Kas ta vaizdo plokštė ir kodėl be jos niekaip
Prisimenu, kaip prieš kokius penkiolika metų draugas pasakojo, kad nusipirko “super galingą” kompiuterį, bet žaidimai vis tiek lėtai veikė. Pasirodo, pardavėjas jam įkišo pačią pigiausią vaizdo plokštę, o visus pinigus “investavo” į procesorių. Tokia klasikinė klaida, kurią daro daugelis pradedančiųjų.
Vaizdo plokštė, kurią dažnai vadina GPU (Graphics Processing Unit) arba vaizdo kortele, yra kompiuterio komponentas, atsakingas už vaizdų generavimą ir atvaizdavimą monitoriuje. Skamba paprasta, bet iš tiesų tai vienas sudėtingiausių ir galingiausių šiuolaikinio kompiuterio elementų. Kai kurios šiuolaikinės vaizdo plokštės turi daugiau tranzistorių nei pats procesorius!
Pagrindinis skirtumas tarp procesoriaus ir vaizdo plokštės – specializacija. Procesorius yra kaip universalus darbininkas, galintis atlikti bet kokią užduotį, bet ne visada efektyviai. Vaizdo plokštė – tai specialistas, kuris vienu metu gali atlikti tūkstančius paprastų matematinių operacijų. Ir būtent tai reikalinga vaizdui generuoti.
Kaip iš skaičių tampa vaizdas
Monitoriuje matote nuotrauką, filmą ar žaidimą, bet kompiuteriui tai tik milžiniška skaičių lentelė. Kiekvienas ekrano taškelis (pikselis) turi savo spalvą, kuri užkoduota trimis skaičiais – raudonos, žalios ir mėlynos spalvų intensyvumu. Jei turite Full HD monitorių (1920×1080 pikselių), tai reiškia, kad vaizdo plokštė turi apskaičiuoti ir atnaujinti daugiau nei 2 milijonus pikselių. Ir tai daryti 60 kartų per sekundę, o geriau – dar dažniau.
Štai kodėl vaizdo plokštėje yra šimtai ar net tūkstančiai mažyčių procesorių branduolių. Jie dirba lygiagrečiai – kiekvienas skaičiuoja savo pikselių grupę. Tai primena statybų aikštelę, kur dirba ne vienas super stiprus darbininkas, o šimtai paprastų darbininkų, kiekvienas atsakingas už savo sienos dalį.
Procesas prasideda nuo 3D scenos aprašymo. Žaidime ar programoje viskas sudėliota iš trikampių – daug mažyčių trikampių, kurie sudaro objektų paviršius. Vienas personažas gali būti sudarytas iš kelių tūkstančių ar net milijonų trikampių. Vaizdo plokštė gauna informaciją apie šių trikampių viršūnes erdvėje, jų spalvas, tekstūras ir apšvietimą.
Vaizdo plokštės anatomija
Pažvelgus į vaizdo plokštę, pirmiausia krenta į akis didelis radiatorius ir ventiliatoriai. Tai ne dizaino elementas – vaizdo plokštės gali išskirti 300 vatų ir daugiau šilumos, tai daugiau nei daugelis elektrinių viryklių kaitenų! Bet kas slypi po tuo radiatorium?
Pats svarbiausias elementas – GPU lustai. Tai milžiniškas mikroschemos kompleksas, kuriame telpa milijardai tranzistorių. Pavyzdžiui, NVIDIA RTX 4090 turi apie 76 milijardus tranzistorių. Palyginimui, Intel i9 procesorius turi “tik” apie 25 milijardus. Šie tranzistoriai organizuoti į tūkstančius mažų procesorių branduolių, vadinamų CUDA branduoliais (NVIDIA atveju) arba Stream procesoriais (AMD atveju).
Aplink GPU lustą išdėstyti vaizdo atminties (VRAM) lustai. Tai speciali labai greita atmintis, skirta tekstūroms, 3D modeliams ir kitiems grafikiniams duomenims laikyti. Šiuolaikinės vaizdo plokštės turi nuo 4 iki 24 GB tokios atminties. Kodėl tiek daug? Nes 4K raiškos tekstūros užima labai daug vietos. Viena detaliai išpiešta personažo tekstūra gali sverti šimtus megabaitų.
Plokštėje taip pat yra sudėtinga maitinimo sistema – VRM (Voltage Regulator Module). Ji paima 12 voltų įtampą iš kompiuterio maitinimo bloko ir paverčia į žemesnę, bet labai stabilią įtampą GPU lustui. Tai kritiškai svarbu, nes GPU reikalauja labai daug energijos, bet negali toleruoti įtampos svyravimų.
Nuo trikampių iki pikselių – grafinė konvejeris
Vaizdo plokštės darbas organizuotas kaip konvejeris, kur kiekvienas etapas atlieka savo užduotį. Šis procesas vadinamas grafiniu konvejeriu (graphics pipeline), ir jis yra tikra inžinerijos šedevras.
Pirmas etapas – viršūnių apdorojimas (vertex processing). Čia vaizdo plokštė paima visų trikampių viršūnių koordinates 3D erdvėje ir perskaičiuoja jas į 2D ekrano koordinates. Tai tarsi fotografavimas – 3D pasaulis projektuojamas ant plokščio ekrano. Šiame etape atsižvelgiama į kameros poziciją, kampą, perspektyvą.
Antras etapas – rasterizacija. Dabar vaizdo plokštė nustato, kurie ekrano pikseliai patenka į kiekvieną trikampį. Tai gana paprasta geometrija, bet reikia ją atlikti milijonams trikampių.
Trečias ir sudėtingiausias etapas – pikselių šešėliavimas (pixel shading). Čia kiekvienam piksėliui apskaičiuojama galutinė spalva. Atsižvelgiama į apšvietimą, tekstūras, atspindžius, šešėlius ir daugybę kitų efektų. Būtent šis etapas užima daugiausia resursų ir čia dirba didžioji dalis GPU branduolių.
Moderniose vaizdo plokštėse yra ir specialių branduolių specifinėms užduotims. RT (Ray Tracing) branduoliai skirti realistiniam apšvietimui skaičiuoti, sekant šviesos spindulius scenoje. Tensor branduoliai naudojami dirbtinio intelekto algoritmams, pavyzdžiui, DLSS technologijai, kuri padeda padidinti kadrų skaičių.
Atmintis – ne mažiau svarbi už galią
Daugelis žmonių renkantis vaizdo plokštę žiūri tik į GPU lustą, bet atmintis yra ne mažiau svarbi. VRAM (Video Random Access Memory) yra vaizdo plokštės trumpalaikė atmintis, kur laikomi visi duomenys, reikalingi vaizdui generuoti.
Moderniose vaizdo plokštėse naudojamas GDDR6 arba GDDR6X atminties tipas. Tai evoliucija įprasto kompiuterio DDR atminties tipo, bet optimizuota dideliam duomenų srautui. GDDR6X atmintis gali perduoti duomenis greičiu iki 1 TB/s (terabaitą per sekundę)! Tai tarsi turėti super greitkelį, kuriuo vienu metu gali važiuoti tūkstančiai sunkvežimių.
Kiek atminties reikia? Tai priklauso nuo to, ką darote. Žaidimams Full HD raiškoje paprastai pakanka 6-8 GB. 1440p raiškoje geriau turėti 8-12 GB. O 4K raiškoje su visais efektais įjungtais gali prireikti 12-16 GB ar net daugiau. Profesionaliems darbams – 3D modeliavimui, vaizdo montavimui – kuo daugiau, tuo geriau.
Atmintis užsipildo tekstūromis, 3D modeliais, šešėlių žemėlapiais ir kitais duomenimis. Jei atminties nepakanka, vaizdo plokštė pradeda naudoti lėtesnę sistemos RAM atmintį per PCI Express magistralę, ir našumas drastiškai krenta. Tai kaip turėti super greitą sportiškų automobilį, bet nuolat stovėti spūstyse.
Šilumos valdymas – amžina kova
Šiuolaikinė vaizdo plokštė gali išskirti tiek šilumos, kiek nedidelis šildytuvas. NVIDIA RTX 4090 gali sunaudoti iki 450 vatų energijos, ir visa ši energija virsta šiluma. Jei tos šilumos nesuvaldysite, GPU lustai gali įkaisti iki 90-100°C ir pradės mažinti savo dažnį (throttling), kad apsisaugotų nuo perkaitimo.
Dauguma vaizdo plokščių naudoja oro aušinimą – didelį radiatorių su šilumovamzdžiais ir kelis ventiliatorius. Šilumovamzdžiai yra genialus išradimas – jie perduoda šilumą daug efektyviau nei varis. Viduje yra skystis, kuris garuoja prie karšto GPU, garai keliauja į radiatorių, ten kondensuojasi ir grįžta atgal. Viskas vyksta savaime, be jokių siurblių.
Kai kurios aukščiausios klasės vaizdo plokštės naudoja vandeninį aušinimą. Tai efektyviau, bet sudėtingiau ir brangiau. Vanduo (iš tiesų specialus aušinimo skystis) cirkuliuoja per vaizdo plokštę į išorinį radiatorių, kur atvėsinamas ventiliatorių.
Patarimas: jei jūsų vaizdo plokštė triukšmingai dirba, pirmiausia patikrinkite, ar korpuse pakanka oro cirkuliacijos. Dažnai problema ne pačioje vaizdo plokštėje, o bendrame korpuso vėdinime. Taip pat kartą per metus verta išvalyti dulkes – jos veikia kaip šiluminė izoliacija.
Dirbtinis intelektas vaizdo plokštėje
Pastaraisiais metais vaizdo plokštės tapo ne tik grafiniais procesoriais, bet ir dirbtinio intelekto galios centrais. NVIDIA Tensor branduoliai, AMD Matrix branduoliai – tai specialūs procesoriai, skirti neuroniniams tinklams vykdyti.
Viena populiariausių technologijų – DLSS (Deep Learning Super Sampling). Tai skamba sudėtingai, bet idėja paprasta: vaizdo plokštė generuoja vaizdą žemesnėje raiškoje (pavyzdžiui, 1080p vietoj 1440p), o paskui dirbtinis intelektas “atspėja” trūkstamus pikselius ir padidina raišką. Rezultatas – beveik toks pat vaizdo kokybės, bet daug didesnis kadrų skaičius.
Kita įdomi technologija – Frame Generation. Vaizdo plokštė sugeneruoja kas antrą kadrą, o dirbtinis intelektas sukuria tarpinį kadrą tarp dviejų realių kadrų. Tai padvigubina kadrų skaičių, nors ir su nedideliu latencijos padidėjimu.
Šios technologijos ypač naudingos ray tracing režime, kuris labai apkrauna vaizdo plokštę. Ray tracing – tai realistinio apšvietimo skaičiavimo metodas, sekantis šviesos spindulius scenoje. Tai duoda neįtikėtinai realistišką vaizdą, bet kainuoja labai daug apskaičiavimų.
Kaip rinktis ir ką žinoti prieš perkant
Renkantis vaizdo plokštę, pirmiausia turite žinoti, kam jos reikia. Jei žaidate senus ar nepriekabius žaidimus Full HD raiškoje, pakaks vidutinės klasės kortelės už 300-400 eurų. Jei norite žaisti naujausius žaidimus 1440p raiškoje su aukštais nustatymais, reikės 500-700 eurų kortelės. O 4K žaidimams su visais efektais prireiks 800 eurų ir daugiau.
Svarbu suprasti, kad vaizdo plokštė nesukuria “kadrų atsargos”. Kai kurie žmonės mano, kad nusipirkę galingą kortelę, ji bus “gera” dešimt metų. Realybė kitokia – žaidimai tampa vis reiklesni, ir po 3-4 metų net aukščiausios klasės kortelė taps vidutiniška.
Atkreipkite dėmesį į maitinimo bloko galią. Jei planuojate RTX 4070 ar galingesnę kortelę, jums reikės bent 750W maitinimo bloko. Galingiausios kortelės reikalauja 850W ar net 1000W. Ir tai turi būti kokybiškas maitinimo blokas, ne pigus “no-name” iš turgaus.
Fizinis dydis irgi svarbus. Šiuolaikinės vaizdo plokštės yra milžiniškos – kai kurios užima tris PCI Express slotus ir yra 30-35 cm ilgio. Prieš perkant patikrinkite, ar telpa į jūsų korpusą. Taip pat įsitikinkite, kad turite reikiamus maitinimo kabelius – naujos kortelės naudoja 12VHPWR jungtį arba kelis 8-pin PCI-E kabelius.
Ateitis – kur link judame
Vaizdo plokštės technologijos vystosi neįtikėtinu greičiu. Kas dvejus metus našumas maždaug padvigubėja, o energijos efektyvumas dar labiau pagerina. Bet mes artėjame prie fizikos ribų – tranzistoriai jau tokie maži, kad pradeda pasireikšti kvantiniai efektai.
Ateityje matysime vis daugiau dirbtinio intelekto integraciją. Galbūt vaizdo plokštės generuos ne tik tarpinių kadrus, bet ir dideles scenos dalis. Jau dabar eksperimentuojama su neuroninio tinklo generuojamomis tekstūromis ir geometrija realiu laiku.
Ray tracing taps standartu, ne prabanga. Jau dabar vidurinės klasės kortelės gali priimtinai vykdyti ray tracing, o po kelių metų tai bus įprasta net žemesnės klasės kortelėse. Tai reikš, kad žaidimai atrodys daug realistiškiau, su tikroviškais atspindžiais, šešėliais ir apšvietimu.
Energijos suvartojimas – didžiulis iššūkis. Negalime be galo didinti galios suvartojimo, nes tai tampa nepraktiška ir neekologiška. Todėl gamintojų fokusas vis labiau krypsta į efektyvumą – kaip gauti daugiau našumo iš kiekvieno vato. Naujos architektūros, geresni gamybos procesai, protingesnis energijos valdymas – visa tai padeda.
Vaizdo plokštės jau seniai nėra tik žaidimams. Jos naudojamos dirbtinio intelekto mokymui, kriptovaliutų kasimui (nors tai ir mažėja), profesionaliam vaizdo montavimui, 3D modeliavimui, mokslinėms simuliacijoms. Šiuolaikinė vaizdo plokštė – tai universalus lygiagretusis skaičiavimų monstras, galintis spręsti daugybę užduočių daug efektyviau nei tradicinis procesorius.
Galų gale, vaizdo plokštė yra vienas įspūdingiausių šiuolaikinės technologijos pasiekimų. Milijardai tranzistorių, dirbančių sinchroniškai, generuoja realistišką vaizdą 60 ar daugiau kartų per sekundę. Tai inžinerijos šedevras, kuris telpa jūsų kompiuterio korpuse ir leidžia mėgautis žaidimais, filmais ar kurti savo projektus. Ir kas geriausia – ši technologija tik tobulėja, žadėdama dar įspūdingesnius dalykus ateityje.