Мир технологий

Графический процессор (особенности функционирования и структуры)

Современные видеокарты, в силу требований от них огромной вычислительной мощи при работе с графикой, оснащаются своим собственным - графическим процессором. Это было сделано для того, чтобы «разгрузить» центральный процессор, который из-за своей широкой «сферы применения», просто не в состоянии справляться с требованиями, которые выдвигает современная игровая индустрия. Графические процессоры (GPU) по сложности абсолютно не уступают центральным процессорам, однако из-за своей узкой специализации, более эффективно справляться с задачей обработки графики. Если говорить о параметрах, то они у графических процессоров весьма схожи с центральными процессорами. Это известные всем параметры, такие как – тактовая частота, техпроцесс и другое. Тактовая частота графического процессора, наряду с ПСП памяти являются наиболее важными характеристиками современных видеокарт.

Графический процессор

GPU – это устройство, которое выполняет просчёт (рендеринг) графики, то есть принимает самое активное участие, при построении изображения. За счёт особенностей архитектуры графический процессор гораздо эффективнее справляется с задачами по обработке графики, нежели центральные процессоры. GPU может быть реализован в составе видеокарты или в гибридных процессорах (интегрированный на кристалл процессора), реже может быть в составе северного моста на материнке.

Тактовая частота GPU

Измеряется тактовая частота графического процессора в мегагерцах, впрочем, как и у центральных процессоров. Но усредненные показатели частоты GPU на сегодняшний день гораздо ниже, чем у CPU и составляют порядка 900-1100МГц для топовых моделей.

Опять же, как и в центральных процессорах, чем выше частота, тем больше задач может выполнить процессор в единицу времени. Поэтому тактовая частота GPU напрямую влияет на производительность видеокарты. У технически одинаковых графических процессоров увеличение частотных показателей приводит к пропорциональному росту результирующей производительности.

Немаловажная характеристика графического процессора – это количество пиксельных конвейеров (Pixel Pipelines). Эта характеристика определяет количество обрабатываемых пикселей за один такт роботы GPU. Количество данных конвейеров может различаться, например, в графических чипах серии Radeon HD 6000, их количество может достигать 96.

Пиксельный конвейер занимается тем, что просчитывает каждый последующий пиксель очередного изображения. Для ускорения процесса просчёта используется несколько параллельно работающих конвейеров, которые просчитывают разные пиксели одного и того же изображения.

Также, количество пиксельных конвейеров влияет на немаловажный параметр – скорость заполнение видеокарты. К примеру, видеокарта с частотой ядра 830 МГц, а количество пиксельных конвейеров – 96. Математическими вычислениями (830х96), приходим к выводу, что скорость заполнения будет 57,2 Гпиксель/c.

Помимо пиксельных конвейеров, различают ещё так называемых текстурные блоки в каждом конвейере. Чем больше текстурных блоков, тем больше текстур может быть наложено за один проход конвейера, что также влияет на общую производительность всей видеосистемы. В графических процессорах, можно выделить и другой вид конвейеров – вершинные, они отвечают за расчёт геометрических параметров трёхмерного изображения.

Этапы формированием изображения:

1 Данные о вершинах текстур поступают в вершинные конвейеры, которые занимаются расчётом параметров геометрии. На этом этапе подключается блок «T&L» (Transform & Lightning). Этот блок отвечает за освещение и трансформацию изображения в трёхмерных сценах. Обработка данных в вершинном конвейере проходит за счёт программы вершинного шейдера (Vertex Shader).

2 На втором этапе формирования изображения подключается специальный Z-буфер, для отсечения невидимых полигонов и граней трёхмерных объектов. Далее происходит процесс фильтрации текстур, для этого вступают пиксельные шейдеры. В программных интерфейсах OpenGL или Direct3D описаны стандарты для работы с трёхмерными изображениями. Приложение вызывает определённую стандартную функцию OpenGL или Direct3D, а шейдеры эту функцию выполняют.

3 В завершающем этапе построения изображения в конвейерной обработке, данные передаются в специальный буфер кадров.

Объём памяти видеокарты

Память видеокарты играет роль кадрового буфера, в который направляются видеоданные, для дальнейшего считывания и обработки их графическим процессором, а также здесь хранятся текстуры. По личному опыту знаю, очень много людей выбирает видеокарту по объёму памяти, мол чем больше памяти тем лучше, но это не совсем так. Человек который практически не разбирается в характеристиках, будет на подсознательном уровне смотреть в сторону дешевой моделей и большим объёмом видеопамяти. 

Сколько нужно памяти?

Будем говорить усреднено, то есть относительно игровой нагрузки, не отклоняясь на рабочую специфику. Сколько используют видеопамяти современные игры? Каждая игра по-разному, но пиковые «запросы» относительно объёма видеопамяти, даже у требовательных игрушек, не такие уж и большие, как может показаться на первый взгляд.

В целом для разрешения 1920х1080 и ниже, целиком и полностью хватает 1024 Мбайт. А вот для игры в разрешениях 2560х1600, лучше приобрести видеокарту с большим объёмом видеопамяти.

Выводы

Для видеокарт бюджетного сегмента, не имеют смысла 2, 3, 4 Гб, так как зачастую они позиционируются под не требовательные игры и офисные задачи. Так что, в бюджетном диапазоне, рекомендуется покупать видеокарты с - 1 Гб

Для видеокарт средней и выше среднего производительности, которые позиционируется для игры на обычных разрешениях, вплоть до 1920х1080, хватит 1-1,5 Гб (для большинства игр).

Для топовых видеокарт рекомендую 2 Gb памяти, больше будет просто не к чему

Но главный вывод в том, что не нужно смотреть на средние модели с большим объёмом видеопамяти, в надежде, что это даст прирост производительности.

Пропускная способность памяти видеокарты и ее зависимость от «битности»

Ширина шины или сколько бит «нужно»

Ширина шины памяти – важнейший параметр, который косвенно влияет на общую производительность видеокарты. Сама по себе шина – это канал, соединяющий память и графический процессор видеокарты. А от ширины шины зависит количество данных, которое может быть передано графическому процессору и обратно в память за единицу времени. Соответственно, чем больше ширина шины видеопамяти, тем лучше. Рост производительности особенно заметен в требовательных играх, которые подкреплены утяжелением в виде максимального сглаживания и анизотропной фильтрации.

Классы битности шин памяти:

64 бита - класс бюджетного сегмента рынка. Видеокарты с такой шиной позиционируются для «облагораживания» бюджетных систем (но и то, там зачастую царят интегрированные решения), а также домашних ПК с нетребовательными задачами к графической производительности системы. Особенно нелепы такие видеокарты с большим объёмом видеопамяти.

128 бит – средний класс. Зачастую, такие видеокарты пригодны для полноценных домашних систем, с довольно широкими игровыми задачами, но часть игр всё равно будет не совсем пригодной для данного класса.

256 и 384 бит – топовый класс. Зачастую, идет в сочетании с хорошими частотными показателями, как памяти, так и ядра, неоспоримо, – это максимальная игровая производительность для всего и сразу.

Но, данная классификация является очень условной, нельзя оценивать видеокарту по одной лишь ширине шины памяти. К тому же, сама битность влияет на производительность лишь с жёсткой зависимостью от частоты видеопамяти. Эти два параметра рассчитывают пропускную способность памяти видеокарты (ПСП).

Пропускная способность памяти

Данный показатель зависит от двух параметров: частоты памяти и ширины шины.

С помощью формулы можно найти пропускную способность памяти, к примеру, какой-нибудь Radeon HD 7970.

Возьмем модель с эффективной частотой памяти 6000 МГц и шириной шины 384 бита (48 байт если перевести). ПСП = эффективная частота памяти х ширину шины памяти = 6000 х 48 = 288 Гбайт/с. Величину ПСП также можно посмотреть с помощью специальных программ, к примеру, GPU-z.

Какая же ширина шины оптимальна? Ответ на данный вопрос для каждого случая будет отличаться. Во-первых, нужно отталкиваться от задач, которые будут выполняться с помощью будущей системы. Во-вторых, необходимо помнить про баланс в параметрах видеокарты. Поэтому для определенной конфигурации, должна быть подобрана видеокарта с определенной шириной шины и другими показателями. И зависят они от задач и только от них.

Типы памяти видеокарты или «видеопамять GDDR»

Достаточно немаловажная характеристика – это тип памяти. А немаловажная потому, что две совершенно идентичные по характеристикам видеокарты, но с разным типом видеопамяти – будут очень существенно различаться по производительности.

Поэтому при покупке видеокарты, также нужно руководствоваться этим параметром.

Видеопамять GDDRх.

GDDR (graphics double data rate memory) – это подвид энергозависимой динамической памяти, которая предназначена для использования в видеокартах. GDDR отличается от DDR (оперативной памяти), хотя принципы и технологии для них являются общими. Среди основных отличий можно выделить: более низкое потребление у GDDR, по сравнению с DDR, к тому же, в GDDR применяются специальные методы управления буфером ввода -вывода, для улучшения пропускной способности. А также масса других улучшений. То есть, можно назвать GDDR более продвинутым видом памяти, нежели обычная оперативная память (DDR).

На сегодняшний день, основным типом памяти для видеокарт является GDDR, а именно – версии GDDR3 и GDDR5.

GDDR – первое поколение графической памяти с удвоенной скоростью передачи данных.

GDDR2 – это версия, которая базируется на обычной оперативной памяти DDR2 и отличается от нее, лишь вышеуказанными доработками. Имеет более высокие частотные показатели, по сравнению с GDDR. Аналогично сравнению оперативной памяти DDR и DDR2.

GDDR3 – это дальнейшее развитие графической памяти. Она также построена на модулях памяти DDR2. Технологически, данный тип памяти очень схож с GDDR2, но за счёт более эффективного потребления и тепловыделения, удалось увеличить частоту.

GDDR4 – тип памяти, который не набрал популярности и стал всего лишь переходной ступенью с GDDR3 на GDDR5.

GDDR5 – наконец наиболее продвинутый и последний вариант, среди поколений видеопамяти. За счёт того, что он построен на памяти DDR3, количество передаваемых бит за такт увеличено в два раза (с 2 до 4) по сравнению с GDDR3 и GDDR4. С приходом GDDR5, стало возможным увеличить ПСП в два раза по сравнению с GDDR3, при этом не увеличивая шину.

Выбор видеокарты GDDR3 или GDDR5

С учётом вышеуказанных факторов при выборе, стоит отдавать преимущество видеокартам с GDDR5-памятью на борту, ибо при равной шине памяти, мы получаем удвоенную пропускную способность. В системе может быть установлена видеокарта с типом памяти GDDR5 (как мы помним построенная на модулях DDR3) и оперативная память DDR2. Всё будет совместимо и прекрасно работать.

Технологии реалистичности трехмерного изображения

Технология MIP mapping

Основное назначение данной технологии – улучшение качественности текстурирования 3D-объектов.

Чтобы изображение выглядело более реалистичным, разработчикам необходимо учитывать, такое важное понятия, как глубина сцены. Реализм, в таком случае, предполагает качественное размытие по мере удаления изображения, а также, изменение, цветовых оттенков. Поэтому для построения любых видов поверхностей, используется множество различных текстур, что и даёт возможность регулировать данное явление. Если необходимо, к примеру, построить изображение дороги, которое стремится к горизонту, то в случае применение одной текстуры, о реализме можно просто-напросто забыть, так как на заднем плане появится сплошной цвет или мерцание.

Mip mapping дает возможность использования текстур с различной степенью детализации, что добавляет свои плюсы, к примеру, реалистичности дороге, которая описана выше.

Принцип действия заключается в определении для каждого пикселя изображения, соответствующей ему Mip-карте, ну а далее идёт выборка по одному текселу (пикселю карту), который присваивается пикселю. Вот такая сложная система, текстурирования изображения.

Технологии фильтрации

Эти технологии, как правило, используются совместно с технологией Mip mapping. Технологии фильтрации необходимы для того, чтобы исправить различные артефакты текстурирования. Если говорить просто, то смысл фильтрации заключается в том, чтобы рассчитать цвет объёкта по соседним пикселям.

Фильтрация бывает разных видов:

Билинейная. Когда объект находится в движении, могут быть заметны различного рода перетаскивания пикселей, что в свою очередь вызывает эффект мерцания. Для снижения данного эффекта, используется билинейная фильтрация, принцип работы которой заключается в выборке четырех соседних пикселей, для отображения поверхности текущего.

Трилинейная. Принцип работы трилинейной фильтрации схож с билинейной, но уже более продвинутый, здесь для определения цвета текущего пикселя, берется среднее значение 8 пикселей. Трилинейная фильтрация решает множество ошибок связанных с текстурированием объектов и ошибочным расчётом глубины сцены.

Анизатропная фильтрация. Наиболее продвинутый тип фильтрации и на сегодняшний день используется во всех новых видеоадаптерах. С помощью анизатропной фильтрации один пиксель рассчитывается по 8-32 текселам (текстурным пикселям).

Anti-aliasing (Технология сглаживания)

Суть технологии Anti-aliasing, заключается в устранении зазубренности краев объектов, проще говоря – в сглаживании изображения.

Зазубренные края (эффект лестницы), возникают за счёт того, что пиксели имеют фиксированный размер и у них имеются острые края, которые и создают данный паразитный эффект. С этим эффектом успешно борются способом увеличения разрешения, тем самым уменьшения размера пикселя, после чего он просто становится незаметен невооружённому глазу. Но если посредством увеличения разрешения монитора побороть это негативное влияние не удается – на помощь приходит anti-aliasing.

Принцип действия наиболее распространённой технологии сглаживания, заключается в создании плавного перехода, между границей и цветом фона. Цвет точки, которые лежит на границе объектов, определяется средним значением граничных точек.