توضیحات کلی در مورد کارت گرافیک
تقریبا تمام رایانه‌های امروزی، این قطعه را در خود جای داده‌اند. بخشی که میلیاردها ترانزیستور دارد، می‌تواند از صدها وات برق استفاده کند و از لحاظ ساختار، می‌توان آن را شاهکاری در مهندسی الکترونیک دانست. البته نباید این مسئله را فراموش کرد که تعداد کارهایی که معمولا این قطعه توانایی انجامشان را دارد، به اندازه انگشتان دست هستند. به دنیای کارت گرافیک خوش آمدید!
کارت‌های گرافیک جزو آن دسته از اجزای رایانه هستند که تقریبا همه حداقل اسمشان را شنیده‌اند؛ بنابراین واضح است که چرا در این مقاله قصد داریم آناتومی کامل این قطعه را بررسی کرده و اطلاعات آن را با شما در میان بگذاریم. اکنون زمان آن فرا رسیده که درون سلول‌های تشکیل‌دهنده کارت گرافیک را بررسی کرده، قسمت‌های مختلف آن را باز کنیم و ببینیم که هر جز دقیقا چه کاری انجام می‌دهد.
ورود به دنیای درون کارت گرافیک
کارت گرافیک قطعه‌ای قدرتمند اما متواضع است که شاید بهتر باشد از آن با نام دیگرش یعنی «کارت توسعه شتاب‌دهنده ویدئو» یاد کنیم. این قطعه که یکی از گران‌ترین اجزای داخلی هر سیستمی است، توسط شرکت‌های چند میلیارد دلاری جهانی ساخته می‌شود.
همین حالا در وب‌سایت آمازون می‌توان کارت گرافیکی در بازه قیمتی ۵۳ تا ۱۲۰۰ دلار پیدا کرد که براساس نیاز و بودجه کاربران خریداری می‌شوند. اما همه این ویژگی‌ها برای قطعه‌ای است که دقیقا چه کاری انجام می‌دهد؟ به‌صورت خلاصه باید گفت کارت گرافیک از تراشههای سیلیکونی روی برد استفاده می‌کند تا برای اکثر کاربران، گرافیک دوبعدی و سه‌بعدی ایجاد و سیگنال‌های ویدئویی را رمزگشایی کند.
این قطعه اجزای مختلفی دارد که از جنس‌های متفاوتی شامل فلز و پلاستیک تشکیل شده و پول نسبتا زیادی برای خرید آن نیاز است. بنابراین در این مقاله، سعی داریم آناتومی کارت گرافیک را بهتر از همیشه بشناسیم. کارت گرافیک Radeon HD 6870 ساخته‌شده توسط XFX در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته است.
نگاه اولیه به قسمت بالایی بدنه کارت گرافیک اطلاعات زیادی در اختیار ما قرار نمی‌دهد. طول آن تقریباً ۷ اینچ (۲۲ سانتی‌متر) است؛ اما بیشتر آن پلاستیکی به نظر می‌رسد. می‌توانیم یک براکت فلزی، برای محکم نگه داشتن آن در رایانه، یک فن قرمز بزرگ و یک اتصال مدار را مشاهده کنیم.
بیایید آن را برگردانیم و ببینیم آیا چیزهای بیشتری در طرف دیگر دیده می‌شود.
اولین چیزی که توجه را جلب می‌کند براکت فلزی دیگری است که مجموعه کاملی از قطعات الکترونیکی درون خود نگه می‌دارد. بقیه مدارها به‌طور معقولی خالی هستند؛ اما می‌توانیم سیم‌های متصل زیادی را از قسمت میانی ببینیم؛ بنابراین بدیهی است که این قطعه کار مهمی انجام می‌دهد و باید بسیار پیچیده است.
گرمای زیاد قطعات
همه تراشه‌ها، مدار یکپارچه (IC) هستند و هنگام کار گرما تولید می‌کنند. در کارت گرافیک هزاران عدد از آن‌ها را در یک حجم کوچک قرار گرفته شدهاند؛ این بدان معنا است که اگر گرما به نحوی مدیریت نشود، اتفاقات خوبی رخ نخواهد داد.
در نتیجه اکثر کارت‌های گرافیک در زیر نوعی سیستم خنک‌کننده پنهان شدهاند و قطعه‌ای که در مقاله ما استفاده شده است، از این قاعده مستثنا نیست. اکنون زمان آن رسیده است که پیچ‌گوشتی‌ها را بیرون بیاوریم و بی‌توجه به برچسب گارانتی، وارد مرحله بعدی بررسی آناتومی کارت گرافیک شویم.
این سیستم خنک‌کننده عموماً به‌عنوان دمنده (Blower) شناخته می‌شود؛ زیرا هوا را از داخل محفظه کامپیوتر می‌مکد و قبل از خروج از قاب اصلی قطعه، آن را روی یک تکه فلز بزرگ هدایت می‌کند.
در تصویر بالا، بلاک فلزی مذکور را می‌بینیم و روی آن بقایای یک ماده است که عموماً به‌عنوان خمیر حرارتی شناخته می‌شود و وظیفه آن پر کردن شکاف‌های میکروسکوپی بین پردازنده گرافیکی (GPU) و بلاک فلزی است؛ به‌طوری‌که گرما با کارایی بیشتری منتقل شود.
ما همچنین می‌توانیم ۳ نوار آبی‍‌رنگ به نام پد حرارتی را مشاهده کنیم؛ زیرا مواد نرم ارتباط بهتری بین برخی از قسمت‌های صفحه مدار و پایه خنک‌کننده (که آن نیز فلزی است) ایجاد می‌کند. بدون این نوارها، آن قسمت‌ها به‌سختی صفحه فلزی را لمس می‌کنند و سرد نمی‌شوند.
اجازه بدهید نگاهی دقیق‌تر به تکه اصلی فلز بیندازیم. در مثال ما، این بلاک و ۳ لوله‌ای که از آن جدا شدهاند مسی هستند. لوله‌های مذکور نیز وارد چندین ردیف باله آلومینیومی می‌شوند. نام کل این مجموعه «هیت‌سینک» است.
لوله‌ها در دو انتها توخالی و مهر و موم شدهاند. در داخل آن‌ها مقدار کمی آب وجود دارد (در برخی مدلها آمونیاک) که گرما را از بلاک مسی جذب می‌کند. در نهایت، آب آنقدر گرما جذب می‌کند که بخار می‌شود و از منبع گرما به انتهای دیگر لوله می‌رود.
در آنجا، گرما به باله‌های آلومینیومی منتقل و دوباره خنک و بار دیگر به مایع تبدیل می‌شود. سطح داخلی لوله‌ها ناهموار است و یک بخش مویرگی (که به آن فتیله نیز گفته می‌شود) آب را روی این سطح حمل می‌کند تا دوباره به صفحه مسی برسد.
لوله‌های گرمایی (Heatpipes)، در هر کارت گرافیکی دیده نمی‌شوند. یک مدل ارزان‌قیمت و پایین‌رده گرمای زیادی تولید نمی‌کند و بنابراین نیازی به آن‌ها نخواهد داشت. همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، در همان مدلها به‌منظور صرفه‌جویی در هزینه اغلب از مس برای هیت‌سینک استفاده نمی‌شود.
این قطعه که Asus GeForce GT 710 نام دارد، رویکرد معمولی را برای بازار کارت‌های گرافیک کم‌مصرف و پایین‌رده نشان می‌دهد. چنین محصولاتی به ندرت بیش از ۲۰ وات توان الکتریکی مصرف می‌کنند و حتی اگر بیشتر آن تبدیل به انرژی شود، باز هم نیازی به خنک‌کننده‌هایی که در مدل‌های دیگر وجود دارد نیست.
یکی از مشکلات خنک‌کننده‌های دمنده این است که فن مورد استفاده برای ارسال هوا از روی باله‌های فلزی (و سپس خارج از کیس کامپیوتر)، کار سختی انجام می‌دهد و معمولاً اندازه‌ای آن بیشتر از خود کارت گرافیک نیست؛ این بدان معنا است که باید بسیار سریع بچرخد و همین مسئله باعث ایجاد سروصدای زیادی می‌شود.
راه حل معمول برای رفع این مشکل استفاده از خنک‌کننده باز (Open cooler) است. در این شیوه، فن فقط هوا را به داخل پره‌ها هدایت می‌کند و بقیه اجزای پلاستیکی و فلزی اطراف فن این هوای داغ را به داخل کیس کامپیوتر منتقل می‌کنند. مزیت خنک‌کننده باز این است که فن‌ها می‌توانند بزرگ‌تر باشند و کندتر بچرخند. در نتیجه، کارت گرافیک کم‌صداتری ایجاد می‌شود. اما مشکل این روش چیست که همیشه انجام نمی‌شود؟ پاسخ این است که کارت حجیم‌تر می‌شود و دمای داخلی رایانه بالاتر خواهد رفت.
البته همیشه نیازی نیست برای خنک شدن دستگاه از هوا استفاده شود و آب نیز یکی از عناصری است که در جذب گرما (تقریبا ۴ برابر هوا) خوب عمل می‌کند. در نتیجه می‌توانید به‌جای خنک‌کننده بادی از کیت آبی استفاده کنید. البته اگر قصد دارید کارت گرافیکی خریداری کنید که خنک‌کننده آبی از قبل روی آن نصب شده باشد، باید مبلغ بسیاری زیادی پرداخت کنید.
کارتی که در بالا مشاهده می‌کنید کارت گرافیک انویدیا GeForce RTX 2080 Ti KiNGPiN GAMING شرکت EVGA است. خنک‌کننده دمنده فقط برای رم و سایر اجزای روی برد مدار است. تراشه اصلی با آب خنک می‌شود. قیمت این قطعه حدود ۱۸۰۰ دلار است. شاید تعجب کنید اگر بدانید RTX 2080 Ti دارای بیشینه مصرف ۲۵۰ وات است. این مقدار کمتر از کارت گرافیک ای ام دی RX 5700 XT است که کمی قبل به آن اشاره کردیم.
چنین سیستم‌های خنک‌کننده خاص و قدرتمندی برای کارهای روزمره استفاده نمی‌شوند. تنها زمانی که قصد دارید ولتاژ و سرعت کلاک را به طرز وحشتناکی افزایش بدهید باید سراغ آن‌ها بروید.
مغز درون کارت گرافیک
اکنون که سیستم خنک‌کننده را از کارت گرافیک جدا کرده‌ایم، بیایید ببینیم چه چیزی درون آن وجود دارد: یک برد مدار با تراشه‌ای بزرگ در وسط، احاطه‌شده با تراشههای سیاه کوچک‌تر و تعداد زیادی از قطعات الکتریکی که در قسمت‌های مختلف وجود دارند.
مهم نیست چه کارت گرافیکی دارید. همه آن‌ها دارای قطعات یکسانی هستند و از یک طرح مشابه پیروی می‌کنند. حتی اگر به سال ۱۹۹۸ بازگردید و به یک کارت گرافیک قدیمی ATi Technologies نگاه کنید، باز هم تقریباً می‌توانید همین اجزا را ببینید:
مانند HD 6870 از هم جداشده‌ی ما، یک تراشه بزرگ در وسط، تعدادی حافظه و دسته‌ای از قطعات دیگر برای کار کردن در کارت گرافیک وجود دارد.
پردازنده بزرگ نام‌های مختلفی دارد: آداپتور ویدئو، شتاب‌دهنده دوبعدی/سه‌بعدی، تراشه گرافیکی و چند نام دیگر که می‌توانید در وب‌سایت‌های تخصصی‌تر پیدا کنید. اما این روزها، اکثرا تمایل داریم آن را واحد پردازش گرافیکی (GPU) بنامیم. اکنون دهه‌های زیادی است که این ۳ حرف استفاده می‌شود؛ اما انویدیا ادعا می‌کند که آن‌ها اولین کسانی بودند که از این اسم استفاده کردند؛ البته این مسئله بسیار مهمی نیست.
همه پردازنده‌های گرافیکی تقریباً ساختار مشابهی دارند:
این پردازنده توسط ای‌ام‌دی طراحی و توسط TSMC تولید شده است. این قطعه دارای نام‌های کدبندی‌شده‌ای مانند TeraScale 2 برای معماری کلی و Barts XT برای نوع تراشه است. در ۰٫۴ اینچ مربع (۲۵۵ میلی‌متر مربع) سیلیکون ۱٫۷ میلیارد ترانزیستور وجود دارد.
تعداد سوئیچ الکترونیکی است که مدارهای مجتمع خاص برنامه‌ای (ASIC) را که GPU-ها از آن استفاده می‌کنند، تشکیل می‌دهد. برخی فقط عملیات ریاضی مانند ضرب و تقسیم را انجام می‌دهند. دیگران مقادیر را در حافظه می‌خوانند و آن‌ها را به سیگنال دیجیتال برای مانیتور تبدیل می‌کنند.
پردازنده‌های گرافیکی به‌طور هم‌زمان برای بسیاری از چیزها طراحی شدهاند، بنابراین درصد زیادی از ساختار تراشه شامل بلاک‌های مکرر واحدهای منطقی است. می‌توانید آن‌ها را به‌وضوح در تصویر زیر از GPU-های ناوی (Navi) فعلی ای‌ام‌دی مشاهده کنید:
همان‌طور که در تصویر مشاهده می‌کنید، ۲۰ کپی از یک الگو دیده می‌شود. این‌ها واحدهای محاسبه‌کننده اصلی در تراشه هستند و بخش عمده‌ای از کار را برای ساخت گرافیک سه‌بعدی در بازی‌ها انجام می‌دهند. نواری که تقریباً در وسط دیده می‌شود، بیشتر حافظه پنهان (حافظه داخلی با سرعت بالا برای ذخیره دستورالعمل‌ها و داده‌ها) است.
در بالا، پایین و اطراف، ASIC-هایی وجود دارند که وظیفه ارتباط با تراشههای رم روی کارت بر عهده آن‌ها است. در سمت راست پردازنده مدارهایی برای صحبت با بقیه کامپیوتر و رمزگذاری/رمزگشایی سیگنال‌های ویدئویی وجود دارد.
اگر می‌خواهید درک بهتری از ساختار GPU داشته باشید، می‌توانید در مورد جدیدترین طراحی‌های پردازنده گرافیکی ای‌ام‌دی، انویدیا و اینتل در وب‌سایت‌های مختلف مطالعه کنید. در حال حاضر ما فقط به این نکته اشاره می‌کنیم که اگر می‌خواهید جدیدترین بازی‌ها را اجرا کنید یا کارهای سنگین دیگری با سیستم خود انجام می‌‌دهید، به یک پردازنده گرافیکی احتیاج دارید.
اما همه پردازنده‌های گرافیکی روی یک برد مدار قرار نمی‌گیرند که بتوانید به رایانه رومیزی خود متصل کنید. در بسیاری از تراشه‌ها، پردازنده گرافیکی تعبیه شده است. در ادامه عکسی از پردازنده Core i7-9900K مشاهده می‌شود:
رنگ‌آمیزی برای شناسایی مناطق مختلف اضافه شده و قسمت آبی سمت چپ GPU یکپارچه است. همان‌طور که مشاهده می‌کنید این بخش تقریباً یک‌سوم کل تراشه را اشغال می‌کند؛ اما از آنجا که اینتل هیچگاه به‌صورت عمومی تعداد ترانزیستورهای تراشههای خود را اعلام نمی‌کند، نمی‌توان تشخیص داد این GPU چقدر بزرگ است.
پردازنده‌های گرافیکی ناوی براساس فرایند نود ۷ نانومتری ساخته می‌شوند که می‌توان آن‌ها را با مدل‌های ۱۴ نانومتری خود اینتل و نود ۱۶ نانومتری مخصوص که TMSC برای انویدیا ارائه می‌دهد، مقایسه کرد. این بدان معنا است که نمی‌توانید مستقیم این موارد را بین چند مدل مختلف مقایسه کنید؛ اما یک چیز قطعی است، GPU-ها ترانزیستورهای زیادی در خود دارند!
برای درک بهتر این مسئله برای شما مثالی می‌زنیم. پردازنده ۲۱ ساله Rage IIC که قبلاً نشان داده شد، دارای ۵ میلیون ترانزیستور است که در یک فضای ۳۹ میلی‌متر مربعی قرار گرفته‌اند. کوچک‌ترین تراشه ناوی ای‌ام‌دی دارای ۱۲۸۰ برابر ترانزیستور بیشتر در ناحیه‌ای است که فقط ۴ برابر بزرگ‌تر است. می‌توانید پیشرفت ۲ دهه‌ای در دنیای فناوری را با همین یک قطعه حس کنید.
فراموشی برای کارت گرافیک معنی ندارد
مانند همه کارت‌های گرافیک رایانه رومیزی، تراشه ما دارای تعدادی تراشه حافظه است که روی برد مدار لحیم شدهاند. این قطعات برای ذخیره تمام داده‌های گرافیکی مورد نیاز برای ایجاد تصاویری که در بازی‌ها می‌بینیم استفاده می‌شوند و تقریباً همیشه یک نوع DRAM هستند که مخصوص اپلیکیشن‌های گرافیکی طراحی شدهاند. این قسمت که در ابتدا DDR SGRAM (حافظه دسترسی تصادفی گرافیکی هم‌زمان با سرعت دوگانه داده) نامیده می‌شد، امروزه با نام اختصاری GDDR شناخته می‌شود.
نمونه خاص ما دارای ۸ ماژول Hynix H5GQ1H23AFR GDDR5 SDRAM است که با سرعت ۱٫۰۵ گیگاهرتز کار می‌کند. این نوع حافظه هنوز در بسیاری از کارت‌های موجود امروزه یافت می‌شود؛ اما صنعت به‌طور کلی به سمت نسخه جدیدتر GDDR6 در حال حرکت است.
GDDR5 و GDDR6 به‌طور مشابه کار می‌کنند. یک کلاک پایه برای زمان‌بندی دستورالعمل‌ها و انتقال داده‌ها استفاده می‌شود. سپس از یک سیستم جداگانه برای جابه‌جایی بیت‌ها به/از ماژول‌های حافظه بهره گرفته و این فرایند به‌عنوان یک انتقال بلاک در داخل انجام می‌شود.
این بلاک به‌عنوان یک جریان متوالی (۳۲ بیت در لحظه) با سرعتی که دوباره توسط یک سیستم کلاک دیگر کنترل می‌شود، تنظیم شده است. در GDDR5، این سرعت دو برابر کلاک اصلی است و داده‌ها در هر لحظه دو بار جابه‌جا می‌شوند.
اما همه کارت‌های گرافیک از GDDR5/6 استفاده نمی‌کنند. مدل‌های ارزان‌قیمت اغلب به DDR3 SDRAM قدیمی (مانند نمونه خنک‌کننده‌ای که قبلاً نشان دادیم) متکی هستند که به‌طور خاص برای اپلیکیشن‌های گرافیکی طراحی نشده است. با توجه به این که پردازنده گرافیکی روی این کارت‌ها بسیار ضعیف خواهد بود، هیچ ضرری در استفاده از حافظه عمومی وجود ندارد.
انویدیا برای مدتی با GDDR5X کار کرد که سرعت داده چهارگانه مشابه GDDR6 دارد؛ اما این قطعه مشکلاتی نیز داشت. ای‌ام‌دی نیز چند سال است در مواردی مانند Radeon R9 Fury X Radeon VII و گزینه‌های مشابه، از HBM (حافظه پهنای باند بالا) استفاده می‌کند. همه نسخه‌های HBM پهنای باند زیادی ارائه می‌دهند؛ اما تولید آن در مقایسه با ماژول‌های GDDR گران‌تر تمام می‌شود.
تراشههای حافظه باید مستقیماً به GPU متصل شوند تا بهترین عملکرد ممکن را ارائه بدهند که گاهی اوقات این بدان معنا است که نحوه سیم‌کشی الکتریکی روی برد مدار کمی عجیب به نظر می‌رسد.
در تصویر بالا، به شیوه سیم‌کشی‌ها که بعضی صاف اما برخی کج هستند توجه کنید. این امر برای اطمینان از این است که هر سیگنال الکتریکی، بین GPU و ماژول حافظه، در مسیری با طول یکسان حرکت کند. این روش می‌تواند به جلوگیری از هرگونه اتفاق ناخواسته کمک کند.
مقدار حافظه روی کارت گرافیک از اولین روزهای پردازنده گرافیکی بسیار تغییر کرده است. شارژر ATi Rage 3D فقط ۴ مگابایت حافظه EDO دارد. امروزه مقدار حافظه EDO هزار برابر بیشتر شده و در مدل‌های معمولی به ۴ تا ۶ گیگابایت رسیده است (مدل‌های برتر اغلب آن را دو برابر می‌کنند). با توجه به اینکه لپ‌تاپ‌ها و رایانه‌های رومیزی به‌تازگی از داشتن ۸ گیگابایت رم به‌طور استاندارد فاصله گرفته‌اند، زمانی که صحبت از مقدار حافظه می‌شود، کارت‌های گرافیک مانند یک فیل واقعی هستند که هیچ‌چیز را فراموش نمی‌کنند!
از حافظه GDDR بسیار سریع استفاده می‌شود؛ زیرا پردازنده‌های گرافیکی به‌طور موازی، در تمام مدت کار، نیاز به خواندن و نوشتن مقدار زیادی داده دارند. پردازنده‌های گرافیکی یکپارچه اغلب به آن‌چه حافظه محلی نامیده می‌شود مجهز نیستند و در عوض باید به رم سیستم متکی باشند. دسترسی به آن بسیار کندتر از داشتن گیگابایت‌ها GDDR5 در کنار پردازنده گرافیکی است؛ اما این نوع GPU-ها آنقدر قوی نیستند که واقعاً به آن نیاز داشته باشند.
نیاز کارت گرافیک به حجم زیاد برق
مانند هر دستگاه دیگری در رایانه، کارت‌های گرافیک برای کار نیاز به برق دارند. مقدار مورد نیاز آن‌ها بستگی به GPU دارد؛ زیرا ماژول‌های حافظه تنها با چند وات انرژی نیز کار می‌کنند. اولین راهی که کارت گرافیک می‌تواند برق مورد نیاز خود را دریافت کند از درگاهی است که به آن متصل شده و تقریباً هر رایانه رومیزی امروزه از اتصال PCI Express استفاده می‌کند.
در تصویر بالا، نیرو توسط نوار کوچک‌تر پین‌ها که در سمت چپ قرار دارند تأمین می‌شود؛ نوار بلند در سمت راست صرفاً برای دستورالعمل‌ها و انتقال داده است. در نوار کوتاه، ۲۲ پین (۱۱ پین در هر طرف) وجود دارد؛ اما وظیفه همه آن‌ها تغذیه کارت نیست.
تقریباً نیمی از ۲۲ پین یادشده مخصوص وظایف کلی سیستم از قبیل بررسی سلامت کارت، دستورالعمل‌های ساده روشن/خاموش و موارد این‌چنینی است. آخرین مشخصات PCI Express محدودیت‌هایی در مورد مقدار جریان خروجی دو مجموعه خطوط ولتاژ تعیین می‌کند. در کارت‌های گرافیک مدرن، این مقدار به‌صورت مجزا ۳ آمپر از خطوط مثبت ۳٫۳ ولتی و ۵٫۵ آمپر از خطوط مثبت ۱۲ واتی است. بدین شکل در مجموع (۱۲×۵٫۵) + (۳×۳٫۳) = ۷۵٫۹ وات قدرت فراهم می‌شود.
اما اگر کارت شما بیش از این مقدار انرژی نیاز داشته باشد، چه اتفاقی می‌افتد؟ به‌عنوان مثال، نمونه Radeon HD 6870 ما حداقل ۱۵۰ وات نیاز دارد؛ یعنی دو برابر آن‌چه می‌توانیم از اتصال گفته‌شده دریافت کنیم. در این موارد، فرمت خاصی توسط شرکت‌های سازنده ارائه می‌شود که می‌تواند در قالب خطوط اضافه، بیشتر از ۱۲ ولت انرژی برای دستگاه فراهم کند. این فرمت در دو نوع ارائه می‌شود: کانکتور ۶ پین و ۸ پین.
هر دو فرمت سه خط ولتاژ مثبت ۱۲ دیگر ارائه می‌دهند. تفاوت بین آن‌ها در تعداد خطوط زمین نهفته است؛ سه خط برای ۶ پین و پنج عدد برای نسخه ۸ پین تعبیه شده است. مورد دوم اجازه می‌دهد جریان بیشتری از طریق کانکتور کشیده شود؛ به همین دلیل است که ۶ پین تنها ۷۵ وات قدرت اضافه تأمین می‌کند؛ درحالی‌که فرمت بزرگ‌تر آن تا ۱۵۰ وات انرژی می‌دهد.
کارت گرافیک ما دارای دو کانکتور ۶ پین است؛ بنابراین با اسلات اضافی PCI Express، می‌تواند ۲۲۵ وات برق مصرف کند. این مقدار انرژی بیشتر از نیاز اصلی قطعه است.
مشکل بعدی این واقعیت است که کارت‌های گرافیک و تراشههای حافظه با ولتاژ مثبت ۳٫۳ یا مثبت ۱۲ کار نمی‌کنند؛ تراشههای GDDR5 و پردازنده گرافیکی ای‌ام‌دی به ترتیب ۱٫۳۵ و ۱٫۱۷۲ ولتی هستند. این بدان معنا است که باید ولتاژهای تغذیه کاهش یابد و با دقت تنظیم شود؛ این کار توسط ماژول‌های تنظیم‌کننده ولتاژ (به‌طور خلاصه VRM) انجام می‌شود.
پس از بررسی مادربردها و واحدهای منبع تغذیه، VRM-های مشابهی مشاهده کردیم؛ آن‌ها مکانیسم استانداردی هستند که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند. این بخش همچنین هنگام کار زیاد گرم می‌شود؛ به همین دلیل آن را زیر هیت‌سینک قرار می‌دهند تا در محدوده دمای کاری خود باقی بماند.
درست مانند مادربرد و CPU، تعداد و نوع VRM-ها بر مقدار پایداری GPU، هنگام اورکلاک شدن تأثیر دارد. از جمله این موارد، کیفیت تراشه کنترل‌کننده قدرت کلی است.
این Radeon HD 6870 ده‌ساله از CHIL CHL821401 استفاده می‌کند که یک کنترل‌کننده PWM 4+1 است؛ بنابراین می‌تواند چهار VRM را که در بالا مشاهده می‌کنید، به‌علاوه یک سیستم تنظیم ولتاژ دیگر کنترل کند. این قطعه همچنین می‌تواند دما و مقدار جریان در حال استفاده را بررسی کند. از دیگر توانایی‌های آن می‌توان به تغییر بین یکی از سه ولتاژ مختلف VRMها برای بهترین عملکرد اشاره کرد، ویژگی که در کارت‌های گرافیک مدرن بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ زیرا هنگام خاموش شدن به ولتاژ کمتری نیاز دارند تا در مصرف برق صرفه‌جویی شود و سروصدا کاهش یابد.
هرچه قدرت پردازنده گرافیکی بیشتر باشد، VRM بیشتر و کنترلر PWM بهتر خواهد بود. به‌عنوان مثال، در بررسی GeForce RTX 2080 انویدیا، سیستم خنک‌کننده را کنار گذاشتیم تا به مدار و اجزای آن نگاه کنیم:
می‌توانید یک باتری متشکل از ده VRM را مشاهده کنید که در سمت راست کارت گرافیک قرار دارد. شرکت EVGA کارت‌های گرافیکی با تقریبا دو برابر این تعداد ارائه می‌دهد! البته این کارت‌ها طوری طراحی شدهاند که اورکلاک زیادی داشته باشند و هنگامی که این اتفاق رخ می‌دهد، مصرف برق کارت گرافیک بسیار بیشتر از ۳۰۰ وات خواهد بود.
خوشبختانه همه کارت‌های گرافیک موجود در بازار برای کار کردن به انرژی فوق‌العاده نیاز ندارد. بهترین محصولات میان‌رده در حال حاضر بین ۱۲۵ تا ۱۷۵ وات هستند که تقریباً در همان میدان بازی Radeon HD 6870 ما قرار دارند.
ورودی/خروجی کارت گرافیک
تا اینجا ما قطعات الکترونیکی روی برد مدار و نحوه تغذیه آن‌ها را بررسی کردیم. زمان آن رسیده است که ببینیم چگونه دستورالعمل‌ها و داده‌ها به کارت گرافیک ارسال و نتایج نهایی به مانیتور فرستاده می‌شوند. به عبارت دیگر، اکنون زمان بررسی اتصالات ورودی/خروجی (I/O) رسیده است.
دستورالعمل‌ها و داده‌ها از طریق اتصال PCI Express که قبلاً دیدیم ارسال و دریافت می‌شوند. تمام این کارها از طریق پین‌های قسمت بلند کانکتور اسلات انجام می‌شود. همه پین‌های فرستنده در یک سمت و پین‌های دریافت‌کننده در طرف دیگر قرار دارند.
ارتباط PCI Express با استفاده از سیگنالینگ دیفرانسیل انجام می‌شود؛ بنابراین دو پین با هم استفاده و ۱ بیت داده در هر چرخه کلاک ارسال می‌شود. با در نظر گرفتن پین‌های دیگری که در این قطعه وجود دارد، مجموعه کامل شامل ۲ پین ارسال‌کننده، ۲ پین دریافت‌کننده و ۴ پین زمینی است. در مجموع، آن‌ها به‌طور کلی یک خط (lane) نامیده می‌شوند.
تعداد خطوط مورد استفاده دستگاه با برچسب x1 ،x4 ،x8 یا x16 (اشاره به ۱ خط، ۴ خط و موارد دیگر) مشخص می‌شود. تقریباً همه کارت‌های گرافیک از ۱۶ خط (PCI Express x16) استفاده می‌کنند که یعنی هر کدام می‌توانند تا ۱۶ بیت در هر چرخه ارسال یا دریافت کنند.
سیگنال ارسال داده با سرعت ۴ گیگاهرتز در رابط PCI Express 3.0 اجرا می‌شود؛ اما داده‌ها می‌توانند برای ارسال دو بار در هر سیکل زمان‌بندی شوند. البته مقدار نهایی در واقعیت کمتر است؛ زیرا سیگنالینگ PCI Express سیستم رمزگذاری دارد که برخی از بیت‌ها (حدود ۱٫۵) را فدای کیفیت سیگنال می‌کند.
برخی از کارت‌های گرافیک مانند HD 6870 دارای کانکتور اضافه هستند، مانند تصویر زیر:
این طراحی به شما امکان می‌دهد بتوانید دو یا چند کارت را با هم جفت کنید؛ بدین شکل داده‌ها با سرعت بیشتری به اشتراک گذاشته می‌شوند. هر فروشنده نام خاص خود را روی آن گذاشته است؛ ای‌ام‌دی آن را CrossFire و انویدیا SLI می‌نامد. البته گزینه اول دیگر از این کانکتور استفاده نمی‌کند و در عوض همه کارها را از طریق اسلات PCI Express انجام می‌دهد.
اگر به بالا بروید و بار دیگر تصویر GeForce RTX 2080 را نگاه کنید، خواهید دید دو نوع اتصال چند کارت گرافیکی (multi-GPU connections) وجود دارد؛ این نسخه جدیدتر انویدیا است که NVLink نام دارد. قطعه مذکور بیشتر برای تأمین کردن نیاز سیستم‌های گرافیک حرفه‌ای و کارت‌های محاسبه هدف‌گذاری شده است. با وجود تلاش ای‌ام‌دی و انویدیا برای وارد کرد سیستم‌های چند کارت گرافیکی به زندگی افراد بیشتری در دنیای فناوری، همه چیز به‌خوبی پیش نرفته است و اکثر کاربران ترجیح می‌دهند از بهترین GPU تکی استفاده کنند.
هر گرافیک رایانه رومیزی حداقل یک روش برای اتصال به مانیتور دارد؛ اما اکثر آن‌ها چندین روش برای انجام این کار ارائه می‌دهند. شرکت‌ها این کار را انجام می‌دهند زیرا مانیتورها در انواع مدلها و قیمت‌های مختلف عرضه می‌شوند و کارت‌های گرافیک وظیفه دارند از آن‌ها پشتیبانی کنند.
کارت گرافیکی Radeon که در این مقاله همراه ما است، ۵ خروجی دارد:
- ۲ عدد سوکت مینی DisplayPort 1.2
- ۱ عدد سوکت HDMI 1.4a
- ۱ عدد سوکت دو لینک DVI-D (فقط دیجیتال)
- ۱ سوکت DVI-I (دیجیتال و آنالوگ) دو لینک
در ادامه تصویری وجود دارد که می‌توانید با نگاه کردن به آن درگاه‌های موجود را مشاهده کنید:
داشتن چندین سوکت خروجی به این معنی است که می‌توانید بیش از یک نمایشگر را به کارت گرافیک دستگاه خود متصل کنید. بعضی از این مانیتورها توسط کارت گرافیک کنترل می‌شوند؛ اما گاهی اوقات یک تراشه اضافه برای بررسی سیگنال‌های مختلف مورد نیاز است. در کارت گرافیکی که ما استفاده کردیم، یک سوئیچ Pericom P13HDMI4 HDMI برای انجام برخی از وظایف تعبیه شده است.
آن تراشه کوچک، داده‌های HDMI را که شامل استریم‌های ویدئویی و صوتی دیجیتال می‌شود به سیگنال‌های تصویری برای سوکت‌های DVI تبدیل می‌کند. این روزها مشخصات این اتصالات بسیار مهم‌تر از گذشته است؛ زیرا در نحوه استفاده از مانیتورها تغییراتی ایجاد شده.
ظهور esports باعث شده است صنعت مانیتور به سمت افزایش نرخ نوسازی برود. ۱۰ سال پیش، اکثریت قریب به اتفاق مانیتورها دارای ۶۰ یا ۷۵ هرتز نرخ نوسازی بودند؛ اما امروزه می‌توانید به نمایشگرهای 1080p دسترسی پیدا کنید که دارای نرخ نوسازی ۲۴۰ هرتز هستند.
کارت‌های گرافیک مدرن بسیار قدرتمند هستند و بسیاری از آن‌ها می‌توانند تصاویری با وضوح زیاد (مانند 1440p و 4K) یا خروجی‌های محدوده دینامیکی بالا (HDR) ارائه بدهند. برای افزایش رضایت کاربران، بسیاری از نمایشگرها از فناوری نرخ تجدید متغیر (VRR) پشتیبانی می‌کنند؛ این سیستم هنگامی که کارت گرافیک در حال ترسیم تصویر است، مانع به‌روزرسانی مانیتور می‌شود.
فرمت‌های باز و اختصاصی برای VRR وجود دارد:
- DisplayPort Adaptive-sync
- HDMI 2.1 VRR
- AMD FreeSync
- Nvidia G-Sync
برای استفاده از این ویژگی‌ها (به‌عنوان مثال وضوح زیاد، نرخ نوسازی بالا، HDR و موارد دیگر)، ۳ سؤال وجود دارد که باید به آن‌ها پاسخ داده شود:
- آیا مانیتور از آن پشتیبانی می‌کند؟
- آیا کارت گرافیک از آن پشتیبانی می‌کند؟
- آیا کارت گرافیک از کانکتورهای خروجی با قابلیت انجام این کار استفاده می‌کند؟
برای پاسخ به این سؤال باید کمی وقت بگذارید و اطلاعات کارت گرافیکی که قصد خرید آن را دارید مطالعه کنید. البته عموما اعدادی که در بخش مشخصات نوشته می‌شوند، توانایی کامل یک قطعه را نشان نمی‌دهند. مطمئناً می‌توانید از طریق اتصال DisplayPort به مانیتور، تصاویری باکیفیت 4K را با فرکانس بالای ۲۰۰ هرتز تماشا کنید؛ اما خروجی تنها می‌تواند تعداد خاصی بیت در ثانیه ارسال کند و برای وضوح بسیار بالا و نرخ نوسازی کافی نیست.
خوشبختانه فشرده‌سازی داده‌ها یا نمونه‌برداری رنگی (فرایندی که در آن مقدار اطلاعات رنگی ارسال شده کاهش می‌یابد) می‌تواند برای کاهش بار روی سیستم نمایشگر استفاده شود. در اینجا است که تفاوت‌های جزئی در مدل‌های کارت گرافیک می‌تواند تأثیرگذار باشد؛ ممکن است هر کدام از سیستم‌های فشرده‌سازی استاندارد، گزینه‌های اختصاصی یا نوعی نمونه‌برداری رنگی استفاده کنند که در دیگری وجود نداشته باشد.
۲۰ سال پیش، تفاوت‌های زیادی در خروجی‌های ویدئویی کارت‌های گرافیک وجود داشت و اغلب مجبور می‌شدید که کیفیت را فدای سرعت کنید؛ اما خوشبختانه امروز اینطور نیست.
همه این کارها تنها برای گرافیک؟
ممکن است کمی عجیب به نظر برسد که این همه پیچیدگی و هزینه برای نشان داده شدن بازی Call of Mario: Deathduty Battleyard روی مانیتور دستگاه ما نیاز است. به ابتدای این مقاله بازگردید و دوباره به کارت گرافیک ATi 3D Charger نگاه کنید. این پردازنده گرافیکی می‌تواند تا ۱ میلیون رنگ را در ۲۵ میلیون پیکسل در ثانیه نشان بدهد. کارت‌های امروزی که قیمت مشابهی دارند می‌توانند این خروجی را چندین برابر کنند و قدرتمندتر هستند.
اما آیا واقعاً به چنین عملکردی نیاز داریم؟ پاسخ مثبت است. بخشی از این مسئله به دلیل انتظارات بسیار بالایی است گیمرهای امروزی از گرافیک دارند؛ اما نباید این مسئله را که ساخت در لحظه تصاویر واقعی سه‌بعدی بسیار سخت است فراموش کنیم. بنابراین هنگامی که در حال بازی هستید یا کارهای گرافیکی سنگینی با دستگاه خود انجام می‌‌دهید، کمی به آن زمان بدهید تا استراحت کند!
اما کارت‌های گرافیک می‌توانند فراتر از پردازش تصاویر عمل کنند. در چند سال گذشته، استفاده از این پردازنده‌ها در ابررایانه‌ها برای یادگیری ماشینی پیچیده و هوش مصنوعی بسیار زیاد شده است. استخراج رمزارز در سال ۲۰۱۸ بسیار محبوب شد و کارت‌های گرافیک برای چنین کارهایی ایده‌آل بودند.
کلمه کلیدی در اینجا «محاسبه» است. حوزه‌ای که معمولاً در دست پردازنده‌ها بوده؛ اما اکنون کارت‌های گرافیک مناطق خاصی که نیاز به محاسبات موازی عظیم دارند تسخیر کرده‌اند. ای‌ام‌دی و انویدیا محصولاتی برای این بازار تولید و تقریباً همیشه از بزرگ‌ترین و گران‌ترین پردازنده‌های گرافیکی استفاده می‌کنند.
با توجه به این مسئله، آیا تا به حال فکر کرده‌اید که درون یک کارت گرافیک ۲۵۰۰ دلاری چگونه است؟ گیمرهای Nexus به قدری در این باره کنجکاو بودند که یکی از آن‌ها را انتخاب و سپس آناتومی آن را بررسی کردند. اگر وسوسه شده‌اید که این کار را خودتان انجام بدهید، لطفا مراقب باشید. فراموش نکنید که تمام این قطعات الکترونیکی کاملا شکننده هستند و احتمالا هیچ‌کس پس از باز شدن کارت گرافیک آن را نمی‌خرد.
بنابراین فرقی نمی‌کند که کارت گرافیک شما ۲۰، ۲۰۰ یا ۲۰۰۰ دلار قیمت داشته باشد و اساسا همه آن‌ها دارای یک الگوی اصلی هستند؛ در همه آن‌ها یک پردازنده، روی یک برد مدار پر از تراشههای پشتیبانی و سایر قطعات الکترونیکی قرار گرفته است. درست است که شکافتن کارت گرافیک مانند مادربرد و منبع تغذیه چیزهای زیادی به ما نشان نمی‌دهد؛ اما بخش‌های درون آن بسیار عالی هستند.
بنابراین پس از پایان بررسی آناتومی کارت گرافیک، بقایای Radeon HD 6870 را کناری می‌گذاریم و با آن خداحافظی می‌کنیم.
