Tarjeta gráfica

De El Museo de los 8 bits
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EGA Paradise Bus ISA
IBM XGA-2 MCA
AVIEW2E EISA
Cirrus Logic VESA
Apple Display Card 24AC NuBus
PCI S3 ViRGE
ATI X850XT AGP
NVIDIA GeForce 7900 GS PCI-Express 16x

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 u ordenador, 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. Algunas tarjetas gráficas han ofrecido funcionalidades añadidas como captura de vídeo, sintonización de TV, decodificación MPEG-2[1] y MPEG-4 o incluso conectores Firewire, de ratón, lápiz óptico o joystick.

Las tarjetas gráficas no son dominio exclusivo de los PC; contaron o cuentan con ellas dispositivos como los Commodore Amiga (conectadas mediante las ranuras Zorro II y Zorro III), Apple II, Apple Macintosh, Spectravideo SVI-328, equipos MSX y, por supuesto, en las videoconsolas modernas, como la Wii, la Playstation 3 y la Xbox360.

Contenido

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 gráficos 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.

El éxito del ordenador doméstico y las primeras videoconsolas hacen que por abaratamiento de costes (principalmente son diseños cerrados), esos chips vayan integrados en la placa madre. Incluso en los equipos que ya vienen con un chip gráfico se comercializan tarjetas de 80 columnas, que añadían un modo texto de 80x24 u 80x25 caracteres, principalmente para ejecutar soft CP/M (como las de los Apple II y Spectravideo SVI-328).

Curiosamente la tarjeta de vídeo que viene con el IBM PC, que con su diseño abierto herencia de los Apple II popularizará el concepto de tarjeta gráfica intercambiable, es una tarjeta de sólo texto. La MDA (Monochrome Display Adapter), desarrollada por IBM en 1981, trabajaba en modo texto y era capaz de representar 25 líneas de 80 caracteres en pantalla. Contaba con una memoria VRAM de 4KB, por lo que sólo podía trabajar con una página de memoria. Se usaba con monitores monocromo, de tonalidad normalmente verde.[2]

A partir de ahí se sucedieron diversas controladoras para gráficos, resumidas en la tabla adjunta.[3][4][5][6]

Año Modo texto Modo gráficos Colores Memoria
MDA 1981 80*25 - 1 4 KB
CGA 1981 80*25 640*200 4 16 KB
HGC 1982 80*25 720*348 1 64 KB
EGA 1984 80*25 640*350 16 256 KB
IBM 8514 1987 80*25 1024*768 256 -
MCGA 1987 80*25 320*200 256 -
VGA 1987 720*400 640*480 256 256 KB
SVGA 1989 80*25 1024*768 256 2 MB
XGA 1990 80*25 1024*768 65K 1 MB

VGA tuvo una aceptación masiva, lo que llevó a compañías como ATI, Cirrus Logic y S3 Graphics, a trabajar sobre dicha tarjeta para mejorar la resolución y el número de colores. Así nació el estándar SVGA (Super VGA). Con dicho estándar se alcanzaron los 2 MB de memoria VRAM, así como resoluciones de 1024 x 768 pixels a 256 colores.

Los competidores del PC, Commodore Amiga 2000 y Apple Macintosh reservaron en cambio esa posibilidad a ampliaciones profesionales, integrando casi siempre la GPU (que batía en potencia con total tranquilidad a las tarjetas gráficas de los PCs del momento) en sus placas madre. Esta situación se perpetúa hasta la aparición del Bus PCI, que sitúa a las tarjetas de PC al nivel de los buses internos de sus competidores, al eliminar el cuello de botella que representaba el Bus ISA. Aunque siempre por debajo en eficacia (con la misma GPU S3 ViRGE, lo que en un PC es una tarjeta gráfica avanzada deviene en acelerador 3D profesional en los Commodore Amiga con ranura Zorro III), la fabricación masiva (que abarata sustancialmente los costes) y la adopción por otras plataformas del Bus PCI hace que los chips gráficos VGA comiencen a salir del mercado del PC.

La evolución de las tarjetas gráficas dio un giro importante en 1995 con la aparición de las primeras tarjetas 2D/3D, fabricadas por Matrox, Creative, S3 y ATI, entre otros. Dichas tarjetas cumplían el estándar SVGA, pero incorporaban funciones 3D. En 1997, 3dfx lanzó el chip gráfico Voodoo, con una gran potencia de cálculo, así como nuevos efectos 3D (Mip Mapping, Z-Buffering, Antialiasing...). A partir de ese punto, se suceden una serie de lanzamientos de tarjetas gráficas como Voodoo2 de 3dfx, TNT y TNT2 de NVIDIA. La potencia alcanzada por dichas tarjetas fue tal, que el puerto PCI donde se conectaban se quedó corto de ancho de banda. Intel desarrolló el puerto AGP (Accelerated Graphics Port) que solucionaría los cuellos de botella que empezaban a aparecer entre el procesador y la tarjeta. Desde 1999 hasta 2002, NVIDIA dominó el mercado de las tarjetas gráficas (comprando incluso la mayoría de bienes de 3dfx)[7] con su gama GeForce. En ese período, las mejoras se orientaron hacia el campo de los algoritmos 3D y la velocidad de los procesadores gráficos. Sin embargo, las memorias también necesitaban mejorar su velocidad, por lo que se incorporaron las memorias DDR a las tarjetas gráficas. Las capacidades de memoria de vídeo en la época pasan de los 32 MB de GeForce, hasta los 64 y 128 MB de GeForce 4.

La mayoría de videoconsolas de sexta generación y sucesivos utilizan chips gráficos derivados de los más potentes aceleradores 3D de su momento. Los Apple Macintosh incorporan chips de NVIDIA y ATI desde el primer iMac, y los modelos PowerPC con bus PCI o AGP pueden usar tarjetas gráficas de PC con BIOS no dependientes de CPU.

En 2006, NVIDIA y ATI (ese mismo año comprada por AMD) se repartían el liderazgo del mercado[8] con sus series de chips gráficos GeForce y Radeon, respectivamente.

Componentes

GPU

La GPU, —acrónimo de «Graphics Processing Unit», que significa «Unidad de Procesamiento Gráfico»— es un procesador (como la CPU) 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 gráfica, así como la principal determinante del rendimiento. Tres de las más importantes de dichas características son la frecuencia de reloj del núcleo, que en 2010 oscilaba entre 500 MHz en las tarjetas de gama baja y 850 MHz en las de gama alta, el número de procesadores shaders 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 gráfica de acceso aleatorio

Son chips de memoria que almacenan y transportan información entre sí, no son determinantes en el rendimiento máximo de la tarjeta gráfica, pero bien unas especificaciones reducidas pueden limitar la potencia de la GPU. Existen de dos tipos, Dedicada cuando, la tarjeta gráfica o la GPU dispone exclusivamente para sí esas memorias, ésta manera es la más eficiente y la que mejores resultados da; y compartida cuando se utiliza memoria en detrimento de la memoria RAM, ésta memoria es mucho más lenta que la dedicada y por tanto rinde mucho peor, es recurrente en campañas de márketing con mensajes tipo Tarjeta gráfica de "Hasta ~ MB" para engañar al consumidor haciéndole creer que la potencia de esa tarjeta gráfica reside en su cantidad de memoria.

  • Capacidad: La capacidad de la memoria determina el número máximo de datos y texturas procesadas, una capacidad insuficiente se traduce en un retardo a espera de que se vacíen esos datos. Sin embargo es un valor muy sobrevalorado como estrategia recurrente de márketing para engañar al consumidor, tratando de hacer creer que el rendimiento de una tarjeta gráfica se mide por la capacidad de su memoria; tal es ésta tendencia, que muchos ensambladores embuten ingentes cantidades de memoria con GPU incompatibles con dicha capacidad, resultando una pérdida notable de la velocidad de dichas memorias, dando como resultado una tarjeta gráfica mucho más lenta que la que contiene una memoria mucho más pequeña y suficiente al sector al que va a pertenecer la tarjeta gráfica y recomendado por el fabricante. Se mide en bytes
  • Interfaz de Memoria: También denominado Bus de datos, es la multiplicación resultante del de ancho de bits de cada chip por su número de unidades. Es una característica importante y determinante, junto a la velocidad de la memoria, a la cantidad de datos que puede transferir en un tiempo determinado, denominado ancho de banda. Una analogía al ancho de banda se podría asociar al ancho de una autopista o carriles y al número de vehículos que podrían circular a la vez. La interfaz de memoria se mide en bits.
  • Velocidad de Memoria: Es la velocidad a la que las memorias pueden transportar los datos procesados, por lo que es complemento a la interfaz de memoria para determinar el ancho de banda total de datos en un tiempo determinado. Continuando la analogía de la circulación de los vehículos de la autopista, la velocidad de memoria se traduciría en la velocidad máxima de circulación de los vehículos, dando resultado a un mayor transporte de mercancía en un mismo periodo de tiempo. La velocidad de las memorias se mide en Hertzios (su frecuencia efectiva) y se van diseñando tecnologías con más velocidad, destacamos las adjuntas en la siguiente tabla:

Memoria de vídeo

Tecnología Frecuencia efectiva (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
  • Ancho de banda: Es la tasa de datos que pueden transportarse en una unidad de tiempo. Un ancho de banda insuficiente se traduce en un importante limitador de potencia de la GPU. Habitualmente se mide en "Gigabytes por segundo" (GB/s).

Su fórmula general es el cociente del producto de la interfaz de memoria (expresada en bits) por la frecuencia efectiva de las memorias (expresada en Gigahertzios), entre 8 para convertir bits a bytes.


AdB(GB/s) =\frac{Bus(bits)*Velocidad(GHz)}{8}


Por ejemplo, tenemos una tarjeta gráfica con 256 bits de interfaz de memoria y 4200 MHz de frecuencia efectiva y necesitamos hallar su ancho de banda:

AdB=\frac{256*4,2}{8}=134,4 GB/s


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 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, y nunca inferior a 60).[9] Dada la creciente popularidad de los monitores de señal digital, el RAMDAC está quedando obsoleto, puesto que no es necesaria la conversión analógica si bien es cierto que muchos conservan conexión VGA por compatibilidad.

Espacio que ocupan las texturas almacenadas

El espacio que ocupa una imagen representada en el monitor viene dada en función de su resolución y su profundidad de color, es decir, una imagen sin comprimir en formato estándar Full HD con 1920x1080 píxeles y 32 bits de profundidad de color ocuparía 66.355.200 bits, es decir, 8,294 MiB

Salidas

Salidas HDMI, D-Sub 15 y DVI de una tarjeta gráfica
Salidas SVGA, S-Video y DVI de una tarjeta gráfica

Los sistemas de conexión más habituales entre la tarjeta gráfica y el dispositivo visualizador (como un monitor o un televisor) son:

Otras no tan extendidas por un uso minoritatio, no implementadas u obsoletas son:

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
PCIe x16 2.0 1*32 25 / 50 3200 / 6400 Serie

En orden cronológico, los sistemas de conexión entre la tarjeta gráfica y la placa base han sido, principalmente:

En la tabla adjunta[10][11] se muestran las características más relevantes de algunas de dichas interfaces.

Dispositivos refrigerantes

Archivo:CPU copper heat sink.jpg
Conjunto de disipador y ventilador.

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:

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, y en muchas ocasiones, de todo el PC) 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, la insuficiencia energética se encuentra en la que puede proporcionar el puerto PCIe que sólo es capaz de aportar una potencia por sí sólo de 75 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.[14]

Tipos de tarjetas gráficas

Tarjeta MDA

"Monochrome Display Adapter" o Adaptador monocromo. Fue lanzada por IBM como una memoria de 4 KB de forma exclusiva para monitores TTL (que representaban los clásicos caracteres en ámbar o verde). No disponía de gráficos y su única resolución era la presentada en modo texto (80x25) en caracteres de 14x9 puntos, sin ninguna posibilidad de configuración.

Básicamente esta tarjeta usa el controlador de vídeo para leer de la ROM la matriz de puntos que se desea visualizar y se envía al monitor como información serie. No debe sorprender la falta de procesamiento gráfico, ya que, en estos primeros PCs no existían aplicaciones que realmente pudiesen aprovechar un buen sistema de vídeo. Prácticamente todo se limitaba a información en modo texto.

Este tipo de tarjeta se identifica rápidamente ya que incluye (o incluía en su dia) un puerto de comunicación para la impresora ¡Una asociación más que extraña a día de hoy!

Tarjeta CGA

"Color Graphics Array" o "Color graphics adapter" según el texto al que se recurra. Aparece en el año 1981 también de la mano de IBM y fue muy extendida. Permitía matrices de caracteres de 8x8 puntos en pantallas de 25 filas y 80 columnas, aunque solo usaba 7x7 puntos para representar los caracteres. Este detalle le imposibilitaba el representar subrayados, por lo que los sustituía por diferentes intensidades en el caracter en cuestión.En modo gráfico admitía resoluciones de hasta 640x200. La memoria era de 16 KB y solo era compatible con monitores RGB y Compuestos. A pesar de ser superior a la MDA, muchos usuarios preferían esta última dado que la distancia entre puntos de la rejilla de potencial en los monitores CGA era mayor. El tratamiento del color, por supuesto de modo digital, se realizaba con tres bits y uno más para intensidades. Así era posible lograr 8 colores con dos intensidades cada uno, es decir, un total de 16 tonalidades diferentes pero no reproducibles en todas las resoluciones tal y como se muestra en el cuadro adjunto.

Esta tarjeta tenia un fallo bastante habitual y era el conocido como "snow". Este problema era de carácter aleatorio y consistía en la aparición de "nieve" en la pantalla (puntos brillantes e intermitentes que distorsionaban la imagen). Tanto era así que algunas BIOS de la época incluían en su SETUP la opción de eliminación de nieve ("No snow").

Tarjeta HGC

"Hercules Graphics Card" o más popularmente conocida como Hércules (nombre de la empresa productora), aparece en el año 1982, con gran éxito convirtiéndose en un estándar de vídeo a pesar de no disponer del soporte de las rutinas de la BIOS por parte de IBM. Su resolución era de 720x348 puntos en monocromo con 64 KB de memoria. Al no disponer de color, la única misión de la memoria es la de referenciar cada uno de los puntos de la pantalla usando 30,58 KB para el modo gráfico (1 bit x 720 x 348)y el resto para el modo texto y otras funciones. Las lecturas se realizaban a una frecuencia de 50 HZ, gestionadas por el controlador de vídeo 6845. Los caracteres se dibujaban en matrices de 14x9 puntos.

Fabricantes

Diseñadores de GPU
ATi/AMD nVIDIA
Ensambladores de Tarjetas GECUBE POINT OF VIEW
CLUB3D CLUB3D
POWERCOLOR EVGA
MSI MSI
XFX GAINWARD
ASUS ASUS
SAPPHIRE ZOTAC
GIGABYTE GIGABYTE
HIS ECS ELITEGROUP
DIAMOND PNY
- SPARKLE
- GALAXY
- PALIT

En el mercado de las tarjetas gráficas hay que distinguir dos tipos de fabricantes:

Otros fabricantes como Matrox o S3 Graphics tienen una cuota de mercado muy reducida.

En la tabla adjunta se muestra una relación de los dos diseñadores de chips y algunos de los ensambladores de tarjetas con los que trabajan.

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:

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 pueden ser:

Errores comunes

Véase también

Referencias

  1. ↑ «Decodificación MPEG-2».
  2. ↑ «MDA en IBM PC».
  3. ↑ «Referencia Tabla Historia (1)».
  4. ↑ «Referencia Tabla Historia (2)».
  5. ↑ «Referencia Tabla Historia (3)».
  6. ↑ «Referencia Tabla Historia (4)».
  7. ↑ «3dfx vende activos a NVIDIA».
  8. ↑ «NVIDIA vs ATI».
  9. ↑ «Velocidad de refresco recomendada que debe soportar el RAMDAC».
  10. ↑ «Características de buses».
  11. ↑ «Características de PCIe».
  12. ↑ «Solución al suministro de energía».
  13. ↑ «Conector de corriente para PCIe».
  14. ↑ «Futuras tarjetas gráficas externas y con fuente propia».

Enlaces externos

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