Grafické adaptéry. Jan Vrzal, verze 1.0

Transkript

1 Grafické adaptéry Jan Vrzal, verze 1.0

2 Grafická karta úkolem je zpracovávat a transformovat grafická data do podoby, kterým rozumí zobrazovací zařízení integrovaná na základní desce, v procesoru, případně dedikovaná největší výrobci - ATI, Nvidia, Intel (integrované) ostatní výrobci využívají čipů výše uvedených 2

3 Grafická karta dedikované, připojené zejména na: PCI, AGP (dříve) PCIe x16 integrované dostatečný výkon na základní práci, cena paměť si bere z RAM - zatěžuje desku a další komponenty 3

4 Založena 1993 Hlavní dodavatel integrovaných obvodů používaných do čipsetů základních desek, grafických procesorů (GPU), a herních konzolí (Xbox a PlayStation). Produkty Celkový přehled 4

5 Technologie SLI: propojení více grafických karet CUDA (Compute Unified Device Architecture): využití grafických čipů i k jiným než grafickým výpočtům Optimus: plynule přepíná mezi integrovanou a dedikovanou grafikou notebooku, značně tak prodlužuje výdrž baterie 5

6 Řady produktů GeForce grafické karty do stolních počítačů, PCI-e x16, NVIDIA GeForce TITAN Z řada GTX 1060, 1070, 1080 (nejlepší) a nová řada (2018) RTX 2070 a 2080 postavené na architektuře Turing (ray tracing v reálném čase) RTX ray tracing v reálném čase 6

7 Řady produktů Quadro profesionální graf. karty, speciální BIOSy, certifikovány pro profesionální programy, čipy GeForce, nadstandardní podpora 7

8 Řady produktů Tegra určená pro smartphony a netbooky, one-chip design Tegra je počítač na čipu, který integruje CPU, GPU, severní můstek, jižní můstek a řadič paměti do jediného balení. 8

9 Řady produktů Tesla vysokovýkonný GPU pro GPGP 9

10 ATI Technologies Založená 1985, 2006 koupena AMD vývoj grafických čipů a čipsetů pro AMD platformu Produkty Technologie CrossFireX (CF): konkurence SLI ATI Stream: konkurence CUDA, v současnosti OpenCL 10

11 Řady produktů Radeon RX 400 Series Radeon RX 500 Series mainstreamové produkty Radeon RX Vega Series nejdražší produkty pro nadšence 11

12 Struktura grafické karty grafický procesor - GPU paměť RAM (např. GDDR5, nejnověji GDDR6) vyšší frekvence a datový tok, jiné napětí RAMDAC (D/A převodník) využití při připojení analogového konektoru stará se i o digitální výstupy DVI, HDMI či DisplayPort chlazení - pasivní/aktivní 12

13 Struktura grafické karty BIOS karty (firmware) vlastní videopaměť s obsahem obrazovky Frame Buffer L1 a L2 cache konektory 13

14 Napájení karty slabší karty jsou napájeny prostřednictvím sběrnice výkonnější již vyžadují externí napájení ze zdroje používá se 4 až 8pinový kabel obvykle 6 pinový propojuje základní desku s kartou zdroj by měl být výkonnější W 14

15 Konektory HDMI pouze digitální signál DVI-I (digital & analog) digitální i analogový signál DVI-A (analog only) pro kompatibilitu s analogovými m. 15

16 HDMI 2.0 HDMI bylo vytvořeno k vylepšení DVI pomocí menšího konektoru s přidanou podporou pro přenos zvuku Uvedeno 4. září 2013 Propustnost až 18 Gb/s Přidána podpora až 32 zvukových kanálů až pro 4 audio stopy pro rozlišení 4k 60 Hz formátu 21:9 16

17 HDMI 2.1 Uvedeno 29. listopadu 2017 Propustnost až 48 Gb/s Podporuje vyšší video rozlišení a obnovovací rychlosti Podpora 8K 60Hz a 4K 120Hz a rozlišení až 10K Podporovány jsou také dynamické formáty HDR 17

18 Konektory DVI 3 typy DVI konektorů (závisí na implementovaných signálech) DVI-D (digital only) pouze digitální signál DVI-I (digital & analog) digitální i analogový signál DVI-A (analog only) pro kompatibilitu s analogovými m. 18

19 Konektory DVI 19

20 Display Port mini DP 20

21 Display Port 21

22 Display Port náhrada DVI a VGA (kancelářské a IT použití) není náhradou HDMI (spotřební elektronika) podporuje barevné hloubky 6, 8, 10, 12 a 16 bitů na barevnou složku narozdíl od 8 bitů u DVI a HDMI 22

23 Display Port dokáže emitovat DVI nebo HDMI signál počítač vybavený pouze DisplayPortem lze připojit k televizi vybavené konektorem HDMI, přenesen bude obraz i zvuk (za použití pasivního adaptéru) DisplayPort je první zobrazovací rozhraní, které spoléhá na paketový přenos dat stejně jako Ethernet, USB (rámce) a PCIe 23

24 Display Port nejnovější verzí se stal DisplayPort 1.3 zvýšení datové propustnosti na 32,4 Gbps což umožní navýšit rozlišení monitorů ze 4K (3840 x megapixelů) na 5K (5120 x megapixelů) 24

25 Thunderbolt Představeno v 2011 f. Intel v počítačích Apple Bez licenčních poplatků Thunderbolt spojuje PCI-Express a DisplayPort/USB-C do sériového datového rozhraní 25

26 Thunderbolt Řídící čipy Thunderboltu slučují data z těchto dvou zdrojů dohromady a rozdělují je zase zpátky ke zpracování v rámci zařízení, které tyto data obdrží. 26

27 Thunderbolt mini DP 27

28 Thunderbolt 3 (2015) 28

29 Thunderbolt 3 (2015) 29

30 Thunderbolt 3 integruje 30

31 USB Universal Serial Bus 31

32 USB Universal Serial Bus 32

33 USB Universal Serial Bus USB-C určuje pouze typ konektoru USB-C port může používat USB 2.0, USB 3.1 Gen 1, USB 3.1 Gen 2 nebo Thunderbolt 3. Zařízení s video výstupem přes USB-C 33

34 Jak nakupovat grafickou kartu Quick Shopping Tips When choosing a graphics card, consider the following: First, identify your monitor s native resolution. That s a good target to aim for when you go graphics card shopping. We call out optimal resolutions with each of our recommendations. Ensure the rest of your platform is up to snuff. If you upgrade to a Radeon RX Vega 64, for instance, AMD suggests owning at least a 750W power supply. Double-check to be sure your PSU has the sixor eight-pin connectors to support your card of choice. On-board memory matters, kind of. In general, we recommend at least a 4GB card for 1920 x 1080 and 2560 x 1440 at the highest quality settings, and 8GB of memory for gaming at 4K. 34

35 Textový režim základní typy zobrazení umožňuje zobrazovat jen text případná podpora barev a velmi jednoduchých animací podporuje několik rozlišení počet řádků a sloupců na zobrazitelné znaky o např. 80 x 25 Setkáváte se s tímto režimem u počítače? 35

36 Textový režim základní typy zobrazení využívá se kódová tabulka v ní jsou specifikovány jednotlivé znaky lze chápat jako pole znaků každý znak má svůj index velké množství typů liší se v počtu bitů/bytů, v kterém jsou obsaženy indexy liší se samotnými znaky 36

37 Textový režim základní typy zobrazení MS-DOS tabulka latin2 Windows (předchůdci W2000) tabulka Windows 1250 Obě kódují znaky do 8 bitů - maximálně 256 znaků. 37

38 38

39 Textový režim základní typy zobrazení Dnes se využívají Unicode tabulky UTF-32, UTF-16, UTF-8 UTF-8 o kódovaný znak má 8, 16, 24 nebo 32 bitů o proměnlivá délka - problém s výkonem o na druhou stranu výhoda - relativně menší soubory s velkým množstvím znaků Linux - dlouhou dobu UTF-8 39

40 Textový režim základní typy zobrazení obrazovka je rozdělena na rastr z buněk pro znaky - uspořádání sloupce a řádky obsah buněk uložen ve videopaměti paměťový prostor pro udržování aktuálního stavu obrazovky (2D pole) každá buňka pole: ASCII kód + atribut každá hodnota zabírá jeden Byte 2 B 40

41 Textový režim základní typy zobrazení Atribut celkem 8 bitů první 4 b - barva písma další 3 b - barva pozadí poslední - jestli má blikat 41

42 42

43 Grafický režim základní typy zobrazení zobrazuje matici pixelů (Picture Element) zobrazitelné body každý pixel je určen svou barvou z palety barev ve videopaměti (Frame Buffer) je uložena informace o každém pixelu zvlášť pracuje se s pixely či celou skupinou (úsečka, křivka) údaje (barva pixelu) jsou uloženy v řádcích 43

44 Grafický režim základní typy zobrazení Množství potřebné videopaměti odvíjí se od rozlišení od barevné hloubky další parametry mohou souviset s funkcemi podporovanými kartou 44

45 Vývoj grafických karet CGA (Color Graphics Adapter) kompatibilita s televizemi, 4 barvy MDA (Monchrome Display Adapter) 2 barvy Hercules oproti MDA zvládá také monochromatický grafický režim EGA (Enhanced Graphics Adapter) 16 barev z palety 64 možných 45

46 Vývoj grafických karet VGA (Video Graphics Array) 16 barev, ale mnohem širší základní paleta pro výběr (2^18 barev) používala rozlišení 640x480 pixelů SVGA začaly se používat grafické akcelerátory a grafické čipy rozlišení 800x600 Vývoj prošel od úložných prostorů pro videopaměti, 3D akcelerátory ke GPU. 46

47 47

48 GPU (Graphics Processing Unit) grafický procesor další generace ve vývoji grafického zpracování dat svou architekturou připomíná CPU taktéž disponují vlastní API v současnosti se používá - DirectX, OpenGL a další díky nim lze obejít CPU, nevyužívat jej 48

49 DirectX Microsoft DirectX cílem je maximální využití možností hardware jak po stránce funkcí, tak z hlediska maximálního výkonu pro tvorbu počítačových her, multimediálních aplikací i grafického uživatelského prostředí API mají samostatná jména například Direct3D, DirectDraw, DirectMusic a další 49

50 DirectX 12 pro počítače s Windows 10 50

51 OpenGL Open Graphics Library průmyslový standard specifikující multiplatformní rozhraní (API) pro tvorbu aplikací počítačové grafiky Používá se při tvorbě počítačových her, CAD programů, aplikací virtuální reality či vědeckotechnické vizualizace apod. konsorcium označované jako ARB Architecture Review Board - členy jsou firmy jako např. NVIDIA, SGI, Microsoft, AMD atd. 51

52 GPGPU General-purpose computing on graphics processing units dedikované grafické karty vs Intel Xeon Phi (61 procesorových jader) tisíce výpočetních jader (stream procesorů), které paralelně zpracovávají velké množství dat stejného typu (uplatňují na ně stejné operece) více paměti (porovnáváme cache paměť procesoru a GDDR grafického čipu) 52

53 Intel Xeon Phi 53

54 Intel Xeon Phi Intel ohlásil konec produktové řady Xeonů Phi (2018) GPU jako jednoúčelový hardware zabírá minimum křemíku, nabízí vysoký výkon a často i nízkou spotřebu. Univerzální procesor není tak efektivní jako jednoúčelový a je potřeba více křemíku a energie. 54

55 Intel Xeon Phi Pokud jde o negrafické operace, je architektura vcelku efektivní pro výpočetní akcelerátory. Z Xeonů Phi se stal produkt pro velmi specifické trhy superpočítačů. 55

56 GPGPU General-purpose computing on graphics processing units např. rozměrné pole: běžný procesor v cyklu prochází a pro každý prvek provádí požadovanou operaci GPU rozdělí úlohu mezi své výpočetní jednotky a provede celou operaci najednou nebo v několika málo cyklech uplatnění: zpracování grafiky a multimédií, vědecké výpočty, šifrování a dešifrování atd. Adobe Photoshop a Premiere apod. 56

57 GPGPU General-purpose computing on graphics processing units 57

58 AMD CrossFireX podpora až 4 grafických karet u dvou GPU výkon se násobí cca 1,7x nutná optimalizace ze strany vývojářů pro veřejnost uvolněno 27. září 2005 nutná SW a HW podpora 58

59 Nvidia SLI (Scalable Link Interface) technologie umožňující propojení více grafických karet na jedné základní desce podílí se na vykreslování scény za účelem dosažení vyšší rychlosti renderování poprvé se objevila u karet 3dfx Voodoo 2 základní podpora - 2,3,4 GPU SLI zapojení mohou být karty mixovány - různí výrobci problém slabší karty nutná SW a HW podpora 59

60 SLI metody Split Frame Rendering (SFR) zatížení grafických karet bylo 50/50 obraz je rozdělen horizontálně podle jeho geometrie Alternate Frame Rendering (AFR) grafické karty zpracovávají celé snímky liché, sudé SLI Antialiasing vylepšuje vyhlazovací výkon nabízející lepší kvalitu obrazu 60

61 Ray tracing vs rasterization 61

62 Ray tracing vs rasterization výpočetně velmi náročné (primárně offline) vytváří užasné obrázky s vizuálními efekty rychlé a odpovídající pro aplikace v reálném čase nepodporuje komplexní vizuální efekty 62

63 Ray tracing srovnání ve videu Khan Academy course a další zajímavý zdroj 63

64 Rendering Cinebench 64

65 Zdroj: VAVREČKOVÁ, Šárka. Technické vybavení osobních počítačů. Opava, Dostupné z: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, [cit ]. HUSPEKA, Michal. Přehled desktopových grafických čipů Svět hardware. VÍTEK, Jan a Michal HUSPEKA. Svět hardware [online] [cit ]. Dostupné z: USB 3.1, USB-C, and Thunderbolt 3: Everything You Need to Know. ProStorage [online]. 2017, [cit ]. Dostupné z: