Графические адаптеры

1. История развития графических адаптеров

2. Графические адаптеры

3. Основные характеристики

4. Модели

5. Выбор графических адаптеров Литература

Как известно, компьютерная индустрия — одна из самых динамичных, инерционных и наукоемких в мире. За эти 20 лет, с момента создания первого персонального компьютера и открытия такого направления как информатика был сделан огромный скачок, несопоставимый ни с чем. За этот относительно небольшой период произошла уйма событий, были сделаны тысячи открытий, появлялось много компаний, вмиг они становились первыми, обгоняли уже признанных лидеров рынка, делали прорывы в науке, и спустя пару лет разрастались, поглощались сами или становились банкротами… Все эти процессы протекают в других сферах экономики, тем не менее с меньшей скоростью. Развитие видео адаптеров происходит быстрее, чем развитие многих других комплектующих.

1. История развития графических адаптеров

Итак, стоит начать с появления первого в мире персонального компьютера IBM PC в 1981 году. Специалисты корпорации IBM в те годы были на пике мирового прогресса: уже тогда они задумывались над вопросами глобализации, интеграции и унификации в производстве. На своем первом изобретении они решили установить определенные стандарты, которые распространялись на всех сторонних производителей. Одним из таких стандартов стал слот расширения ISA (от англ. Industry Standard Architecture — Индустриальная Стандартная Архитектура).

Первые видеокарты (графические адаптеры) были созданы в том же 81 г. Какие функции выполняет видеоадаптер? Основной функцией является вывод графики на экран компьютера (монитор). Графический чип (а затем и микропроцессор) переводил цифровой сигнал компьютера в изображение — сигнал, понятный монитору. Первые видеокарты были способны отображать только текст одного цвета на черном мониторе.

Сразу же после появления, все те же, специалисты компании IBM начали интенсивно развивать архитектуру видеокарт. Вскоре появились первые цветные видеокарты, однако приняты они были с большим недоумением. Публика, а это пользователи компьютером, не понимала смысла в ведении цветных мониторов и видеокарт для них.

Все очень просто, в те времена компьютер был непозволительной роскошью, и покупался в основном большими предприятиями сугубо в вычислительных целях. Ни о каких средствах мультимедиа (типа видео и игр) даже не думали. И вроде проект цветных видеокарт был провален, но… Как это всегда бывает с наукой, на помощь ей пришла экономика, а именно — свободный рынок США.

Некоторые из разработчиков компьютеров решили использовать компьютер в развлекательных целях, а точнее, противопоставлять их различным видео-приставкам. К тому времени цены на эти технологии снизились, и ПК (Персональные Компьютеры) стали по-настоящему персональными. Эти самые разработчики преподносили свои творения (компьютеры с цветными экранами) не только как альтернативу видео-приставкам, а как нечто большее: «Пусть ваш ребенок не только играет, но и создает на компьютере! Пусть он учится на нем!» именно этот слоган повалил видео-приставки на обе лопатки и подкинул уголь в уже бушующее пламя компьютерной эволюции…

Казалось бы из-за каких-то «детских игрушек» был дан старт такому обширному направлению, как «Компьютерная Графика».

Вернемся к тому, что можно назвать основой этой графики — к видеоадаптерам. У компании IBM, кроме сторонников, стали появляться конкуренты, которые старались развивать альтернативные идеи. А, как известно, конкуренция это двигатель прогресса. В период с 85 по 89 годы в течение каких-то 4х лет… появлялось много разных решений от самой IBM (MCA), а также от таких компаний как Compaq, HP (EISA) и японской NEC (VESA). Последнее можно считать некоторым первым показателем того, что вскоре Япония станет одной из самых передовых стран мира. Все эти улучшения носили количественный характер (эволюционный): улучшалась пропускная способность, тактовые частоты, объем памяти, однако в 90-е произошла настоящая революция (качественное преобразование) в компьютерной графике! Но обо всем по порядку.

Постепенно эстафету технологического лидера приняла компания Intel. И в 1993 году был показан новый универсальный разъем PCI. Именно он стал основой для технологического прорыва. И вот он свершился.

На свет выходят первые видеоадаптеры с поддержкой 3d. Добавляется 3е измерение! Удваивается функциональность компьютера. Все компании вмиг начинают конкуренцию, процесс запущен. Наиболее яркой компаний 90-х по праву можно считать 3dfx Interactive.

Год 1997, никому ранее не известная компания 3dfx анонсирует свою 3д-видеокарту серии VooDoo со своими собственными микропроцессорами. Мировые гиганты, лидеры в области создания видео процессоров — S3 Graphics, Matrox, Trident и др. были шокированы!!! Они реально не могли противопоставить ничего даже близко сопоставимого с 3dfx VooDoo!

Поддержка различных новых эффектов 3д, невообразимая скорость работы! 3dfx стала набирать популярность, быстро превратилась в одного из лидеров рынка. Наконец, постепенно конкуренты стали предлагать свои решения такого уровня. Страсти накалялись, все ждали ответа «мастера» (3dfx).

И вот он настал, в 1998 году компания анонсирует VooDoo2, с тремя (!) графическими процессорами! Конкуренты отдыхали, ведь у них снова не было абсолютно ничего, что можно было противопоставить.

Всех компаний ветеранов, работающих более 10 лет оставляет позади компания, существующая 3 года! Разработчики программного обеспечения DirectX и OpenGL возненавидели 3dfx, и ее движок Glide, они пытались помешать, но их уже никто не слушал.

В 2000 году, после грандиозного, динамичного и яркого старта, последовал не менее быстрый, драматичный конец: компания обанкротилась и перешла под контроль нового лидера — nVidia. За 6 лет компания успела стать прибыльной и очень известной, а затем обанкротиться и исчезнуть с бумаг.

Характеристики этих устройств увеличились в тысячи, а иногда миллионы раз, современная видеокарта выполняет очень многое: строит изображение, готовит кадры для вывода на монитор, может подавать сигнал на огромные телевизоры или проекторы, а в последнее время еще и снимает часть обязанностей с Центрального Процессора и сама проводит все вычисления. Результатом всей этой эволюции является современный компьютер, устройство, которое давно потеряло статус только рабочего инструмента: фильмы, фотографии, компьютерные игры — все это делает из компьютера невероятный инструмент, который нельзя причислить ни к одной из категорий электроники!

2. Графические адаптеры

Графические адаптеры (в просторечии «видюхи») и системные платы имеют определенное сходство — и те, и другие построены на базе одной или нескольких микросхем, определяющих ключевые характеристики и возможности этих изделий. Однако если в случае с системными платами на одном и том же наборе микросхем системной логики могут быть спроектированы самые разные модификации, отличающиеся форм-фактором, количеством гнезд для плат расширения и набором дополнительных контроллеров, то в случае с графическими адаптерами количество модификаций, как правило, чрезвычайно мало. Это объясняется тем, что современные графические микросхемы содержат в себе все необходимые блоки — несколько мощных RAMDAC, TMDS-преобразователь для вывода изображения на цифровые экраны, блоки обработки трехмерных изображений, ТВ-сигнала, декодирования MPEG и др. — и изготовителям графических адаптеров нет необходимости оснащать их какими-либо дополнительными микросхема. Большинство изготовителей придерживаются эталонного дизайна плат, предлагает его разработчикам графических микросхем, варьируя только объем видео ОЗУ.

Темпы развития графических адаптеров, а точнее графических процессоров (ГП), не могут не впечатлять — они превосходят даже темпы совершенствования центральных процессоров. Количество транзисторов в современном ГП превышает 120 млн. (в процесcope Pentium 4 — 55 млн.) и удваивается, в полном соответствии с законом Мура, примерно за полтора года. Возможности современных ГП не просто удовлетворяют требованиям, предъявляемым существующим программным обеспечением, но и в значительной степени превосходят их.

" Двигатель прогресса" графических адаптеров — конкуренция двух крупнейших изготовителей ГП, компаний ATI и NVIDIA. Исторически компания ATI находилась в роли «догоняющей» — после выпуска первой микросхемы со встроенным блоком расчета трансформаций и освещения (T&L) — GeForce256 — NVIDIA прочно захватила лидерство. Однако в прошлом году ситуация поменялась заметным образом: в связи с затруднениями с переходом на новый 0,13-мкм технологический процесс компания NVIDIA не смогла обеспечить своих партнеров достаточным количеством микросхем нового семейства GeForce FX. В это время ATI спонсировала новое графическое ядро R300 и четыре модели микросхем на его основе (RADEON 9700, 9700 PRO, 9500 и 9500 PRO), став первой компанией, изготовившей ГП, совместимые с DirectX 9.O. Благодаря высокой производительности, продуманному позиционированию на рынке и отсутствию конкуренции со стороны NVIDIA в секторе ОХ9-адаптеров (графические адаптеры с микросхемой NVIDIA NV30 — GeForce FX 5800 Ultra) — появились на прилавках только в начале этого года). Новые ГП позволили ATI значительно сократить отставание от NVIDIA с маркетинговой точки зрения, а с точки зрения технологий — даже опередить ее.

Весна текущего года выдалась чрезвычайно «жаркой» — соперничество между NVIDIA и ATI обострилось еще больше после того, как обе компании поочередно выпустили несколько новых моделей, в итоге полностью обновив модельные ряды. На появление серийных экземпляров GeForce FX 5800 Ultra компания ATI отреагировала выпуском более производительной платы RADEON 9800 PRO с ГП R350, а вслед за анонсом GeForce FX 5600 и 5200, предназначенных для среднего и младшего секторов рынка, были представлены RADEON 9600 и 9200. И в завершение этой «пикировки» в середине мая NVIDIA обнародовала данные о новом флагмане графических микросхем GeForce FX — FX 5900 (микросхема NV35), призванном заменить неудачный GeForce FX 5800.

3. Основные характеристики

графический адаптер ati nvidia

Удивительно, но большая часть технических новинок, появляющихся в результате соперничества ATI и NVIDIA, остается незамеченной большинством пользователей. В настоящее время компании-разработчики уделяют основное внимание технологиям обработки трехмерных сцен, которые используются только в игровых программах и интересуют в основном энтузиастов компьютерных игр, составляющих лишь небольшую часть пользователей ПК.

А такие функции, как построение высококачественного двухмерного изображения, вывод изображения на два монитора одновремменно и декодирование DVD-видео реализованы на высоком уровне еще в графических микросхемах предыдущих поколений и не претерпели за последние полтора года существенных изменений.

За вывод изображения на экран аналогового монитора отвечает модуль RAMDAC, состоящий из кадрового буфера и трех ЦАП — по одному на каждый цветовой канал. Современные графические микросхемы оснащаются двумя независимыми RAMDAC, с 10-бит цифроаналоговыми преобразователями, работающими на частоте 400 МГц. Они могут формировать изображение с разрешением до 2048×1536 при частоте обновления экрана 85 Гц.

Для подключения цифровых ЖК мониторов был разработан интерфейс DVI, позволяющий совместить в одном разъеме контакты для подключения аналоговых и цифровых мониторов. Цифровая часть DVI состоит из 24 контактов, 12 используются для передачи управляющего сигнала, еще 12 — для линий заземления, питания и экранирующих контактов. Данные кодируются по принципу TMDS (дифференциальный способ передачи с минимизацией переходов), полоса пропускания составляет 170 МГц, что обеспечивает получение изображения с разрешением 1600* 1200 при частоте обновления 60 Гц. Как правило, современные графические микросхемы имеют два или даже три встроенных TMDS-преобразователя. Однако до сих пор возможность вывода изображения одновременно на три монитора была декларирована только для плат на базе ГП Parhelia-512, изготавливаемого компанией Matrox. Абсолютное же большинство графических адаптеров последнего поколения оснащается двумя разъемами для подключения мониторов — либо одним 15-контактным аналоговым и одним цифровым DVI, либо двумя цифровыми.

Кроме того, многие графические адаптеры предоставляют возможность подключения видеоустройств для вывода изображения на них, а некоторые позволяют и захватывать видеосигнал. Как правило, видеосигнал выводится в двух форматах — S-Video и комплексом. Последний обеспечивает более низкое качество изображения, но зато позволяет передавать видеосигнал по двум проводам, в то время как для S-Video требуется четыре. Для подключения видео устройств применяется универсальный семи контактный разъем, который позволяет вводить и выводить видеосигнал обоих форматов с помощью специального кабеля разветвителя.

Для обработки видеосигнала нередко используется отдельная микросхема — например, даже в самых современных платах NVIDIA для этого применяются дополнительные микросхемы Philips 7108, в платах предыдущих поколений встречались микросхемы Conexant и Chrontel. Однако видеоинтерфейс может быть реализован и непосредственно в графической микросхеме, как это сделано, например, в микросхемах ATI RADEON 9700 и NVIDIA GeForce4 MX.

Но наиболее пристальное внимание как разработчиков ГП, так и пользователей графических адаптеров приковано всё же к функциям обработки трехмерных сцен. Современные ГП представляют собой программируемые микросхемы, в которых геометрические преобразования и закраску пикселов выполняют так называемые шейдеры — программируемые логические блоки. Недавно компания Microsoft опубликовала очередную, девятую версию спецификации DirectX, регламентирующую в том числе и характеристики вершинных и пиксельных тендеров (спецификации DirectX 9.0 соответствуют шейдеры версии 2.0, более ранней DirectX 8.1 — шейдеры версий 1.1 и 1.4). Основные характеристики графического ядра — количество и тип вершинных и пиксельных шейдеров, частота ядра, определяющая максимальное количество вершин или пикселей, обрабатываемых шейдером в секунду, частота и ширина шины памяти, внешний интерфейс. Характеристики шины памяти ГП, а также объем установленного на плате видео ОЗУ очень важны для задач трехмерной графики, так как при расчете трехмерной сцены ГП оперирует десятками мегабайт информации и пропускная способность шины памяти может стать «узким местом». Большое значение имеет и тип используемой памяти. Самые современные графические микросхемы, такие как RADEON 9800 и GeForce FX 5800 позволяют использовать память DDR второго поколения; это предоставляет возможность повысить частоту шины памяти до 1 ГЦ (500 МГц с удвоением), однако DDR-II отличается повышенным тепловыделением, что вынуждает изготовителей графических адаптеров применять мощные, а значит, шумные и энергоемкие, системы охлаждения.

Современные ГП достигли такого уровня производительности, при котором дальнейшее наращивание вычислительной мощи уже не имеет смысла с точки зрения скорости расчета сложных трехмерных сцен, состоящих из многих объектов и источников света. Поэтому в настоящее время разработчики трудятся над улучшением качества получаемых изображений — современные графические адаптеры предназначены для построения трехмерных изображений с разрешениями до 1600×1200 при максимальном уровне сглаживания и анизотропной фильтрации текстур, придающих изображению большую реалистичность. Следует отметить и такие направления развития, как оптимизация алгоритмов расчета теней и улучшение возможностей шейдеров.

4. Модели

Острая конкуренция всегда на руку потребителю — результатом борьбы за лидерство на рынке, как правило, становится появление новых, более совершенных изделий и снижение цен на предыдущие поколения изделий. В настоящее время на рынке присутствует более десятка модификаций графических микросхем последнего поколения, изготавливаемых ATI и NVIDIA, и несколько десятков моделей, уже не считающихся новыми, но все еще сохраняющих актуальность и предоставляющих сравнительно высокую производительность и современный набор возможностей при не слишком высокой стоимости. Каждый из конкурентов предлагает модификации для каждого из трех секторов — самые мощные платы для энтузиастов компьютерных игр, модели среднего уровня и самые простые и недорогие адаптеры. Как уже было отмечено выше, основное различие — в производительности ГП при обработке трехмерных сцен.

Флагман модельного ряда ATI — RADEON 9800 PRO

ATI RADEON 9800

Эта графическая микросхема представляет собой усовершенствованную модификацию RADEON 9700. Так же как и предшественник, модель 9800 имеет восемь пиксельных шейдеров (восемь конвейеров с одним текстурным блоком на каждом) и четыре вершинных. Она оснащена 256-разрядным котроллером памяти. Частота ядра составляет 380 МГц, памяти — 680 МГц (21,8 Гбайт/с). Модификация 9800 PRO оснащается памятью DDR первого и второго поколений. Основное отличие RADEON 9800 от 9700 — наличие так называемого F-буфера, позволяющего выполнять код шейдеров неограниченной длины за счет хранения промежуточных результатов.

ATI RADEON 9600

В отличие от модификации 9800, RADEON 9600 совершенно новый ГП, заметно отличающийся от предыдущей модели — RADEON 9500. Это первая графическая микросхема ATI, выполненная по 0,13-мкм проектным нормам.

Она оснащена 128-разрядным контроллером памяти DDR, возможно использование микросхем памяти как первого, так и второго поколений, Частоты ядра и шины памяти составляют 325 (400) и 400 (600) МГц соответственно (в скобках приведены значения для 9600 PRO). Графическое ядро состоит из четырех пиксельных и четырех вершинных шейдеров. RADEON 9600 полностью совместима со спецификацией DirectX 9.O.

ATI RADEON 9200

Графические адаптеры, оснащенные этими микросхемами, предназначены для тех пользователей, которым нужен недорогой адаптер и не важна высокая производительность в игровых программах. RADEON 9200 совместим только со спецификацией DirectX 8.1. Эта микросхема имеет четыре пиксельных шейдера (четыре конвейера с одним блоком текстурирования на каждом) и два вершинных.

NVIDIA GeForce FX 5900

Новый флагман NVIDIA представляет собой модифицированное ядро GeForce FX 5800. Он оснащен новым 256-разрядным контроллером памяти DDR-I, в то время как у предшественника был 128-разрядный DDR-II-контроллер. Благодаря большей ширине шины памяти производительность ГП FX 5900 выше, чем у FX 5800, даже при меньшей частоте. Графическое ядро работает на частоте 450, шина памяти — 850 МГц. Еще одно новшество — технология UltraShadow, снижающая нагрузку при расчете теней. Более подробное описание GeForce FX 5900 вы можете найти в этом же номере журнала (с. 54).

NVIDIA GeForce FX 5600

Предназначенный для графических адаптеров средней ценовой категории ГП GeForce FX 5600 предоставляет пользователю половину мощности FX 5800/FX 5900 — он имеет четыре пиксельных шейдера (два конвейера с двумя блоками текстурирования) и два вершинных шейдера. Характеристики FX 5600 очень напоминают основного конкурента — RADEON 9600. Ядро FX 5600 работает на частоте 325 (400), а память — 400 (600) МГц (в скобках указаны значения для ЕХ 5600 Ultra). Контроллер памяти обеспечивает работу 128-разрядной шины памяти, однако, в отличие от RADEON 9600, используется память DDR только первого поколения.

NVIDIA GeForce FX 5200

В секторе самых недорогих графических адаптеров компания NVIDIA делает ставку на ГП FX 5200. Эта микросхема изготавливается по 0,15-мкм проектным нормам, она имеет четыре пиксельных шейдера (конфигурация конвейеров 2×2, так же как и у FX 5600) и полностью совместима с DirectX 9.0, в отличие от своего конкурента — RADEON 9200. Микросхема имеет встроенный блок обработки видеосигнала и два 350-МГц RAMDAC. Ширина шины памяти составляет 128 бит, частоты ядра и памяти — 325 и 650 МГц. Помимо описанных модификаций, многие изготовители продолжают поставки графических адаптеров с ГП предыдущих серий, например ATI RADEON 9700 и 9500, NVIDIA GeForce4 MX и Ti. Кроме того, в продаже имеются и платы с микросхемами SiS (Xabre) и Matrox (G450, G550, Parhelia-512).

5. Выбор графических адаптеров

Широкий спектр графических процессоров в комплексе с различными уровнями оснащения (количество аналоговых, цифровых и видеоразъемов, объем видео ОЗУ) порождает громадное количество модификаций графических плат на любой вкус и кошелек. Приобретая графический адаптер, стоит отдавать предпочтение моделям с ОХ9-совместимым ядром, максимальным объемом памяти и наиболее полным оснащением. Впрочем, если вы уверены, что будете использовать, например, только аналоговые мониторы или не станете заниматься оцифровкой видео с помощью графического адаптера, то можно сэкономить, приобретя модель без цифрового и видео разъемов. А тем, кто не увлекается компьютерными играми, можно посоветовать модели нижнего ценового диапазона или модификации, оборудованные ТВ-приемником.

1. Общая статья о видеокартах http://en.wikipedia.org/wiki/Video_card

2. О компании 3dfx http://en.wikipedia.org/wiki/3dfx_Interactive

3. ПК http://en.wikipedia.org/wiki/Personal_computer

4. Общая статья о видеокартах http://en.wikipedia.org/wiki/Video_card

5. ПК http://en.wikipedia.org/wiki/Personal_computer

1. Журнал Игромания — http://www.igromania.ru/Articles/5130/Rassvet_i_zakat_imperii_Istoriya_o_tom_kak_Voodoo_izmenil_mir.htm

2. Журнал Игромания — http://www.igromania.ru/Articles/13 751/Yevolyuciya_shin_dlya_videokart_ot_ISA_do_PCIe.htm