Placi video

O placa video, deseori numita si accelerator grafic sau placa grafica este un dispozitiv care intra in componenta unui PC si se ocupa cu generarea si afisarea imaginilor pe un monitor.
Acest termen se refera de obicei la o placa separata care se introduce intr-un slot dedicat situat pe placa de baza (PCI, AGP, PCI-E), spre deosebire de controller-ul grafic integrat in chipset-ul placii de baza. Acesta din urma poate fi denumit IGP (Integrated Graphics Processor).
Anumite placi video incorporeaza functii suplimentare, cum ar fi captura video, tuner TV, decodare MPEG-2 si MPEG-4, iesire in format HD (HDMI) sau chiar posibilitatea de a conecta 2 sau mai multe monitoare.
Istoria placilor video incepe in anul 1960 cand imprimantele sunt inlocuite cu ecrane pe post de dispozitiv de afisare. Astfel a aparut necesitatea placilor video pentru afisarea primelor imagini. Prima placa video destinata calculatoarelor personale a fost dezvoltata de catre IBM in 1981 si lansata pe piata cu primul IBM PC. Aceasta avea 4KB de memorie video si era in format monocrom.
Standard-ul VGA (Video Graphics Array) a fost adoptat rapid la scara larga si, astfel, corporatii ca ATI, Cirrus Logic si S3 au inceput sa imbunatateasca acest standard marind rezolutia cat si numarul culorilor afisate. In acest mod a luat nastere standardul SVGA (Super VGA), care are o rezolutie maxima de 1024x768 afisand 256 culori, folosind 2MB de memorie video.
Evolutia placilor video a luat o intorsatura favorabila in 1995 odata cu lansarea primelor placi 2D/3D dezvoltate, printre altii, de Matrox, Creative, S3 si ATI. Aceste placi video respectau cerintele standardului SVGA dar inglobau functii 3D. In 1997, 3dfx lanseaza chipul grafic Voodoo, care era extrem de puternic si includea noi efecte 3D (Mip Mapping, Z-buffering, Anti-aliasing). Din acest moment, au tot inceput sa apara o serie de placi video 3D, cum ar fi Voodoo2 de la 3dfx, TNT si TNT2 de la NVIDIA. Puterea acestor placi video depasise capabilitatile portului AGP. Astfel, Intel a dezvoltat portul AGP (Accelerated Graphics Port) care a rezolvat bottleneck-ul existent intre CPU (Central Processing Unit) si placa video. Din 1999 pana in 2002, NVIDIA a controlat piata placilor video cu gama GeForce, dupa ce a achizitionat 3dfx aflata in faliment. Imbunatatirile aduse in aceasta perioada au fost canalizate mai mult pe optimizarea algoritmilor 3D si pe marirea freventelor procesoarelor grafice (GPU). De asemenea, memoria video trebuia sa-si mareasca fluxul de date, in acest scop implementandu-se memoria DDR (Double Data Rate). Capacitatea memoriei video ajunge de la 32MB (GeForce 256, denumit si GeForce 1) pana ;a 128MB (GeForce 4).

In 2006, lupta pentru dominarea pietei placilor video se disputa intre NVIDIA (seria GeForce) si ATI (seria Radeon).

Componente:

O placa video este compusa dintr-o placa de textolit (PCB – Printed Circuit Board) care este alcatuita din mai multe straturi de trasee din cupru (numite layere). Pe aceasta placa sunt montate componentele.

Procesorul grafic (GPU – Graphics Processing Unit)

Un GPU este un microprocesor grafic dedicat optimizat pentru calcule in virgula mobila care sunt fundamentale pentru randarea imaginilor 3D. Principalele caracteristici ale unui GPU sunt: frecventa nucleului care variaza de obicei intre 250MHz pana la 900MHz in placile recente, numarul de pipeline si, mai nou, numarul de unitati de shader unificate (pixel si vertex).

Memoria video

Daca placa video este integrata pe placa de baza atunci aceasta va folosi memoria RAM a calculatorului (rata de transfer limitata). Daca nu este integrata, placa video va avea propria memorie numita VRAM (Video RAM). Capacitatea acestei memorii atinge, la majoritatea placilor video moderne, valori intre 128MB si 2GB. Inainte de anul 2003, memoria video era bazata predominant pe tehnologia DDR. Dupa acest an, producatorii s-au axat pe folosirea mult mai rapidelor memorii DDR2, GDDR3 si GDDR4. Frecventa memoriilor in placile video moderne sunt de obicei intre 800MHz si 2.4GHz, dar ATI deja a anuntat ca viitorul sau GPU, Radeon HD4870 (RV770) va lucra cu memorii GDDR5 tactate la o frecventa de 4.4GHz. De asemenea, un element foarte important al memoriei video este Z-buffer, care este o memorie tampon care retine coordonatele de adancime in grafica 3D.








BIOS-ul video
BIOS-ul video (sau firmware) este un chip care contine programul care coordoneaza operatiile placii video si care furnizeaza instructiunile de lucru cu placa pentru computer si pentru software. Contine informatii cum ar fi: latentele memoriei, frecventele de functionare dar si voltajele pentru GPU si VRAM. Este posibila rescrierea BIOS-ul cu utilitate specializate (nvflash, atiflash, flashrom) pentru a activa facilitati dezactivate din fabrica sau pur si simplu pentru a seta un set de frecvente implicite de functionare mai ridicate. Aceasta operatiune poate deteriora iremediabil placa video si este realizata preponderent de overclockeri.
RAMDAC (Random Access Memory Digital-to-Analog Convertor)

RAMDAC-ul se ocupa cu conversia semnalelor digitale produse de calculator in semnale analogice care pot fi afisate de dispozitivele de afisare (monitor, proiector, etc ). In functie de numarul de biti folositi si de rata de transfer a RAMDAC-ului, convertorul va putea sa suporte diferite rate de reimprospatare a imaginii (refresh rate). O data cu folosirea la scara larga a dispozitivelor de afisare digitale, folosirea RAMDAC-ul a inceput sa fie inutila. Toate monitoarele LCD si cele cu plasma lucreaza cu semnale digitale si nu necesita un RAMDAC.


Iesiri:

Cele mai uzuale conexiuni intre placa video si monitor sunt:

HD-15: Adoptat in anii `80, este un standard de comunicatie analog destinat monitoarelor CRT, numit si conector VGA. Cateva din problemele acestui standard sunt: zgomotul electric, distorsiunea imaginii si erorile de cuantizare.

DVI: Standard de comunicatie digital destinat monitoarelor LCD, ecranelor cu plasma si proiectoarelor. Evita distorsiunea imaginii si zgomotul electric, realizand corespondenta 1:1 dintre pixelii generati de placa video si pixelii de pe monitor afisati la rezolutia nativa.

S-Video: Este folosit pentru a permite conexiunea cu playere DVD, recordere si console.

HDMI: Este o tehnologie digitala lansata in anul 2003 al carui scop este sa inlocuiasca toate celelalte standarde.

HDCP (High-bandwidth Digital Content Protection): Este o forma de protectie la copiere dezvoltata de Intel Corporation pentru protectia continutului audio si video la trecere lui prin interfetele: DisplayPort, Digital Visual Interface (DVI), High-Definition Multimedia Interface (HDMI), Gigabit Video Interface (GVIF) sau Unified Display Interface (UDI). Specificatiile HDCP sunt proprietare si implementarea acestei tehnologii necesita o licenta care se poate achizitiona de la Intel.

UDI (Unified Display Interface): Este o interfata video digitala bazata pe standardul DVI. A fost proiectata pentru a fi o implementare ieftina care permite in acelasi timp compatibilitate cu monitoarele HDMI si DVI.
DisplayPort: Este o interfata video digitala elaborata de VESA (Video Electronics Standards Association). Defineste un nou standard de conectare disponibil fara licenta, fiind destinat pentru a fi folosit intre un PC si monitor dar si intre un PC si un sistem Home Theater.

Sisteme de racire:

Placile video pot consuma o cantitate semnificativa de curent care este transformata apoi in caldura. Daca acesta caldura nu este disipata atunci placa video se supraincalzeste si se poate defecta. Elementele de racire au scopul de a transfera caldura in alt loc. Pe placile video se folosesc, de obicei, trei tipuri de sisteme de racire:

Radiator: In general se refera la un dispozitiv de racire pasiv care nu are parti in miscare deci este silentios si fiabil. Transfera caldura de la GPU la un agent de racire (ex: aerul) folosind o interfata termoconductoare. Eficacitatea sa depinde de marimea sa, suprafata de contact, materialul din care este fabricat (aluminiu sau cupru) dar si de forma sa. Pentru a ii creste capacitatea de disipare, un radiator este de obicei folosit impreuna cu un ventilator. Desi ansamblul radiator si ventilator este mult mai eficient decat folosirea exclusiva a unui radiator, genereaza zgomot si contine parti in miscare care se pot defecta in timp.

Water Block: Este un bloc de metal (cupru sau aluminiu) cu diverse forme interioare (spirala, etc) care transfera caldura generata de GPU catre un lichid care se misca intr-un circuit inchis. Lichidul este transferat catre un radiator care poate fi amplasat in interiorul carcasei sau in exteriorul acesteia. De obicei, racirea cu lichid ofera avantaje semnificative (temperaturi mai mici) fata de racirea traditionala cu aer.

Consumul de putere

O data cu cresterea performantelor placilor video a crescut, in mod evident, si consumul energetic. In momentul actual cele mai rapide placi video (majoritatea fiind modele cu 2 GPU-uri: ATI Radeon HD3870X2, NVIDIA GeForce 9800GX2) consuma o cantitate mare de energie (aproximativ 200W). Desi sursele de alimentare devin din ce in ce mai puternice, limitarea apare din cauza conexiunii PCI-Express care nu poate furniza mai multe de 150W. De aceea, placile video cu un consum peste 150W necesita o alimentare cu 6 pini sau 8 pini care se conecteaza direct la sursa, evitand astfel trecerea prin slotul PCI-Express si implicit prin placa de baza.


Producatori:

Pot fi diferentiate doua tipuri de producatori:

Producatori GPU si IGP:

AMD (Advanced Micro Devices), care a achizionat ATI in 2006.
NVIDIA
Matrox
Intel
VIA Technologies, care a achizitionat S3 Graphics in 2001

Producatorii de placi video:

Acestia asambleaza GPU-ul, memoriile, PCB-ul cu celelalte componente. Acest lucru, impreuna cu procesul de testare si certificare de functionare la anumite frecvente fac diferentele de pret si calitate intre producatori. Din producatorii consacrati amintim: Sapphire, PowerColor, Connect3D (pentru placile echipate cu GPU-uri ATI Radeon) si eVGA, BFGTech, Gainward, XFX (pentru placile motorizate de GPU-urile NVIDIA GeForce.

API (Application Programming Interfaces)
Cum grafica 3D a devenit foarte populara printre aplicatiile rulate pe PC, in special in cadrul jocurilor, a fost necesara crearea de programe specializate (numite API) care sa usureze munca in toate etapele de dezvoltare si rulare a unei aplicatii 3D. De asemenea, aceste API-uri permit programatorilor sa acceseze functii disponibile numai pe un anumit tip de hardware.
In grafica 3D rulata pe PC, distingem doua API-uri de baza:
Direct3D: Lansat de Microsoft in 1996, este o componenta a DirectX. Dezvoltat sa fie folosit exclusiv pe platforma Windows, este utilizat de majoritatea jocurilor. Cea mai recenta versiune a DirectX este DirectX 10.1 (integrat in Windows Vista Service Pack 1), desi majoritatea PC-urilor care le folosim zi de zi ruleaza inca DirectX 9.0c.
OpenGL: Dezvoltat de Silicon Graphics in ani `90, OpenGL este un API gratis, open si multi-platforma. Este folosit preponderent in aplicatii CAD, stiintifice, de simulare de zbor dar si in cateva jocuri. Se foloseste de regula in sisteme de operare Linux si Unix. Cea mai recenta versiune OpenGL este 2.1.
Tehnice de afisare:
Cateva din cele mai intalnite efecte folosite pentru imbunatatirea imaginii afisate de catre placa video sunt explicate in continuare:
Anti-Aliasing (AA): este o tehnica menita sa micsoreze distorsiunile aparute (numite aliasing) din cauza afisarii unei imagini la o rezolutie inferioara celei la care a fost conceputa.
Shader: procesari care se refera la iluminare la nivel de pixel si vertex, fenomene atmosferice optice sau suprafete cu mai multe straturi (layere).
High dynamic range rendering (HDR): tehnica folosita pentru a obtine o paleta mai extinsa de luminozitate intr-o scena (de la sursele de lumina la umbrele cele mai intunecate)
Texture mapping: permite adaugarea de detalii pe suprafete, fara marirea complexitatii.
Motion blur: tehnica care incetoseaza obiectele aflate in miscare.
Depth of field: tehnica care micsoreaza rezolutia (si implicit afiseaza incetosat) obiectelor aflate la o oarecare distanta de locul desfasurarii actiunii.
Lens flare: realizeaza emularea artificiala a surselor de lumina.
Fresnel effect: reprezinta reflectii asupra unui obiect depinzand de unghiul de vedere. Cu cat unghiul este mai mare, cu atat reflectia este mare.
Anisotropic filtering: este un efect folosit de regula impreuna cu Anti-Aliasing deoarece acesta din urma are tendinta de a incetosa usor imaginile. De aceea, filtrarea anisotropica realizeaza delimitarea muchiilor, imaginea astfel obtinuta fiind mult mai clara.
Implementari:
AMD (ATI) – seria Radeon:

Nucleu
Comentarii
R100
Este primul procesor grafic fabricat de ATI care suporta in totalitate DirectX 7. Introdus in 2000, R100 a adus cresteri mari in latimea de banda cat si in eficienta fillrate-ului prin noua tehnologie HyperZ. Modelele echipate cu acest nucleu sunt: Radeon SDR, DDR, 7000/VE cat si Radeon 7500.
R200
A doua generatie a familiei Radeon includea prima arhitectura programabila de shader de la ATI si introducea PS 1.4 (Pixel Shader), cea mai avansata tehnologie a shader-elor pana la introducerea PS 2.0. Acest nucleu poate fi regasit pe placile video Radeon 8500 – 9200, 9250.
R300
Nucleul R300 a fost cel care a propulsat ATI ca lider si l-a mentinut acolo ani buni. Acest chip era primul GPU complet compatibil cu DirectX 9. De asemenea, acest procesor grafic se baza pe arhitectura Pixel Shader 2.0 si includea modelele: Radeon 9500 - 9800, X300 - X600, X1050.
R420
Desi bazat in mare parte pe generatia anterioara, acest nucleu includea extensii la specificatiile initiale alea Shader Model 2, numit Shader Model 2.0b. Aceasta generatie include placile Radeon X700-X850.
R520
Reprezinta linia de placi video ATI cu suport total pentru Shader Model 3.0 (DirectX 9.0c). Lansata in octombrie 2005, aceasta serie a venit cu o serie de imbunatatiri cum ar fi randarea in virgula mobila, necesara pentru activarea HDR impreuna cu Anti-Aliasing. Placile video lansate in aceasta perioada sunt: Radeon X1300-X1950.
R600
Prima serie de placi video AMD care oferea suport DirectX 10 si de asemenea era prima placa Radeon bazata pe arhitectura cu unitati de shader unificate. Placile video construite pe baza acestui nucleu, sau derivat din acesta sunt: HD 2400, HD 2600 si HD 2900.
RV670
Acest nucleu este defapt R600 fabricat pe tehnologie de 55nm si cu suport DirectX 10.1 si PCI-Express 2.0. Aceste produse se pot gasi in magazine in produsele ATI Radeon din seria HD3800.
R680
Aceasta generatie de placi video a luat nastere prin alaturarea de nuclee RV670 pe aceeasi placa. Placa video se numeste ATI Radeon HD3870X2 si momentan se gaseste in magazine in versiunea cu 1GB memorie GDDR3 si compatibilitate PCI-Express 1.1. In viitor AMD a anuntat si o varianta cu 1GB GDDR4 si compatibilitate cu magistrale PCI-Express 2.0.
RV770 / R700
Noua serie de placi video de la AMD / ATI (Radeon 4800) a fost lansata in 2008. Noile placi grafice sunt constituite din 956 de milioane de tranzistoare realizate prin tehnologie de fabricatie de 55 de nm, fiind compatibile cu PCI-Express 2.0. Interfata de memorie este GDDR 3/4/5 pe o magistrala de 256 de biti.
Primele placi lansate din aceasta noua serie sunt HD4850, HD4870 si performanta HD4870X2 (cu doua nuclee RV770).

NVIDIA:
Nucleu
Comentarii
NV10
Lansata la 31 august 1999, placa video GeForce 256 a fost primul GPU destinat PC-urilor cu facilitati hardware de procesare a transformarilor, iluminarii si umbrelor (Hardware T&L) desi jocurile 3D care suportau aceasta facilitate au aparut ulterior. Primul model GeForce 256 a fost livrat cu memorie SDR, a doua revizie insa venea echipata cu mai rapidele memorii DDR.
NV15
Aparuta pe piata in aprilie 2000, GeForce2 a fost un nou GPU care oferea o performanta ridicata. NVIDIA a trecut la o arhitectura cu 2 unitati de texturare per pipeline (4x2), dubland astfel fillrate-ul texturilor la aceeasi frecventa cu mai batranul GeForce 256. Mai tarziu, NVIDIA a lansat GeForce2 MX (NV11) care oferea o performanta similara cu GeForce 256 dar la un pret mult mai mic.
NV20
Lansata in februarie 2001, familia GeForce 3 introduce pixel shader-ul programabil compatibil DirectX 8. Are o performanta balansata si a fost destul de populara printre entuziasti desi nu a avut niciodata un pret accesibil. De asemenea un derivat al GeForce3, NV2A, a fost proiectat pentru consola Microsoft Xbox.
NV25
GPU-ul high-end GeForce4 Ti, aparut pe piata in februarie 2002, era in mare parte o rafinare a nucleului NV20 (GeForce 3). Cele mai importante imbunatatiri sunt la optimizarea algoritmului de Anti-Aliasing, un controller de memorie imbunatatit, introducerea unui al doilea vertex shader si un proces de fabricatie mai mic pentru a permite frecvente de ceas mai ridicate. De asemenea a fost lansat pe piata si GeForce4 MX care tintea piata mainstream, dar care avea o arhitectura asemanatoare mai degraba cu GeForce2 decat cu GeForce 4 Ti, de la care avea doar cateva noi facilitati.
NV30
Lansata oficial in noiembrie 2002, GeForce FX avea o arhitectura complet schimbata fata de predecesorii sai. Acest GPU a fost dezvoltat sa suporte din start specificatiile noului Shader Model 2 dar oferind o performanta buna si in titlurile bazate pe DirectX 7 sau 8. Cu toate acestea primele modele sufereau de o performanta scazuta a calculului shaderelor prin virgula mobila si prin caldura foarte mare degajata, ceea ce necesita o solutie de racire care ocupa 2 sloturi. Produsele din aceasta familie aveau denumiri din seria 5000 si era vandute ca GeForce FX in loc de GeForce 5.
NV40
Oferita marelui public in aprilie 2004, GeForce 6 oferea suport complet pentru Shader Model 3.0 si corecta de asemenea performanta slaba obtinuta la calculului shaderelor prin virgula mobila a predecesorului. Aceasta serie implementa randarea HDR, tehnologia SLI (Scalable Link Interface) si capabilitatile PureVideo.
G70 / NV47
A saptea generatie a familiei GeForce a fost lansata in iunie 2005. Arhitectura era in principal cea a GeForce 6 dar cu un pipeline mai larg si frecvente mai ridicate. GeForce 7 ofera de asemenea noi algoritmi de Anti-Aliasing: TSAA (Transparency Supersampling Anti-Aliasing) si TMAA (Transparency Multisampling Anti-Aliasing). Acesti noi algoritmi au fost activati mai tarziu si in generatia GeForce 6. O varianta modificata a GeForce 7800GTX numita RSX Reality Synthesizer este folosita ca GPU in consola PlayStation 3 de la Sony.
G80
8 noiembrie 2006 a fost data cand a 8-a serie a familiei GeForce a vazut lumina zilei. Aceasta serie era primul GPU care respecta toate specificatiile DirectX 10. Construita pe o arhitectura complet noua beneficiaza de procesoare de shader unificate (in loc de procesoare separate de vertex si pixel). Initial NVIDIA a lansat doar varful de gama, GeForce 8800GTX, urmand apoi la ceva distanta modelele mainstream, 8800 GTS. G92, revizie a batranului G80, si-a gasit si el implementarea in modele ale seriei GeForce 8: 8800GS, 8800GT si 8800GTS-512.
G92 / G94
Seria GeForce 9, lansata pe 21 februarie 2008 nu este altceva decat nucleul G92 folosit pe PCB-uri imbunatatite (9800GTX) sau derivatii din acesta, cum este G94 (9600GT). De asemenea 9800GX2 foloseste 2 PCB-uri (fiecare contine cate un GPU G92 si 512MB memorie GDDR3) conectate in SLI care folosesc un singur slot PCI-Express 2.0.
GT200
Doua noi modele au fost lansate in a doua jumatate a anului 2008, ambele fiind bazate pe nucleul GT200, si anume GT260 si GT280. Ambele placi sunt fabricate pe o tehnologie de 65 de nm si sunt compatibile cu standardul PCIe 2.0.
Noile unitati grafice sunt inzestrate cu 896 si respectiv 1024 MB GDDR 3 la o latime de banda de 448 si respectiv 512 biti.
Tehnologii multi-GPU:
NVIDIA SLI (Scalable Link interface): Este numele dat de NVIDIA solutie sale de a doua sau mai multe placi video intr-o configuratie multi-GPU pentru a obtine o singura iesire. SLI este o aplicatie de procesare paralela pentru grafica realizata pe PC menita sa creasca puterea de procesare 3D.
Numele de SLI a fost folosit prima oara de 3dfx dar care atunci purta numele de Scan-Line Interleave. Aceasta tehnologie fusese introdusa in 1998 si folosea seria de placi video Voodoo2. Dupa ce cumpara 3dfx, NVIDIA achizitioneaza si aceasta tehnologie dar nu o foloseste. In 2004 NVIDIA reintroduce numele de SLI in PC-urile moderne, folosind de aceasta data magistrala seriala PCI-Express in locul batranului bus PCI. Desi numele este pastrat, tehnologia din spatele SLI este schimbata semnificativ.
AMD (ATI) CrossFire / CrossFire X: Este solutia de interconectare multi-GPU oferita de ATI Technologies ca raspuns dupa lansarea SLI de catre NVIDIA. Aceasta tehnologie permite folosirea a pana la 4 placi video intr-un PC pentru a imbunatati performanta 3D a acestuia. Desi a fost anuntata recent pentru piata home-user, ATI oferea astfel de solutii (AMR – ATI Multi Rendering) pentru aplicatii profesionale, simulatoare de zbor. ATI a mai avut deasemenea o placa video dual-GPU destinata pietei home-user: ATI Rage Fury MAXX.
Sfatul specialistului:
De obicei domeniul placilor video este domeniul unde avem cele mai multe variante. In primul rand trebuie sa ne alegem producatorul de GPU-uri favorit (AMD-ATI sau NVIDIA), apoi gama de performanta dorita (entry-level, mainstream sau high-performance) iar la final sa ne decidem asupra producatorului placii video cu caracteristicile alese deja. Cei mai multi dintre noi realizeaza selectarea celor 3 criterii de mai sus dupa considerente financiare si, de cele mai multe ori, variantele nu sunt chiar atat de numeroase. O replica care am auzit-o mai demult si care mi-a ramas in minte de atunci si ma ghidez dupa ea atunci cand trebuie sa imi aleg o noua placa video este: „O placa video mai performanta te salveaza de la un upgrade de multe ori mult mai costisitor la procesor”.