Grafická karta
Obsah boxu
Šablona:Infobox Komponenta Grafická karta (také známá jako grafický adaptér, video adaptér nebo akcelerátor grafiky) je počítačová komponenta, jejímž hlavním úkolem je vytvářet a zobrazovat obraz na monitoru nebo jiném zobrazovacím zařízení. Převádí digitální data z počítače na signál, kterému zobrazovací jednotka rozumí. Moderní grafické karty nejsou jen pasivními zobrazovači, ale obsahují vlastní vysoce výkonný procesor, GPU (Graphics Processing Unit), a vlastní paměť VRAM, což jim umožňuje akcelerovat složité 2D a 3D grafické operace, a tím ulevit hlavnímu procesoru (CPU).
Grafické karty jsou klíčové pro počítačové hry, profesionální práci s grafikou (např. CAD, 3D modelování, střih videa), ale v posledních letech také pro vědecké výpočty a umělou inteligenci díky masivně paralelní architektuře jejich GPU.
📜 Historie
Vývoj grafických karet je úzce spjat s historií osobních počítačů a rostoucími nároky na grafické zobrazení.
🕰️ Počátky (do 90. let)
První osobní počítače, jako byl IBM PC z roku 1981, potřebovaly rozšiřující kartu pro zobrazení jakéhokoliv výstupu. Prvními standardy od IBM byly:
- MDA (Monochrome Display Adapter, 1981): Zobrazoval pouze monochromatický text ve vysokém rozlišení (80x25 znaků). Grafiku vůbec nepodporoval.
- CGA (Color Graphics Adapter, 1981): První standard schopný zobrazit barvu. Nabízel velmi nízké rozlišení (např. 320x200 pixelů se 4 barvami), což vedlo k velmi hrubé grafice.
- EGA (Enhanced Graphics Adapter, 1984): Výrazné vylepšení, které umožnilo zobrazit 16 barev v rozlišení 640x350 pixelů.
- VGA (Video Graphics Array, 1987): Tento standard se stal na dlouhou dobu základem pro PC grafiku. Zavedl rozlišení 640x480 s 16 barvami nebo 320x200 s 256 barvami. Analogový konektor D-Sub (VGA) se používal po mnoho desetiletí.
🔥 Éra 3D akcelerace (90. léta)
S příchodem 3D her jako Doom a Quake se ukázalo, že CPU samo o sobě nestačí na plynulé vykreslování složitých trojrozměrných scén. To vedlo ke vzniku specializovaných 3D akcelerátorů.
- 3dfx Voodoo: Společnost 3dfx Interactive v roce 1996 uvedla kartu Voodoo Graphics, která způsobila revoluci. Jednalo se o přídavnou kartu, která pracovala vedle stávající 2D karty a starala se výhradně o 3D výpočty. Díky svému proprietárnímu API nazvanému Glide nabízela bezkonkurenční výkon a kvalitu obrazu.
- Nvidia a ATI: Na trh vstoupily společnosti Nvidia s kartami Riva 128 a Riva TNT a ATI Technologies (později koupeno AMD) s řadou Rage. Tyto karty na rozdíl od Voodoo integrovaly 2D i 3D akceleraci na jediném čipu.
Koncem 90. let se hlavním standardem pro 3D grafiku staly API DirectX od Microsoftu a otevřený standard OpenGL.
⚙️ Sjednocené shadery a GPGPU (2000–2010)
Do této doby měly grafické čipy oddělené jednotky pro zpracování různých částí 3D scény (vrcholů – vertexů a pixelů).
- Sjednocená architektura shaderů: S příchodem DirectX 10 v roce 2006 představila Nvidia v kartě GeForce 8800 GTX revoluční sjednocenou architekturu. Místo specializovaných jednotek zavedla pole univerzálních programovatelných procesorů (shaderů), které mohly dynamicky zpracovávat vertexy, pixely nebo geometrii podle aktuální potřeby. Tento princip se používá dodnes.
- GPGPU (General-Purpose computing on GPU): Obrovský paralelní výkon GPU začal být využíván i pro negrafické úlohy. Nvidia představila platformu CUDA (Compute Unified Device Architecture), která umožnila programátorům využívat GPU pro vědecké simulace, finanční modelování a další výpočetně náročné úlohy. Konkurenčním otevřeným standardem se stal OpenCL.
🚀 Moderní éra (2010–současnost)
Moderní éra je charakterizována neustálým zvyšováním výkonu a zaváděním nových technologií.
- Ray Tracing v reálném čase: V roce 2018 představila Nvidia s architekturou Turing (řada GeForce RTX 20) hardwarovou akceleraci pro Ray tracing, techniku, která simuluje reálné chování světla pro dosažení fotorealistické grafiky.
- AI a Upscaling: Pro kompenzaci obrovské náročnosti ray tracingu byly vyvinuty technologie upscalingu pomocí umělé inteligence, jako je Nvidia DLSS (Deep Learning Super Sampling) a AMD FidelityFX Super Resolution (FSR). Tyto technologie renderují hru v nižším rozlišení a poté inteligentně dopočítávají obraz do vyššího rozlišení, čímž výrazně zvyšují snímkovou frekvenci (FPS).
- Růst VRAM a výkonu: Kapacita grafické paměti (VRAM) se neustále zvyšuje, aby pojala textury ve vysokém rozlišení a složité geometrické modely. Výkon se mezigeneračně zvyšuje o desítky procent, což umožňuje hraní ve stále vyšších rozlišeních jako 4K a 8K.
⚙️ Architektura a komponenty
Grafická karta je v podstatě malý, specializovaný počítač. Skládá se z několika klíčových částí.
🧠 Grafický procesor (GPU)
GPU je srdcem celé karty. Na rozdíl od CPU, které má několik velmi rychlých jader optimalizovaných pro sériové úlohy, GPU obsahuje tisíce menších a jednodušších jader navržených pro masivně paralelní zpracování dat. Tato architektura je ideální pro grafické výpočty, kde lze stejnou operaci (např. výpočet barvy pixelu) aplikovat na miliony prvků současně. GPU se skládá z výpočetních jednotek (u Nvidie nazývaných Streaming Multiprocessors, u AMD Compute Units), texturovacích jednotek (TMU) a rasterizačních jednotek (ROP).
💾 Grafická paměť (VRAM)
VRAM (Video Random-Access Memory) je vysokorychlostní paměť umístěná přímo na desce grafické karty. Slouží k ukládání dat, která GPU potřebuje pro rychlý přístup, jako jsou textury, framebuffer (obraz, který se právě kreslí), a geometrická data modelů. Klíčovými parametry jsou kapacita (v gigabajtech, GB) a propustnost (v GB/s), která je dána šířkou paměťové sběrnice a frekvencí pamětí. Běžně se používají typy pamětí jako GDDR6 a GDDR6X.
🔌 Napájení a chlazení
Moderní výkonné grafické karty mají vysokou spotřebu energie (TDP – Thermal Design Power), která může přesahovat i 400 wattů. Vyžadují proto přídavné napájení z počítačového zdroje pomocí 6pinových, 8pinových nebo novějších 12VHPWR konektorů. Vytvořené teplo je nutné efektivně odvádět. K tomu slouží chladicí systémy:
- Aktivní chlazení: Nejběžnější typ, využívá masivní pasivní chladič (heatsink) s tepelnými trubicemi (heatpipes) a jedním či více ventilátory.
- Pasivní chlazení: Používá se u karet s nízkým výkonem. Chlazení obstarává pouze heatsink bez ventilátorů, což zajišťuje tichý provoz.
- Vodní chlazení: Nejúčinnější metoda, kdy je teplo z GPU odváděno kapalinou do radiátoru, kde je ochlazeno ventilátory. Používá se u nejvýkonnějších modelů a v sestavách nadšenců.
🖥️ Výstupní porty
Slouží k připojení monitorů a dalších zobrazovacích zařízení. Mezi moderní standardy patří:
- HDMI (High-Definition Multimedia Interface): Digitální port přenášející obraz i zvuk.
- DisplayPort: Pokročilý digitální port, který často nabízí vyšší obnovovací frekvence a rozlišení než HDMI.
- USB-C: Některé karty a notebooky používají USB-C s podporou DisplayPort protokolu.
Starší, dnes již méně používané porty zahrnují DVI (digitální/analogový) a VGA (analogový).
↔️ Sběrnice
Grafická karta se do základní desky připojuje prostřednictvím rozšiřujícího slotu. Dnes se výhradně používá sběrnice PCI Express (PCIe). Existuje v několika generacích (PCIe 3.0, 4.0, 5.0, 6.0), přičemž každá nová generace zdvojnásobuje přenosovou rychlost. Pro grafické karty se využívá nejdelší slot s 16 linkami (x16).
📊 Typy grafických karet
Grafické karty lze rozdělit do několika hlavních kategorií podle jejich určení.
🎮 Herní (spotřebitelské) karty
Největší a nejznámější segment trhu. Tyto karty jsou optimalizovány pro maximální výkon v počítačových hrách. Hlavními hráči jsou zde řady Nvidia GeForce a AMD Radeon. Modely se liší výkonem a cenou, od základních karet pro nenáročné hraní až po high-end modely pro hraní ve 4K rozlišení s ray tracingem.
💼 Profesionální karty
Tyto karty jsou určeny pro pracovní stanice a profesionální aplikace, jako je CAD, 3D animace, střih videa ve vysokém rozlišení a vědecké vizualizace. Důraz je kladen na přesnost výpočtů, stabilitu a certifikované ovladače pro profesionální software. Příklady zahrnují řady Nvidia RTX Ada Generation (dříve Quadro) a AMD Radeon Pro.
💻 Integrované grafické procesory (iGPU)
Integrovaný grafický procesor není samostatná karta, ale je součástí hlavního procesoru (CPU). Má výrazně nižší výkon a sdílí systémovou paměť RAM. Je plně dostačující pro běžnou kancelářskou práci, prohlížení internetu a přehrávání videa. Nachází se ve většině notebooků a stolních počítačů, které nejsou určeny pro hraní her. Příkladem jsou Intel HD Graphics/Intel Iris Xe Graphics a grafické části v AMD APU.
☁️ Serverové a výpočetní akcelerátory
Specializované karty určené pro datová centra a superpočítače. Často ani nemají grafické výstupy, protože jejich jediným úkolem jsou masivní paralelní výpočty pro umělou inteligenci, strojové učení a vědecké simulace. Příkladem jsou řady Nvidia Tesla (nyní označované podle architektury, např. H100) a AMD Instinct.
💡 Pro laiky
Představte si počítač jako velkou kancelář, která připravuje složitý ilustrovaný časopis.
- CPU (hlavní procesor) je šéfredaktor. Řídí celý proces, píše texty, dává pokyny, ale sám neumí moc dobře kreslit.
- Grafická karta (GPU) je celé umělecké oddělení plné stovek specializovaných kreslířů. Šéfredaktor jim zadá úkol: "Vykreslete mi lesní scénu s drakem."
- GPU (grafický procesor) je vedoucí uměleckého oddělení, který úkol rozdělí mezi své kreslíře. Každý kreslíř dostane na starost malou část obrázku (pár pixelů) a všichni pracují najednou. Díky tomu je celý složitý obraz hotový za zlomek sekundy.
- VRAM (grafická paměť) je sklad barev, štětců a pláten (textur a dat) hned vedle uměleckého oddělení. Kreslíři tak nemusí běhat pro materiál daleko a práce jde rychleji.
- Monitor je tiskárna, která hotový obrázek okamžitě zobrazí.
Díky této specializaci a paralelní práci zvládne grafická karta vytvořit plynulý film (hru) z desítek takových složitých obrázků každou sekundu.
🌐 Výrobci a trh
Trh s grafickými kartami je rozdělen mezi několik klíčových hráčů:
- Návrháři GPU: Pouze tři společnosti na světě navrhují a vyrábějí samotné grafické čipy (GPU):
- Výrobci karet (AIB partneři): Tyto společnosti (Add-in Board partners) nakupují GPU od Nvidie, AMD nebo Intelu a staví kolem nich kompletní grafické karty. Navrhují vlastní desky s plošnými spoji (PCB), napájecí systémy a především vlastní chladicí řešení. Mezi nejznámější patří Asus, Gigabyte, MSI, Sapphire (exkluzivně pro AMD), Palit a Zotac.