Ako funguje grafická karta. Určené pre stredné školy

Grafická karta je komponent počítača, ktorý počíta grafické operácie v hrách, ale môže slúžiť k výpočtom alebo na rôzne pracovné činnosti. Okrem výpočtových funkcií má aj jednoduchšiu úlohu – zabezpečuje samotný obrazový výstup na monitor, ktorý sa pripája k výstupu grafickej karty. Túto úlohu môže mať aj GPU integrované v procesore (alebo ešte predtým čipovej súprave). My sa ale budeme zaoberať samostatnými grafickými kartami.

GPU

Najdôležitejší komponent grafickej karty je čip GPU (alebo grafický procesor). Ten zabezpečuje všetky výpočtové funkcie grafickej karty podobne ako procesor (CPU) v zvyšku počítača. Jeho funkcii sa budeme venovať v nasledujúcej kapitole. GPU sa vyrábajú v puzdrách typu BGA (Ball Grid Array). Vtedy má substrát čipu zospodu guľôčky spájky na pevné osadenie na dosku plošných spojov, ktorá nesie všetky komponenty a prepája ich. Nie sú teda osadené v nejakej forme pätíc a čip GPU sa nedá jednoducho vymeniť alebo upgradovať.

Moderné GPU bývajú jedny z najpokročilejších a najnáročnejších čipov. Ich veľkosť môže dosahovať až maximálnej veľkosti kremíku, akú je možné na súčasných linkách vyrobiť – okolo 600 – 800 mm².

Pamäte

GPU potrebuje na svoju prácu vlastnú pamäť (integrované GPU namiesto toho používajú časť operačnej pamäte počítača). Nazýva sa VRAM (video RAM) alebo grafická pamäť. Pre grafické karty sa používa špeciálny typ pamätí GDDR, aktuálne je to technológia GDDR7 spolu s predchádzajúcou generáciou GDDR6. Tieto pamäte fungujú na vyšších prenosových rýchlostiach rozhrania na jeden pin šírky pamäťovej zbernice ako bežné operačné pamäte/RAM (ako sú napríklad DDR5). GPU totiž vyžadujú pre dobrý výkon vysokú priepustnosť pamätí – umožňuje im to čítať z pamäte väčšie množstvo údajov textúr a ďalších objektov za sekundu.

Z rovnakého dôvodu je vyššia takisto celková šírka pamäťových radičov (či pamäťovej zbernice). Zatiaľ čo pre operačnú pamäť (RAM) sa obvykle používa šírka zbernice 128 bitov, tak u GPU je to aj 192 bitov, 256 bitov alebo 384 bitov. Najvýkonnejšie GPU používajú dokonca už i 512-bitovú zbernicu. Pamäťová priepustnosť je totiž súčinom šírky zbernice a prenosovej rýchlosti na jeden bit (niekedy takisto zjednodušene označované ako „efektívna frekvencia“). Čipy GDDR často bývajú osadzované okolo čipu GPU – krátka trasa vodičov je dôležitá na dosiahnutie vysokej prenosovej rýchlosti medzi GPU a čipom. Vodiče v doske medzi GPU a pamäťami typu GDDR musia spĺňať vysoké nároky na kvalitu signálu.

Výnimočne sa môže pri GPU objaviť viac „high-tech“ pamäť typu HBM (High Bandwidth Memory), napríklad HBM2, HBM3 či HBM3E. Tieto pamäte sa integrujú na puzdro GPU pomocou pokročilého 2.5D puzdrenia, ktoré je drahé. Pri herných grafikách sa preto až na výnimky v minulosti tieto pamäte nepoužívajú. Ich miestom sú výpočtové GPU určené pre datacentrá a akceleráciu AI.

Na grafickej karte sa nachádza aj nevolatilná pamäť Flash, v ktorej je uložený BIOS (video BIOS). Ten funguje ako BIOS základnej dosky počítače – obsahuje kód pre inicializáciu grafických kariet počas spustenia počítače a ďalšie jej obslužné funkcie. Môžu v ňom byť uložené aj trvalé nastavenia čipu ako sú nastavené napätie, frekvencia alebo limity pre spotrebu. Grafické karty niekedy používajú dva čipy s BIOSom, medzi ktorými sa dá vybrať prepínačom na karte. Zvyčajne je jeden BIOS nastavený na vyšší výkon chladiča (pre nižšie teploty) a druhý na tichšiu prevádzku.

GPU je cez zbernicu PCI Express pripojený k procesoru (CPU), ktorý ho riadi podobne ako ďalšie periférie a cez PCI Express sú do GPU odosielané príkazy i pracovné údaje. Z GPU sú zase vyvedené obrazové výstupy pre pripojenie monitoru alebo iného zobrazovacieho zariadenia.

Napäťové regulátory

GPU a grafické pamäte majú pomerne vysokú spotrebu, takže grafická karta vyžaduje špeciálne napájanie. Značnú časť dosky plošných spojov preto zaberajú napäťové regulátory (niekedy označované ako napájacia kaskáda), ktoré pracujú na princípe spínaného zdroja. Napájacia kaskáda sa skladá z MOSFETov pre spínanie a cívek a elektrických kondenzátorov pre vyhladzovanie napätia. Tieto komponenty premieňajú napätie 12 V zo zdroja na nižšie napätie (zvyčajne okolo 1 V), ktoré sa používajú k napájaniu GPU. Moderné karty potrebujú niekoľko týchto napätia pre GPU, pamäť a prípadne niektoré čiastkové bloky čipu.

Napájacia kaskáda dostáva vstupné napätie 12 V z káblov zdroja (ATX), ktoré majú konektor 12V-2×6 s 12 napájacími a 4 riadiacimi piny u novších grafických kariet Nvidia, alebo osmipinové konektory PCI Express pri grafických kartách AMD, Intel a starších modeloch grafických kariet Nvidia. Tieto káble privádzajú do kariet napätie 12 V. Grafické karty s nízkou spotrebou môžu byť napájané bez kábla iba zo slotu PCI Express ×16, ktorý môže podľa svojich špecifikácií dodať až 75 W (v súčte na 3,3 V, 5 V a 12 V vetve zdroja).

Neoddeliteľnou súčasťou grafickej karty musí byť kvôli vysokým spotrebám chladenie, ktoré je od výroby namontované na doske plošných spojov tak, aby jeho základňa mala priamy kontakt s čipom GPU, pamäťovými čipmi a zvyčajne aj MOSFETy. Zo základne chladiča je teplo rozvádzané do rebier pasívneho chladiča, ktorý ochlazujú osadené ventilátory. Tie sú zapojené do dosiek plošných spojov a GPU má zvyčajne schopnosť riadiť ich otáčky. Chladič je zvyčajne vybavený krytom s dekoratívnou aj praktickou funkciou (je možné napríklad namontovať držiak či podperu stabilizujúcu grafiku v slote).

Niektoré grafické karty majú namiesto vzduchového chladiča chladič kvapalinový, ktorý pomocou kontaktného bloku prenáša teplo z GPU do kvapaliny, ktorá cirkuluje v chladiacom okruhu, do ktorého musí byť grafická karta zapojená.

Upozornenie: Článok pokračuje ďalšími kapitolami.