کارت های گرافیک چگونه کار می کنند؟

تصاویری که در مانیتور کامپیوتر خود می بینید از نقاط کوچکی به نام پیکسل ساخته شده اند. در اکثر تنظیمات رزولوشن ، یک صفحه نمایش بیش از 2 میلیون پیکسل را نشان می دهد و رایانه باید تصمیم بگیرد که با هر کدام چه کند تا بتواند یک تصویر ایجاد کند. برای انجام این کار، به یک مبدل نیاز دارد .چیزی برای گرفتن داده های باینری از CPU و تبدیل آن به تصویری که می توانید ببینید. این مبدل به عنوان یک پردازنده گرافیکی یا GPU شناخته می شود.

اکثر لپ‌تاپ‌ها و دسک‌تاپ‌های سطح پایه در حال حاضر دارای یک GPU ثانویه هستند که در پردازنده اصلی خود آن تعبیه شده است که به عنوان گرافیک یکپارچه (ONBOARD) شناخته می‌شود . با این حال، ماشین‌های سطح حرفه‌ای یا سفارشی اغلب فضایی برای کارت گرافیک اختصاصی دارند. مزیت کارت گرافیک این است که معمولاً می تواند تصاویر پیچیده تری را بسیار سریعتر از یک تراشه یکپارچه ارائه دهد.

کار کارت گرافیک پیچیده است، اما درک اصول و اجزای آن آسان است. در این مقاله، به بخش‌های اساسی کارت گرافیک و کارهایی که آنها انجام می‌دهند، خواهیم پرداخت. ما همچنین عواملی را که با یکدیگر برای ساختن یک کارت گرافیک سریع و کارآمد کار می کنند، بررسی خواهیم کرد.

کامپیوتر را به عنوان یک شرکت با بخش هنری خاص خود در نظر بگیرید. هنگامی که افراد یک شرکت اثر هنری می خواهند، درخواستی را به بخش هنری ارسال می کنند. بخش هنر تصمیم می گیرد که چگونه تصویر را ایجاد کند و سپس آن را روی کاغذ قرار می دهد. نتیجه نهایی این است که ایده یک نفر به یک تصویر واقعی و قابل مشاهده تبدیل می شود.

یک کارت گرافیک با همان اصول کار می کند. CPU که با برنامه های نرم افزاری کار می کند، اطلاعات مربوط به تصویر را به کارت گرافیک ارسال می کند. کارت گرافیک تصمیم می گیرد که چگونه از پیکسل های روی صفحه برای ایجاد تصویر استفاده کند. سپس آن اطلاعات را از طریق کابل به مانیتور ارسال می کند.

ایجاد یک تصویر از داده های باینری یک فرآیند سخت است. برای ایجاد یک تصویر سه بعدی ، کارت گرافیک ابتدا یک قاب سیمی از خطوط مستقیم ایجاد می کند. سپس، تصویر را شطرنجی می کند (پیکسل های باقی مانده را پر می کند). همچنین نور، بافت و رنگ را اضافه می کند. برای بازی های سریع، کامپیوتر باید این فرآیند را حدود 60 تا 120 بار در ثانیه طی کند. بدون کارت گرافیک برای انجام محاسبات لازم، حجم کاری برای رایانه بسیار زیاد است.

کارت گرافیک این کار را با استفاده از چهار جزء اصلی انجام می دهد:

• مادربرد برای اتصال داده ها و برق
• یک پردازنده گرافیکی (GPU) برای تصمیم گیری با هر پیکسل روی صفحه
• حافظه ویدیویی (VRAM) برای نگهداری اطلاعات مربوط به هر پیکسل و ذخیره موقت تصاویر تکمیل شده
• اتصال مانیتور برای اینکه بتوانید نتیجه نهایی را ببینید
  در ادامه به بررسی جزئیات بیشتر پردازنده و حافظه خواهیم پرداخت.

پردازنده گرافیکی

کارت گرافیک مانند مادربرد یک برد مدار چاپی است که پردازنده و VRAM را در خود جای داده است . همچنین دارای یک تراشه سیستم ورودی/خروجی (BIOS) است که تنظیمات کارت را ذخیره می کند و در هنگام راه اندازی حافظه ، ورودی و خروجی را تشخیص می دهد .

پردازنده کارت گرافیک که واحد پردازش گرافیکی (GPU) نامیده می شود، مشابه پردازنده مرکزی کامپیوتر است. با این حال، یک GPU به طور خاص برای انجام محاسبات پیچیده ریاضی و هندسی که برای رندر گرافیکی ضروری هستند، طراحی شده است. برخی از سریع ترین GPU ها ترانزیستور بیشتری نسبت به CPU متوسط ​​دارند.

یک GPU گرمای زیادی تولید می کند، بنابراین معمولاً در زیر یک هیت سینک یا یک فن قرار می گیرد. تراشه‌های یکپارچه کمی متفاوت هستند، زیرا VRAM مخصوص به خود را ندارند و باید از همان ذخیره‌سازی رم CPU استفاده کنند. این تمایز ممکن است باعث شود که حافظه سیستم شما در هنگام بازی با یک GPU یکپارچه کم شود.

یک GPU علاوه بر قدرت پردازشی خود، از برنامه نویسی خاصی برای کمک به تجزیه و تحلیل و استفاده از داده ها استفاده می کند. AMD و nVidia اکثریت قریب به اتفاق GPU های موجود در بازار را تولید می کنند و هر دو شرکت پیشرفت های خود را برای عملکرد GPU توسعه داده اند. پردازنده های ویدیویی امروزی می توانند موارد زیر را ارائه دهند:

• Anti-aliasing صحنه کامل (FSAA)، که لبه های اجسام سه بعدی را صاف می کند
• فیلتر ناهمسانگرد (AF)، که باعث می شود تصاویر واضح تر به نظر برسند
• فیزیک زمان واقعی و اثرات ذرات
• نمایشگرهای چند صفحه ای
• خروجی ویدیو با نرخ فریم بالا
• ویدیوی فوق العاده با کیفیت با میلیون ها پیکسل
• محاسبات با شتاب GPU

هر شرکت همچنین تکنیک های خاصی را برای کمک به GPU در اعمال رنگ ها، سایه ها، بافت ها و الگوها توسعه داده است.

همانطور که GPU تصاویر را ایجاد می کند، به جایی برای نگهداری اطلاعات و تصاویر تکمیل شده نیاز دارد. برای این منظور از رم کارت استفاده می کند و داده های مربوط به هر پیکسل، رنگ و مکان آن را روی صفحه ذخیره می کند. بخشی از VRAM همچنین می تواند به عنوان یک فریم بافر عمل کند، به این معنی که تصاویر تکمیل شده را تا زمان نمایش آنها نگه می دارد. به طور معمول، رم ویدیویی با سرعت بسیار بالا کار می کند و دارای دو پورت است، به این معنی که سیستم می تواند همزمان از روی آن بخواند و بنویسد.

کارت‌های ویدئویی مدرن به یک اسلات توسعه PCIe x16 متصل می‌شوند . کامپیوترهای فرم فاکتور کوچک با گرافیک یکپارچه، مانند لپ تاپ ها و مینی دسکتاپ ها، ممکن است دارای چنین شکافی نباشند. با این حال، کارت‌های گرافیک را می‌توان با استفاده از یک دستگاه راه‌حل پرهزینه به نام GPU خارجی متصل کرد .

تکامل کارت های گرافیک
از زمانی که IBM اولین کارت گرافیک را در سال 1981 معرفی کرد، کارت‌های گرافیک راه درازی را پیموده‌اند. این کارت که آداپتور نمایشگر تک رنگ (MDA) نامیده می‌شود، نمایش‌های متنی از متن سبز یا سفید را بر روی صفحه سیاه ارائه می‌دهد. اکنون، هم کارت‌های گرافیک و هم تراشه‌های یکپارچه می‌توانند به راحتی سیگنال HD (1920 x 1080 پیکسل) را از طریق کابل HDMI یا DisplayPort ارسال کنند. کارت‌های مستقل اغلب ویدیوهای Ultra HD 4K (3840 x 2160) را با وضوح‌های بالاتر در پردازنده‌های گرافیکی با مشخصات بالاتر منتشر می‌کنند.

انتخاب یک کارت گرافیک خوب

یک کارت گرافیک پیشرفته به راحتی قابل تشخیص است. دارای حافظه زیاد و پردازنده سریع است . اغلب، از نظر بصری نیز جذاب تر از هر چیز دیگری است که قرار است داخل کیس کامپیوتر قرار گیرد. تعداد زیادی از کارت‌های گرافیکی با کارایی بالا به تصویر کشیده شده‌اند یا دارای فن‌های تزئینی یا هیت سینک هستند.

اما یک کارت رده بالا قدرت بیشتری از آنچه که بیشتر مردم واقعاً نیاز دارند را ارائه می دهد. افرادی که از رایانه خود عمدتاً برای ایمیل، پردازش متن یا رسانه های اجتماعی استفاده می کنند، می توانند تمام پشتیبانی گرافیکی لازم را در یک CPU با گرافیک یکپارچه پیدا کنند. یک کارت میان رده برای اکثر گیمرهای معمولی کافی است. افرادی که به قدرت یک کارت رده بالا نیاز دارند عبارتند از علاقه مندان به بازی و افرادی که کارهای گرافیکی سه بعدی زیادی انجام می دهند.

یک اندازه گیری کلی خوب از عملکرد یک کارت، نرخ فریم آن است که بر حسب فریم در ثانیه (FPS) اندازه گیری می شود. نرخ فریم نشان می‌دهد که کارت می‌تواند چند تصویر کامل در هر ثانیه نمایش دهد. چشم انسان می‌تواند در هر ثانیه حدود 25 فریم را پردازش کند، اما بازی‌های اکشن سریع به نرخ فریم حداقل 60 فریم در ثانیه برای ارائه انیمیشن و اسکرول روان نیاز دارند. اجزای فریم ریت عبارتند از:

مثلث یا رئوس در ثانیه: تصاویر سه بعدی از مثلث یا چندضلعی ساخته می شوند. این اندازه گیری توصیف می کند که GPU با چه سرعتی می تواند کل چند ضلعی یا راس هایی را که آن را تعریف می کنند محاسبه کند. به طور کلی، توضیح می دهد که کارت با چه سرعتی یک تصویر قاب سیمی ایجاد می کند.
نرخ پر شدن پیکسل: این اندازه‌گیری تعداد پیکسل‌هایی را که GPU می‌تواند در یک ثانیه پردازش کند، توصیف می‌کند که به سرعت می‌تواند تصویر را شطرنجی کند.
سخت افزار کارت گرافیک مستقیما روی سرعت آن تاثیر می گذارد. اینها مشخصات سخت افزاری هستند که بیشتر بر سرعت کارت و واحدهایی که در آنها اندازه گیری می شوند تأثیر می گذارد:

• سرعت ساعت GPU (MHz)
• اندازه گذرگاه حافظه (بیت)
• مقدار حافظه موجود (MB)
• نرخ ساعت حافظه (MHz)
• پهنای باند حافظه (GB/s)

CPU و مادربرد رایانه نیز نقش دارند، زیرا یک کارت گرافیک بسیار سریع نمی تواند ناتوانی مادربرد در تحویل سریع داده ها را جبران کند. به طور مشابه، اتصال کارت به مادربرد و سرعت دریافت دستورالعمل از CPU بر عملکرد آن تأثیر می گذارد.

گرافیک یکپارچه و Overlocking
بسیاری از CPU ها دارای قابلیت های گرافیکی یکپارچه هستند و بدون کارت گرافیک جداگانه کار می کنند. این پردازنده ها تصاویر دو بعدی را به راحتی مدیریت می کنند، بنابراین برای بهره وری و کاربردهای اینترنتی ایده آل هستند. وصل کردن یک کارت گرافیک جداگانه به یکی از این سیستم ها، عملکردهای گرافیکی آنبرد را لغو می کند.

برخی از افراد ترجیح می دهند با تنظیم دستی سرعت ساعت خود روی نرخ بالاتری که به عنوان اورکلاک شناخته می شود، عملکرد کارت گرافیک خود را بهبود بخشند . مردم معمولا حافظه خود را اورکلاک می کنند، زیرا اورکلاک کردن پردازنده گرافیکی می تواند منجر به داغ شدن بیش از حد شود . در حالی که اورکلاک می تواند به عملکرد بهتر منجر شود، ضمانت سازنده را نیز باطل می کند.

سوالات متداول کارت گرافیک