Mundo GPU - Como Funciona Una Tarjeta Grafica

Tarjeta gráfica
Una tarjeta gráfica, tarjeta de vídeo, placa de vídeo, tarjeta aceleradora de gráficos o adaptador de pantalla, es una tarjeta de expansión para una computadora, encargada de procesar los datos provenientes de la CPU y transformarlos en información comprensible y representable en un dispositivo de salida, como un monitor o televisor. Las tarjetas gráficas más comunes son las disponibles para las computadoras compatibles con la IBM PC, debido a la enorme popularidad de éstas, pero otras arquitecturas también hacen uso de este tipo de dispositivos.
Es habitual que se utilice el mismo término tanto a las habituales tarjetas dedicadas y separadas como a las GPU integradas en la placa base.

Historia
La historia de las tarjetas gráficas da comienzo a finales de los años 1960, cuando se pasa de usar impresoras como elemento de visualización a utilizar monitores. Las primeras tarjetas sólo eran capaces de visualizar texto a 40x25 u 80x25, pero la aparición de los primeros chips de video como el Motorola 6845 permiten comenzar a dotar a los equipos basados en bus S-100 o Eurocard de capacidades gráficas. Junto con las tarjetas que añadían un modulador de televisión fueron las primeras en recibir el término tarjeta de video.
Componentes
GPU
La GPU, (unidad de procesamiento gráfico) es un procesador como la CPU (La unidad central de procesamiento) dedicado al procesamiento de gráficos; su razón de ser es aligerar la carga de trabajo del procesador central y, por ello, está optimizada para el cálculo en coma flotante, predominante en las funciones 3D. La mayor parte de la información ofrecida en la especificación de una tarjeta gráfica se refiere a las características de la GPU, pues constituye la parte más importante de la tarjeta. Dos de las más importantes de dichas características son la frecuencia de reloj del núcleo, que en 2006 oscilaba entre 250 MHz en las tarjetas de gama baja y 750 MHz en las de gama alta, y el número de pipelines (vertex y fragment shaders), encargadas de traducir una imagen 3D compuesta por vértices y líneas en una imagen 2D compuesta por píxeles.
Memoria de vídeo
Según la tarjeta gráfica esté integrada en la placa base (bajas prestaciones) o no, utilizará la memoria RAM propia del ordenador o dispondrá de una propia. Dicha memoria es la memoria de vídeo o VRAM. Su tamaño oscila entre 128 MB y 4 GB. La memoria empleada en 2006 estaba basada en tecnología DDR, destacando GDDR2, GDDR3,GDDR4 y GDDR5. La frecuencia de reloj de la memoria se encontraba entre 400 MHz y 3,6 GHz.
Tecnología Frecuencia (MHz) Ancho de banda (GB/s)
GDDR
166 - 950 1,2 - 30,4
GDDR2
533 - 1000 8,5 - 16
GDDR3
700 - 1700 5,6 - 54,4
GDDR4
1600 - 1800 64 - 86,4
GDDR5
3200 - 7000 24 - 448
Samsung ha conseguido hacer memorias GDDR5 a 7GHZ, gracias al proceso de reducción de 50 nm, permitiendo un gran ancho de banda en buses muy pequeños (incluso de 64 bits)
Una parte importante de la memoria de un adaptador de vídeo es el Z-Buffer, encargado de gestionar las coordenadas de profundidad de las imágenes en los gráficos 3D.
RAMDAC
El RAMDAC es un conversor de señal digital a analógico de memoria RAM. Se encarga de transformar las señales digitales producidas en el ordenador en una señal analógica que sea interpretable por el monitor. Según el número de bits que maneje a la vez y la velocidad con que lo haga, el conversor será capaz de dar soporte a diferentes velocidades de refresco del monitor (se recomienda trabajar a partir de 75 Hz, nunca con menos de 60).9 Dada la creciente popularidad de los monitores digitales el RAMDAC está quedando obsoleto, puesto que no es necesaria la conversión analógica si bien es cierto que muchos conservan conexión VGA por compatibilidad.
(Digamos que el ramdac, es el encargado de pasar una señal digital (modo en que trabaja la VGA) a señal analogica (pantalla), para visualizar los algoritmos de renderizacion creados por esta.)
Salidas
Los sistemas de conexión más habituales entre la tarjeta gráfica y el dispositivo visualizador (como un monitor o un televisor) son:

DA-15 conector RGB usado mayoritariamente en los Apple Macintosh
Digital TTL DE-9 : usado por las primitivas tarjetas de IBM (MDA, CGA y variantes, EGA y muy contadas VGA)
SVGA: estándar analógico de los años 1990; diseñado para dispositivos CRT, sufre de ruido eléctrico y distorsión por la conversión de digital a analógico y el error de muestreo al evaluar los píxeles a enviar al monitor.
DVI: sustituto del anterior, fue diseñado para obtener la máxima calidad de visualización en las pantallas digitales como los LCD o proyectores. Evita la distorsión y el ruido al corresponder directamente un píxel a representar con uno del monitor en la resolución nativa del mismo.

S-Video: incluido para dar soporte a televisores, reproductores de DVD, vídeos, y videoconsolas.

Otras no tan extendidas en 2007 son:
S-Video implementado sobre todo en tarjetas con sintonizador TV y/o chips con soporte de video NTSC/PAL
Vídeo Compuesto: analógico de muy baja resolución mediante conector RCA.
Vídeo por componentes: utilizado también para proyectores; de calidad comparable a la de SVGA, dispone de tres clavijas (Y, Cb y Cr).
HDMI: tecnología de audio y vídeo digital cifrado sin compresión en un mismo cable.
Display Port: Puerto para Tarjetas gráficas creado por VESA y rival del HDMI, no transfiere sonido ni tampoco DRM. La principal ventaja es que posé unas pestañitas que impiden que el cable se desconecte con facilidad como en el caso del HDMI
Interfaces con la placa base

Bus Anchura
(bits)
Frecuencia
(MHz)
Ancho
de banda
(MB/s)
Puerto
ISA XT
8 4,77 8 Paralelo
ISA AT 16 8,33 16 Paralelo
MCA
32 10 20 Paralelo
EISA
32 8,33 32 Paralelo
VESA
32 40 160 Paralelo
PCI
32 - 64 33 - 100 132 - 800 Paralelo
AGP 1x
32 66 264 Paralelo
AGP 2x 32 133 528 Paralelo
AGP 4x 32 266 1000 Paralelo
AGP 8x 32 533 2000 Paralelo
PCIe x1
1*32 25 / 50 100 / 200 Serie
PCIe x4 1*32 25 / 50 400 / 800 Serie
PCIe x8 1*32 25 / 50 800 / 1600 Serie
PCIe x16 1*32 25 / 50 1600 / 3200 Serie
Dispositivos refrigerantes
Debido a las cargas de trabajo a las que son sometidas, las tarjetas gráficas alcanzan temperaturas muy altas. Si no es tenido en cuenta, el calor generado puede hacer fallar, bloquear o incluso averiar el dispositivo. Para evitarlo, se incorporan dispositivos refrigerantes que eliminen el calor excesivo de la tarjeta. Se distinguen dos tipos:
• Disipador: dispositivo pasivo (sin partes móviles y, por tanto, silencioso); compuesto de material conductor del calor, extrae este de la tarjeta. Su eficiencia va en función de la estructura y la superficie total, por lo que son bastante voluminosos.

• Ventilador: dispositivo activo (con partes móviles); aleja el calor emanado de la tarjeta al mover el aire cercano. Es menos eficiente que un disipador y produce ruido al tener partes móviles.

Aunque diferentes, ambos tipos de dispositivo son compatibles entre sí y suelen ser montados juntos en las tarjetas gráficas; un disipador sobre la GPU (el componente que más calor genera en la tarjeta) extrae el calor, y un ventilador sobre él aleja el aire caliente del conjunto.

Alimentación
Hasta ahora la alimentación eléctrica de las tarjetas gráficas no había supuesto un gran problema, sin embargo, la tendencia actual de las nuevas tarjetas es consumir cada vez más energía. Aunque las fuentes de alimentación son cada día más potentes, el cuello de botella se encuentra en el puerto PCIe que sólo es capaz de aportar una potencia de 150 W.12 Por este motivo, las tarjetas gráficas con un consumo superior al que puede suministrar PCIe incluyen un conector (PCIe power connector)13 que permite una conexión directa entre la fuente de alimentación y la tarjeta, sin tener que pasar por la placa base, y, por tanto, por el puerto PCIe.

Aun así, se pronostica que no dentro de mucho tiempo las tarjetas gráficas podrían necesitar una fuente de alimentación propia, convirtiéndose dicho conjunto en dispositivos externos.
Fabricantes
En el mercado de las tarjetas gráficas hay que distinguir dos tipos de fabricantes:
• De chips: generan exclusivamente la GPU. Los dos más importantes son:
o ATI
o NVIDIA
• GPU integrado en el chipset de la placa base: también destaca Intel además de los antes citados NVIDIA y ATI.
Otros fabricantes como Matrox o S3 Graphics tienen una cuota de mercado muy reducida.
• De tarjetas: integran los chips adquiridos de los anteriores con el resto de la tarjeta, de diseño propio. De ahí que tarjetas con el mismo chip den resultados diferentes según la marca.
En la tabla adjunta se muestra una relación de los dos fabricantes de chips y algunos de los fabricantes de tarjetas con los que trabajan

Fabricantes de GPU
ATI NVIDIA
Fabricantes
de tarjetas GECUBE POINT OF VIEW
CLUB3D CLUB3D
POWERCOLOR EVGA
MSI GALAXY
XFX XFX
ASUS ASUS
SAPPHIRE ZOTAC
GIGABYTE GIGABYTE
HIS BFG
DIAMOND GAINWARD

API para gráficos
A nivel de programador, trabajar con una tarjeta gráfica es complicado; por ello, surgieron interfaces que abstraen la complejidad y diversidad de las tarjetas gráficas. Los dos más importantes son:
• Direct3D: lanzada por Microsoft en 1996, forma parte de la librería DirectX. Funciona sólo para Windows, ya que es privativa. Utilizado por la mayoría de los videojuegos comercializados para Windows. Actualmente van por la versión 11
• OpenGL: creada por Silicon Graphics a principios de los años 1990; es gratuita, libre y multiplataforma. Utilizada principalmente en aplicaciones de CAD, realidad virtual o simulación de vuelo. Actualmente está disponible la versión 3.2
OpenGL está siendo desplazada del mercado de los videojuegos por Direct3D, aunque haya sufrido muchas mejoras en los últimos meses.
Efectos gráficos
Algunas de las técnicas o efectos habitualmente empleados o generados mediante las tarjetas gráficas son:
• Antialiasing: retoque para evitar el aliasing, efecto que aparece al representar curvas y rectas inclinadas en un espacio discreto y finito como son los píxeles del monitor.
• Shader: procesado de píxeles y vértices para efectos de iluminación, fenómenos naturales y superficies con varias capas, entre otros.
• HDR: técnica novedosa para representar el amplio rango de niveles de intensidad de las escenas reales (desde luz directa hasta sombras oscuras). Es una evolución del efecto Bloom, aunque a diferencia de éste, no permite Antialiasing.
• Mapeado de texturas: técnica que añade detalles en las superficies de los modelos, sin aumentar la complejidad de los mismos.
• Motion Blur: efecto de emborronado debido a la velocidad de un objeto en movimiento.
• Depth Blur: efecto de emborronado adquirido por la lejanía de un objeto.
• Lens flare: imitación de los destellos producidos por las fuentes de luz sobre las lentes de la cámara.
• Efecto Fresnel (reflejo especular): reflejos sobre un material dependiendo del ángulo entre la superficie normal y la dirección de observación. A mayor ángulo, más reflectante.
Confusiones comunes
• Confundir a la GPU con la tarjeta gráfica. Aunque muy importante, no todas las GPUs y adaptadores de gráficos van en tarjeta ni son el único determinante de su calidad y rendimiento
• Considerar el término tarjeta de video como privativo del PC y compatibles. Esas tarjetas se usan en equipos no PC e incluso sin procesador Intel y sus chips en videoconsolas.
• Confundir al fabricante de la GPU con la marca de la tarjeta. Actualmente los mayores fabricantes de chip gráficos en el mercado son NVIDIA y ATI Technologies. Esto se debe a que se encargan solamente, de hacer los chip gráficos (GPU)