مروری کامل بر کارت گرافیک

کارت گرافيک( که با نام‌هاي کارت ويدئو، کارت نمايشگر، آداپتور نمايشگر، آداپتور گرافيک و برد گرافيک نيز شناخته مي‌شود) يک کارت توسعه است که تصاوير خروجي را براي نمايشگر توليد مي‌کند. اکثر کارت‌هاي گرافيک، توابع مختلفي مانند شتاب دهنده‌ي رندر صحنه‌هاي سه ‌بعدي و دو بعدي، رمز گشايي کردن MPEG-2/MPEG-4، خروجي تلويزيون و يا قابليت اتصال چند مانيتور را ارائه مي‌کنند . در ادامه مروری کامل  بر کارت گرافیک خواهیم داشت و انواع آن را بررسی می کنیم با فروشگاه اینترنتی هدف همراه شوید.

مقدمه

هدف اوليه از توليد کارت گرافیک تبديل سيگنال هاي ديجيتال کامپيوتري به سيگنال هاي آنالوگ سازگار با مانيتور بود . بنابراين کارت هاي گرافيک اوليه از چند بخش اصلي تشکيل مي شدند که در زير به آنها اشاره مي کنيم .

حافظه : وظيفه ي حافظه ذخيره کردن رنگ هر پيکسل است . در يک سيستم monochrome تنها يک بيت براي ذخيره سازي هر پيکسل کافي است که مي تواند رنگ هاي سياه و سفيد را ذخيره کند . اگر در يک کارت گرافیک 8 بيت به هر پيکسل اختصاص داده شده باشد ، اين سيستم قادر به نمايش 256 رنگ مي باشد . در چنين سيستمي براي ذخيره ي يک تصوير 640*480 ، در کل 307200 بيت حافظه نياز خواهيم داشت .

اينترفيس کامپيوتر : از آنجايي که کارت هاي گرافيک اوليه داراي پردازنده جداگانه نبودند ، نياز به روشي براي تغيير محتويات حافظه توسط پردازنده بود . اين ارتباط از طريق برد اصلي برقرار مي شد .

اينترفيس ويدئو : وظيفه ي تبديل سيگنال هاي ديجيتال به آنالوگ به عهده ي واحد DAC
(digital to analog converter) مي باشد . اين عمل به ترتيب براي همه ي پيکسل هاي صفحه تکرار شده و سپس يک سيگنال sync ارسال مي گردد . سيگنال هاي توليد شده بوسيله ي يک کابل آنالوگ مانند VGA براي مانيتور CRT فرستاده مي شوند .

رابط AGP (Accelerated Graphics Port) :

براي نمايش تصاوير ويديويي و بازي هاي کامپيوتري به کارت هايي با سرعتي بالاتر از PCI  نياز است. در سال 1996  شرکت اينتل تکنولوژي AGP  را که نسخه ي اصلاح شده ي گذرگاه PCI است عرضه نمود که با سرعتي به مراتب بالاتر عمل مي کند. تنها قطعه اي که مي تواند از طريق AGP به پردازنده و حافظه مرتبط شود ، کارت گرافیک است و اين گذرگاه با Device هاي ديگر به اشتراک گذاشته نخواهد شد. AGP از يک pipeline براي افزايش سرعت خود استفاده مي کند. به اين معنا که به طور هم زمان يک داده در حال پردازش شدن، و داده ي بعدي در حال انتقال به حافظه ي کارت گرافيک است . اين خط لوله از اتلاف وقت براي انتقال داده ها جلوگيري مي کند . بر خلاف PCI ، اين گذرگاه نيازي به انتقال Texture ها از رم سيستم به حافظه ي کارت گرافیک ندارد و بخشي از  RAM را به  Texture Map اختصاص مي دهد . به اين ترتيب در استفاده از حافظه ي گران قيمت کارت گرافیک صرفه جويي مي شود . (Texture ها جزئياتي هستند که به يک شيء سه بعدي خام داده مي شوند به اصطلاح روي شکل Map مي شوند.)

گذرگاه PCI Express :

PCI Express يا 3GIO از نظر نرم افزاري کاملا با PCI مطابقت دارد. به عبارت ديگر تنظيمات و درايور هاي قطعات ، کاملا مشابه مدل هاي PCI آنها مي باشد . در اين مدل امکان استفاده از چند کانال مجازي بر روي يک اتصال فيزيکي فراهم گشته که هريک از اين اتصالات به صورت Point-to-Point عمل مي کند . براي اشتراک گذاري يک باس بين چند دستگاه I/O از عنصر switchاستفاده مي شود .  

برخي از خصوصيات PCI Express عبارتند از :

• توان مصرفي پايين
• حفظ سلامتي داده ها در مسير انتقال و بررسي Error در پايان هر مسير
• اتصال Peer-To-Peer ميان گره ها
• بسته بندي و طبقه بندي کردن داده ها قبل از ارسال

هر اتصال PCI Express از يک يا تعدادي خط LANE تشکيل شده که شامل دو رشته سيم است . يکي براي ارسال و ديگري براي دريافت .

حالا وقتشه! اینو بخون راهنمای خرید کارت گرافیک | کدام کارت گرافیک برای شما مناسب است؟

واحد های پردازش کارت گرافیک  (Shaders)

در قسمت هاي قبل اشاره شد که CPU براي انجام عمليات گرافيکي مناسب نيست . دليل اين مساله اين است که CPU کامپيوتر هاي شخصي از يک تا حداکثر 16 هسته پردازنده تشکيل شده . در صورتي که مثلا در يک تصوير HD بيش از يک ميليون پيکسل وجود دارد که انجام عمليات گرافيکي به صورت سري روي تک تک اين پيکسل ها کاري زمان بر خواهد بود . در نظر داشته باشيد که اين عمليات بايد براي هر فريم دوباره تکرار شود و اين کار وقت پردازنده را به مقدار زيادي اشغال مي کند .

در يک GPU تعداد زيادي ( از حدود صد تا بيش از هزار ) واحد پردازشي تعبيه شده که عمليات گرافيکي را به صورت موازي انجام مي دهند . به اين واحد هاي پردازشي shader گفته مي شود . shader ها در فرکانسي پايين تر از فرکانس CPU کار مي کنند و فقط براي انجام عمليات خاصي ساخته شده اند .

در يک کارت گرافیک سه نوع shader مي تواند وجود داشته باشد :

Vertex Shaders: وظيفه ي اين واحد ها تبديل تصاوير سه بعدي به تصاويري با مختصات دو بعدي است تا بتوان آنها را روي نمايشگر دو بعدي نمايش داد. تصاوير تبديل شده بايد همچنان سه بعدي به نظر برسند . دقيقا مثل يک مکعب که روي يک قطعه کاغذ کشيده شده باشد . به اين عمل projection گفته مي شود .

Geometry Shaders: اين قسمت فقط در کارت هاي گرافيک جديد تر وجود دارد و باعث افزايش سرعت رسم اشکال مي شود به اين صورت که بعضي الگوريتم هاي رسم را به صورت سخت افزاري پياده سازي مي کند . مثلا يک نرم افزار گرافيکي ابعاد يا مختصات شکل مورد نظر را به اين واحد مي دهد و سپس کار رسم توسط سخت افزار انجام خواهد شد . از کاربرد هاي ديگر Geometry Shader محاسبه ي اندازه ي سايه ي اجسام سه بعدي و پردازش نقطه ي ديد به صورت real time است .

حالا وقتشه! اینو بخون نقد و بررسی کارت گرافیک Gigabyte AORUS GeForce RTX 2060 Super : جذاب و قدرتمند

Pixel Shaders: اين قسمت که در پايان خط لوله ي پردازش قرار دارد عمليات روي پيکسل ها را به عهده دارد. اين عمل مي تواند يک تغيير ساده مثل افزايش شدت روشنايي يا پردازش هاي سنگين مثل اعمال فيلتر هايي همچون blur باشد . اين واحد ها مي توانند عمليات texture mapping و bump mapping را انجام دهند .

يکي ديگر از وظايف pixel shader انجام عمليات مربوط به Z-buffer است . Z-buffer در واقع عمق يک پيکسل را مشخص مي کند . براي مثال ممکن است در يک تصوير دو شيء پشت سر يکديگر قرار گرفته باشند . در چنين حالتي نقاطي از اين دو شيء وجود دارند که داراي مختصات افقي و عمودي يکسان هستند و فقط در عمق تفاوت دارند . در چنين حالتي بايد نقطه اي براي نمايش در خروجي انتخاب شود که فاصله ي کمتري از نقطه ي ديد دارد و اگر نقطه اي که نزديک تر است داراي شفافيت باشد بايد رنگ آن به ميزان مشخصي با رنگ نقطه ي عقبي ترکيب شود .

در کارت هاي گرافيکي جديد تر سه نوع shader بالا با هم ترکيب شده و سايه زن هاي يک پارچه unified shaders را تشکيل داده اند . يک واحد unified shader مي تواند هريک از عمليات بالا و يک سري عمليات ديگر را در زمان هاي مختلف انجام دهد . به اين ترتيب از اين واحد ها به صورت بهينه استفاده مي شود و استفاده از کارت گرافیک براي پردازش هاي غير گرافيکي تسهيل مي شود .

پردازش های غیر گرافیکی :

همان طور که در قسمت قبل اشاره شد CPU از تعداد محدودي هسته ي پردازشي با سرعت بسيار بالا تشکيل شده که براي انجام پردازش هاي سري يا کاربرد هايي که نياز به درجه ي چند پردازشي بالايي ندارند ايده آل است . در مقابل هسته ي کارت گرافیک شامل تعداد زيادي Shader است که مي توانند به صورت هم زمان و البته با سرعت پايين تر کار کنند . بنابراين براي کاربردهايي که شامل تعداد زيادي وظيفه مي باشند که مي توانند به صورت موازي پردازش شوند بهتر است در صورت امکان از GPU به جاي CPU استفاده کنيم .

يک راه براي انجام عمليات غير گرافيکي در GPU استفاده از زبان هاي برنامه سازي است که براي چنين کاري طراحي شده اند . مشهور ترين اين زبان ها OpenCL است که کاملا Cross-platform بوده و در هر سيستم عاملي و براي هر کارت گرافيکي مي توان از آن استفاده کرد .

يک راه حل ساده تر استفاده از API هايي است که سازندگان کارت گرافیک براي محصول خود ارائه مي کنند . با استفاده از اين API ها نياز نيست به زبان هايي مثل OpenCL تسلط داشته باشيد . بلکه مي توان با زبان هاي برنامه نويسي رايجي مثل c++  و fortran برنامه هايي نوشت که از GPU استفاده مي کنند . شرکت Nvidia براي محصولات خود CUDA را ارائه کرده و شرکت AMD نيز براي کارت هاي گرافيکي ATI يک API ارائه کرده که APP نام دارد . تا به حال CUDA بهتر از APP عمل کرده و محبوب تر است .

در نرم افزاي هايي که نياز به render کردن تصاوير دارند مانند نرم افزار هاي ويرايش فيلم و تبديل کننده ها به طور عمده از اين دو API استفاده مي شود . به عنوان مثال نرم افزار Xilisoft Video Converter در صفحه ي اصلي خود گزينه هايي براي فعال يا غير فعال سازي حالت استفاده از کارت گرافيک قرار داده .

علاوه بر امکانات نرم افزاري و برنامه نويسي ، در سخت افزار کارت هاي گرافيکي مدرن نيز امکاناتي براي پردازش هاي غير گرافيکي خاصي در نظر گرفته شده . يکي از اين کاربرد هاHardware Decoding است . در بيشتر GPU هاي جديد خط لوله اي طراحي شده که مي تواند کدگشايي فرمت هاي تصويري مانند MPEG و H/264 را به صورت سخت افزاري انجام دهد. اين خط لوله باعث مي شود ويدئو هاي با کيفيت بالا به صورت روان تر و بهينه تري اجرا شوند و بار پردازش آن را از CPU به GPU منتقل مي کند .

اين مساله در Smart Phone هايي که داراي GPU هستند اهميت بيشتري پيدا مي کند . در بعضي نرم افزار هاي پخش  کننده ي ويدئو در موبايل مانند MX Player در قسمت تنظيمات گزينه اي وجود دارد که استفاده از Hardware Decoder را فعال مي کند . با توجه به قدرت محدود CPU گوشي هاي هوشمند و از آن مهم تر محدوديت ظرفيت باتري اين دستگاه ها ، استفاده از اين گزينه باعث مي شود ويدئو هاي با کيفيت بالاتري در گوشي قابل پخش باشد و عمر شارژ باتري به طور قابل ملاحظه اي افزايش مي يابد .

DirectX و OpenGL :

فرض کنيد مي خواهيم يک بازي سه بعدي طراحي کنيم . اگر بخواهيم رسم تمام اشياء ، افکت هاي ويژه مانند Motio blur ، و افکت هاي فيزيکي مانند سايه ي اجسام يا بلند شده بخار و دود را خودمان طراحي کنيم ، ساخت اين بازي سال ها زمان مي برد . براي چنين کارهايي API هايي ساخته شده که در طراحي اين جلوه ها به برنامه ساز کمک مي کنند . البته نرم افزار هايي مانند Maya و 3DMax نيز ساخته شده که از اين API ها استفاده ميکنند و به طراح اجازه مي دهند بدون نياز به کد نويسي اشکال و صحنه هاي مورد نظر خود را طراحي کنند .

مقایسه ی DirectX و OpenGL :

Directx از ابتدا توسط شرکت مايکروسافت با هدف طراحي بازي ساخته شده در حالي که هدف اوليه از ساخت OpenGL کاربرد هاي طراحي CAD بود اما نسخه هاي بعدي OpenGL هم توجه بيشتري به ساخت بازي نشان دادند . با اين حال هنوز در ساخت بازي هاي سنگين سه بعدي از DirectX بيشتر استفاده مي شود . DirectX به طور بهينه تري از امکانات سخت افزاري کارت هاي گرافيکي Nvidia و ATI استفاده مي کند به اين دليل که شرکت مايکروسافت به طور پيوسته با سازندگان اين دو نوع کارت گرافيکي ارتباط برقرار مي کند و نسخه ي بعدي محصول خود را با توجه به آخرين تغييرات اعمال شده در اين کارت هاي گرافيکي بهينه مي کند . در حالي که يکي از اصول OpenGL خاصيت Cross-Platform بودن آن است و بهينه سازي را منحصر به انواع خاصي از کارت گرافيکي نمي کند. OpenGL بر روي هر سيستم عاملي و هر کارت گرافيکي قابل استفاده است در حالي که DirectX تنها براي ويندوز ساخته شده و روي کارت هاي گرافيکي خاصي عملکرد بهتري دارد .

Overclocking  :

سازندگان کارت هاي گرافيک فرکانس GPU را طوري تنظيم مي کنند که حتي در صورت مناسب نبودن سيستم خنک کننده ، حرارت کارت گرافيک از حد مجاز فراتر نرود و در نتيجه آسيبي به آن وارد نشود . اما اگر به عملکرد سيستم خنک کننده اطمينان داريد مي توانيد اين فرکانس را بالاتر ببريد و در نتيجه قدرت کارت گرافيکي خود را افزايش دهيد .

براي اين کار نرم افزار هاي زيادي وجود دارد از جمله riva tuner, MSI afterburner, GPU tweak, ATI tool , Nvidia inspector, sapphire trixx, …

در چند سال گذشته riva tuner مشهور ترين نرم افزار در اين زمينه بود اما با توجه با update نشدن اين نرم افزار ، کارت هاي گرافيکي جديد را پشتيباني نمي کند . در حال حاضر بهترين نرم افزار تنظيم فرکانس براي کارت هاي گرافيکي   Nvidia نرم افزار Nvidia inspector است که توسط خود اين شرکت ارائه شده و براي کارت هاي گرافيکي ATI بهترين گزينه sapphire trixx مي باشد .

در تمامي اين نرم افزار ها دو گزينه ي اصلي در کنترل شما قرار مي گيرد . core clock و memory clock . در نرم افزار Nvidia inspector يک گزينه ي اضافي به نام shadre clock وجود دارد که بايد همواره به اندازه ي دو برابر core clock  تنظيم شود . اين فرکانس ها بايد به آرامي و مرحله به مرحله افزايش يابند . بعد از هر بار افزايش فرکانس بايد يک تست پايداري انجام شود . براي انجام اين تست نرم افزار هاي مختلفي مانند  3D Mark و Aqua Mark وجود دارد که چند دموي سنگين اجرا کرده و در صورت پايداري فرکانس يک نمره به کارت گرافيکي Overclock شده مي دهد که با مقايسه ي آن با نمره اي که قبل از Overclock داده شده ، مي توانيد ميزان افزايش قدرت را محاسبه کنيد . راه ديگر انجام تست پايداري اجراي يک بازي سنگين است . اگر فرکانس کارت گرافيک از محدوده ي پايداري فراتر رفته باشد نقطه هاي سفيدي روي صفحه نمايش ظاهر مي شود و در اين حالت بايد فرکانس را کاهش دهيد . با فرکانس بالاتر بازي روان تر اجرا خواهر شد . براي دقت بيشتر در اندازه گيري ميزان افزايش قدرت مي توانيد از نرم افزار fraps استفاده کنيد که ميزان frame rate را نمايش مي دهد .

در Overclocking به جز پايداري مساله ديگري که اهميت دارد دماي کارت گرافيک است . با افزايش فرکانس دما نيز افزايش مي يابد و در صورتي که از دماي مجاز فراتر رود به کارت گرافيک آسيب مي رسد . البته درايور کارت هاي گرافيکي مدرن در صورتي که دما به حداکثر ميزان مجاز برسد فرکانس GPU را به مقدار زيادي کاهش مي دهد تا دما کاهش يابد که البته باعث افت شديد سرعت مي شود . بنابراين بعد از تنظيم فرکانس حداقل به مدت نيم ساعت يک بازي يا نرم افزار گرافيکي سنگين اجرا کنيد و به طور پيوسته دماي کارت گرافيک را اندازه بگيريد . اگر دماي کارت گرافيک زياد بود بايد فرکانس آن را کاهش دهيد . حداکثر دماي مجاز براي هر GPU متفاوت است ولي به طور معمول نبايد دما به 90 درجه سانتي گراد برسد . در برخي نرم افزار هاي Overclocking گزينه اي نيز براي کنترل سرعت خنک کننده وجود دارد که مي تواند به کنترل دما کمک کند .

بنابراين اگر کارت گرافيک به صورت اصولي Overclock شود آسيبي آن را تهديد نمي کند اما اين کار براي laptop ها توصيه نمي شود چون فضا براي خروج دماي اضافي وجود ندارد .

انتقال دیجیتال : مانيتور هاي LCD و LED نيازي به تبديل سيگنال هاي ديجيتال به آنالوگ ندارند و مي توانند تصاوير باينري را نمايش دهند . بنابراين اگر تصاوير به صورت ديجيتال براي اين مانيتور ها فرستاده شود ، سرعت و کيفيت افزايش خواهد يافت . براي اين انتقال در کامپيوتر ها به طور عمده از کابل DVI و در تلويزيون ها از کابل HDMI استفاده مي شود . مزيت HDMIنسبت به DVI اين است که اتصال دهنده ي کوچکتري دارد و مي تواند صدا را نيز منتقل کند .

CrossFire و SLI :

Cross fire توسط ATI و SLI توسط Nvidia ارائه شده است . اگر بخواهيم در يک کامپيوتر از دو کارت گرافيک به طور هم زمان استفاده کنيم از کارت هاي گرافيک داراي تکنولوژي هاي فوق استفاده مي کنيم . دو کارت گرافيک Nvidia که داراي GPU يکسان باشند مي توانند هم زمان کار کنند و همين طور يک کارت گرافيک ATI CrossFire edition را مي توانيد در کنار يک کارت گرافيک ATI Cross Ready قرار دهيد . لازم به ذکر است که اين تکنولوژي ها فقط با گذرگاه PCIExpress کار مي کنند . براي اين کار به مادربرد هاي خاص که چنين قابليتي داشته باشند نياز است .