thumb|Karta graficzna Gigabyte RTX 4070 Aero thumb|Karta graficzna MSI RTX 2080 Gaming X Trio thumb|Procesor graficzny karty 6600GT thumb|Jedna z kart Nvidia – GeForce 8800 GTS Karta graficzna – w węższym rozumieniu karta rozszerzeń komputera odpowiedzialna za renderowanie obrazu i adaptowanie go na sygnał odpowiedni dla monitora lub innego urządzenia wyjściowego. W szerszym znaczeniu termin ten bywa używany jako synonim urządzenia opartego na architekturze GPU, choć technicznie nieprecyzyjny, obejmując także zintegrowane układy graficzne oraz moduły pozbawione fizycznych wyjść wideo, które wykorzystują moc obliczeniową procesorów graficznych do zadań specjalistycznych, takich jak akceleracja sztucznej inteligencjihttps://www.nvidia.com/pl-pl/ai-on-rtx/, obliczenia naukowe (GPGPU) czy kryptografia.
Historia Frame buffer Najwcześniejszym komercyjnym protoplastą kart graficznych był frame buffer (bufor ramki) o handlowej nazwie Picture System, z roku 1974 firmy Evans & Sutherland, wyświetlał obraz w 256 odcieniach szarości o rozdzielczości 512 na 512 pikseli.
Charakter buforów ramki miały wszystkie wczesne systemy graficzne w mikrokomputerach osobistych oparte na układach graficznych generujących obraz na podstawie danych o kolorach i punktach na ekranie przechowywanych w pamięci komputerapoczątkowo, w latach 70. i 80., pamięć komputerowa była bardzo droga, była to więc zwykle część głównej pamięci operacyjnej komputera przeznaczona na tzw. pamięć ekranu. Operacje na tej pamięci najczęściej wykonywał procesor główny komputera, czasem wspomagany dodatkowymi układami (np. ANTIC w komputerach Atari, Blitter i Copper w Amigach). W wielu wczesnych komputerach o zamkniętej architekturzetj. nieposiadających możliwości rozbudowy przy pomocy kart rozszerzeń była to integralna, niezmienna część architektury komputeraco oznaczało, że nie można było zmienić (ulepszyć) możliwości graficznych komputera. Pojawienie się standardu IBM PC z otwartą architekturą, w której za generację grafiki odpowiadała karta rozszerzenia, umożliwiło instalację sterownika graficznego dobranego w zależności od potrzeb. Pierwszymi standardami graficznymi w komputerach IBM PC były CGA (karta z kolorową grafiką) oraz MDA (monochromatyczna karta pracująca wyłącznie w trybie tekstowym). Pierwsze standardy kart graficznych miały również charakter bufora ramki lecz zwykle już miały dedykowaną, zainstalowaną na karcie pamięćale widoczną (zmapowaną) w obszarze adresowym procesora, tj. dostepną do odczytu i zapisu dla procesora lecz poprzez magistalę komunikującą się z kartami rozszerzeń, nie jako część pamięci systemowej RAM. Prędkość magistrali determinowała w znacznym stopniu wydajność systemu graficznego.. Tak było również z kolejnymi standardami graficznymi dla komputerów IBM PC i kompatybilnych (takimi jak Hercules, EGA i VGA), a także kartami dla innych komputerów, w tym rodzin Macintosh czy Amiga.
Istotną cechą bufora ramki jest to w jaki sposób zorganizowana jest pamięć reprezentująca obraz. Wyróżnić można dwa modele: planar – w którym dane o pikselach składowane są bitplanach. W każdym bitplanie dokładnie 1 bit przypada na każdy piksel. Ilość bitplanów determinuje ilość dostępnych kolorów. W modelu tym dane pojedynczego piksela są rozrzucone w pamięci w poszczególnych bitplanach i programowy dostęp do nich jest utrudniony. chunky – w którym wszystkie bity opisujące dany piksel są zapisane razem, jeden po drugim, w pamięci bufora ramki.
We wczesnych standardach większość trybów graficznych o ograniczonej ilości kolorów miała model planar. Pierwszym trybem korzystającym z modelu danych chunky był tryb 13h kart VGA o rozdzielczości 320×200 pikseli w 256 kolorach, w którym dane każdego piksela były zapisane w 1 bajcieczyli w 8 bitach, co dawało dokładnie 256 wartości - kolorów piksela.
Każdy ze standardów graficznych wymagał monitora (zwykle CRTz wyjątkiem komputerów przenośnych) współpracującego z kartami pracującymi w danym standardzie, działającego z określonymi w standardzie parametrami generacji obrazu, w szczególności rodzajem sygnałów i złącz, częstotliwością odchylania i rozdzielczością. Mogły one być kompatybilne wstecz (podobnie jak karty) jednak tryby wykorzystujące pełnię możliwości (szczególnie - rozdzielczość) zwykle wymagały monitora dla określonego standardu (lub wyższego). Wyjątkiem była karta Hercules wymagająca specjalnego monitora pracującego w tym standardzieze względu m. in. na unikalną częstotliwość odchylania.
Kolejne rozwinięcia karty VGA, nazywane wówczas zbiorczo SVGA, nie były już standardem ustalonym przez IBM. Niezależni producenci kart konkurowali oferując coraz większe możliwości, w tym zwiększenie ilości kolorów do 256 w trybie 640×480, oraz tryby w nowych rozdzielczościach, najczęściej: 800×600, 1024×768 (16 do 256 kolorów), a także zwiększano ilość kolorów: do 32768 (15 bitów na piksel), 65536 (16 bitów, czyli 2 bajty na piksel)tryby z taką ilością kolorów nazywano High Color, lub ponad 16 mln. kolorów (24 bity, 3 bajty na piksel)tzw. True color. Tryby te, pomimo często takich samych parametrów i podobnej organizacji danych pamięci obrazu, były implementowane w różny sposób, przez co ich wykorzystanie przez producentów oprogramowania było utrudnioneByły to czasy systemu MS-DOS, w którym nie było systemowych sterowników graficznych (jak ma to miejsce np. w Windows). Twórcy oprogramowania, za wyjątkiem tworzących aplikacje dla wczesnych wersji Windows (o ograniczonym zastosowaniu) czy wybranych programów CAD (głównie - AutoCAD), dla których zapewniano sterowniki, musieli sami zapewnić wsparcie dla poszczególnych typów kart.. Powstała organizacja VESA, która opracowała rozszerzenie podstawowego BIOSu, VESA BIOS Extension, które standardyzowało programowanie nowych trybów graficznych.
Współcześnie bufor ramki to integralna część struktury każdej karty graficznej, czyli wydzielony obszar pamięci VRAM.
Przed główną erą GPU Pierwszą kartą graficzną produkowaną na masową skalę, która implementowała ideę osobnego procesora do przetwarzania grafiki, podobnie jak we współczesnych konstrukcjach, był IBM Professional Graphics Adapter (PGA) z 1984 roku, przeznaczony dla komputerów IBM XT i IBM PC/AT. W przeciwieństwie do współczesnych GPU, które przetwarzają dane równolegle, korzystając z wielowątkowości, PGA posiadał procesor 8088, który przetwarzał dane sekwencyjne z podstawowym pipeliningiem, zgodnie z ówczesną architekturą x86. Aż do wczesnych lat 80. XX wieku, przed pojawieniem się rozwiązań zastosowanych w PGA, systemy graficzne były jednostkami zajmującymi się obsługą pamięci ramki do przechowywania i generowania obrazu, zintegrowanym buforem ramki.
Akceleratory 2D Pierwsze układy przyspieszające generację grafiki miały charakter koprocesorów, którym można było zlecić niektóre operacje generowania grafiki 2D w pamięci bufora ramki (takie jak rysowanie linii, wielokątów, wypełnianie ich, czy operacje BITBLTczyli szybkie przepisanie danych reprezentujących fragment obrazu graficznego z jednego obszaru pamięci graficznej do drugiego). Początkowo było to wykorzystywane głównie w programach typu CAD, a wraz z upowszechnieniem systemów z graficznym interfejsem użytkownikaw szczególności systemów Windows oraz MacOS w przypadku komputerów osobistych, X-Window w przypadku pracujących w systemie UNIX stacji roboczych – również przez sam system operacyjny i pracujące w nim aplikacje. Do pierwszych akceleratorów grafiki 2D dla komputerów osobistych należały m.in. IBM 8514/A oraz Artist 10 MC.
Akceleratory 3D W latach 90. modele kart graficznych miały ograniczoną wydajność i oferowały podstawowe funkcje graficzne oraz technologie 3D. Główni producenci tego okresu to: SGI cards; 3dfx (Voodoo); Nvidia (TNT); ATI (Rage); Matrox.
W 1996 roku 3dfx wypuszcza na rynek, pierwszy powszechnie dostępny akcelerator 3d o nazwie Voodoo Graphics , później znany jako Voodoo 1. Glide interfejs programistyczny opracowany dla tych kart, stał się popularnym standardem, na komputery PC zgodne z architekturą x86 w drugiej dekadzie lat 90., przed erą DirectX.
Główna era GPU Pierwsza generacja (1999) związana z DirectX 7, obejmuje postęp w technologiach 3D, większą wydajność obliczeń, wdrożenie akceleracji sprzętowej. W tym samym roku NVIDIA wprowadziła pojęcie GPU (Graphics Processing Unit).
Druga generacja (2001–2006) wprowadziła DirectX 8, 9. Programowalne jednostki obliczeniowe: vertex shaders (cieniowanie wierzchołków) oraz pixel shaders (cieniowanie pikseli). Opracowano modele cieniowania Shader Model 1.0, 2.0 i 3.0. Jedną z najbardziej rozpoznawalnych serii GPU tej generacji była NVIDIA GeForce 3.
Trzecia generacja (2006–2009) czas DirectX 10 i DirectX 11, Shader Model 4.0, architektura CUDA, umożliwiającą wykonywanie obliczeń ogólnego przeznaczenia (GPGPU). Pierwszą serią kart graficznych w pełni zgodnych z DirectX 10 była NVIDIA GeForce 8.
Czwarta generacja (2009–2015) wprowadziła DirectX 11, Shader Model 5.0. Pierwszą serią kart graficznych w pełni kompatybilną z DirectX 11 była AMD Radeon HD 5000.
Piąta generacja (2015–2020) wprowadzenie niskopoziomowych API, takich jak DirectX 12 i Vulkan, umożliwiło obsługę wielowątkowości oraz zwiększyło efektywność obliczeniową. Ikonicznym modelem karty graficznej tego okresu była NVIDIA GeForce GTX 1080 Ti.
Szósta generacja (2020–obecnie) DirectX 12 Ultimate czyli pełna implementacja śledzenia promieni (ray tracingu). Układy tej generacji oferują znaczący wzrost mocy obliczeniowej i wsparcie dla zaawansowanych efektów graficznych w czasie rzeczywistym.
Rodzaje procesorów graficznych Procesory graficzne (GPU), produkowane na rynek masowy, przez AMD, Intela oraz NVIDIA, dzieli się ze względu na przeznaczenie.
1. Procesory dedykowane, przeznaczone do kart graficznych, także tych laptopowych, nie dzielące pamięci RAM z CPU.
Radeon produkowany przez AMD GeForce produkowany przez Nvidia ARC produkowany przez Intela
2. Procesory zintegrowane, będące częścią płyty głównej lub CPU, dzielące pamięć RAM z CPU. Radeony z sufiksem m produkowane przez AMD Intel HD Graphics produkowane przez Intela laptopowe GeForce produkowany przez Nvidia. Produkowane są też inne modele kart graficznych i kart z GPU do zastosowań profesjonalnych i kopania kryptowalut.
Funkcje Cechy współczesnych GPU na przykładzie procesorów NVIDIA z 2024 Narzędzia Deweloperskie:Przemysł Gier:Sztuczna Inteligencja(AI) i Uczenie Maszynowe(ML):Grafika i Obliczenia Wizualne:Wirtualna Rzeczywistość (VR):Technologie Profesjonalne i Renderowania:Optymalizacja i Wydajność:CUDAGameWorksAI ComputingIndeXVirtual RealityDirectX 12 UltimateGPUBoostOptiX Ray Tracing EngineGameStreamDeep LearningIrayvGPUPixar Universal Scene DescriptionWhisperModePhysX (Developer)G-SYNCMachine LearningMaterial Definition Language (MDL)PostWorksVLinkRTX Real-Time Ray TracingMulti-GPUSceniXOptimusShadowPlayNVAPIShadowWorksShadowWorksVisual ComputingSLISceniX3DVision & Surround4KTXAA
Budowa karty graficznej Podstawowe elementy karty graficznej procesor graficzny (GPU) – serce karty graficznej Video random-access memory (VRAM) – pamięć RAM karty graficznej wyjścia sygnałów złącze do płyty głównej układ chłodzenia
W przeszłości część kart graficznych posiadała: RAMDAC () przetwornik cyfrowo-analogowy – odpowiedzialny za przekształcenie cyfrowych danych z pamięci obrazu na sygnał sterujący dla monitora analogowego; w przypadku kart wyłącznie z wyjściem cyfrowym RAMDAC nie występuje. framegrabber – układ zamieniający zewnętrzny, analogowy sygnał wideo na postać cyfrową (tylko w kartach posiadających przechwytywanie obrazu), procesor wideo – układ wspomagający dekodowanie i przetwarzanie strumieniowych danych wideo; w najnowszych konstrukcjach zintegrowany z procesorem graficznym.
Typy slotów / magistral dla kart graficznych