کارت گرافیک چگونه کار می‌کند؟
تصاویری که روی مانیتورتان می‌بینید از نقطه‌های ریزی به نام پیکسل تشکیل شده‌اند. روی پراستفاده‌ترین تنظیمات وضوح تصویر (Resolution)، صفحه‌ی نمایش‌گر بیش از ۲ میلیون پیکسل نمایش می‌دهد و کامپیوتر باید تصمیم بگیرد که با هر پیکسل چه‌کار کند تا بتواند یک تصویر بسازد. برای انجام این کار، کامپیوتر به مترجم نیاز دارد؛ چیزی که بتواند داده‌های صفر و یکی را از سی‌پی‌یو (CPU) بگیرد و آن را به تصویری تبدیل کند تا شما ببینید. این مترجم با عنوان پردازش‌گر گرافیکی، یا جی‌پی‌یو (GPU)، شناخته می‌شود.
در ادامه این مقاله با سپهر دیجیتال همراه باشید.
بیشتر لپ‌تاپ‌ها و کامپیوترهای رومیزی که برای مصارف ساده ساخته شده‌اند، این روزها با جی‌پی‌یویی عرضه می‌شوند که در پردازش‌گر اصلی‌شان درون‌نهادینه شده است و با عنوان گرافیک مجتمع (Integrated Graphics) شناخته می‌شود. با این حال، کامپیوترهای سرهم‌بندی‌شده، یا کامپیوترهایی که برای مصارف تخصصی ساخته شده‌اند، اغلب فضایی برای یک کارت گرافیک اختصاصی (Dedicated Graphics Card) دارند. برتری کارت گرافیک اختصاصی به گرافیک مجتمع این است که می‌تواند جلوه‌های بصری پیچیده را به‌مراتب سریع‌تر از قطعه‌ی درون‌نهادینه‌شده رندر کند.
کار کارت گرافیک پیچیده است، ولی درک اصول کلی آن و کارکرد اجزای آن زیاد سخت نیست. در این مقاله قصدمان بر این است که به قطعات پایه‌ی کارت گرافیک و کارکردشان نگاهی بیندازیم و عواملی را که با همکاری با یکدیگر باعث می‌شوند یک کارت گرافیک به‌شکلی سریع و با بازدهی بالا کار کند، بررسی کنیم.
کامپیوتر را به‌عنوان شرکتی در نظر بگیرید که دپارتمان هنری خاص خودش را دارد. وقتی افراد داخل شرکت دنبال آرتی خاص هستند، درخواستی برای دپارتمان هنری می‌فرستند تا آن را تولید کند. دپارتمان هنری تصمیم می‌گیرد چگونه تصویر را تولید کند و بعد آن را روی کاغذ چاپ می‌کند. نتیجه‌ی نهایی این است که ایده‌ی یک نفر به یک عکس واقعی و قابل‌مشاهده تبدیل می‌شود.
کارت گرافیک نیز از چنین اصلی پیروی می‌کند. سی‌پی‌یو، با همکاری نرم‌افزارها، اطلاعاتی درباره‌ی تصویر را به کارت گرافیک می‌فرستد. کارت گرافیک تصمیم می‌گیرد چطور از پیکسل‌های روی صفحه برای ساختن تصویر استفاده کند. سپس این اطلاعات را از راه یک کابل به مانیتور می‌فرستد.
ساختن یک تصویر از راه اطلاعات صفرویکی کار پرزحمتی است. برای ساختن یک تصویر سه‌بعدی، کارت گرافیک در ابتدا با استفاده از خطوط صاف یک نمای خطی (Wire Frame) ایجاد می‌کند.
سپس عکس شطرنجی‌سازی (Rasterization) می‌شود (یعنی پیکسل‌های باقی‌مانده پر می‌شوند). سپس نورپردازی، بافت (یا تکسچر) و رنگ اضافه می‌شود. برای بازی‌هایی که ضرب‌آهنگ سریع دارند، کامپیوتر باید این پروسه را ۶۰ یا ۱۲۰ بار در ثانیه اجرا کند. بدون کارت گرافیکی که بتواند محاسبات لازم را انجام دهد، زحمت لازم برای این کار زیادتر از آن است که کامپیوتر از پسش بربیاید.
مطالب بیشتر: ۵ نشانه که از نزدیک بودن مرگ کارت گرافیک خبر می‌دهند
کارت گرافیک از چهار بخش تشکیل شده است:
- اتصال به مادربورد برای دسترسی به داده و برق
- پردازش‌گر گرافیکی (جی‌پی‌یو) برای این‌که تصمیم بگیرد با هر پیکسل روی صفحه چه کاری انجام دهد
- ویدئو مموری (VRAM) برای ذخیره‌ی اطلاعات درباره‌ی هر پیکسل و ذخیره‌ی موقت تصاویر کامل‌شده
- اتصال به مانیتور برای این‌که مخاطب بتواند نتیجه‌ی نهایی را ببیند
در ادامه به پردازش‌گر و حافظه با جزئیات بیشتری نگاه می‌کنیم.
جی‌پی‌یو (GPU) یک مدار الکتریکی است که کامپیوتر شما با استفاده از آن پروسه‌ی ساختن و رندر کردن گرافیک کامپیوتری را تسریع می‌بخشد.
کارت گرافیک هم مثل مادربورد یک برد مدار چاپی (Printed Circuit Board) است که در آن یک پردازش‌گر و VRAM نهفته است. همچنین کارت گرافیک چیپ سیستم ورودی/خروجی (Basic Input/Output System یا BIOS) دارد که تنظیمات کارت را ذخیره می‌کند و به هنگام راه‌اندازی، عملیات عیب‌شناسی (Diagnostics) روی حافظه، ورودی و خروجی دستگاه اجرا می‌کند.
پردازش‌گر کارت گرافیک، که با عنوان واحد پردازش گرافیکی (GPU) شناخته می‌شود، به سی‌پی‌یوی کامپیوتر شبیه است. با این حال، جی‌پی‌یو به‌طور خاص برای اجرای محاسبات پیچیده‌ی ریاضی و هندسی که برای رندر گرافیک ضروری‌اند، طراحی شده است. برخی از سریع‌ترین جی‌پی‌یوها از یک سی‌پی‌یوی معمولی تعداد ترانزیستورهای بیشتری دارند.
جی‌پی‌یو حرارت زیادی تولید می‌کند، برای همین عموماً زیر گرماگیر یا پنکه (فن) جای‌گذاری می‌شود. تفاوت چیپ‌های گرافیک مجتمع با کارت گرافیک در این است که VRAM خاص خود را ندارند و باید از همان رمی استفاده کنند که سی‌پی‌یو از آن استفاده می‌کند. برای همین اگر سعی کنید با چیپ گرافیک مجتمع بازی ویدئویی بازی کنید، ممکن است سیستم‌تان حافظه کم بیاورد.
جی‌پی‌یو علاوه بر قدرت پردازشی که دارد، از برنامه‌نویسی ویژه‌ای استفاده می‌کند که به آن در تحلیل و استفاده از داده کمک می‌کند. دو شرکت ای‌ام‌دی (AMD) و انویدیا (Nvidia) سازنده‌ی بیشتر جی‌پی‌یوهای موجود در بازار هستند و هردو شرکت راهکارهای خاص خود را برای بهبود عملکرد جی‌پی‌یو طراحی کرده‌اند. پردازش‌گرهای ویدئویی معاصر می‌توانند کارهای زیادی انجام دهند، من‌جمله:
- حذف پله‌پلگی کل صحنه (Full Scene Anti-Aliasing = FSAA) که لبه‌های اشیاء سه‌بعدی را صاف می‌کند
- فیلترینگ غیرایزوتروپیک (Anisotropic Filtering)، که باعث می‌شود تصاویر صاف‌تر به نظر برسند
- افکت‌های فیزیکی و ذرات بلادرنگ
- نمایش تصویر روی چند مانیتور
- خروجی ویدئویی با نرخ فریم بالا
- تصویر وضوح‌بالا با چند میلیون پیکسل
- محاسبات سریع‌تر جی‌پی‌یو
همچنین هر شرکت تکنیک‌های خاص خود را توسعه بخشیده تا تا به جی‌پی‌یو در اعمال رنگ‌ها، سایه‌زنی‌ها، تکسچرها و الگوها کمک کند.
همچنان که جی‌پی‌یو مشغول تصویرسازی است، به فضایی نیاز دارد تا در آنجا اطلاعات و عکس‌های کامل‌شده را نگه‌داری کند. جی‌پی‌یو از رم کارت برای این منظور استفاده می‌کند و درباره‌ی هر پیکسل، رنگ و موقعیت آن روی صفحه اطلاعات ذخیره می‌کند. بخشی از VRAM نیز به‌عنوان فریم‌بافر (Framebuffer) عمل می‌کند، یعنی عکس‌های کامل‌شده را درون خود نگه می‌دارد تا زمان پخش شدنشان فرا برسد. معمولاً VRAM یا رم ویدئویی سرعت بسیار بالایی دارد و تسهیم‌شده (Dual Ported) است، یعنی سیستم می‌تواند همزمان هم از روی آن اطلاعات بخواند، هم روی آن اطلاعات درج کند.
کارت‌های گرافیک مدرن به شکاف الحاقی PCIe x16 روی مادربورد متصل می‌شوند. کامپیوترهای کوچک و جمع‌وجوری که گرافیک مجتمع دارند – مثل لپ‌تاپ و مینی‌دسکتاپ – شاید چنین شکافی نداشته باشند. با این حال، می‌توان با قطعه‌ای گران‌قیمت به نام جی‌پی‌یوی خارجی (External GPU) این محدودیت را دور زد.
گریزی از متن: تکامل کارت‌های گرافیک
از سال ۱۹۸۱، سالی که در آن IBM اولین کارت گرافیک را معرفی کرد، کارت‌های گرافیک راه زیادی را پیموده‌اند. این کارت گرافیک که آداپتور نمایشی تک‌رنگ (Monochrome Display Adapter (MDA)) نام داشت، روی صفحه‌ی نمایشی سیاه متن سبز و سفید را نمایش می‌داد. اما این روزها هم کارت‌های گرافیک استاندارد و هم کارت‌های گرافیک مجتمع می‌توانند به‌راحتی سیگنالی وضوح‌بالا (۱۹۲۰ در ۱۰۸۰ پیکسل) را از راه کابل HDMI یا DisplayPort ارسال کنند. کارت‌های گرافیک مستقل اغلب ویدئویی با وضوح بسیار بالا (۳۸۴۰ در ۲۱۶۰ پیکسل) ارسال می‌کنند و هرچه قدرت کارت گرافیک بالاتر باشد، این وضوح بیشتر می‌شود.
انتخاب کارت گرافیک
تشخیص کارت گرافیک سطح‌بالا کار راحتی است. چنین کارتی هم حافظه‌ای زیاد دارد، هم پردازش‌گری سریع. اغلب از لحاظ ظاهری نیز قشنگ‌تر و خفن‌تر از تمام قطعات دیگری است که در کیس پیدا می‌کنید. بسیاری از کارت گرافیک‌های سطح‌بالا فن‌ها و گرماگیرهای تزیینی دارند.
ولی کارت گرافیک سطح‌بالا اغلب قدرتی فراهم می‌کند که از سطح نیاز بیشتر مردم فراتر است. اشخاصی که از کامپیوترشان عمدتاً برای ایمیل فرستادن، تایپ کردن متن یا استفاده از شبکه‌ّهای اجتماعی استفاده می‌کنند، به کارت گرافیکی فراتر از سی‌پی‌یوی مجهز به کارت گرافیک مجتمع نیاز ندارند. یک کارت گرافیک متوسط برای بیشتر گیمرها کافی است. کسانی که به قدرت یک کارت گرافیک سطح‌بالا نیاز دارند، گیمرهای هاردکور و کسانی که سر و کارشان گرافیک سه‌بعدی است می‌باشند.
مطالب بیشتر: چرا کارت گرافیک‌ها نسل به نسل بزرگ‌تر می‌شوند؟
یکی از معیارهای کلی برای اندازه‌گیری عملکرد یک کارت نرخ فریم است که واحد آن فریم بر ثانیه (Frames Per Second = FPS) است. نرخ فریم مشخص می‌کند که یک کارت در عرض هر ثانیه توانایی تولید چند تصویر کامل را دارد. چشم انسان می‌تواند در هر ثانیه ۲۵ فریم را پردازش کند، ولی بازی‌های اکشن سریع حداقل به ۶۰ فریم در ثانیه نیاز دارند تا انیمیشن و اسکرول سریع فراهم کنند. از اجزای نرخ فریم می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- نرخ مثلث یا راس در هر ثانیه: تصاویر سه‌بعدی از مثلث‌ها یا پولیگون‌ها ساخته شده‌اند. این روش اندازه‌گیری برای تعیین سرعت محاسبه‌ی تمام پولیگون‌ها یا مثلث‌های تصاویر سه‌بعدی از جانب جی‌پی‌یو تعیین شده است. به‌طور کلی، این نرخ تعیین می‌کند که کارت گرافیک با چه سرعتی می‌تواند نمای خطی یا وایرفریم ایجاد کند
- نرخ پر کردن پیکسل: این معیار تعداد پیکسل‌هایی را که جی‌پی‌یو می‌تواند در ثانیه پردازش کند تعیین می‌کند. این نرخ با سرعت شطرنجی‌سازی رابطه‌ی مستقیم دارد.
سخت‌افزار کارت گرافیک مستقیماً روی سرعتش تاثیر دارد. موارد زیر همه مستقیماً روی سرعت کارت گرافیک تاثیر دارند و جلوی هرکدام واحد اندازه‌گیری‌شان درج شده است:
- نرخ کلاک جی‌پی‌یو (GPU Clock Speed) – با مگاهرتز (MHz) اندازه‌گیری می‌شود
- اندازه‌ی گذرگاه حافظه (Size of the Memory Bus) – با بیت (Bit) اندازه‌گیری می‌شود
- مقدار حافظه‌ی موجود (Amount of Available Memory) – با مگابایت (MB) اندازه‌گیری می‌شود
- نرخ کلاک حافظه – با مگاهرتز (MHz) اندازه‌گیری می‌شود
- پهنای باند حافظه (Memory Bandwidth) – با گیگابایت بر ثانیه (GB/s) اندازه‌گیری می‌شود
سی‌پی‌یو و مادربورد کامپیوتر نیز نقشی موثر دارند، چون کارت گرافیک بسیار سریع نمی‌تواند عدم توانایی مادربورد در انتقال سریع داده را جبران کند. غیر از این، اتصال کارت به مادربورد و سرعت دریافت فرمان از سی‌پی‌یو می‌تواند روی عملکرد آن تاثیر داشته باشد.
گریزی از متن: گرافیک مجتمع و اورکلاک کردن
بسیاری از سی‌پی‌یوها خودشان گرافیک مجتمع دارند و بدون نیاز به کارت گرافیک جدا می‌توانند کارهای گرافیکی انجام دهند. این پردازش‌گرها به‌راحتی می‌توانند تصاویر دوبعدی را پردازش کنند، برای همین برای انجام کارهای ساده و اینترنتی ایده‌آل هستند. وصل کردن یک کارت گرافیک جدا به یکی از این سیستم‌ها جای قطعه‌ی گرافیکی نصب‌شده روی سیستم را می‌گیرد.
برخی افراد تصمیم می‌گیرند برای بهبود عملکرد کارت گرافیک‌شان به‌طور دستی سرعت کلاک کارت را افزایش دهند. به این کار اورکلاکینگ گفته می‌شود. افراد معمولاً حافظه‌یشان را اورکلاک می‌کنند، چون اورکلاک کردن جی‌پی‌یو باعث افزایش بیش از حد حرارت می‌شود. با این‌که اورکلاک کردن به علمکردی بهتر منجر می‌شود، ولی در عین حال انجام دادنش گارانتی کارت گرافیک را باطل می‌کند.
سوالات رایج درباره‌ی کارت گرافیک
سوال ۱: کارت گرافیک چه کاری انجام می‌دهد؟
پاسخ: واحد پردازش گرافیکی یا جی‌پی‌یو یا کارت گرافیک یک مدار الکتریکی است که عملیات پردازشی را که برای ساختن و رندر کردن تصویر، ویدئو و انیمیشن لازم است تسریع می‌بخشد.
سوال ۲: کدام بهتر است؟ RTX یا GTX؟
پاسخ: کارت گرافیک GeForce RTX 2060 عموماً به‌عنوان گزینه‌ای سریع‌تر از GeForce GTX 1070 شناخته می‌شود. با این حال، هیچ‌کدام‌شان قدرت پشتیبانی از گیم‌پلی ۴K را ندارند.
سوال ۳: بهترین کارت گرافیک برای بازی کردن چیست؟
پاسخ: در این زمینه گزینه‌های زیادی وجود دارند. در نهایت همه‌چیز بستگی به نیاز و سلیقه‌ی شخصی دارند. این کارت‌ها:
- GeForce RTX 3090
- ۳۰۹۰ Ti GeForce RTX
- GeForce RTX 3070
- Radeon Rx 6800
همه به‌عنوان بهترین کارت‌های گرافیک برای اجرای سنگین‌ترین بازی‌ها در بهترین حالت شناخته می‌شوند.
سوال ۴: بهترین کارت گرافیک انویدیا کدام است؟
کارت NVIDIA GeForce RTX 3090 DirectX 12.00 به‌عنوان بهترین کارت گرافیک انویدیا شناخته می‌شود. مقام دوم با فاصله‌ی کم متعلق به NVIDIA GeForce RTX 3080 است.
سوال ۵: آیا می‌توان کارت گرافیک را در لپ‌تاپ نصب کرد؟
بیشتر لپ‌تاپ‌ها با کارت گرافیکی عرضه می‌شوند که به‌طور دائمی به مادربوردشان نصب شده است. با این حال، به لپ‌تاپ‌هایی که پورت Thunderbolt 3 داشته باشند، می‌توان یک کارت گرافیک خارجی نصب کرد.
