Знакомство с видеокартой (c интерфейсом PCI Express).

Знакомство с видеокартой (c интерфейсом PCI Express).

Видеокарта использующая интерфейс PCI Express (PCI-E) может быть сложнее и значительно дороже материнской платы, она представляет собой очень сложное устройство, но меньших размеров и с небольшим количеством разъёмов (рис. 1). Размеры видеокарт примерно зависят от того класса, к которому они относятся, так как имеют схематические решения различной сложности:

  - карты начального – Low-End – класса имеют длину около 15-18 см,

  -   Middle-End - в среднем 20 см,

  - High-End - длина достигает 25-27 см (это не регламентированное требование, а результат того обстоятельства, что мощные контроллеры требуют более сложного набора сопутствующих компонентов).    Печатная плата видеоадаптера состоит из нескольких слоев, каждый из которых содержит тонкие токопроводящие дорожки, компоненты видеокарты устанавливаются только на верхних слоях: лицевой и обратной. С каждой стороны плата покрыта диэлектрическим лаком и усеяна множеством мелких элементов (резисторы, конденсаторы), так что обращаться с видеоадаптером необходимо аккуратно, чтобы не повредить эти элементы. Дорожки на плате объединяют между собой графическое ядро (GPU – графический процессор, видеоядро), видеопамять, раздельные подсистемы питания ядра и памяти (иногда и разъём для дополнительного питания – в случае мощной видеокарты), интерфейсный разъём для подключения к материнской плате, а также разъёмы для подключения мониторов и телевизора.

Рис. 1. Основные компоненты видеокарты с интерфейсом PCI Express (1- ядро, 2- память, 3 - подсистема питания, 4 - интерфейс PCI-E, 5 - разъёмы DVI, 6 - ТВ-выход)

Ключевым компонентом любой современной видеокарты является графический процессор, который занимается расчётами выводимой на экран информации и трёхмерных сцен. Разработкой графических процессоров занимаются компании NVIDIA, продвигающая серию GeForce, AMD, купившая канадскую компанию ATI с её линейкой Radeon и др..

Лидирующий производитель графических процессоров, компания NVIDIA, создает исключительно наборы микросхем, в то время как ее ближайший конкурент, компания ATI, занимается непосредственной компоновкой видеокарт собственными процессорами, которые также поставляются сторонним производителям.

В зависимости от того, какой GPU положен в основу видеокарты, определяются её характеристики: поддержка тех или иных технологий визуализации и рендеринга, тип памяти и ширина её шины.

Графический процессор, или набор микросхем (графический чипсет), является основой построения любой видеокарты и характеризует быстродействие адаптера и его функциональные возможности. Две видеокарты различных производителей с одинаковыми процессорами зачастую демонстрируют схожую производительность и функции обработки графических данных. Кроме того, программные драйверы, с помощью которых операционные системы и приложения управляют видеокартой, как правило, разрабатываются именно с учетом параметров конкретного набора микросхем.

Зачастую драйвер, предназначенный для видеокарты с определенным набором микросхем, можно использовать с другим адаптером, в котором есть тот же набор микросхем. Безусловно, разница в быстродействии видеокарт с одинаковыми графическими процессорами будет зависить от типа и объема установленной видеопамяти. В видеокартах используется всего несколько основных типов процессоров.

Для оценки возможностей видеокарты необходимо определиться с графическим процессором видеоадаптера или типом интегрированного набора микросхем системы. Это позволит:

 - сравнить видеокарты различных производителей;

 - ознакомиться с их технической спецификацией;

 - просмотреть различные обзоры и тестовые испытания по данному типу графического процессора видеоадаптера или интегрированного набора микросхем;

 - мотивированно осуществить свой выбор;

 - познакомиться с производителями видеокарт или наборов микросхем, схемами клиентской поддержки и предоставляемыми драйверами.

Графическое ядро (графический процессор) представляет собой припаянный к плате чип, в большинстве случаев без защитной крышки, кристалл которого содержит сотни миллионов транзисторов (даже в несколько раз больше, чем у центральных процессоров). Каждый такой чип состоит из вычислительных блоков, контроллеров шины и памяти, блоков для вывода видеоинформации (RAMDAC). Вся эта структура определяется архитектурой ядра, которая сперва разрабатывается для самого мощного видеоадаптера в семействе-поколении. Затем «топовое» ядро упрощается для менее производительных решений методом исключения определённых блоков (случаи разработки принципиально новых ядер для среднего и нижнего уровня рынка довольно редки).

Для того чтобы разместить всё больше и больше транзисторов в кристалле ядра, используются новые, более тонкие техпроцессы, благодаря которым уменьшаются размеры элементов и повышается рабочая частота чипа.

Общее правило «тоньше техпроцесс – выше частота – меньше тепла» объясняется следующим образом: транзистор, мельчайшая единица, из которого состоят все блоки GPU, представляет собой своеобразные ворота для электронов. Стенки и «створка ворот» – затвор транзистора – изготавливаются из диэлектрика, не пропускающего ток, а передаются электроны по стоку. Но так как идеального диэлектрика нет, существуют токи утечки – некоторое количество электронов всё же пробивается через закрытый затвор, вызывая тот самый нагрев. Для того чтобы заставить транзисторы переключаться быстрее (повысить частоту), нужно подать на них больший ток, а это приведёт к большему нагреву. Более мелкие транзисторы, произведённые по более тонкому техпроцессу, требуют для своей работы меньшие токи, а следовательно, и токи утечки у них меньше. Вот потому-то более «тонкие» чипы, как правило, работают на более высокой частоте и греются меньше. Кроме того, производители полупроводников и занимающиеся собственно производством чипов неустанно изыскивают новые способы уменьшить токи утечек: новые диэлектрические сплавы и вещества с низкой проницаемостью.

Частота графического процессора задаётся, исходя из возможностей чипа и иногда даже поддаётся заводскому разгону (оверклокинг – повышение рабочих частот компонентов компьютера). Обычно высокоуровневые видеокарты работают на более низких частотах, чем младшие собратья из-за более высокой сложности чипов класса High-End, и с ростом частоты таких ядер будет повышаться уровень энергопотребления, а следовательно, и тепловыделение. В видеокартах классом ниже справиться с повышенным тепловыделением  проще, чем в высокоуровневом сегменте. В некоторых графических процессорах используются различные частоты для большей части ядра и некоторых функциональных блоков. Более того, частота стрим-процессоров растёт не линейно по отношению к основной частоте ядра, а в процентном соотношении.

Система охлаждения графических процессоров заслуживает отдельного разговора. Система охлаждения маломощных видеокарт обходится пассивным охлаждением, то есть обычным радиатором из алюминия или сплава. Часто для охлаждения графического процессора используется активное охлаждение (кулер), состоящее из медного радиатора и небольшого вентилятора-турбинки (рис. 2). Самые производительные видеоадаптеры обычно снабжаются высокими «монстрообразными» комбинированными кулерами, использующими тепловые трубки. Такие кулеры накрывают практически всю поверхность платы, охлаждают попутно видеопамять (из-за их размеров соседний слот на материнской плате становится недоступным). Зато горячий воздух от карты выгоняется из корпуса наружу, чего не происходит с обычными системами охлаждения.

Рис. 2. Система охлаждения.

                 Некоторые производители оснащают высокоуровневые адаптеры системами водяного охлаждения, которые по эффективности могут превосходить лучшие воздушные кулеры, а иногда и более экзотическими решениями вроде термоэлектрического кулера Пельтье. Не менее важной характеристикой активной системы охлаждения является уровень шума вентилятора, поэтому большинство видеокарт снабжено управлением оборотов вентилятора в зависимости от температуры ядра (чем выше температура чипа, тем будет выше уровень шума системы).