Видеокарта, GPU, построение 3D - изображения

Функции, назначения

Видеока́рта1— электронное устройство, преобразующее графический образ, хранящийся, как содержимое памяти компьютера (или самого адаптера), в форму, пригодную для дальнейшего вывода на экран монитора. Первые мониторы, построенные на электронно-лучевых трубках, работали по телевизионному принципу сканирования экрана электронным лучом, и для отображения требовался видеосигнал, генерируемый видеокартой.

В настоящее время, однако, эта базовая функция утратила основное значение, и, в первую очередь, под графическим адаптером понимают устройство с графическим процессором — графический ускоритель, который и занимается формированием самого графического образа. Современные видеокарты не ограничиваются простым выводом изображения, они имеют встроенный графический процессор, который может производить дополнительную обработку, снимая эту задачу с центрального процессора компьютера. Например, все современные видеокарты Nvidia и AMD (ATi) осуществляют рендеринг графического конвейера OpenGL и DirectX на аппаратном уровне. В последнее время также имеет место тенденция использовать вычислительные возможности графического процессора для решения неграфических задач.

Графический процессор  — отдельное устройство персонального компьютера или игровой приставки, выполняющее графический рендеринг. Современные графические процессоры очень эффективно обрабатывают и отображают компьютерную графику. Благодаря специализированной конвейерной архитектуре они намного эффективнее в обработке графической информации, чем типичный центральный процессор. Графический процессор в современных видеоадаптерах применяется в качестве ускорителя трёхмерной графики.

Может применятся как в составе дискретной видеокарты, так и в интегрированных решениях (встроенных в северный мост либо в гибридный процессор).

Трёхмерная графика— раздел компьютерной графики, совокупность приемов и инструментов (как программных, так и аппаратных), предназначенных для изображения объёмных объектов.

Трёхмерная графика активно применяется для создания изображений на плоскости экрана или листа печатной продукции в науке и промышленности, например в системах автоматизации проектных работ (САПР; для создания твердотельных элементов: зданий, деталей машин, механизмов), архитектурной визуализации (сюда относится и так называемая «виртуальная археология»), в современных системах медицинской визуализации.

Самое широкое применение — во многих современных компьютерных играх. 
Также как элемент кинематографа, телевидения, печатной продукции.

Устройство

Видеокарта

Современная видеокарта состоит из следующих частей:

Графический процессор (Graphics processing unit (GPU) — графическое процессорное устройство) занимается расчётами выводимого изображения, освобождая от этой обязанности центральный процессор, производит расчёты для обработки команд трёхмерной графики. Является основой графической платы, именно от него зависят быстродействие и возможности всего устройства. Современные графические процессоры по сложности мало чем уступают центральному процессору компьютера, и зачастую превосходят его как по числу транзисторов, так и по вычислительной мощности, благодаря большому числу универсальных вычислительных блоков. Однако, архитектура GPU прошлого поколения обычно предполагает наличие нескольких блоков обработки информации, а именно: блок обработки 2D-графики, блок обработки 3D-графики, в свою очередь, обычно разделяющийся на геометрическое ядро (плюс кэш вершин) и блок растеризации (плюс кэш текстур) и др.

Видеоконтроллер отвечает за формирование изображения в видеопамяти, даёт команды RAMDAC на формирование сигналов развёртки для монитора и осуществляет обработку запросов центрального процессора. Кроме этого, обычно присутствуют контроллер внешней шины данных (например, PCI или AGP), контроллер внутренней шины данных и контроллер видеопамяти. Ширина внутренней шины и шины видеопамяти обычно больше, чем внешней (64, 128 или 256 разрядов против 16 или 32), во многие видеоконтроллеры встраивается ещё и RAMDAC. Современные графические адаптеры (ATI, nVidia) обычно имеют не менее двух видеоконтроллеров, работающих независимо друг от друга и управляющих одновременно одним или несколькими дисплеями каждый.

Видео-ПЗУ (Video ROM) — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в которое записаны BIOS видеокарты, экранные шрифты, служебные таблицы и т. п. ПЗУ не используется видеоконтроллером напрямую — к нему обращается только центральный процессор.

Видеопамять выполняет роль кадрового буфера, в котором хранится изображение, генерируемое и постоянно изменяемое графическим процессором и выводимое на экран монитора (или нескольких мониторов). В видеопамяти хранятся также промежуточные невидимые на экране элементы изображения и другие данные.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП; RAMDAC — Random Access Memory Digital-to-Analog Converter) служит для преобразования изображения, формируемого видеоконтроллером, в уровни интенсивности цвета, подаваемые на аналоговый монитор. Возможный диапазон цветности изображения определяется только параметрами RAMDAC. Большинство ЦАП имеют разрядность 8 бит на канал — получается по 256 уровней яркости на каждый основной цвет, что в сумме дает 16,7 млн цветов (а за счёт гамма-коррекции есть возможность отображать исходные 16,7 млн цветов в гораздо большее цветовое пространство).

Видеоадаптеры MDA, Hercules, EGA и CGA оснащались 9-контактным разъёмом типа D-Sub. Изредка также присутствовал коаксиальный разъём Composite Video, позволяющий вывести черно-белое изображение на телевизионный приемник или монитор, оснащенный НЧ-видеовходом.

Видеоадаптеры VGA и более поздние обычно имели всего один разъём VGA (15-контактный D-Sub). В настоящее время платы оснащают разъёмами DVI или HDMI, либо DisplayPort в количестве от одного до трёх (некоторые видеокарты ATi последнего поколения оснащаются шестью коннекторами). Порты DVI и HDMI являются эволюционными стадиями развития стандарта передачи видеосигнала, поэтому для соединения устройств с этими типами портов возможно использование переходников. Порт DVI-I также включает аналоговые сигналы, позволяющие подключить монитор через переходник на старый разъём D-SUB (DVI-D не позволяет этого сделать). DisplayPort позволяет подключать до четырёх устройств, в том числе аудиоустройства, USB-концентраторы и иные устройства ввода-вывода.

Также на видеокарте могут быть размещены композитный и компонентный S-Video видеовыход; также видеовход (обозначаются, как ViVo)

Система охлаждения предназначена для сохранения температурного режима видеопроцессора и (зачастую) видеопамяти в допустимых пределах.

Первое препятствие к повышению быстродействия видеосистемы — это интерфейс передачи данных, к которому подключён видеоадаптер. Как бы ни был быстр процессор видеоадаптера, большая часть его возможностей останется незадействованной, если не будут обеспечены соответствующие каналы обмена информацией между ним, центральным процессором, оперативной памятью компьютера и дополнительными видеоустройствами. Основным каналом передачи данных является, конечно, интерфейсная шина материнской платы, через которую обеспечивается обмен данными с центральным процессором и оперативной памятью.

GPU

Акселератор на базе GPU представляет собой набор вычислительных узлов (мультипроцессоров), состоящих из некоторого числа арифметико-логических устройств (АЛУ). Он имеет SIMD-архитектуру. Иначе говоря, в любой момент времени все АЛУ одного мультипроцессора выполняют одинаковую последовательность инструкций над разными наборами данных, расположенных в памяти GPU-устройства. В качестве примера далее рассматривается акселератор nVidia GeForce 8800 GTX, который имеет 16 мультипроцессоров, по 8 АЛУ в каждом.

Поскольку в SIMD-устройствах каждый мультипроцессор конфигурируется определенным образом для выполнения заданной последовательности команд на множестве входных данных, то перед разработчиком стоит задача формирования последовательности инструкций, решающей поставленную задачу, конфигурации устройства и передачи в устройство потока входных данных. При использовании nVidia CUDA SDK, эта процедура выглядит следующим образом (рис. 1): разработчик описывает ядро (kernel), то есть процедуру, которая будет исполняться на GPU над потоком данных и при запуске ядра на GPU задает ему конфигурацию на основе описанной ниже иерархии. Каждый поток, физически выполняющийся на АЛУ мультипроцессора, исполняет инструкции, описанные в ядре. При этом, благодаря SIMD-архитектуре, на каждом мультипроцессоре несколько потоков параллельно выполняют одну и ту же последовательность инструкций. Логически потоки объединяются в блоки, ограничивающие возможность обмена данными между потоками. Потоки могут обмениваться данными через общую память только внутри одного блока. Кроме того, потоки из одного блока выполняются на одном и том же мультипроцессоре.

Таким образом, перед запуском ядра разработчик задает его конфигурацию (grid): размер блока и общее число блоков. Для более удобного структурирования конкретных задач в CUDA предусмотрена возможность конфигурирования блоков и потоков в двумерные сетки. Данная возможность обеспечивает удобство при обработке данных, имеющих двумерную структуру: изображений, матриц и пр. 
 
Отметим так же еще один важный структурный элемент конфигурации ядра – основу (warp). Под основой (в терминологии nVidia) подразумевается набор потоков, инструкции которых выполняются на мультипроцессоре одновременно. Размер основы определяется архитектурой конкретного GPU-устройства и размер блока, определяемый при конфигурировании ядра должен быть пропорционален размеру основы. 
 
Ключевым моментом отображения вычислительного алгоритма на GPU-архитектуру является определение ядра, соответствующего решению поставленной задачи. При этом следует учитывать, что каждый из потоков, исполняющих код ядра, для получения входных данных должен обращаться к своей области памяти устройства. На рис. 2 представлена общая схема преобразования последовательного циклического алгоритма в его GPU-реализацию. 
 
При исполнении на CPU-системе алгоритм многократно последовательно вычисляет некоторую функцию на различных наборах данных . При исполнении на GPU указанная функция преобразуется к виду , удобному для исполнения в рамках одного потока и затем вычисляется на GPU параллельно, на разных наборах данных. Разумеется, данный подход является эффективным лишь в том случае, когда итерации цикла, вычисляющего независимы. 
 
Заметим также, что при описании вычислительного ядра необходимо учитывать ряд важных особенностей работы GPU-устройств. Во-первых, SIMD-архитектура накладывает ограничения на использование ветвящихся конструкций (if/else). Это связано с тем, что потоки, исполняющиеся на одном и том же мультипроцессоре, должны оперировать одной и той же последовательностью инструкций, что может нарушаться при несовпадении условий ветвления у разных потоков. При нарушении этого ограничения может происходить сильное ухудшение производительности. Во-вторых, следует учитывать особенности работы GPU-устройств с памятью: определение ядра таким образом, чтобы одновременно выполняющиеся потоки читали данные из соседних участков памяти, существенно увеличивает производительность. Кроме того, необходимо учитывать трудоемкость обращения к памяти GPU-устройства: например, чтение из памяти для акселераторов nVidia занимает 400-600 тактов, тогда как операция сложения занимает всего 4 такта. В-третьих, следует учитывать архитектуру конкретного GPU-устройства, на котором выполняется вычислительная задача. Например, неэффективно задавать конфигурацию ядра с числом блоков меньшим числа мультипроцессоров, имеющимся на устройстве.

3-D изображение

Трёхмерное изображение на плоскости включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ (однако, с созданием и внедрением 3D-дисплеев и 3D-принтеров, трёхмерная графика не обязательно включает в себя проецирование на плоскость). При этом модель может как соответствовать объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид), так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного фрактала).

Принципы работы

Видеокарта

Пусть компьютер это компания, в штате которой состоит собственный художественный отдел. Когда люди в компании хотят получить иллюстрации или художественные работы, они посылают запрос художественному отделу. Художественный отдел решает, как создать изображение  затем рисует его на бумаге, т.е. идея становится фактической, видимой картиной.

Графическая карта работает подобно тем же принципам, что и наша компания. Центральный процессор, работающий в связке с программным обеспечением, посылает информацию об изображении на видеокарту. Видеокарта решает, как расположить пиксели на экране, чтобы создать правильное изображение. После чего она посылает подготовленную информацию на монитор через соединительный кабель.

Создание изображения из двоичных данных является достаточно требовательным процессом. Например, чтобы сделать 3-х мерное изображение, графическая карта в первую очередь создает структуру изображения из прямых линий, затем проводит растрирование (заполнение пикселями), изображения, добавляет освещение, структуру и цвет. Для быстро изменяющихся видеоигр компьютер должен пройти этот процесс приблизительно шестьдесят раз в секунду. Без графической карты, чтобы выполнить необходимые вычисления, нагрузка на процессор была бы слишком большой, что бы приводило к зависанию картинки на мониторе, или другим системным сбоям.

GPU

• Порт соединения с материнской платой (AGP, PCI-E) для передачи данных и управления.

• Процессор (GPU), чтобы решить, что сделать с каждым пикселем на экране.

• Память (VRAM), чтобы держать информацию о каждом пикселе и временно хранить сформированные изображения.

• Вывод на монитор (VGA, DVI), чтобы видеть окончательный результат обработки.

Внутренняя модель nVidia GPU – ключевой момент в понимании GPGPU2 с использованием CUDA3.

Вычислительная модель GPU:

 
Рассмотрим вычислительную модель GPU более подробно.