Grafická karta

Grafická karta je v informatice součást počítače, jejímž úkolem je vytvářet grafický výstup na monitoru. Hlavní součástí grafické karty je grafický procesor (GPU), který slouží pro rychlé a efektivní změny obsahu grafické paměti (viz framebuffer) a tím i změny obrazu viditelného na monitoru. Grafická karta může být integrovaná (tj. používá operační paměť počítače, je výrobci prezentována jako levnější) nebo dedikovaná (má vlastní videopaměť a je typicky inzerována jako výkonnější), přičemž nezáleží na tom, zda je grafická karta na vlastní samostatné desce (a vložena do slotu sběrnice). Specifický případ je pak integrace do mikroprocesoru (tzv. APU).

Stavba karty

Popis karty

Grafická karta se stará o grafický výstup na monitor, TV obrazovku či jinou zobrazovací jednotku. V případě, že grafická karta obsahuje tzv. VIVO (video-in a video-out), umožňuje naopak i analogový vstup videosignálu např. při ukládání videosouborů z videokamery, videopřehrávačů apod.

Součástky v grafické kartě

GPU – grafický procesor. Obsahuje řadič paměti, unifikované shadery, TMU jednotky, ROP jednotky a další. Zpracovává 3D geometrii na 2D obraz, zobrazitelný na zobrazovacím zařízení.
- Unifikované shadery – moderní náhrada za pixelové jednotky. Jsou programovatelné a díky tomu nemusí počítat pouze zobrazovaná data, ale i výpočty pro vědu a další (GPGPU, viz například OpenCL, DirectCompute, CUDA). V současné době (2014) jde v podstatě o RISC procesory. Shadery AMD (architektura GCN) se dále dělí na skalární (celočíselnou) a vektorovou část (pohyblivou řádovou čárku).
- Řadič pamětí – stará se o komunikaci mezi grafickou pamětí a GPU. NVIDIA i AMD podporují až GDDR6.
- TMU jednotky (Texture mapping unit) – mapuje textury na objekty.
- ROP jednotky (Render Output unit) – zabezpečuje výstup dat z grafické karty.
Video RAM – počítačová paměť, kde jsou ukládány obrazové informace

Typ	DDR	DDR2	DDR3	GDDR2	GDDR3	GDDR4	GDDR5
Efektivní frekvence paměti (MHz)	166–950	533–1000	700–2200	700–1000	700–2400	2000–3600	3400–10000
Propustnost (GB/s)	5,3–30,4	12,8–32	22,4–70,4	22,4–32	22,4–76,8	63–115,2	108,8–179,2

Propustnost je při 256bitové sběrnici. Brát pouze orientačně. Záleží na daném modelu grafické karty.

Firmware (=BIOS) – základní programové vybavení grafické karty, které je na vlastním paměťovém čipu. Jsou v něm uloženy informace o modelu grafické karty, GPU, taktovací frekvenci GPU a grafické paměti, napětí GPU a další informace.
RAMDAC – převodník digitálního signálu, se kterým pracuje grafická karta, na analogový, kterému rozumí zobrazovací zařízení (monitor).
Výstupy:
- VGA – analogový grafický výstup (používán starými monitory CRT a kompatibilními zařízeními). Možno převést redukcí z digitálního výstupu DVI.
- DVI – digitální grafický výstup (používaný většinou LCD panelů, projektory a novějšími zobrazovacími zařízeními).
- S-Video
- Component video – analogový výstup, používá 3 RCA konektory (Y, C_B, C_R), konektory jsou na některých projektorech, TV, DVD přehrávačích a dalších.
- Composite Video – analogový výstup s malým rozlišením, používá RCA konektor
- HDMI – výstup na zobrazovací zařízení (nejčastěji televizor) s vysokým rozlišením.
- DisplayPort – digitální grafický výstup ve vysokém nekomprimovaném rozlišení. S konektory DVI ani HDMI není kompatibilní.
- DB13W3 – analogový výstup používaný v systémech Sun Microsystems, SGI a IBM.

Výrobci grafických čipů

NVIDIA – Vývoj grafických čipů, čipsetů a dalších integrovaných obvodů (čipů pro přenosná zařízení).
AMD – Vývoj grafický čipů, čipsetů a dalších integrovaných obvodů.
Intel – Grafické čipy od Intelu jsou na základních deskách v podobě IGP provedení, jako součást procesorů, ale od 30.3.2022 se také vyrábí dedikované grafické karty modelové řady Intel Arc.
VIA Technologies – Vyvíjí levné grafické čipy hlavně pro svoji platformu, ale grafické čipy jsou kompatibilní, takže je možné je použít i u jiných platforem.
Matrox – Vyvíjí drahé, profesionální grafické karty pro práci s grafikou a úlohami CAD/CAM ve vysokém rozlišení.
Existují další specificky zaměření výrobci.

Výstupy z grafické karty

K zobrazení na monitor, projektor atd. je potřeba patřičný konektor, kterým disponuje jak zobrazovací zařízení, tak i grafická karta. Přenos dat může být analogový nebo digitální:

Analogový přenos

VGA

VGA je nejstarším a stále používaným konektorem. Jedná se o konektor analogový a hodil se tedy spíše ke starším CRT monitorům, které zpracovávaly signál analogově. Grafická karta musela původní digitální signál nejprve převést na analogový a ten dále pokračoval do zobrazovacího zařízení (kde je v modernějších monitorech znovu digitalizován). VGA konektor je již v dnešní době zastaralý a výrobci jej nakonec úplně odstranili z nových grafických karet. Slabinou tohoto konektoru bylo maximální rozlišení 2048 × 1536 pixelů, které bylo na většině monitorů dále omezeno na 1600 × 1200 pixelů a nemožnost současného přenosu obrazu a zvuku.

Digitální přenos

DVI

Digital Video Interface (DVI) konektor vznikl kvůli potřebě přenášet do monitoru digitální signál, aby novější monitory typu LCD, nemusely převádět analogový signál zpět na digitální (což je problém VGA konektoru).

Běžně se můžeme setkat s dvěma typy konektoru DVI. Prvním je DVI-D, který je čistě digitální a druhým pak DVI-I, který disponuje jak digitálním, tak i analogovým signálem, který může být pomocí jednoduché redukce vyveden do monitoru s klasickým VGA konektorem. Zvláštností je DVI-A, který je pouze analogový. Všechny tři typy se rovněž vyskytují jako single a dual link. Single link je většinou omezený na maximální rozlišení 1920 × 1200 pixelů, dual pak na 2560 × 1600 pixelů, avšak potřebuje speciální typ kabelu.

HDMI

HDMI konektor je používán zejména pro multimediální zařízení, jako je televizor, DVD a Blu-ray přehrávače, herní konzole apod. Konektor HDMI byl představen v roce 2002 a prošel několika změnami. Současná verze je HDMI 2.1. Výhodou oproti DVI je možnost přenosu až osmi zvukových kanálů spolu s obrazem. Rozlišení je omezeno na 4096 × 2160 pixelů.

Display port

Nejnovějším konektorem je takzvaný DisplayPort, který byl představen roku 2009. Je navržen tak, aby nahradil digitální (DVI) i analogové (VGA) konektory v monitorech počítačů stejně jako v grafických kartách. Má všechny funkce HDMI, ale nepředpokládá se, že by měl HDMI nahradit v oblasti domácí spotřební elektroniky,^[1] protože je určen spíše pro kancelářské a IT využití.

Chlazení grafické karty

Vzduchové chlazení

Na vzduchové chlazení grafické karty se používá buď pasivní kovový chladič, nebo se přidává ventilátor. Případně se používá v kombinaci s heatpipes ke zvýšení chladicí účinnosti.

Vodní chlazení

Vodní chlazení se většinou používá pouze u nejvýkonnějších grafických karet, které produkují největší odpadní teplo a to jenom jako TOP edice. Slouží ke snížení teploty a hlučnosti a používá se zejména, pokud je celý počítač chlazen vodním chlazením.

Problémy s chlazením

Referenční chladiče jsou v 95 % dostatečné na uchlazení grafické karty (GPU). Problém vzniká při kombinaci pasivního chlazení a nedostatečného větrání skříně nebo prachu na pasivních částech a znemožnění proudění vzduchu (částečné nebo úplné).

Problémy ale vznikají také při výměně chlazení a nesprávném odhadu teploty GPU, paměťových čipů, napájecích obvodů, případně ještě jiné součástky na grafické kartě (tzv. poddimenzované chlazení). K tomu většinou dojde při výměně aktivního chlazení za pasivní, většinou za účelem snížení hlučnosti. Proto je dobré se informovat (výrobce, prodejce, internet,...), o množství ztrátového tepla, kartou vyzářeném a podle toho zvolit adekvátní způsob chlazení.

Omezení grafické karty

Grafická karta je limitována:

Návrh grafické karty – Grafické karty jsou roztříděny do řad (nižší, střední, vyšší, HIGH-END) a na tom závisí jejich výkon.
- PCB – Stabilitu ovlivňují použité součástky a chladič.
Výkonem CPU – Podle výkonu grafiky je potřeba výkonné CPU, aby byla schopna dodat potřebná data.
- Výkonné grafické karty postavené na 2 a více GPU potřebují pro plný výkon buďto vysoko taktovaný dvoujádrový CPU (2,8 GHz a výš) nebo vysoko taktovaný čtyřjádrový CPU (2,5 GHz a výš), třeba u Radeon HD4870 X2 se projeví výkon čtyřjádrového CPU až na 3 GHz.
Velikostí a frekvenci operační paměti – Načíst data z paměti trvá podstatně kratší dobu než z HDD.
- A současně si může do ní přistupovat pro data, ale naopak to nejde.
Rychlostí slotu – To se projevuje hlavně při CF nebo SLI u PCI-Express slotu 1.1, kde při zapojení 16 × 16 linek nestačí přenosová rychlost.
Ovladače – starají se o to, aby grafická karta pracovala na plný výkon. bývají často nedoladěné, problémy řeší až novější verze.
Zdroj – Pokud máte slabý zdroj, nemusí dodat dostatek elektrické energie počítači a díky tomu se PC chová nestabilně a nepodává maximální možný výkon.
Nedostatečné chlazení – Pokud máte na grafické kartě nedostatečné chlazení, může dojít k přehřátí pamětí, napájecích obvodů nebo dalších součástí. Moderní grafický čip má ochranu proti přehřátí, jako CPU, která při dosažení určité teploty přepne kartu do 2D režimu.
Software – V současné době je nejlepším příkladem software Mantle (oproti OpenGL a zejména DirectX), při jehož použití dochází k odlehčení CPU a/nebo řádovému zvýšení výkonu^[2]^[3]^[4].

Historie

První grafická karta byla vyvinuta firmou IBM pro IBM PC v roce 1981. Jednalo se o MDA (Monochrome Display Adapter), který uměl pracovat pouze v textovém režimu.

Původní 3D akcelerátor byl vyráběn na desce, která byla spojena s normální grafickou kartou.

Jedním z největších představitelů grafických karet byla karta Hercules Graphics Adapter (HGC). Ta s sebou přinesla i další možnosti v rozlišení, kdy se v jednobarevných obrázcích hodnota rozlišení zvedla z doposud maximálních 80 × 25 znaků na vysoce kvalitních 720 × 348 pixelů.

Pravou revoluci mezi 3D akcelerátory způsobila společnost 3dfx v roce 1996 vydáním karty Voodoo. Zprvu společnost nebyla schopna najít někoho, kdo by podporoval její API Glide nebo vyrobil karty. Karta však neměla podporu 2D grafiky a byla zapojována pouze jako přídavný 3D akcelerátor. Následovníkem byla karta Voodoo Rush, která již 2D grafiku podporovala stejně jako všechny následující karty. Dalším revolučním počinem byla karta Voodoo2, první karta podporující zapojení SLI, tedy propojení více stejných karet pro zvýšení výkonu, které se stále využívá. Velmi úspěšná byla karta Voodoo Banshee a Voodoo 3, díky své nízké ceně a „plné samostatnosti”. Finanční tíseň donutila 3DFX předčasně vydat vícečipovou kartu Voodoo 5 se dvěma a čtyřmi čipy VSA-100, která však byla velmi drahá kvůli rychlým SDR pamětem a později levnější jednočipovou variantu Voodoo 4. Nakonec ale společnost 3DFX pohltily její finanční problémy a fakt že její karty nedisponovaly podporou T&L což bylo ve své době naprosto bezvýznamné, dokud nevyšel 3D mark 2000, který kartám s podporou T&L uděloval velmi vysoké hodnocení a tak mnohem horší karty s touto téměř nevyužívanou funkcí měly ve výsledku mnohem lepší výsledky než karty bez ní. To již bylo na 3DFX příliš a tak byla v roce 2000 odkoupena společností NVIDIA.

O pár let později jsou na trhu již velice výkonné grafické adaptéry, které bez problému zvládají i rozlišení 3200 × 2400 pixelů při barevné hloubce 32 bitů (tak vysoké hodnoty však ještě nedokáže zobrazit jeden monitor). Hlavní výrobci těchto grafických karet jsou firmy ATI (koupena společností AMD v roce 2006) a nVidia a v oblasti integrovaných grafických karet především Intel. Firma ATI svou řadu grafických karet pojmenovala Radeon, firma nVidia GeForce. V polovině roku 2006 byly na světovém trhu vládci v oboru grafických karet grafické čipy nVidia 7900 GTX (která již podporovala SLI) od firmy nVidia a grafický čip Radeon X1900 XTX od firmy ATI. V roce 2007 má obrovský náskok nVidia, díky svojí sérii GeForce8, podporující DirectX 10, kdy první dvě karty 8800GTX/GTS vyšly už na podzim 2006. Během května 2007 se na trhu objevila nová vlajková loď nVidie – 8800 Ultra, nejvýkonnější karta ze série GeForce8. AMD vdala Radeon HD 2900 XT. Dle očekávání není verze 2900 XT výkonnější než starší 8800GTX od nVidie. Další výrobci, jako je např. Matrox, Kyro, S3/Via, Rendition, SIS, Trident, XGI zaujímají pouze minoritní část trhu, nebo se soustředí na specifické grafické požadavky. Zaměřují se (např. Matrox) na profesionální oblast trhu (zpracování videa a CAD programy). Jedním z důvodů, proč se mezi velkými výrobci grafických karet nemohou objevit nové společnosti a ani není možný návrat v minulosti velkých výrobců, jsou ovladače grafických karet, které musí řešit veškeré chyby se kterými jsou vydávány nové hry, a nově vstoupivší společnost nemůže mít dostatek lidských zdrojů a financí na to, aby tyto chyby ve hrách v ovladačích svých grafických karet řešila.^[5]

Po vydání řady HD3000 od AMD dorovnala poměr výkon/cena s NVIDIÍ, ale už nikdy nevydala HIGH-END jádro. Používá 2 GPU na 1 PCB pro dosažení vyššího výkonu (využití CF technologie). NVIDIA při vydání 8800GT ohrožuje trh, je velmi prodávaná a má v tu dobu jeden z nejlepších poměrů výkon/cena. Dokonce ohrozí i HIGH-END, při použití SLI má vyšší výkon než nejvýkonnější grafiky. Následuje vydání řady HD4000 od AMD. Díky zvýšení výkonu se může s NVIDIÍ měřit ve všech segmentech. NVIDIA odpoví vydáním řady GTX 200, která má vysoký výkon, ale přesto model GTX280 neporazí 9800GX2, přestože cenou se mu vyrovná. V Q3 2008 vydává NVIDIA grafiky na 55 nm a ohrožuje AMD, díky vyšším frekvencím a menší spotřebě. V roce 2009 ohlásila AMD vydání RV740 (HD47x0) na 40 nm a RV790 (výkonnější RV770) stále na 55 nm. NVIDIA přejmenovává 9800GTX+ na GTS250 se změnou PCB karty a ohlašuje vydání GTX275.

V roce 2012 AMD vydalo grafiky s jádrem GCN (Graphics Core Next) v sérii HD7000. Nejvyšší model z této série, HD7790 ale používal už jádro GCN2. HD7970 je dodnes známá jako velmi dobrá grafika i po téměř deseti letech.

Mezi lety 2013 až 2016 Nvidia má lepší výkon než AMD u high-end grafik. V roce 2017 ale vychází RX580 - tato grafická karta má v dnešní době skvělý poměr cena-výkon. Tato karta se (spolu s procesory AMD Ryzen) symbolem návratu AMD

V roce 2016 vychází GeForce série 10 "Pascal" - GTX 1060 z této série je dodnes jednou z nejvíce používaných grafik.

Nvidia si v roce 2021 stále drží high-end segment se svojí řadou 30 "Ampere" , ale AMD začíná opět konkurovat s RDNA2. Bohužel, i když tyto grafické karty mají velmi lákavou doporučenou cenu, tak díky globálnímu nedostatku polovodičových komponentů a zvýšené ceně kryptoměn se prodávají za 150-200% své doporučené ceny

Nvidia značí vyšší modely stejného typu koncovkou "Ti" za číselným označením, AMD používá koncovku "XT"

Grafické procesory dostupné/oznámené v současnosti (červen 2021) + neoficiálně odhalené/uniklé informace
Výkonnostní třída	GeForce řada 30 "Ampere"	Radeon řada 6000 (RDNA2)
Nejvyšší třída	RTX 3090	RX 6900XT
Nejvyšší třída	RTX 3080Ti	RX 6800XT
High-End	RTX 3080	RX 6800
Vyšší třída	RTX 3070Ti
Vyšší střední třída	RTX3070	RX 6700XT
Střední třída	RTX3060Ti	RX6700 (spekulace + uniklé informace)
Střední třída	RTX3060	RX6600XT (spekulace + uniklé informace)
Nižší střední třída	RTX3050Ti (spekulace o desktopové verzi, mobilní verze je již dostupná)	RX6600 (spekulace + uniklé informace)
Low-end	RTX 3050 (spekulace o desktopové verzi, mobilní verze je dostupná)	RX 6500 XT (spekulace)

Sběrnice IBM PC

PC-BUS
ISA – univerzální 16bitová sběrnice
ISA, AT-BUS – takřka stejná specifikace univerzální 16bitové sběrnice 4,77 MHz (max. 9,6 MB/s), 8 MHz (max. 16 MB/s), 10 MHz (max. 20 MB/s), 12 MHz (max. 24 MB/s) a 16 MHz (max. 32 MB/s)
MCA – proprietární 16bitová nebo 32bitová sběrnice
EISA – 32bitová sběrnice zpětně kompatibilní se sběrnicí ISA
VESA
VLB – 32bitové rozšíření ke sběrnici ISA, především pro videokarty
PCI – univerzální 32bitová sběrnice, 33 MHz (max. 132 MB/s), 66 MHz (max. 264 MB/s), 133 MHz (max. 532 MB/s)
PCI64 – univerzální 64bitová sběrnice, 33 MHz (max. 264 MB/s), 66 MHz (max. 532 MB/s), 133 MHz (max. 1066 MB/s)
AGP – pouze na videokarty
PCI-Express – dnes nejpoužívanější, univerzální sběrnice, ve verzi 16x se používají většinou pouze pro grafiky, ostatním kartám (zvukové, síťové a další) stačí nižší 8×, 4×, 1× provedení slotu.

Grafické módy (PC)

Starší

	Rok	Text mód	Grafický mód	Barev	Paměť
MDA	1981	80*25	-	2	4 KB
CGA	1981	80*25	640*200	4	16 KB
HGC (Hercules)	1982	80*25	720*348	2	64 KB
EGA	1984	80*25	640*350	16	256 KB
EGC	1984	80*25	640*400	16
IBM 8514	1987	80*25	1024*768	256
MCGA	1987	80*25	320*200	256
VGA	1987	80*25	640*480	256	256 KB
SVGA	1989	80*25	800*600	256	512 KB
XGA	1990	80*25	1024*768	65,536	2 MB

Novější

Poměr stran 4 : 3

XGA 1024 × 768
SXGA− 1280 × 960
SXGA+ 1400 × 1050
UXGA 1600 × 1200
QXGA 2048 × 1536
QSXGA+ 2800 × 2100
QUXGA 3200 × 2400

Poměr stran 5 : 4

SXGA 1280 × 1024
QSXGA 2560 × 2048
SINS 3200 × 2560

Poměr stran 8 : 5 (16 : 10)

WXGA 1280 × 800
WXGA+ 1440 × 900
WSXGA+ 1680 × 1050
WUXGA 1920 × 1200
WQXGA 2560 × 1600

Poměr stran 16 : 9

WVGA 854 × 480
HD 720 1280 × 720
WXGA 1366 × 768
WXGA++ 1600 × 900
HD 1080 1920 × 1080 (full HD)
QFHD 3840 × 2160 (4K ultra HD)
QFHD 3840 × 1382 (4k Ultra HD, 25:9)
QUHD 7680 × 4320 (8K ultra HD)

Související články

Rozlišení

Reference

↑ http://en.community.dell.com/dell-blogs/direct2dell/b/direct2dell/archive/2008/02/19/46464.aspx
↑ http://pctuning.tyden.cz/index.php?option=com_content&view=article&id=28411&catid=1&Itemid=57 AMD odhalilo další podrobnosti o Mantle
↑ http://www.zive.cz/clanky/amd-mantle-prvni-testy-noveho-rozhrani/sc-3-a-172305/default.aspx AMD Mantle: první testy nového rozhraní
↑ http://diit.cz/clanek/amd-mantle-api AMD Hawaii: Mantle - 3D revoluce na PC, nebo novodobý 3Dfx Glide?
↑ Jiří "no-X" Souček. ex-inženýr Nvidie: Každou hru vydávají rozbitou, opravujeme to v driverech. diit.cz [online]. 11.3.2015. Dostupné online. ISSN 1213-2225.

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu grafická karta na Wikimedia Commons
Galerie grafická karta na Wikimedia Commons
Seriál Grafické karty a grafické akcelerátory
Jak pracují špičkové grafické karty Archivováno 13. 5. 2021 na Wayback Machine.

[1] ttp://en.community.dell.com/dell-blogs/direct2dell/b/direct2dell/archive/2008/02/19/46464.aspx

[2] ttp://pctuning.tyden.cz/index.php?option=com_content&view=article&id=28411&catid=1&Itemid=57 AMD odhalilo další podrobnosti o Mantle

[3] ttp://www.zive.cz/clanky/amd-mantle-prvni-testy-noveho-rozhrani/sc-3-a-172305/default.aspx AMD Mantle: první testy nového rozhraní

[4] ttp://diit.cz/clanek/amd-mantle-api AMD Hawaii: Mantle - 3D revoluce na PC, nebo novodobý 3Dfx Glide?

[5] Jiří "no-X" Souček. ex-inženýr Nvidie: Každou hru vydávají rozbitou, opravujeme to v driverech. diit.cz [online]. 11.3.2015. Dostupné online. ISSN 1213-2225.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]