Какой техпроцесс в видеокарте

Обновлено: 21.11.2024

Это действительно, как пел Пол Саймон, дни чудес и чудес. Кажется почти невероятным, что инженерам удалось спроектировать и построить машину, размеры компонентов которой составляют всего 40 нм в поперечнике. Это всего одна тысячная диаметра человеческого волоса.

И все же мы делаем такие устройства прямо сейчас. Их называют общими процессорами, и они начинают конкурировать с центральным процессором за его давнее звание самого волшебного инженерного решения, которое можно найти в компьютере.

С какой угрозой сталкивается ЦП? Рассмотрим топовый процессор для настольных ПК, такой как четырехъядерный вариант Sandy Bridge процессора Intel Core i7. Он может похвастаться чуть меньше миллиарда транзисторов. Передовой процессор общего назначения, такой как AMD Cayman, используемый в графической карте Radeon HD 6970, имеет 2,64 млрд транзисторов.

Учитывая, что он может похвастаться не менее чем 1536 шейдерными процессорами, 24 модулями SIMD (одна инструкция и несколько данных) и 32 ROP (блоками растровых операторов), это, пожалуй, неудивительно. Это история о том, как создаются графические процессоры AMD — как идея превращается в кремний, используя самые передовые и сложные инженерные методы и механизмы. Читайте дальше, пока мы погружаемся в настоящие дни чудес и чудес.

1. Дизайн высокого уровня

Проектирование общего процессорного блока начинается не с мысли о транзисторах или медных дорожках, а с чего-то, называемого спецификацией требований к продукту, или PRS, — определением приоритетов всех функций, которые должен иметь новый чип. Это может показаться не слишком захватывающим, но PRS действует как контрольный список на протяжении всего процесса проектирования.

Учитывая, что проектирование является очень дорогостоящим мероприятием с точки зрения времени и денег, жизненно важно, чтобы PRS давал адекватный ответ на вопрос: "Что именно мы пытаемся создать здесь?"

Обычно для завершения PRS требуется шесть месяцев. Тысячи инженеров, в том числе архитекторы, проектировщики аппаратного обеспечения, проектировщики плат, инженеры по валидации, инженеры по программному обеспечению и инженеры по прошивке/BIOS, а также представители управления продуктами, управления технологиями и взаимодействия с разработчиками.

Документ имеет форму базы данных и может включать более 1000 функций, каждая из которых может представлять собой что угодно, от странного предложения до спецификации на 100 страниц.

Еще один результат проектирования высокого уровня, с которым знакомы наиболее технически подкованные пользователи ПК, — это блок-схема. Хотя он не имеет ничего общего с тем, как элементы графического процессора будут расположены на кристалле, он включает в себя каждый из основных функциональных блоков и показывает, как между ними проходят сигналы.

2. План помещения и список соединений

Команды инженеров приступили к работе над двумя отдельными областями дизайна. Во-первых, необходимо определить план помещения. Это физическое представление, которое будет учитывать предполагаемый размер каждого блока и его положение относительно других блоков.

Здесь учитывается, сколько сигналов проходит между блоками с целью уменьшения длины путей. Тем временем другие инженеры работают над дизайном каждого из блоков на уровне компонентов.

Однако это совсем не похоже на проектирование электронных схем в представлении неспециалиста. Вместо принципиальной схемы проект создается на языке описания оборудования, таком как VDHL. Если вам интересно, эта составная аббревиатура означает язык описания оборудования для очень высокоскоростных интегральных схем (это то, что означает буква "V").

Похожий на язык программирования, этот способ создания схем обеспечивает множество преимуществ, предлагаемых инженеру-программисту. Что наиболее важно, схемы могут быть определены иерархически, поэтому, например, определив логический элемент ИЛИ из отдельных транзисторов, его можно использовать в определении более сложного блока, такого как однобитный сумматор.

Точно так же все более сложные строительные блоки строятся путем повторного использования того, что уже было создано. Часто разработчику даже не нужно определять стандартные блоки, поскольку они доступны из сторонних библиотек.

Когда код VDHL готов, он проходит процесс, называемый синтезом, который эквивалентен компиляции языка программирования. В то время как компиляция языка программирования проверяет код на наличие ошибок и, как только он не содержит ошибок, генерирует файл, содержащий отдельные инструкции процессора, результат синтеза называется списком соединений и определяет связи между каждым компонентом, включая эти 2,64 миллиарда. транзисторы.

3. Проверка схемы и эмуляция

Список соединений можно использовать непосредственно в процессе создания маски, но это может привести к проблемам, поскольку такие сложные конструкции, как GPU, никогда не бывают на 100 % правильными с первой попытки.Более того, учитывая, что набор масок может стоить 1 миллион долларов, тестирование конструкции на реальном кремнии обойдется непомерно дорого.

Вместо этого проект проверяется и эмулируется, что требует чрезвычайно высокой загрузки процессора и ресурсов суперкомпьютера. Проверка включает в себя тестирование отдельных блоков, возможно, тысячи тестов на блок. Каждый раз, когда что-то выходит из строя, команда дизайнеров отступает, чтобы исправить ошибки, а затем выполняет полный набор тестов моделирования, чтобы убедиться, что корректирующие действия не нарушили то, что раньше работало правильно.

После того, как все отдельные блоки заработают, команда переходит к эмуляции. Это означает тестирование графического процессора в целом, но, учитывая время обработки, необходимое для имитации многомиллиардного транзисторного чипа, эти тесты изначально могут быть не более сложными, чем отрисовка одного пикселя.

Помимо функционального тестирования, эмуляция также гарантирует, что чип соответствует требованиям к скорости обработки.

4. Делаем маски

После того, как симуляция устранена, дизайнеры знают, что соединения схем верны, но до сих пор, за исключением плана верхнего уровня, не задумывались о том, где компоненты находятся на чипе. Это осуществляется с помощью специального пакета САПР, управляемого планом помещения.

Этот в значительной степени автоматизированный процесс размещает каждый компонент и прокладывает медные дорожки, которые в конечном итоге соединят их все вместе. Кульминацией этого процесса является важная веха, называемая «закреплением», и знаменующая собой переход от проектирования к изготовлению.

Поскольку AMD — полупроводниковая компания, не имеющая производственных мощностей, именно в этот момент она передает эстафету TSMC, выбранному ею производителю графических процессоров. Однако прежде чем можно будет производить какие-либо микросхемы, литейному цеху необходимо создать набор фотографических масок, которые будут использоваться в фотолитографии — по одной для каждого из множества слоев, с помощью которых схема построена на микросхеме.

Используя данные, полученные при выводе ленты (которые можно рассматривать как изображения узоров на каждом слое), маски создаются в виде узорчатого слоя непрозрачного металлического хрома на поверхности кварцевого стекла.

Изображения, которые вы видите на мониторе своего компьютера, состоят из крошечных точек, называемых пикселями. При наиболее распространенных настройках разрешения на экране отображается более 2 миллионов пикселей, и компьютер должен решить, что делать с каждым из них, чтобы создать изображение. Для этого ему нужен транслятор — что-то, что берет двоичные данные из процессора и превращает их в изображение, которое вы можете видеть. Этот транслятор известен как графический процессор или GPU.

Большинство потребительских ноутбуков и настольных компьютеров начального уровня теперь оснащены дополнительным графическим процессором, встроенным в основной процессор, который называется интегрированной графикой. Однако машины профессионального уровня или нестандартные машины часто также имеют место для выделенной видеокарты. Преимущество графической карты заключается в том, что она обычно может отображать более сложные изображения намного быстрее, чем встроенный чип.

Работа видеокарты сложна, но ее принципы и компоненты легко понять. В этой статье мы рассмотрим основные части видеокарты и то, что они делают. Мы также рассмотрим факторы, которые вместе создают быструю и эффективную видеокарту.

Подумайте о компьютере как о компании с собственным художественным отделом. Когда люди в компании хотят произведение искусства, они отправляют запрос в художественный отдел. Художественный отдел решает, как создать изображение, а затем переносит его на бумагу. Конечным результатом является то, что чья-то идея становится реальным изображением, которое можно увидеть.

Графическая карта работает по тому же принципу. Центральный процессор, работая совместно с программными приложениями, отправляет информацию об изображении на графическую карту. Видеокарта решает, как использовать пиксели на экране для создания изображения. Затем он отправляет эту информацию на монитор по кабелю.

Создание изображения из двоичных данных — сложный процесс. Чтобы создать трехмерное изображение, графическая карта сначала создает каркас из прямых линий. Затем он растрирует изображение (заполняет оставшиеся пиксели). Он также добавляет освещение, текстуру и цвет. Для динамичных игр компьютер должен проходить этот процесс от 60 до 120 раз в секунду. Без видеокарты для выполнения необходимых вычислений нагрузка на компьютер была бы слишком велика.

Видеокарта выполняет эту задачу, используя четыре основных компонента:

Подключение материнской платы для передачи данных и питания.
Графический процессор (GPU), решающий, что делать с каждым пикселем на экране.
Видеопамять (VRAM) для хранения информации о каждом пикселе и временного хранения завершенных изображений.
Подключение к монитору, чтобы вы могли видеть конечный результат.

Далее мы более подробно рассмотрим процессор и память.

Графический процессор — это электронная схема, которую ваш компьютер использует для ускорения процесса создания и рендеринга компьютерной графики. ЧАЛЕРМПХОН СРИСАНГ/Shutterstock

Как и материнская плата, видеокарта представляет собой печатную плату, на которой размещены процессор и видеопамять. Он также имеет микросхему системы ввода/вывода (BIOS), которая сохраняет настройки карты и выполняет диагностику памяти, ввода и вывода при запуске.

Процессор видеокарты, называемый графическим процессором (GPU), аналогичен процессору компьютера. Однако GPU разработан специально для выполнения сложных математических и геометрических вычислений, необходимых для рендеринга графики. Некоторые из самых быстрых графических процессоров имеют больше транзисторов, чем средний ЦП.

Графический процессор выделяет много тепла, поэтому его обычно размещают под радиатором или вентилятором. Интегрированные чипы немного отличаются тем, что у них нет собственной видеопамяти, и они должны использовать тот же запас ОЗУ, что и ЦП. Это различие может привести к нехватке памяти в вашей системе во время игры со встроенным графическим процессором.

Помимо своей вычислительной мощности, графический процессор использует специальное программирование, помогающее анализировать и использовать данные. AMD и nVidia производят подавляющее большинство графических процессоров на рынке, и обе компании разработали собственные усовершенствования для повышения производительности графических процессоров. Современные видеопроцессоры могут обеспечить:

Сглаживание всей сцены (FSAA), которое сглаживает края трехмерных объектов.
Анизотропная фильтрация (AF), которая делает изображения более четкими.
Физика в реальном времени и эффекты частиц
Многоэкранные дисплеи
Видео с высокой частотой кадров
Видео сверхвысокой четкости с миллионами пикселей.
Вычисления с ускорением GPU

Каждая компания также разработала специальные методы, помогающие графическому процессору применять цвета, тени, текстуры и узоры.

Поскольку графический процессор создает изображения, ему нужно где-то хранить информацию и готовые изображения. Для этого он использует оперативную память карты, сохраняя данные о каждом пикселе, его цвете и расположении на экране. Часть видеопамяти также может выступать в качестве буфера кадров, что означает, что она хранит завершенные изображения до тех пор, пока не придет время их отображать. Как правило, видеопамять работает на очень высоких скоростях и является двухпортовой, что означает, что система может считывать из нее и записывать в нее одновременно.

Современные видеокарты подключаются к слоту расширения PCIe x16. Компьютеры малого форм-фактора со встроенной графикой, такие как ноутбуки и мини-настольные компьютеры, могут не иметь такого слота. Однако видеокарты по-прежнему можно подключать с помощью дорогостоящего обходного устройства, называемого внешним графическим процессором.

Графические карты прошли долгий путь с тех пор, как IBM представила первую из них в 1981 году. Эта карта, получившая название адаптера монохромного дисплея (MDA), обеспечивала отображение только текста зеленого или белого текста на черном экране. Теперь и видеокарты, и встроенные чипы могут легко передавать сигнал HD (1920 x 1080 пикселей) через кабель HDMI или DisplayPort. Автономные карты часто воспроизводят видео в формате Ultra HD 4K (3840 x 2160), а на графических процессорах с более высокими характеристиками доступно еще более высокое разрешение.

Джейк Франкенфилд — опытный писатель, освещающий широкий спектр тем деловых новостей. Его работы публиковались, в частности, в Investopedia и The New York Times. Он проделал обширную работу и исследования в области Facebook и сбора данных, Apple и пользовательского опыта, блокчейна и финансовых технологий, а также криптовалюты и будущего денег.

В настоящее время Эрик является лицензированным независимым страховым брокером, имеющим лицензию на страхование жизни, здоровья, имущества и страхования от несчастных случаев. Он проработал более 13 лет в государственных и частных бухгалтерских должностях и более четырех лет имел лицензию страхового производителя. Его опыт работы в области налогового учета послужил прочной основой для его текущей деловой книги.

Что такое графический процессор (GPU)?

Графический процессор (GPU) — это микросхема или электронная схема, способная отображать графику на электронном устройстве. Графический процессор был представлен широкому рынку в 1999 году и наиболее известен тем, что обеспечивает плавную графику, которую потребители ожидают от современных видео и игр.

Ключевые выводы

Термин графический процессор (GPU) относится к микросхеме или электронной схеме, способной отображать графику на электронном устройстве.
Термин "GPU" часто используется как взаимозаменяемый с "видеокартой", хотя это разные понятия.
Хотя графические процессоры изначально были популярны среди любителей видеомонтажа и компьютерных игр, быстрый рост криптовалют создал для них новый рынок.
Графические процессоры, впервые представленные широкому рынку в 1999 году, пожалуй, больше всего известны тем, что обеспечивают плавную графику, которую потребители ожидают от современных видео и видеоигр.
В последнее время возникла нехватка графических процессоров из-за их применения в майнинге криптовалют.

Как работает графический процессор (GPU)

Графика в видео и gs состоит из полигональных координат, которые преобразуются в растровые s — процесс, называемый «рендеринг», — а затем в сигналы, которые отображаются на экране. Это преобразование требует от графического процессора (GPU) большой вычислительной мощности, что также делает GPU полезными в машинном обучении, искусственном интеллекте и других задачах, требующих большого количества сложных и изощренных вычислений.

История графического процессора (GPU)

В 1999 году Nvidia представила Geforce 256, первый широко доступный графический процессор. Nvidia определила графический процессор как «однокристальный процессор со встроенными механизмами преобразования, освещения, настройки/отсечения треугольников и рендеринга, способный обрабатывать не менее 10 миллионов полигонов в секунду». GeForce 256 улучшила технологию других процессоров, оптимизировав производительность 3D-игр.

Хотя Nvidia по-прежнему лидирует на рынке графических процессоров, технология значительно улучшилась. В 2000-х Nvidia выпустила свой GeForce 8800 GTX, скорость заполнения текстурами которого достигает колоссальных 36,8 миллиардов в секунду.

Сегодня наблюдается возрождение популярности графических процессоров. Их использование было распространено на новые отрасли благодаря появлению искусственного интеллекта и криптовалют. Графические процессоры также сыграли роль в расширении доступа к высококачественным играм в виртуальной реальности.

ГП и ЦП

До появления графических процессоров в конце 1990-х годов рендеринг графики выполнялся центральным процессором (ЦП). При использовании вместе с ЦП графический процессор может повысить производительность компьютера, взяв на себя некоторые ресурсоемкие вычислительные функции, такие как рендеринг, от ЦП. Это увеличивает скорость обработки приложений, поскольку графический процессор может выполнять множество вычислений одновременно. Этот сдвиг также позволил разработать более продвинутое и ресурсоемкое программное обеспечение.

Обработка данных в GPU или CPU выполняется ядрами. Чем больше ядер у процессора, тем быстрее (и потенциально эффективнее) компьютер может выполнять задачи. Графические процессоры используют тысячи ядер для параллельной обработки задач. Параллельная структура GPU отличается от структуры CPU, который использует меньше ядер для последовательной обработки задач. ЦП может выполнять вычисления быстрее, чем ГП, что позволяет ему лучше выполнять основные задачи.

Особые соображения

Термин "ГП" часто используется как взаимозаменяемый с "видеокартой", хотя это разные понятия. Графическая карта – это аппаратное обеспечение, содержащее один или несколько графических процессоров, дочернюю плату и другие электронные компоненты, обеспечивающие работу графической карты.

Однако графический процессор может быть встроен в материнскую плату или находиться на дочерней плате видеокарты. Первоначально компьютеры высокого класса были единственными, оснащенными видеокартами. Сегодня в большинстве настольных компьютеров для повышения производительности обычно используется отдельная видеокарта с графическим процессором, а не встроенный в материнскую плату графический процессор.

Графические процессоры и майнинг криптовалют

Поначалу графические процессоры были популярны среди любителей редактирования видео и компьютерных игр, но быстрый рост криптовалют создал новый рынок. Это связано с тем, что для майнинга криптовалюты требуются тысячи вычислений для добавления транзакций в блокчейн, что может быть выгодно при наличии доступа к графическому процессору и недорогому источнику электроэнергии.

В последние годы два известных производителя видеокарт, Nvidia Corp. (NVDA) и Advanced Micro Devices Inc. (AMD), добились быстрого роста продаж и доходов в результате майнинга криптовалюты.

Побочным эффектом этого стало разочарование клиентов, не занимающихся добычей полезных ископаемых, которые увидели рост цен и сокращение предложения. В результате розничные продавцы иногда ограничивали количество видеокарт, которые мог купить один человек. В то время как майнеры более популярных криптовалют, таких как биткойн, перешли на использование специализированных и более экономичных наборов микросхем, называемых специализированными интегральными схемами (ASIC), графические процессоры по-прежнему используются для майнинга менее известных валют.

Рост популярности криптовалют привел к огромному дефициту графических процессоров. Согласно отчету Verge, графические процессоры продаются в два-три раза дороже их розничной цены на таких сайтах, как eBay.

Примеры производителей графических процессоров

Advanced Micro Devices (AMD) и Nvidia (NVDA) — два крупнейших производителя графических процессоров. Рассмотрим обе компании ниже.

Расширенные микроустройства (AMD)

AMD — один из самых надежных производителей графических карт. Производитель начал свою деятельность как стартап в Силиконовой долине в 1969 году и разрабатывает продукты для высокопроизводительных вычислений и визуализации. AMD вышла на рынок графических процессоров в 2006 году, когда приобрела ведущего производителя видеокарт ATI. С тех пор AMD и Nvidia стали доминирующими игроками на рынке графических процессоров.По состоянию на май 2021 года рыночная капитализация AMD составляет 97,3 миллиарда долларов. AMD поставила более 500 миллионов графических процессоров с 2013 года и контролирует 17 % рынка графических процессоров.

Компания AMD уделяет особое внимание играм на ПК на рынке графических процессоров и является фаворитом среди геймеров во всем мире.

Nvidia (NVDA)

Nvidia была самой первой компанией, представившей миру графические процессоры в 1999 году. Первый в истории графический процессор был известен как Geforce 256. В 1999 году Nvidia также провела первичное публичное размещение акций (IPO) по цене 12 долларов США за акцию. По состоянию на май 2021 года акции торгуются на уровне 645 долларов США за акцию.

Рыночная капитализация Nvidia составляет 404,8 млрд долларов США, и она контролирует 13 % рынка графических процессоров.

Nvidia занимает значительное место на рынке передовых графических процессоров. Согласно веб-сайту Nvidia, «восемь из 10 лучших суперкомпьютеров мира теперь используют графические процессоры NVIDIA, сеть InfiniBand или и то, и другое. NVIDIA поддерживает 346 систем из общего числа TOP500 в последнем списке».

Собственный суперкомпьютер Nvidia под названием Selene занимает пятое место в мире и является самым быстрым промышленным суперкомпьютером в мире.

Часто задаваемые вопросы о графическом процессоре (GPU)

В чем разница между GPU и VGA?

В то время как GPU – это микросхема или электронная схема, способная использоваться для обработки графики для отображения на электронном устройстве, разъем VGA или видеографического массива – это физическое устройство, используемое для передачи видеосигналов и вывода компьютерного видео.

Как вы разгоняете свой GPU?

Перед разгоном убедитесь, что вы тщательно очистили свое устройство и установили все обновления и исправления ошибок в своем программном обеспечении. Благодаря обновлениям в технологиях разгон стал довольно простым. Просто установите программное обеспечение, такое как Afterburner, и дайте системе работать. После завершения установки запустите игровой тест, чтобы протестировать новое программное обеспечение.

Что такое масштабирование GPU?

Масштабирование графического процессора – это функция, которая позволяет пользователям настраивать соотношение сторон в игре в зависимости от разрешения своего монитора. Некоторые пользователи считают, что регулировка соотношения сторон еще больше повысит качество изображения на дисплее.

Графическая карта, также называемая видеокартой или картой дисплея, представляет собой печатную плату компьютера со специальным оборудованием, оптимизированным для отображения высококачественной графики с высокой скоростью. Они есть на большинстве современных компьютеров, и хотя они иногда ассоциируются у геймеров, которые хотят получить от игр максимум удовольствия, они также полезны для профессиональных приложений, таких как использование Adobe Photoshop для редактирования фотографий или редактирования бизнес-видео.

Знакомство с карточкой дисплея

Даже если вы не считаете, что ваш компьютер интенсивно использует графику, может быть полезно иметь на компьютере специальную видеокарту.

Видеокарта по определению в компьютере выполняет математические операции, необходимые для быстрого отображения изображений и видео. Обычно он содержит выделенную память с произвольным доступом или ОЗУ, микросхемы, используемые для хранения данных, связанных с визуальными медиа, и специализированную микросхему процессора, называемую графическим процессором, или графическим процессором, который оптимизирован для работы с видео.

Разработчики программ, интенсивно использующих видео, пишут подразделы своего программного обеспечения, которые непосредственно управляют графическим процессором, а не основным центральным процессором компьютера. Поскольку графический процессор обрабатывает специализированные инструкции, предназначенные для видео, но даже несмотря на то, что ЦП является инструментом общего назначения, вы часто можете добиться большей производительности видео от компьютера, выбрав хорошую графическую карту, чем путем обновления его ЦП общего назначения или чипов ОЗУ.< /p>

Что касается торговых марок, чаще всего выбирают видеокарты AMD и NVIDIA.

Встроенные графические процессоры и видеокарты

Вместо выделенной видеокарты некоторые компьютеры имеют так называемый встроенный графический процессор. Термин встроенный графический процессор относится к микросхеме, расположенной на основной печатной плате компьютера или материнской плате.

Встроенный графический процессор часто дешевле, и он может оставить слот расширения, где печатная плата открывается внутри компьютера для будущего использования. Кроме того, она может экономить электроэнергию по сравнению с выделенной видеокартой и выделять меньше тепла внутри компьютера, а это означает, что для комфортной работы компьютера требуется меньше вентиляторов или других систем охлаждения.

Недостаток заключается в том, что такие чипы обычно совместно используют оперативную память с основными операциями компьютера, а это означает, что компьютеру доступно меньше памяти для выполнения сложных графических операций. Это означает, что для более ресурсоемких видеоопераций (и видеоигр) часто выгоднее иметь отдельную видеокарту, хотя встроенный чип GPU часто подходит для периодического просмотра потокового видео или простого редактирования видео и фотографий.

Требования к видеокарте

Нужно ли вам что-то помимо встроенного графического процессора и какие у вас могут быть требования, зависит от того, что вы делаете со своим компьютером. Если вы в основном используете такие программы, как Microsoft Word и Excel, отправляете электронную почту и выходите в Интернет, то карта, поставляемая с вашим компьютером, скорее всего, подойдет.

Если вы выполняете более сложные задачи, например редактируете видео или фотографии для своего бизнеса, или вам нравится использовать компьютер для игр, вам может понадобиться более мощная видеокарта. Если вы не уверены, какая карта вам нужна, просмотрите список необходимого и рекомендуемого оборудования для некоторых программ, которые вы планируете использовать. Часто программы перечисляют минимальные и рекомендуемые видеокарты по имени, а затем предлагают минимальный объем видеопамяти, чтобы убедиться, что вы установили.

Установка видеокарты

При условии, что на вашем компьютере есть доступный совместимый слот расширения, вы обычно можете установить отдельную видеокарту, если на вашем компьютере ее еще нет. Если он есть на вашем компьютере, вы обычно можете заменить его новым, если вам это нужно.

Если у вас есть видеокарта, а также встроенный графический процессор, ваш компьютер обычно по умолчанию использует более сложную и мощную видеокарту для большинства операций с видео, хотя вы можете настроить это поведение.

Читайте также: