Hardware studie de grafische kaart

Transcriptie

1 Koninklijke militaire school 165 ste promotie polytechniek Lt Kol Vlieger Vaerten Academisch jaar ste Bachelor Hardware studie de grafische kaart Door Thijs Goethals Werk voor IN008a Brussel, 2010

2

3 Inhoudsopgave 1 De pc Inleiding De voeding De behuizing Moederbord CPU en geheugen Opslagmedia Koeling Andere De grafische kaart Geschiedenis Onderdelen GPU Video BIOS Videogeheugen RAMDAC Aansluitingen Gebruik Drivers Software Formules Gulden snede Normale verdeling

4 1. De pc 1.1 Inleiding Een grafische kaart is maar 1 onderdeel op zich van de pc. Maar zoals alle complexere apparaten hangt ook een pc af van zijn zwakste schakel. Daarom is het belangrijk van een goed uitgebalanceerd systeem te hebben dat aangepast is aan de persoonlijke noden. Een systeem om te gamen heeft andere sterke punten nodig dan een htpc. In de volgende korte beschrijving overheerst een ondertoon van meer is beter. Maar praktisch gezien moet men ook rekening houden met financiële middelen of met andere mensen binnen het gezin. Veel mensen kopen ook een kant en klaar systeem van een oem systeembouwer. Het grote gevaar van deze systeembouwers is dat ze een aanlokkelijk systeem willen creëren. Dit zorgt ervoor dat het systeem niet altijd uitgebalanceerd is en dat voor sommige onderdelen lagere kwaliteit gebruikt wordt. 1.2 De voeding De voeding is uiteindelijk het belangrijkste onderdeel van ieder elektrisch apparaat. Zonder een goede stabiele voeding zal het apparaat niet werken of rapper kapot gaan. Zeker bij moderne videokaarten die heel wat vermogen vragen wordt de voeding meer en meer belangrijk. Zo zijn er nu al voedingen te vinden van 2 KW terwijl vroeger 600 W al veel was. Figuur 1.1: Enermax Revolution W Men moet goed overwegen welke voeding men nodig heeft. Want een voeding heeft slechts haar maximale rendement als ze zwaar belast wordt. Zo zal een te zware voeding nooit belast worden en zo een slecht rendement hebben. Zo bestaan er voor htpc speciale minivoedingen die zorgen voor het makkelijk verwerken van de voeding in de behuizing. Deze minivoedingen zijn ook passief gekoeld wat er voor zorgt dat ze muisstil zijn. 2

5 1. De pc Figuur 1.2: Mini-box PicoPSU De behuizing De grafische kaart moet ten eerste fysisch passen in de behuizing. Voor sommige grotere grafische kaarten is dit een probleem. Ten tweede moet bij grafische kaarten van een hoog vermogen ervoor gezorgd worden dat de behuizing voldoende koelend vermogen heeft. Dit houd vooral in dat er een goede airflow is. Ook hangt de rest van het systeem af van de grafische kaart en vice versa. Hierdoor heeft een systeem met een zware grafische kaart meestal een moederbord met veel functies. Dus moet de behuizing voorzien zijn op veel uitbreidingsmogelijkheden. Sommige mensen prefereren zelf waterkoeling waardoor er openingen nodig zijn in het systeem. Figuur 1.3: Level 10 Gaming Station VL30001N1ZD 1.4 Moederbord Zoals al eerder aangehaald speelt het moederbord ook een grote rol in de goede werking van de grafische kaart. Een moederbord moet voorzien zijn van PCI-E sleuven om de videokaart te kunnen in steken. Eventueel kan het vereist zijn dat de chipset van het moederbord voorzien is van een technologie om meerdere grafische kaarten samen te laten werken. Dit kan een chipset zijn die crossfire ondersteunt of sli of eventueel zelf hydra. Tevens is er ook terug een afstemming nodig op prestatiegebied. Zo zal een moederbord dat men wil gebruiken voor een eerder zware grafische kaart ook een goede CPU en voldoende geheugen ondersteunen. Als men andere besturingssystemen wil gebruiken is het ook een goed idee om naar de ondersteuning te kijken. 3

6 1. De pc Indien men wil experimenteren met vervangers van het bios kan dit ook een determinerende factor zijn. Figuur 1.4: Asus Rampage III Extreme 1.5 CPU en geheugen Deze twee zaken zijn in grote mate gekoppeld aan de keuze van het moederbord. Zowel qua type als qua snelheid en hoeveelheid. Zo bestaan ervoor verschillende types processoren verschillende sockets die al dan niet onderling compatibel zijn. Zo tracht amd bij bepaalde sockets voorwaarts compatibel te zijn. Dit houd wel in dat ze sommige functies nog niet kunnen implementeren waardoor een processor van de volgende generatie wel zal werken maar niet al zijn nieuwe technologie zal ondersteunen. De combinatie geheugen en CPU is zeer belangrijk door eventuele dual en triple channel ondersteuning. En voor de meeste standaardprogramma s blijven de CPU en het werkgeheugen de grootste factor in de uiteindelijke snelheid. Dit begint echter te veranderen. Er is veel software die nu herschreven wordt om gebruik te maken van de brute parallelle rekenkracht van de GPU. Figuur 1.5: Intel core i7 1.6 Opslagmedia Opslagmedia zijn in mindere mate rechtstreeks te linken aan de prestaties van de grafische kaart. Wel zal de totale ervaring van het pc gebruik er onder leiden. Zo zal de grafische kaart in een spel de textures perfect uit het ram kunnen halen en dan heel snel verwerken. Maar als men dan een nieuw level laad of als het spel een nieuw deel van de map laad kan dit onwenselijk lang duren. Daarom is het toch aan te raden om een degelijke harde schijf te kopen. Een andere beperkende factor is de hoeveelheid data die men kwijt kan. Als men een zware grafisch kaart koopt om games mee te spelen moet men er rekening mee houden dat dit applicaties zijn die relatief veel ruimte in beslag nemen. Zeker als men een ssd (solid state drive) gebruikt zal dit 4

7 1. De pc zwaar doorwegen omdat een ssd een vrij hoge prijs per gigabyte heeft. Sommigen kiezen ook voor een hybride oplossing door een snelle opstartschijf (al dan niet ssd) te gebruiken voor het besturingssysteem en de applicaties en een grotere tragere schijf voor data. 1.7 Koeling Deze factor wordt veelal vergeten omdat hij zo vanzelfsprekend is. De meeste fabrikanten leveren koelers mee met hun onderdelen en de centrale airflow wordt meestal gewoon verzorgd door de fan van de voeding. Indien men echter hoge prestaties van het systeem verlangt kan het wenselijk zijn om de koeling te wijzigen. Dit is zowel op basis van rekenkracht als op basis van geluid of zelfs om esthetische redenen. Figuur 1.6: Ninja Wire Godhand CPU cooler Bij plaatsing van meerdere grafische kaarten is de koeling soms een probleem. Dit omdat de kaarten warmte aan elkaar doorgeven in plaats van aan de omgeving. Een te grote CPU-koeler kan ook voor problemen zorgen bij de plaatsing van de grafische kaart. 1.8 Andere Er zijn ook nog andere onderdelen in een pc die belang hebben bij de opbouw van een systeem. Zoals de aanwezigheid van optische drives. Deze zijn echter meestal persoonlijk en hebben weinig invloed op de prestaties van de grafische kaart. Ook zijn er mensen die belang hechten aan het uitzicht van hun systeem. Dit hangt meestal af van de behuizing. Maar er kunnen ook andere onderdelen gewijzigd worden. Er kan bijvoorbeeld verlichting aangebracht worden in de kast. Er zijn ook zogenaamde tweakers die zelf de soldeerbout boven halen om hun systeem aan te passen. Ze solderen dan een pendrive vast aan het moederbord en gebruiken die dan als opstartschijf. 5

8 2. De grafische kaart 2.1 Geschiedenis In deze jaren verschenen de eerste chips met als specifiek doel output op een bepaalde manier op het scherm brengen. Dit was soms enkel maar voor tekst of een paar kleine afbeeldingen (sprites). Dit was de eerste stap in het maken van grafische 2D toepassingen In die tijd bracht IBM een eerste 2D/3D accelerator uit. Deze was echter zeer duur en niet compatibel met de softwaremarkt. Ook was de chip heel traag. Al deze factoren zorgden ervoor dat er niet echt een doorbraak kwam. De Amiga was een van de eerste systemen met een volledig onafhankelijke coprocessor voor de output. Tot dan toe nam de CPU al deze taken op zich. Deze coprocessor had zelf een eigen primitieve instructieset In deze periode kwamen de eerste single chip oplossingen voor 2D acceleratie. Deze waren midden de jaren 90 wijd verspreid. Met de opkomst van games steeg ook de vraag naar 3D acceleratie. Een hoop 3D kaarten waren slechts uitgebreide 2D kaarten. Vanaf midden de jaren 90 kwamen er dan systemen waarbij de CPU en een onboard chip zorgde voor 2D acceleratie en een insteekkaart kon zorgen voor 3D functies. Naarmate de 3D kaarten verder evolueerden werden er 2D functies toegevoegd aan de 3D kaarten. Ook verschenen er allerlei api s waaronder opengl om functies van de videokaart te benutten. Rond die tijd is microsoft gestart met de degelijke ontwikkeling van directx. Dit is een api specifiek geschikt voor games. Eind jaren negentig kwamer er ook shader units in de grafische kaart. Die waren veel flexibeler De kaarten zijn steeds krachtiger en geavanceerder. Ook de api s evolueren mee. Zo zijn we ondertussen al bij directx 11 aanbeland. Ook is het werkingsprincipe van de grafische kaart sterk veranderd. Nvidia deelt zijn GPU namelijk in in cuda-cores die dan samen werken voor grafische taken. Maar deze krachtige cluster van processoren kan ook gebruikt worden in allerlei andere toepassingen. Het enige nadeel van directx en cuda is dat deze technologiën niet open zijn en dus enkel maar bruikbaar op de voorziene platformen. Dit is een van de grootste beperkende factoren voor linuxsystemen. Deze kunnen nog altijd niet optimaal gebruik maken van de kracht van moderne graftische kaarten. Dit is enerzijds door de niet zo goede driverondersteuning. Anderzijds kan linux geen rechtstreeks gebruik maken van deze api s. Dit zorgt er vooral voor dat de gamingindiustrie niet geïntereseerd is in linux. 6

9 2. De grafische kaart 2.2 Onderdelen GPU Figuur 2.1: Sapphire TOXIC HD5870 2GB GDDR5 PCIE De GPU of de graphical processing unit zorgt voor de berekeningen binnen de grafische kaart. Tegenwoordig is de GPU een bijna volledig programmeerbare unit die in staat is om parallel fpu operaties te maken. De rekenkracht van een grafische kaart ligt tegenwoordig hoger dan de processor maar is niet voor alle doeleinden goed bruikbaar. Omdat de GPU stilaan universeel inzetbaar wordt, wordt hij ook wel GPGPU ofwel general purpose graphical processing unit genoemd. Een van de meest gebruikte dagelijkse toepassingen is het decoderen van video s. Zo kan de CPU sterk ontlast worden. Dit zou volgens sommigen ook beter zijn voor het verbruik van de pc. Ook het leggen van filters op foto s en videobeelden is een taak die veel kan versneld worden door gebruik te maken van de GPU. Tegenwoordig zijn er bij de kleine pc s ook al totaalplatformen waarbij de GPU de bovenhand heeft tegenover de CPU met als doel alles visueel vlot te laten verlopen. Dit onderdeel zet dus de 3D elementen om in een 2D beeld en maakt het dus bruikbaar voor op een scherm. Doordat de grafische kaart meer en meer een pc op zich begint te worden wordt dit element de processor van de grafische kaart genoemd Video BIOS Dit onderdeel bevat net zoals bij het gewone BIOS de informatie waarmee het systeem aan de slag kan. Dit BIOS zorgt er ook voor dat de kaart direct aanspreekbaar is bij het opstarten. Ook zitten de timings, kloksnelheid en nog een hoop andere gegevens hier in opgeslagen. Dit is een geliefd onderdeel om te wijzigen door overklokkers. Zo zullen ze dan het BIOS flashen met aangepaste instellingen Videogeheugen Dit is een verzameling van heel snel geheugen equivalent met het ram-geheugen. Dit geheugen is aanspreekbaar door de GPU en alle andere onderdelen van het beeldcircuit. Dit is geheugen dat 7

10 2. De grafische kaart Figuur 2.2: GF104 van Nvidia heel snel toegankelijk is. De laatste jaren wordt gebruik gemaakt van DDR geheugen specifiek geschikt voor grafische toepassingen. De laatste verschenen variant op dit moment is GDDR5. Deze technologie is gebaseerd op DDR RAMDAC De RAMDAC of de Random Access Memory Digital-to-Analog Converter is het onderdeel van de grafische kaart die het digitale signaal omzet in een analoog signaal. Dit gebeurt met een klein beetje RAM geheugen en een serie digitaal naar analoog converters. De moderne RAMDAC zit ingebouwd in de GPU. Ook vervalt stilaan het nut van de RAMDAC omdat de meeste monitoraansturingen tegenwoordig digitaal gebeuren Aansluitingen De videokaart heeft door de jaren heen een aantal connectoren gekend. De bekendste is ongetwijfeld de blauwe VGA (video graphics aray) poort. Door zijn wijde verspreiding is hij ondanks zijn ouderdom vandaag nog bijna op iedere pc te vinden. Dit omdat de vga connector nog in omloop is voor projectoren en dergelijke. De DVI (digital visual interface) is zo n een beetje de moderne opvolger van VGA. De standaard is geschikt om compressieloos digitale video te versturen. Naast de klassieke computeraansluitingen voor schermen zijn er nog een hoop standaarden in gebruik die afstammen van hifi systemen. De laatste nieuwe standaard lijkt displayport te worden. 8

11 2. De grafische kaart Niet tegenstaande heeft hdmi ook een sterkt positie door zijn compatibiliteit met multimediaapparaten. Figuur 2.3: DisplayPort 2.3 Gebruik Drivers Meestal is het optimaal om naar de laatste drivers op zoek te gaan. Zo is er normaal zekerheid dat alle laatste bugs verwijderd zijn en alle nieuwe functies optimaal geïmplemeenteerd zijn. Dit kan echter soms tot problemen leiden als de nieuwste drivers van de videokaartenfabrikant niet specifiek aangepast zijn aan jouw hardware zoals de oem-bouwer origineel had gedaan. Dit kan soms tot vervelende problemen leiden. Daarom is het in de meeste gevallen voldoende om de updates van de drivers te laten binnenkomen via windows update Software Doordat een moderne videokaart sterke GPGPU-capaciteiten heeft loont het soms de moeite om de huidige software up te daten of naar een vervanger te zoeken die gebruik maakt van deze technologieën. Zo ondersteunen niet alle videospelers standaard hardware decoding. Bij sommige programma s moet men expliciet in de opties vermelden dat men wil gebruik maken van de grafische kaart. 9

12 3. Formules 3.1 Gulden snede 1 φ = Dit is een benaderingsformule van de gulden snede. 3.2 Normale verdeling 1+ f(x) = 1 σ 2π e ( x µ σ )2 Dit is de formule voor de normale verdeling volgens Gauss. Met deze vergelijking kunnen we de typische klokvorm construeren. 10