Автор: Содержание:
Изучаем технологии в составе компьютеров.
Они есть почти в каждом компьютере. Они состоят из миллиардов транзисторов и могут расходовать сотни ватт энергии, а также стоить десятки тысяч рублей. Это настоящие шедевры электроники, которым поклоняются многочисленные геймеры и энтузиасты компьютеров. Тем не менее, эти устройства способны делать всего несколько вещей, которые можно пересчитать по пальцам одной руки. Добро пожаловать в мир видеокарт.
Видеокарты являются одним из наиболее интересных компонентов компьютера, самых мощных, прожорливых и дорогих. По этой причине особо интересно узнать, из чего они состоят и как работают. Именно этим мы и займёмся.
Явление дракона
Официально видеокарты называются картами расширения для ускорения видео. Их разрабатывают и производят многомиллиардные международные корпорации. Видеокарты часто являются самым дорогим компонентом компьютера.
В десятку самых продаваемых видеокарт магазина Amazon входят модели по ценам от $53 до $1200. Последняя весит 1,5 кг и длина у неё 31 см. Что именно делает это устройство? Установленные на печатной плате чипы чаще всего занимаются обработкой двухмерной и трёхмерной графики, кодированием и декодированием видео.
Кажется, что здесь слишком много металла, пластика и денег для выполнения всего нескольких вещей. Давайте посмотрим, почему видеокарты являются настолько востребованными. В нашем примере будет рассматриваться модель Radeon HD 6870 производства компании XFX.
С первого взгляда здесь мало что можно увидеть. Карта достаточно длинная (22 см), большинство компонентов пластиковые. Видны металлические скобки, которые прочно удерживают карту в системном блоке компьютера, большой красный вентилятор и коннектор для подключения к материнской плате.
Перевернём видеокарту и увидим множество компонентов на обратной стороне.
В первую очередь можно заметить ещё одну металлическую скобку, которая содержит ряд электронных компонентов. Остальная печатная плата довольно пустая, но в середине есть множество проводников. Это явно что-то важное и сложное.
Горячее место
Все чипы представляют собой интегрированные цепи и при работе они нагреваются. На видеокарте таких цепей тысячи в небольшом пространстве, поэтому нагреваются они довольно сильно, если не продумать отвод тепла.
В результате почти все видеокарты спрятаны под системой охлаждения, в том числе рассматриваемая нами. Если воспользоваться отвёрткой и не обращать внимание на гарантийные наклейки, можно снять вентилятор. Без него видеокарта выглядит так:
Схема охлаждения обычно турбинного типа. Она засасывает воздух из системного блока и пропускает по большому участку металла, прежде чем выбросить за пределы корпуса.
На приведённом выше изображении можно увидеть металлический блок, а на нём прилипшую субстанцию. Это термопаста. Она нужна, чтобы заполнять собой микроскопические зазоры между графическим процессором (GPU) и металлическим блоком, чтобы тепло от процессора отводилось более эффективно.
Можно увидеть три синие полоски, которые называются термолисты. Они состоят из мягкого материала, который обеспечивает более плотный контакт между разными участками печатной платы и основанием кулера, которое тоже металлическое. Без полосок эти участки едва касаются металлической платы и не будут охлаждаться.
Давайте посмотрим на основной металлический участок. В нашем примере это медный блок с тремя выходящими из него медными трубками и многочисленными алюминиевыми ребрами. Всё это вызывается радиатором.
Трубки пустые и запечатанные с обеих сторон. Внутри находится небольшое количество воды, в некоторых моделях аммиака. Жидкость поглощает тепло от металлического блока. В конечном счёте вода нагревается так сильно, что превращается в пар и переносится от источника тепла на другой конец трубки.
Здесь тепло отдаётся на алюминиевые рёбра, после чего пар конденсируется в жидкость. Внутренняя поверхность трубок грубая и по этой поверхности вода возвращается к основанию медной платы.
Трубки охлаждения есть не на каждой видеокарте. На дешёвых моделях нагрев не такой сильный, поэтому они не нужны. На некоторых моделях радиатор не медный, что удешевляет производство, как показано на изображении ниже.
Видеокарта Asus GeForce GT 710 является типичной бюджетной моделью. В таких продуктах мощность обычно не превышает 20 Вт. Одна проблема кулеров турбинного типа заключается в том, что они открытые. Вентилятор направляет воздух по рёбрам, а остальное окружение из металла и пластика выбрасывает горячий воздух в пространство системного блока. Преимущество такого подхода в том, что вентилятор может быть крупным и вращаться медленнее, в результате чего будет работать тише. Недостаток в том, что карта становится более тяжёлой и внутри системного блока растёт температура.
Эти два вентилятора охлаждают видеокарту MSI Radeon RX 5700 XT MECH OC
Необязательно использовать систему воздушного охлаждения. Вода отлично справляется с отводом тепла, прежде чем её температура повышается. Эффективность воды примерно в 4 раза выше, чем у воздуха. Поэтому можно купить и установить систему жидкостного охлаждения или же по огромной цене купить видеокарту, где такая система установлена изначально.
Выше показана видеокарта EVGA GeForce RTX 2080 Ti KiNGPiN GAMING. Турбинный кулер здесь применяется только для видеопамяти и других компонентов на печатной плате. За охлаждение графического процессора отвечает жидкость. Такая видеокарта стоит $1800.
Вас может удивить, что у видеокарты RTX 2080 Ti нормальное максимальное энергопотребление составляет 250 Вт, что меньше по сравнению с упомянутой ранее моделью RX 5700 XT.
Такие избыточные системы охлаждения предназначаются не для среднестатистических компьютеров для каждодневной работы. Подобные установки нужны, если вы хотите до предела поднять напряжение и тактовые частоты, чтобы выжать из видеокарты максимум возможностей.
Устройство графического процессора
Сняв систему охлаждения видеокарты, можно посмотреть, что скрывается под ней. Это печатная плата с большим чипом посередине, который окружён небольшими чёрными чипами и множеством электрических компонентов повсюду.
Какая бы модель видеокарты у вас не была, все они состоят из одинаковых компонентов с похожим расположением. Даже если взять видеокарту 1998 года производства ATi Technologies, вы увидите примерно то же самое:
ATi 3D Charger с чипом Rage IIC
Как и на рассматриваемой HD 6870, здесь есть большой чип посередине, память и другие компоненты вокруг.
Крупный процессор могут называть по-разному: видеоадаптер, ускоритель 2D/3D, графический чип и т.д. Сейчас его обычно называют графическим процессором. GPU означает блок графической обработки. Эти три буквы используются на протяжении десятилетий. Nvidia утверждает, что первой придумала это обозначение.
Особой роли это не играет. Все графические процессоры имеют примерно одинаковую внутреннюю структуру.
Этот процессор был разработан AMD и произведён компанией TSMC. Кодовое имя архитектуры TeraScale 2, а сам процессор называется Barts XT. Его площадь составляет 255 кв. мм и он содержит 1,7 млрд. транзисторов.
Это огромное количество электронных переключателей из разных ASIC (специализированная интегральная схема). Некоторые выполняют математические операции, вроде сложения и умножения. Другие считывают содержимое памяти и преобразуют его в цифровой сигнал для монитора.
Графические процессоры способны выполнять множество задач одновременно, поэтому значительная часть его структуры состоит из повторяющихся логических блоков. Их можно увидеть на структурном изображении современных графических процессоров AMD Navi:
Здесь есть 20 одинаковых блоков. Это основные вычислительные блоки, которые отвечают за обработку трёхмерной графики в играх. Идущая до середины полоса является по большей частью кэшем. Это высокоскоростная внутренняя память для хранения инструкций и данных.
По краям, сверху и снизу располагаются ASIC, которые отвечают за общение с чипами памяти на плате. На дальнем правом краю процессора находятся цепи для общения с другими компонентами компьютера и кодирования и декодирования видео.
Можно прочитать отдельные статьи о последних разработках графических процессоров AMD, Nvidia и Intel, если вы хотите лучше понять их устройство. Здесь мы только скажем, что если вы хотите играть в последние игры или использовать машинное обучение, нужен мощный графический процессор.
Не все графические процессоры выпускаются на печатных платах, которые устанавливаются в системный блок компьютера. Многие центральные процессоры обладают небольшими встроенными графическими процессорами. Ниже показано изображение процессора Intel Core i7-9900K.
Разные цвета обозначают разные участки процессора. Встроенный графический процессор обозначен синим цветом. Как видим, он занимает примерно третью часть всего чипа. Intel никогда не говорила, сколько в её процессорах транзисторов, поэтому сложно определить размер графического процессора.
Можно примерно оценить и сравнить крупные и небольшие графические процессоры, которые AMD, Intel, Nvidia выпускают на своих архитектурах.
Производитель |
AMD |
Intel |
Nvidia |
Архитектура |
RNDA |
Gen 9.5 |
Turing |
Чип/модель |
Navi 10/Navi 14 |
GT3e/GT1 |
TU102/TU117 |
Число транзисторов, млрд. |
10,3/6,4 |
Неизвестно/меньше |
18,6/4,7 |
Площадь чипа (кв. мм.) |
251/158 |
Около 80/около 30 |
754/200 |
Графический процессор Navi выпускается на техпроцессе 7 нм компанией TMSC, тогда как Intel использует техпроцесс 14 нм. Ещё есть улучшенный техпроцесс 16 нм, который TMSC использует для Nvidia, он называется 12FFN. Это означает, что напрямую сравнивать их невозможно, но можно точно сказать, что в графических процессорах очень много транзисторов.
Чтобы ощутить это количество, можно сказать, что показанный выше процессор Rage IIC 21-летней давности содержит 5 млн. транзисторов на площади 39 кв. мм. Самый маленький чип AMD Navi имеет в 1280 раз больше транзисторов на площади всего в 4 раза больше. Так выглядят два десятилетия научно-технического прогресса.
Видеопамять
Как и на всех видеокартах для компьютеров, в рассматриваемой модели чипы памяти припаяны к печатной плате. Здесь хранится вся графическая информация, необходимая для создания изображений в играх и в других приложениях. Почти всегда это память DRAM, созданная специально для графических приложений.
Поначалу она называлась DDR SGRAM (синхронная динамическая графическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных). Теперь используется название GDDR.
В данном случае применяются 8 модулей памяти Hynix H5GQ1H23AFR GDDR5 SDRAM с тактовой частотой 1,05 ГГц. Этот вид памяти используется на многих видеокартах и сегодня, хотя сейчас происходит переход на более современную память GDDR6.
GDDR5 и 6 работают сходным образом: базовая тактовая частота используется для выпуска инструкций и передачи данных. Отдельная система используется для переноса битов в память и из памяти, блоки данных передаются внутри карты. В случае с GDDR5 при каждом чтении и записи передаются 8 x 32 бит, тогда как в GDDR6 это значение в два раза больше.
Этот блок установлен как последовательный поток по 32 бита за раз на скорости, которая управляется другой системой тактовой частоты. В GDDR5 эта частота в два раза выше базовой, данные перемещаются дважды за такт.
В Radeon HD 6870 с восемью чипами памяти Hynix GPU может передать до 2 (передача за такт) x 2 (двойная тактовая частота) x 1,05 (базовая тактовая частота) x 32 (ширина потока) = 1075,2 Гбит/с или 134,4 Гб/с. Это теоретическая пропускная способность памяти видеокарты и чем выше это значение, тем лучше. GDDR6 имеет две модели уровней передачи: удвоенную скорость передачи и учетверённую.
Не все графические карты используют GDDR5/6. Бюджетные модели часто полагаются на DDR3 SDRAM. Например, как показано выше на видеокарте с пассивным охлаждением. Такая память разработана не конкретно под видеокарты. Графический процессор в таких картах довольно слабый, поэтому хуже от такой памяти не будет.
Nvidia попробовала память GDDR5X с тем же уровнем учетверённой передачи данных за цикл, как в GDDR6, но у неё не может быть такой же высокой тактовой частоты. AMD на протяжении пары лет использовала память HBM (High Bandwidth Memory) в таких видеокартах, как Radeon R9 Fury X, Radeon VII. Эти карты предлагают огромную пропускную способность, но производство дороже по сравнению с модулями GDDR.
Первый графический процессор AMD с HBM (четыре чипа по сторонам)
Чипы памяти должны быть напрямую связаны с графическим процессором, чтобы производительность была максимальной. Иногда это означает использование электрических схем на печатной плате, что может выглядеть немного необычно.
Некоторые проводники на плате прямые, другие идут окружным путём. Нужно, чтобы каждый электрический сигнал между процессором и модулями памяти проходил одинаковое расстояние. В таком случае можно будет избежать неприятных происшествий.
Количество памяти на видеокарте значительно изменилось со времени появления первых графических процессоров.
Показанная выше видеокарта ATi Rage 3D Charger имеет всего 4 Мб памяти EDO DRAM. Сейчас объём видеопамяти в тысячи раз больше, нормальным считается 4 и 6 Гб, бывает и выше.
Сверхбыстрая память GDDR используется, поскольку графическому процессору нужно читать и записывать множество данных, причём делать это параллельно. Встроенные графические процессоры часто не имеют локальной памяти, вместо этого они используют оперативную. Доступ к ней значительно медленнее, чем к GDDR5, где чипы памяти находятся рядом с графическим процессором. Впрочем, встроенные GPU недостаточно мощные, чтобы им нужен был большой объём данных.
Потребляемая мощность
Как любое устройство в компьютере, видеокарта требует электричества. Конкретный объём зависит от того, какой графический процессор используется, поскольку модули памяти расходуют мало энергии.
В первую очередь видеокарты питаются через слот расширения, куда они вставляются. Все современные компьютеры используют слот PCI Express.
На изображении выше за питание отвечает небольшая полоса контактов слева, а длинная полоса справа нужна для передачи данных и инструкций. На короткой полосе 22 контакта, по 11 с каждой стороны, но не все они питают видеокарту.
Почти половина из 22 контактов предназначаются для решения общих системных задач, вроде проверки состояния карты, включения и выключения инструкций и т.д. Последняя спецификация PCI Express ограничивает силу тока только двумя наборами линий напряжения. Для современных видеокарт сила тока составляет 3 А на линии +3,3 В и 5,5 А на линии +12 В. Итого это означает мощность (3 x 3,3) + (5,5 x 12) = 75,9 Вт.
Что происходит, если видеокарте нужно больше? Например, Radeon HD 6870 требуется как минимум 150 Вт, в два раза больше, чем способен дать коннектор. В таких случаях спецификация предлагает формат, которому следуют производители. Это дополнительные линии питания +12 В. Данный формат бывает двух типов: коннектор с шестью контактами и с восемью контактами.
Оба формата предлагают три дополнительные линии напряжения +12 В. Разница между ними заключается в количестве линий заземления: три для 6-контактного коннектора и пять для 8-контактного. Последний позволяет пропускать больше тока, поэтому 6-контактный коннектор выдаёт 75 Вт, тогда как более крупный формат обеспечивает 150 Вт.
В данном случае карта имеет два 6-контактных коннектора, что вместе со слотом PCI Express позволяет получить 75 + (2 x 75) = 225 Вт, чего более чем достаточно для этой модели.
Следующая проблема в том, что графический процессор и чипы памяти не работают на напряжении +3,3 В или +12 В. Чипы памяти GDDR5 используют напряжение 1,35 В, а графический процессор AMD требует 1,172 В. Это означает, что нужно понизить доступное напряжение и тщательно регулировать его. За решение этой задачи отвечают модули регулировки напряжения (VRM).
Подобные модули можно встретить и на материнских платах, а также в блоках питания. Это стандартный компонент современной электроники. В процессе работы они сильно нагреваются, поэтому тоже должны закрываться радиатором, чтобы не выходить за пределы рабочей температуры.
Как и в случае с материнскими платами и центральными процессорами, количество и качество VRM влияет на стабильность работы графического процессора при разгоне. Также играет роль качество контролирующего питания чипа.
Карта Radeon HD 6870 десятилетней давности использует чип CHIL CHL821401. Это 4+1-фазный контроллер PWM. Это означает, что он может управлять четырьмя указанными выше VRM и ещё системой регуляции напряжения. Также он может отслеживать температуру и силу тока. Этот чип может заставить VRM выбирать одно из трёх напряжений, что часто используется в современных графических процессорах. В режиме ожидания применяется низкое напряжение для экономии энергии, снижения шума и нагрева.
Чем больше питания требует графический процессор, тем больше нужно VRM и тем более качественным должен быть контроллер PWM. Например, Nvidia GeForce RTX 2080 без системы охлаждения выглядит так:
Здесь можно рассмотреть целых десять VRM по всей высоте карты справа от графического процессора. На картах производства EVGA их вдвое больше. Эти карты разработаны для разгона и в таком случае требуется больше 300 Вт.
К счастью, не все графические карты имеют такие безумные требования к питанию. Лучшие карты средней ценовой категории запрашивают от 125 Вт до 175 Вт, примерно на уровне Radeon HD 6870.
Входы и выходы видеокарты
До сих пор мы смотрели на электронные компоненты на печатной плате и на подачу питания на них. Теперь пора узнать, как инструкции и данные попадают в графический процессор и как он отсылает результаты обработки на монитор. Для этого нужны входы и выходы.
Инструкции и данные отправляются через коннектор PCI Express, который мы уже видели. Это происходит при помощи контактов на длинном коннекторе. Все передающие контакты находятся с одной стороны, а принимающие с другой. Они всегда располагаются группами по 4, каждый такой набор называется линией.
Так происходит потому, что коммуникация в PCI Express осуществляется при помощи дифференциальных сигналов. Два контакта обрабатывают инструкции и данные, два других нужны для заземления. Почти все видеокарты используют 16 линий, то есть слот PCI Express x16, каждый может передавать 8 бит данных на частоте 8 ГГц.
Сложите все 16 линий вместе и вы получите потенциальную скорость передачи данных 16 Гб/с. На самом деле значение меньше, поскольку PCI Express использует систему кодирования, где примерно 2% битов теряется ради качества сигнала. Более современная версия PCI Express 4.0 обладает скоростью 32 Гб/с. Разрабатываются ещё две спецификации, которые умножат это значение на 2.
Некоторые видеокарты, такие как HD 6870, обладают дополнительным коннектором:
Это позволяет объединять две или больше карт для совместной работы, чтобы они быстро обменивались данными. Разные производители называют это по-разному. AMD использует название CrossFire, у Nvidia это SLI. AMD больше не применяет коннектор, вместо этого данные передаются по слоту PCI Express.
Если снова посмотреть на изображение GeForce RTX 2080, вы увидите два таких коннектора. Это более современная версия Nvidia под названием NVLink. Она нацелена по большей части на профессиональные графические карты и вычислительные карты вместо игровых. Несмотря на усилия AMD и NVIDIA по распространению систем с несколькими видеокартами среди широкого круга пользователей, этого не произошло. Сейчас проще купить одну самую мощную видеокарту и её производительности будет хватать на всё.
Каждая компьютерная видеокарта имеет как минимум один способ подключения к монитору, но чаще всего несколько. Причина в том, что мониторы бывают разных моделей и по разным ценам, а также у них разные интерфейсы подключения. Производители видеокарт должны быть готовы к любому варианту.
Наша урезанная модель Radeon имеет пять выходов:
- 2x mini DisplayPort 1.2
- 1x HDMI 1.4a
- 1x DVI-D (только цифровой) двухканальный
- 1x DVI-I (цифровой и аналоговый) двухканальный
Кроме поддержки разных мониторов многочисленные выводы означают, что вы можете подключить к видеокарте больше одного монитора. Некоторые из этих мониторов обрабатываются графическим процессором, но иногда нужен дополнительный чип. В рассматриваемой видеокарте есть переключатель Pericom P13HDMI4 HDMI.
Этот крохотный чип преобразует данные HDMI, которые содержат цифровые потоки видео и аудио, в сигналы только с изображением для сокетов DVI. Спецификация этих подключений в наши дни крайне важна, поскольку она меняет нашу работу с мониторами.
Распространение киберспортивных соревнований заставило производителей мониторов повышать частоту обновления картинки, то есть сколько раз за секунду изображение на экране обновляется. 10 лет назад значение составляло 60 или 75 Гц. Сейчас можно найти экраны с разрешением 1080p, которые работают на частоте 240 Гц.
Современные видеокарты очень мощные и многие способны работать на высоких разрешениях, таких как 1440p и 4K, или же поддерживают HDR. К длинному списку требований можно добавить, что многие мониторы поддерживают технологию переменной частоты обновления (VRR). Это означает, что монитор не будет обновлять картинку, пока видеокарта не выдала эту картинку.
Существуют открытые и проприетарные стандарты VRR:
Чтобы использовать эти функции, такие как высокое разрешение, высокая и переменная частота обновления, HDR, нужно ответить на три вопроса: поддерживает их монитор? Поддерживает их графический процессор? Есть ли на видеокарте нужные выходы?
Если вы купите современные видеокарты AMD на архитектуре Navi или Nvidia Turing, на них поддерживаются следующие выходы:
Производитель |
AMD |
Nvidia |
DVI |
Dual-Link Digital |
Dual-Link Digital |
DisplayPort |
1.4a (DSC 1.2)
4K HDR @ 240Hz, 8K HDR @ 60Hz |
1.4a (DSC 1.2)
4K HDR @ 144Hz, 8K HDR @ 60Hz |
HDMI |
2.0b
4K @ 60Hz, 1080p @ 240Hz |
2.0b
4K @ 60Hz, 1080p @ 240Hz |
VRR |
DP Adaptive-sync, HDMI VRR, FreeSync |
DP Adaptive-sync, HDMI VRR, G-Sync |
Это не полная картина. Вы можете работать на разрешении 4К с частотой выше 200 Гц через подключение DisplayPort, но память видеокарты не будет заполняться. Выход способен передавать определённое количество бит в секунду, чего для высокого разрешения и высокой частоты обновления недостаточно.
К счастью, сжатие данных и цветовая субдискретизация, когда цветовая информация сокращается, могут использоваться для облегчения нагрузки на монитор. Здесь появляются небольшие отличия между разными моделями видеокарт. Они могут использовать стандартную систему сжатия, проприетарную или вариант цветовой субдискретизации.
20 лет назад в видеокартах были большие различия в выходах, в результате чего зачастую приходилось делать выбор в пользу скорости вместо качества. Сегодня таких проблем нет.
Всё это только ради графики?
Может показаться странным, что такая сложность и цена нужны только ради отрисовки изображения на мониторе в играх и в остальных случаях. Давайте снова посмотрим на старую видеокарту ATi 3D Charger. Она способна выдавать до 1 млн. треугольников и цвета в 25 млн. пикселей в секунду. По похожей цене современные видеокарты выдают в 2000 раз больше.
Нужно ли такая производительность на самом деле? Нужна: у современных геймеров ожидания от графики значительно более высокие, тем более что предлагать реалистичную трёхмерную графику в реальном времени очень трудно. В пылу борьбы в компьютерных играх именно на видеокарту приходится вся нагрузка.
Однако, видеокарты умеют не только обрабатывать изображения. В последние несколько лет они стали часто использоваться в суперкомпьютерах, при обработке сложных алгоритмов машинного обучения и искусственного интеллекта. Очень популярным в 2017 году стал майнинг криптовалют, для чего видеокарты подходят идеально.
Модным словом является «вычисления», для чего обычно применялся центральный процессор. Графические процессоры теперь задействуют в специфических областях, где нужны многочисленные параллельные вычисления значений с высокой точностью. AMD и Nvidia выпускают продукты для этого сегмента рынка, где почти всегда применяются самые крупные и дорогие графические процессоры.
Кстати, вы задавались вопросом, как выглядят внутренности видеокарты по цене $2500? Это можно увидеть на видео:
Если вы хотите сделать то же самое со своей видеокартой, будьте осторожны! Все эти электронные компоненты достаточно хрупкие и вряд ли в магазине вам поменяют видеокарту, если вы сломаете её.
В общем, стоит ваша видеокарта $20, $200 или $2000, фундаментально они имеют одинаковый дизайн. Здесь применяется высокоспециализированный процессор, печатная плата с различными чипами и другими электронными компонентами. По сравнению с материнскими платами и блоками питания разбирать видеокарты проще, но то, что здесь есть, потрясает воображение.
