывается как Peripheral Components Interconnect. В базовом варианте это 32-битная шина, работающая на частоте 33 МГц и обеспечивающая пропускную способность 133 Мбайт/с. Интерфейс PCI заменил ISA и её расширение VL (Vesa Local Bus) в 90-х годах, обеспечив более высокую пропускную способность. PCI является современным стандартом для большинства карт расширения, но видеокарты в своё время отошли от интерфейса PCI на стандарт AGP (а позже и на PCI Express).

Некоторые компьютеры не имеют слотов AGP или PCI Express для модернизации графической подсистемы. Единственной возможностью для них остаётся интерфейс PCI, но видеокарты для него встречаются редко, стоят дорого, да и их производительность оставляет желать лучшего.

PCI-X

PCI-X расшифровывается как “Peripheral Component Interconnect – Extended”, то есть перед нами 64-битная шина с пропускной способностью до 4266 Мбайт/с в зависимости от частоты. PCI-X (не путать с PCI Express!) – это первая скоростная модернизация шины PCI Express, но при этом она получила ряд функций, полезных в серверном пространстве. Шина PCI-X не слишком часто встречается в обычных ПК, а видеокарты PCI-X очень редки. Можно установить карту PCI-X в обычный слот PCI, если он поддерживает последнюю версию стандарта (PCI 2.2 или выше), но со стандартом PCI Express PCI-X не совместим.

AGP

Интерфейс AGP: Accelerated Graphics Port.

AGP – интерфейс с высокой пропускной способностью, специально предназначенный для видеокарт. Он базируется на спецификации PCI версии 2.1. В отличие от PCI, которая является общей шиной для нескольких устройств, интерфейс AGP выделен только для видеокарты. В результате AGP даёт многочисленные преимущества по сравнению с шиной PCI. Например, возможность прямой записи или чтения в оперативную память, демультиплексирование, упрощение протоколов передачи данных и повышение тактовых частот.

Интерфейс AGP прошёл через несколько версий, а последней стала AGP 8x со скоростью 2,1 Гбайт/с, которая в восемь раз быстрее начального стандарта AGP со скоростью 266 Мбайт/с (32 бита, 66 МГц). AGP на новых материнских платах уступает место интерфейсу PCI Express, но AGP 8x (и даже AGP 4x) всё же дают достаточную пропускную способность для современных видеокарт. Все карты AGP 8x могут работать как в слотах AGP 4x, так и AGP 8x.

PCI Express

В отличие от ISA, PCI и AGP, стандарт PCI Express является последовательным, а не параллельным. Поэтому число контактов существенно уменьшилось. В отличие от параллельных шин, нужная пропускная способность доступна для каждого устройства. В то время как, например, для PCI пропускная способность разделяется между использующимися картами.

PCI Express позволяет сочетать несколько одиночных линий для увеличения пропускной способности. Слоты PCI Express x1 короткие и маленькие, при этом они дают суммарную скорость 250 Мбайт/с в обоих направлениях (на устройство и от него). PCI Express x16 (16 линий) даёт пропускную способность 4 Гбайт/с в одном направлении или 8 Гбайт/с в сумме. Меньшие варианты слотов PCI Express (x8, x4, x1) для графики не используются. Следует отметить, что механически слот может соответствовать x16 линиям, но логически к нему может быть подведено их меньшее количество. Существует много материнских плат, у которых два слота PCI Express x16 могут работать в режиме x8, что позволяет установить две видеокарты (SLI или CrossFire).

Хотя увеличение пропускной способности – улучшение приятное, индустрия столкнулась с другим препятствием: энергопотреблением. Интерфейс AGP 3.0 (AGP 8x) способен дать питание не больше 41,8 Вт (6 A по линии 3,3 В, 2 A по 5 В, 1 A по 12 В = 41,8 Вт и дополнительные 1,24 Вт по дополнительной линии 3,3 В на 0,375 A). Поэтому видеокарты обзавелись одним 4-контактным гнездом питания (например, ATi Radeon X850 XT PE) или даже двумя (nVidia GeForce 6800 Ultra).

Добавляя 4-контактные разъёмы, производители смогли продлить жизнь интерфейса AGP, поскольку лини дают 6,5 A или 110,5 Вт (12 В + 5 В или 17 В на 6,5 А = 110,5 Вт). В целом же, интерфейс PCI Express стал всё же более простым решением, поскольку он даёт 75 Вт через разъём x16 и дополнительные 75 Вт через 6-контактное гнездо питания, то есть 150 Вт в сумме. PCI Express позволил снять опасения по поводу будущих требований по пропускной способности и энергопотреблению.

Охлаждение

Видеокарты могут потреблять (и, соответственно, выделять) столько же энергии, сколько 150-Вт лампочка. Подобное количество тепла, выделяемое с поверхности одного кремниевого чипа, может легко сжечь кристалл. Поэтому тепло следует своевременно отводить с помощью стабильных и мощных кулеров. Без систем охлаждения графический процессор или память могут перегреться, что приведёт к “повисанию” компьютера, а в худшем случае даже к выходу видеокарты из строя.

Охлаждение может осуществляться как пассивно с помощью теплопроводящих материалов и радиаторов, так и активно, если работает вентилятор. Но в последнем случае придётся довольствоваться повышенным уровнем шума.

Радиаторы

Под словом “радиатор” (heatsink) обычно понимают пассивное охлаждение. Радиатор понижает температуру чипа, к которому он подключён, благодаря отводу тепла и повышению площади теплообмена с воздухом. Для этой цели радиаторы обычно используют рёбра. Их можно найти на графических процессорах, а также на чипах памяти.

Тепловые трубки

Видеокарты с пассивным охлаждением часто используют тепловые трубки. Эта модель Radeon X1600 от Asus оснащена двумя тепловыми трубками, передающими тепло на радиатор на обратной стороне карты.

Чем больше поверхность радиатора, тем лучше будет отвод тепла (часто с помощью вентилятора). Но иногда непосредственно на самом чипе сложно установить большой радиатор из-за ограниченного свободного места. Некоторые чипы настолько компактны, что громоздкий вентилятор не будет правильно работать из-за слишком малой контактной площади. В таких случаях помогают тепловые трубки, поскольку они значительно увеличивают теплопередачу от нагреваемого участка к радиатору. К чипу прикладывается пластина из материала с высокой теплопроводностью. А уже к ней прикрепляется тепловая трубка, которая отводит тепло к радиатору на другом своём конце. И там уже тепло легко можно рассеять.

Тепловые трубки позволяют подсоединять к небольшим устройствам крупные системы охлаждения, обеспечивающие хороший отвод тепла даже от компактных компонентов. Включая графические процессоры (GPU) и центральные процессоры (CPU).

Сегодня на рынке можно найти немало кулеров процессоров с тепловыми трубками, но эта технология постепенно распространяется и на кулеры видеокарт.

Кулеры (радиатор + вентилятор)

Вентилятор в середине видеокарты сразу же указывает на активное охлаждение, поскольку здесь есть движущиеся части.

В большинстве случаев кулер видеокарты представляет собой радиатор с прикреплённым вентилятором, который продувает воздух вдоль поверхности радиатора, таким образом отводя тепло. Кулеры видеокарт чаще всего охлаждают графический процессор, поскольку это самый горячий компонент видеокарты. Сегодня на рынке можно найти немало кулеров для видеокарт, которые можно установить вместо штатных вариантов. Часто кулеры видеокарты называют VGA-кулеры.

Но VGA-кулеры зачастую охлаждают не только графический процессор, но и чипы видеопамяти.

Однослотовые кулеры

Хороший однослотовый кулер. Он закрывает как графический процессор, так и чипы памяти. Но кулер и видеокарта вписываются в один слот ПК.

Если VGA-кулер достаточно компактный и не заходит в область соседнего слота, то видеокарта не будет мешать другим картам расширения. Такие кулеры называют однослотовыми.

Двухслотовые кулеры

Если VGA-кулер большой и не позволяет установить другую карту в соседний слот, то его называют двухслотовым. Чаще всего двухслотовые кулеры выбрасывают горячий воздух через заднюю панель ПК наружу через второй слот. Такой подход не позволяет горячему воздуху накапливаться внутри корпуса ПК, повышая внутреннюю температуру. Чаще всего в подобных системах используется радиальный вентилятор, который выдувает воздух вбок, а не вниз.

Графический процессор

Графический процессор можно назвать “сердцем” видеокарты, почти так, как центральный процессор является “мозгом” компьютера. В большинстве случаев графический процессор скрыт от постороннего взгляда кулером видеокарты. Следует отметить, что графический процессор чаще всего является самым большим и горячим компонентом видеокарты.

Графический процессор – это самая важная часть видеокарты. Практически все аппаратные спецификации, будь то пиксельные конвейеры, вершинные блоки и частоты относятся к архитектуре и возможностям графического процессора. Оставшиеся же спецификации касаются видеопамяти, которая работает вместе с графическим процессором, дабы выдать максимальную производительность в таких приложениях, как игры.

Видеопамять

Видеопамять на карте обычно располагается рядом с графическим процессором, чтобы дорожки были максимально короткими. Это нужно для того, чтобы достичь высоких тактовых частот.

Если графический процессор можно назвать “сердцем” видеокарты, то память – это источник жизненной силы. Прекрасный процессор может потерять всю свою силу из-за медленной или неэффективной памяти. И проявить себя в полной красе в паре с высокопроизводительной памятью с широкой и быстрой шиной.

Чипы памяти (обычно их бывает от двух до восьми) чаще всего располагаются на видеокарте вокруг или по одну сторону от графического процессора. Они выглядят как маленькие чёрные прямоугольники или квадраты равного размера.

Во многих случаях на чипы памяти радиаторы не устанавливаются, поэтому их легко можно заметить на видеокарте. Но иногда к чипам памяти прикрепляется радиатор, либо они закрываются общим с GPU кулером, охлаждающим как графический процессор, так и память.

Современные видеокарты, как правило, оснащаются 128, 256 или 512 Мбайт памяти, причём используется как память DDR2, так и GDDR3. Чем больше будет памяти на видеокарте, тем больше графических данных (как правило, текстур), можно сохранять локально, то есть за ними не нужно будет обращаться в память компьютера. А ведь подобные обращения – серьёзное “узкое место”.

Впрочем, объём – это далеко не всё. Часто дешёвые или массовые видеокарты оснащают большим количеством памяти, чтобы они быстрее продавались. Если современные модели видеокарт используют шину памяти 128 или 256 бит шириной, то некоторые дешёвые и даже средние по цене карты оснащены всего лишь 64-битной шиной. Представьте себе две видеокарты с равными частотами, одна из которых использует 128-битную шину, а вторая – 64-битную. Первая будет передавать за единицу времени в два раза больше данных, чем карта с 64-битной шиной. Современные игры требуют, чтобы рабочие данные хранились в видеопамяти. И если они не будут своевременно поступать к графическому процессору (в случае узкой шины), то он будет простаивать, а игра – ощутимо “тормозить”.

Если вам придётся выбирать между двумя видеокартами, которые различаются тактовыми частотами, объёмом памяти и шириной шины, то всегда выбирайте меньший объём с более широкой шиной. Конечно, если вы получите при этом быструю память и/или скоростной графический процессор. Это того стоит. Мы не будем вдаваться в детали, но в играх вы получите превосходные результаты.

Перейти к продолжению статьи.