Πώς λειτουργούν οι κάρτες γραφικών βίντεο;

Οι κάρτες γραφικών βίντεο (GPU) είναι εξειδικευμένα ηλεκτρονικά κυκλώματα που έχουν σχεδιαστεί για να χειρίζονται γρήγορα και να μεταβάλλουν τη μνήμη για να επιταχύνουν τη δημιουργία εικόνων σε ένα buffer πλαισίου που προορίζεται για έξοδο σε μια συσκευή οθόνης. Εκφορτώνουν την εντατική γραφική επεξεργασία από την κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU), επιτρέποντας ομαλότερα, υψηλότερης ανάλυσης. Ακολουθεί μια ανάλυση του τρόπου λειτουργίας τους:

1. Λήψη δεδομένων από τη CPU:

* Η CPU στέλνει οδηγίες και δεδομένα (π.χ. μοντέλα, υφές, πληροφορίες φωτισμού) στη GPU μέσω διεπαφής υψηλής ταχύτητας όπως το PCIE. Αυτά τα δεδομένα περιγράφουν την τρισδιάστατη σκηνή που πρέπει να γίνει.

2. Δεδομένα επεξεργασίας (παράλληλη επεξεργασία):

* Αυτό είναι όπου η δύναμη της GPU βρίσκεται. Αντί να επεξεργάζονται δεδομένα διαδοχικά σαν CPU, οι GPU χρησιμοποιούν μαζικά παράλληλη επεξεργασία. Περιέχουν χιλιάδες μικρότερες, απλούστερες μονάδες επεξεργασίας (πυρήνες) που λειτουργούν ταυτόχρονα σε διάφορα μέρη της σκηνής. Αυτό τους επιτρέπει να χειρίζονται τους πολύπλοκους υπολογισμούς που εμπλέκονται στην απόδοση εικόνων πολύ πιο γρήγορα από μια CPU.

* shaders vertex: Αυτοί οι επεξεργαστές επεξεργάζονται τις μεμονωμένες κορυφές (σημεία) μοντέλων 3D. Μετατρέπουν τις κορυφές με βάση τη θέση, τον φωτισμό και άλλους παράγοντες της κάμερας.

* shaders γεωμετρίας (προαιρετικά): Αυτοί οι shaders εκτελούν πιο πολύπλοκες λειτουργίες στη γεωμετρία, ενδεχομένως δημιουργώντας πρόσθετη γεωμετρία ή τροποποιώντας την υπάρχουσα γεωμετρία.

* shaders pixel (shaders θραύσματος): Αυτοί οι επεξεργαστές καθορίζουν το χρώμα και άλλες ιδιότητες κάθε εικονοστοιχείου στην οθόνη. Θεωρούν τον φωτισμό, τις υφές και άλλα αποτελέσματα για τον υπολογισμό του τελικού χρώματος των εικονοστοιχείων.

* Rasterization: Αυτό το στάδιο μετατρέπει τα επεξεργασμένα 3D τρίγωνα σε 2D pixels που μπορούν να εμφανιστούν στην οθόνη. Περιλαμβάνει τον προσδιορισμό των εικονοστοιχείων που καλύπτονται από κάθε τρίγωνο.

3. Χαρτογράφηση και δειγματοληψία υφής:

* Οι υφές (εικόνες) εφαρμόζονται σε μοντέλα 3D για να προσθέσουν λεπτομέρειες και ρεαλισμό. Η GPU μεταφέρει και εφαρμόζει αυτές τις υφές στις επιφάνειες των μοντέλων κατά τη διάρκεια της διαδικασίας απόδοσης. Αυτό περιλαμβάνει τη δειγματοληψία των δεδομένων υφής σε διάφορα σημεία για τον προσδιορισμό του κατάλληλου χρώματος για κάθε εικονοστοιχείο.

4. Buffer πλαισίου:

* Τα εικονοστοιχεία που αποθηκεύονται αποθηκεύονται στο buffer πλαισίου (VRAM - VIDEO RAM). Αυτή είναι μια ειδική μνήμη υψηλής ταχύτητας στη GPU.

5. Έξοδος για εμφάνιση:

* Μόλις ολοκληρωθεί το πλαίσιο, η GPU στέλνει τα δεδομένα εικόνας από το buffer πλαισίου στην οθόνη μέσω μιας διασύνδεσης εξόδου (HDMI, DisplayPort κ.λπ.). Στη συνέχεια, η οθόνη εμφανίζει την εικόνα.

Βασικά στοιχεία μιας GPU:

* πυρήνας GPU: Περιέχει τις μονάδες επεξεργασίας (πυρήνες) που εκτελούν τους υπολογισμούς απόδοσης.

* VRAM (VIDEO RAM): Μνήμη υψηλής ταχύτητας που αποθηκεύει υφές, πλαίσια και άλλα δεδομένα που απαιτούνται για την απόδοση. Το μεγαλύτερο VRAM επιτρέπει υψηλότερες αναλύσεις και λεπτομερέστερες υφές.

* Διοίκηση μνήμης: Συνδέει τον πυρήνα GPU με το VRAM, καθορίζοντας την ταχύτητα με την οποία μπορούν να μεταφερθούν τα δεδομένα.

* CUDA CORES (NVIDIA) / Επεξεργαστές ροής (AMD): Αυτές είναι οι μεμονωμένες μονάδες επεξεργασίας εντός του πυρήνα της GPU. Περισσότεροι πυρήνες γενικά σημαίνουν ταχύτερη απόδοση.

* Σύστημα ψύξης: Διατηρεί τη GPU από την υπερθέρμανση λόγω των εντατικών υπολογισμών που εκτελεί.

Συνοπτικά, μια κάρτα γραφικών βίντεο ενεργεί ως εξειδικευμένος coprocessor, λαμβάνοντας τη βαριά ανύψωση της εικόνας που απομακρύνεται από την CPU, επιτρέποντας τη δημιουργία ομαλών γραφικών υψηλής πιστότητας για παιχνίδια, επεξεργασία βίντεο και άλλες γραφικά απαιτητικές εφαρμογές. Η παράλληλη αρχιτεκτονική επεξεργασίας είναι αυτό που το διακρίνει από μια CPU και του επιτρέπει να υπερέχει σε καθήκοντα που περιλαμβάνουν μαζικό παραλληλισμό δεδομένων.