Đề tài luận văn vi sử lí đồ họa

1. Lí do chọn đề tàiTrong những năm đầu của ngành công nghệ thông tin, máy vi tính là một cái gì đó xa xỉ, mới lạ mà con người muốn dày công tìm hiểu. Từ đó các ý tưởng, tiến dần tới các hãng máy tính bắt đầu hình thành.Ban đầu, các thế hệ máy tính vô cùng đơn giản, các yếu tố đồ hoạ không hề phức tạp, cầu kì nên chưa hình thành khái niệm card đồ hoạ. Cho đến khi các thiết bị bắt đầu chạy trên hệ điều hành có giao diện người dùng (interface), các yếu tố đồ hoạ đã được gắn kết với nền tảng hệ điều hành. Từ đó card đồ hoạ ra đời.Những ngày đầu phát triển card đồ hoạ, chúng vô cùng đơn giản và có thiết kế thô kệch, xử lí đồ hoạ khiêm tốn, chậm chạp. Sau này, cùng với sự phát triển của máy tính cá nhân, card đồ hoạ dần được hoàn thiện và phát triển mạnh mẽ. Chúng ta đều thấy rằng gần như các máy tính cá nhân hiện nay đều được tích hợp card đồ hoạ. Chúng ta hãy cùng tìm hiểu về thiết bị vô cùng quan trọng này.2. Mục đích, phạm vi, ý nghĩa của đề tài Mục đích: giới thiệu sơ lược về card đồ hoạ (sự hình thành, phát triển và Phạm vi nghiên cứu: trong khuôn khổ lĩnh vực công nghệ thông tin Ý nghĩa: giúp người đọc hiểu và nắm được công dụng, cách dùng card đồ hoạ MỤC LỤCMỞ ĐẦU ................................................................................................................2NỘI DUNG ............................................................................................................4I. Sự hình thành, thành phần và sự phát triển của vi xử lí đồ hoạ......................41. Khái niệm vi xử lí đồ hoạ ...........................................................................42. Phân loại và giới thiệu một số hãng sản xuất card đồ hoạ nổi tiếng ..........43. Thành phần của một vi xử lí đồ hoạ...........................................................64. Ý nghĩa của những thông số của card đồ hoạ ............................................95. Các kiểu kết nối phổ biến .........................................................................116. Các hàm API trong đồ hoạ .......................................................................127. Tản nhiệt trên vi xử lí đồ hoạ ...................................................................128. Sự phát triển của card đồ hoạ ...................................................................13II. Nguyên lí hoạt động và các khả năng xử lí của vi xử lí đồ hoạ ..................201. Nguyên lí chung .......................................................................................202. Khả năng ép xung .....................................................................................203. Các khả năng và tiện ích của card đồ hoạ ................................................22III. Ứng dụng của vi xử lí đồ hoạ trong các thiết bị điện tử.............................331. Xử lý hình ảnh, hiệu ứng trong phim ảnh và hoạt hình ...........................332. Những lĩnh vực sử dụng GPU ..................................................................333. Khả năng tính toán dấu chấm động cực lớn nhờ vào sự hỗ trợ của GPUtrong hệ thống rađa .....................................................................................344. CPU có thể thay thế cho GPU được không? ............................................34KẾT LUẬN CHUNG ...........................................................................................35

1.MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Trong những năm đầu của ngành công nghệ thông tin, máy vi tính là một cái gì

đó xa xỉ, mới lạ mà con người muốn dày công tìm hiểu Từ đó các ý tưởng, tiến dần tớicác hãng máy tính bắt đầu hình thành

Ban đầu, các thế hệ máy tính vô cùng đơn giản, các yếu tố đồ hoạ không hềphức tạp, cầu kì nên chưa hình thành khái niệm card đồ hoạ Cho đến khi các thiết bịbắt đầu chạy trên hệ điều hành có giao diện người dùng (interface), các yếu tố đồ hoạ

đã được gắn kết với nền tảng hệ điều hành Từ đó card đồ hoạ ra đời

Những ngày đầu phát triển card đồ hoạ, chúng vô cùng đơn giản và có thiết kếthô kệch, xử lí đồ hoạ khiêm tốn, chậm chạp Sau này, cùng với sự phát triển của máytính cá nhân, card đồ hoạ dần được hoàn thiện và phát triển mạnh mẽ Chúng ta đềuthấy rằng gần như các máy tính cá nhân hiện nay đều được tích hợp card đồ hoạ.Chúng ta hãy cùng tìm hiểu về thiết bị vô cùng quan trọng này

2 Mục đích, phạm vi, ý nghĩa của đề tài

- Mục đích: giới thiệu sơ lược về card đồ hoạ (sự hình thành, phát triển và

- Phạm vi nghiên cứu: trong khuôn khổ lĩnh vực công nghệ thông tin

- Ý nghĩa: giúp người đọc hiểu và nắm được công dụng, cách dùng card đồ hoạ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 2

NỘI DUNG 4

I Sự hình thành, thành phần và sự phát triển của vi xử lí đồ hoạ 4

1 Khái niệm vi xử lí đồ hoạ 4

2 Phân loại và giới thiệu một số hãng sản xuất card đồ hoạ nổi tiếng 4

3 Thành phần của một vi xử lí đồ hoạ 6

4 Ý nghĩa của những thông số của card đồ hoạ 9

5 Các kiểu kết nối phổ biến 11

6 Các hàm API trong đồ hoạ 12

7 Tản nhiệt trên vi xử lí đồ hoạ 12

8 Sự phát triển của card đồ hoạ 13

II Nguyên lí hoạt động và các khả năng xử lí của vi xử lí đồ hoạ 20

1 Nguyên lí chung 20

2 Khả năng ép xung 20

3 Các khả năng và tiện ích của card đồ hoạ 22

III Ứng dụng của vi xử lí đồ hoạ trong các thiết bị điện tử 33

1 Xử lý hình ảnh, hiệu ứng trong phim ảnh và hoạt hình 33

2 Những lĩnh vực sử dụng GPU 33

3 Khả năng tính toán dấu chấm động cực lớn nhờ vào sự hỗ trợ của GPU trong hệ thống ra-đa 34

4 CPU có thể thay thế cho GPU được không? 34

KẾT LUẬN CHUNG 35

NỘI DUNG

I Sự hình thành, thành phần và sự phát triển của vi xử lí đồ hoạ

1 Khái niệm vi xử lí đồ hoạ

Card màn hình (VGA: Video Graphics Adaptor hay Video Graphics Card) cònđược gọi là bo mạch đồ hoạ (Graphics Adapter), thiết bị đồ hoạ … là thiết bị có nhiệm

vụ xử lí các thông tin về hình ảnh trong máy tính, thông qua kết nối với màn hình(CRT, LCD …) để hiển thị hình ảnh cho người sử dụng giao tiếp được với máy tính.Bất kì máy tính các nhân nào (Personal Computer) hay máy tính xách tay (Laptop)cùng đều phải có card màn hình, thậm chí có thể nói thiết bị nào có xuất hình ảnh ra thìphải có chip điều khiển việc đó và nó thường gọi là card màn hình cho dễ hiểu Tên gọiphổ biến của nó là VGA (còn được hiểu là một chuẩn kết nối phổ thông: Analog or D-Sub 15pin) Có nhiều cách phân biệt card màn hình như phân biệt theo dạng vật lí, theochip xử lí (GPU), theo cách giao tiếp với bo mạch chủ (Mainboard) như PCI, AGP,PCI Express, MXM … và còn theo hãng sản xuất ra thiết bị

2 Phân loại và giới thiệu một số hãng sản xuất card đồ hoạ nổi tiếng

Để dễ phân biệt, chúng ta thường phân biệt theo dạng vật lí:

+ Card gắn trực tiếp: là loại card

được tích hợp trên bo mạch chủ (main)

của máy tính, cụ thể hơn nó được tích

hợp vào CPU (CPU là bộ vi xử lí trung

tâm, là bộ não điều khiển mọi hoạt động

của máy tính) và sử dụng sức mạnh của

CPU cùng bộ nhớ RAM (bộ nhớ tạm

chứa thông tin của các ứng dụng đang

chạy) để hỗ trợ giúp xử lý hình ảnh Chính vì vậy mà việc xử lý đồ họa của cardonboard thường không bằng card rời trong cùng một cấp độ Bù lại, Card Onboard lạigiúp giảm giá thành đáng kể cho chiếc máy tính Ngày nay, với công nghệ tiên tiến củacác thế hệ CPU thế hệ mới, điển hình là của hàng Intel, sức mạnh của Card Onboardđược gia tăng đáng kể Việc chơi game 3D hay xem các bộ phim HD là việc mà các bộ

xử lí đồ hoạ tích hợp hoàn toàn có thể đảm đương được

- Card màn hình rời: là card

màn hình độc lập, giao tiếp với

mainboard thông qua bus giao tiếp ở

các khe cắm mở rộng như PCI, AGP,

PCI Express hay MXM, cũng có tính

năng công việc như card onboard

nhưng card rời có đẩy đủ hẳn một bộ

Xét về hiệu năng để xem card màn hình có phù hợp với công việc của mình không,

người ta thường chia card màn hình ra làm 5 dòng cơ bản:

- Integrated Cards: card màn hình onboard hay còn gọi là card share Trước đây

card có hiệu năng rất thấp hầu như chỉ đáp ứng đủ như cầu office và web cơ bản cũngnhư xem phim và chơi game Gần đây với công nghệ mới từ Intel và AMD đã nânghiệu năng các loại card này lên ngang ngửa một số loại card rời dòng thấp và tầm trungkhác, có khả năng chơi game online mượt và xem phim FHD và 4K dễ dàng Với hiệunăng tốt và được tích hợp sẵn trong CPU thì dạng card này sẽ tiết kiệm chi phí kha khákhi bạn chưa cần hiệu năng đồ hoạ cao

- Low-End Cards: card màn hình rời loại yếu phù hợp với dân văn phòng, có thể

chơi vài game đơn giản

- Mid-Range Cards: là dòng card phổ biến nhất ở Việt Nam vì chi phí chỉ tầm 1

– 3 triệu Với dòng card này thì bạn có thể thoải mái chơi game online hay game 3D khác ở cấu hình thấp Về xem phim thì phim FHD hoặc 4K (tuỳ card)

- Performance Cards: là loại card tầm trung, phù hợp chơi game cấu hình trung

bình

- High-End Cards: card màn hình cao cấp và chuyên nghiệp thường được người

dùng có nhu cầu cao về game 3D đồ hoạ tối ưu Card đồ hoạ này giá cao và dành chongười dùng cao cấp

Hiện nay trên thị trường có hai hãng sản xuất chính cho card đồ họa đó làhãng Nvidia và ADM Cả 2 đều là hãng sản xuất có danh tiếng và các sản phẩm của họcũng có ưu khuyết điểm khó có thể so sánh ai hơn ai Tuy nhiên tại thị trường ViệtNam thì số lượng card rời Nvidia được sử dụng trên máy tính có phần vượt trội hơn sovới AMD

3 Thành phần của một vi xử lí đồ hoạ

- Bộ xử lí đồ họa GPU:

GPU chính là bộ phận tạo nên sức mạnh tính toán của card màn hình rời, nócũng giống với CPU là trung tâm của máy tính chúng ta NVIDIA và AMDđang cố gắng chạy đua ra mắt những GPU cao cấp có tốc độ xử lí nhanh, ít haođiện và hỗ trợ những ứng dụng GPGPU Song song với những cấu trúc mới để

có hiệu năng cao, vấn đề về điện năng cũng được quan tâm 1 trong nhưng cáchlàm giảm công suất tiêu thụ của GPU chính là các công nghệ sản xuất ngày càngnhỏ như 40nm,

32nm và gần đây nhất là đang tiến hành sản xuất GPU với 28nm (trong năm sauchúng ta có thể thấy 14nm rồi) Mỗi đời GPU sẽ công nghệ khác nhau cũng nhưcác hỗ trợ khác từ nhà sản xuất nên về cơ bản có thể nói, tầm 1 mức tiền thì bạnnên lấy con GPU đời sau hơn là đời trước (tôi không nói hiệu năng nó sẽ caohơn nhưng chắc chắn về mặt công nghệ sẽ hay ho hơn, như bây giờ là thời đạiDirectX

12 của Windows 10, mua card mà không có DirectX 12 thì hơi tù 1 tí, hehe)

- Bộ nhớ card:

1 số GPU của NVIDIA

là thành phần không thể thiếu trong card màn hình rời Bộ nhớ càng nhiều và tốc

độ càng cao sẽ hổ trợ rất nhiều cho những dữ liệu tính toán và những dữ liệu chờđưa ra màn hình Bộ nhớ Video nhanh nhất hiện nay là GDDR5 Để hạ giáthành của card màn hình, NVIDIA và AMD có khi lại dùng bộ nhớ Video cấpkhác như: DDR2, GDDR, GDDR3 GDDR5 khác với DDR ở tốc độ xungnhịp và tốc độ Thông thường card màn hình dùng bộ nhớ Video GDDR5 có tốc

độ 4000MHz thì chúng ta hiểu tốc độ DDR là 4000MHz nhưng tốc độ xungnhịp chỉ là 1/4 tức là

1000MHz Bên cạnh dung lượng bộ nhớ và tốc độ, cần quan tâm đến Bus bộnhớ Video Bus càng lớn càng tốt, ít nhất là 64-bit, 128-bit và 256-bit Nhữngcard màn hình cao cấp của NVIDIA thường có bus 384-bit, card đồ họa đôi SLIhay Crossfire có khi lên đến 768 bit Hiện các hãng đang phát triển loại bộ nhớGDDr5X có hiệu năng và tốc độ gấp đôi dòng GDDr5 Hiện tại thì với công

băng thông lên đến 512GB/s còn HBM2 theo dự báo sẽ đạt mức băng thông1TB/s.

- Giao tiếp kết nối Motherboard:

Phổ biến nhất hiện nay là PCI Express PCI Express 2.0 có băng thông gấp 2 lần

so với PCI Express 1.0 Nhiều Motherboard có 1,2 hoặc 8 làn PCI Express PCIExpress mới nhất hiện nay là PCI Express 3.0 (đã có thông số của 3.1 và 4.0nhưng vẫn chưa thương mại) Chú ý rằng PCI Express có tính tương thíchngược tức là nếu card màn hình hay mainboard xài khác đời vẫn xài được bìnhthường nhé (hiệu năng hình như có giảm nhưng không đáng kể)

có đủ công suất cấp cho toàn bộ hệ thống hay không Chính vì điều nầy nên khimua máy tính, bạn nên mua PSU có công suất thật để sau nầy có dùng card rờicũng đỡ chi phí hơn Ngoài ra, nguồn dỏm thì khả năng bị tụt áp và cháy máycũng cao hơn rất nhiều

- Trình điều khiển

Bo mạch đồ họa đều cần sử dụng một trình điều khiển riêng đối với các hệ điềuhành khác nhau, nếu không có các trình điều khiển thì dù có một bo mạch đồ họa hiện đại nhất hệ thống chỉ xuất ra hình ảnh có độ phân giải thấp, độ sâu màu thấp

và với tốc độ làm tươi hạn chế Trình điều khiển cần được cài đặt vào hệ điều hànhsau khi kết nối bo mạch đồ họa với hệ thống (trong một số trường hợp, trình điều khiển hệ thống đã được tích hợp sẵn với hệ điều hành thì người sử dụng có thể không cần đến việc cài đặt trình điều khiển)

Do sự quan trọng của trình điều khiển mà nó là một thành phần cơ bản, không thể thiếu trong bo mạch đồ họa Đôi khi trình điều khiển chưa được hoàn thiện hay tồntại một số lỗi dẫn đến hiệu năng của bo mạch đồ họa bị giảm ít hay nhiều tuỳ mức

độ, hoặc xuất ra hình ảnh không đúng (sọc, răng cưa, rác )

- RAMDAC

RAMDAC (Digital-to-Analog Converter): Có chức năng chuyển đổi các tín hiệu

số sang tín hiệu tương tự để hiển thị trên màn hình máy tính Tốc độ của

RAMDAC có thể cao hơn tốc độ làm việc của bộ xử lý đồ họa

Tốc độ RAMDAC trong thời điểm năm 2007 thường vào khoảng 300-500Mhz RAMDAC có thể là một bộ phận tách rời hoặc tích hợp sẵn vào các bộ xử

lý đồ họa nếu là bo mạch rời

- Video BIOS

Cũng giống như tính năng của BIOS ở bo mạch chủ, video bios chứa toàn bộ thôngtin thiết lập về phần cứng của bo mạch đồ họa Video Bios còn giúp cho bo mạch

Video bios của bo mạch đồ họa ở dạng một ROM, có thể được hàn định vị trực tiếpvào bo mạch đồ họa, có thể ở dạng gắn trên đế cắm (đối với các bo mạch đồ họa trước đây).

Nhiều overlocker hoặc hacker thường thay đổi Video Bios của bo mạch đồ họa để

ép xung chúng (overlock)

4 Ý nghĩa của những thông số của card đồ hoạ

Chúng ta dùng phần mềm GPU-Z để xét các thông số của nó:

- GPU: đây là tên GPU được sử dụng cho card màn hình Ví dụ như hình trên là

GPU GK107 dùng để tạo ra card màn hình GT 650M Nói chung thì đây là thànhphần quan trọng nhất để thể hiện sức mạnh của card màn hình và đa số trong nhiềutrường hợp thì khi so sánh 2 card màn hình với nhau thì đem GPU ra là biết ngay

ai mạnh hơn ai (dĩ nhiên là cùng hãng NVIDIA hoặc AMD sẽ chính xác hơn)

- GPU Clock hay Graphic Clock: Đây là tốc độ của vi xử lý GPU (bộ xử lý đồ

là 745 MHz Dĩ nhiên tốc độ này càng cao càng tốt nhưng các bạn chú ý rằng làkhông so sánh tốc độ nầy của 2 card màn hình dùng GPU khác nhau vì cơ bản làchúng khác nhau nên sẽ có nhiều thứ ảnh hưởng đến hiệu năng của chúng nhé Vìthế đừng khoe rằng card màn hình của tôi có xung 1000 MHz mạnh hơn card mànhình của bạn có xung 900 MHz nhé.

- Processor Clock: còn gọi là tốc độ đồng hồ hay là clock rate Tốc độ xử lý các

lệnh của 1 bộ vi xử lý Mỗi máy tính chứa một đồng hồ nội bộ (internal clock) cóchức năng điều hòa tốc độ xử lý các lệnh và đồng bộ hóa tất cả các thành phầnkhác nhau có trong máy tính Đồng hồ này càng nhanh bao nhiêu, số lệnh mà GPU

có thể xử lý được mỗi giây nhiều hơn bấy nhiêu Các nầy trên hình không có nêncũng không dám bàn gì nhiều và cũng khỏi quan tâm đi

- Texture Fill Rate: còn được hiểu là tốc độ làm đầy (TĐLĐ) TĐLĐ theo quan

điểm thông thường được qui cho tốc độ vẽ điểm ảnh của bộ xử lý đồ họa Đối vớicard màn hình cũ thì quan niệm TĐLĐ đơn giản là tốc độ dựng tam giác (trianglefill rates) Tuy nhiên, có 2 dạng tốc độ làm đầy là: pixel fill rate (tốc độ làm đầyđiểm ảnh) và texture fill rate (tốc độ làm đầy vật liệu) Theo khái niệm mô tả ởtrên, pixel fill rate là số lượng điểm ảnh mà card màn hình có thể xuất ra và đượctính bằng số raster operations (ROPs) nhân với tốc độ xung lõi của card màn hình.Chỉ số này càng nhiều càng tốt

- Memory Clock: Tốc độ xung của bộ nhớ (RAM), chỉ số này càng cao càng tốt.

Chú ý rằng loại bộ nhớ GDDr3 thì số sau tốc độ vậy, còn GDDr5 thì số sao tốc độhiệu dụng gấp 4 lần, như trên hình thì tốc độ bộ nhớ 1000 MHz sẽ tương đươngvới tốc độ hiệu dụng là 4000 MHz

- Memory type: Đây là loại bộ nhớ được dùng trong card màn hình Bộ nhớ thường

được sử dụng trên card màn hình là GDDRx DDR thường được quảng cáo vớixung tốc độ lớn gấp đôi so với xung tốc độ vật lý thật của nó Ví dụ DDR 1000MHz, thực sự chỉ có xung tốc độ là 500 MHz Chính vì lý do này, mà nhiều người

sẽ ngạc nhiên khi card màn hình được quảng cáo có DDR 1200 MHz, nhưngchương trình báo là RAM chỉ chạy ở tốc độ 600 MHz DDR2 và GDDR3 nguyêntắc làm việc cũng giống như DDR Sự khác nhau giữa DDR, DDR2 và GDDR3 làcông nghệ sản xuất Hiện nay, GDDr4 thì ít dùng còn GDDr5 đang chuẩn bị vềvườn để nhường cho GDDr5X và loại bộ nhớ HBM Các thế hệ bộ nhớ về sau sẽtốt hơn trước và dung lượng bộ nhớ càng cao thì càng mạnh Tuy nhiên, 1 cardmàn hình có 4GB GDDr3 cũng chưa chắc đã tốt hơn 1 chiếc card có 1 GB GDDr5.Đây là điều mà các ông bán hàng hay khè khách hàng khi xách 1 con GT 630 4GBGDDr3 la khoe mạnh mẽ các kiểu trong khi nó yếu hơn hẵn so với con GT 7401GB GDDr5 Vẫn câu nói cũ, cùng đời cùng thông số hết thì mới so tới bộ nhớ

năng Các loại card màn hình hiện nay bus bộ nhớ bao gồm từ 64 bits đến 256 bits,

và trong một vài trường hợp có thể đạt đến 512 bits Hiện nay thì bộ nhớ với côngnghệ HBM đã đạt mức 4096 bits rồi Bus bộ nhớ càng tăng thì lượng dữ liệu mà bộnhớ có thể vận chuyển trong mỗi chu kỳ càng lớn Ví dụ, 1 card màn hình sử dụngbus 128 bits có thể mang lượng dữ liệu nhiều gấp đôi so với 1 card màn hình đượctrang bị bus 64 bits và tuyến bus 256 bits thì mang gấp 4 lần so với tuyến bus 64bits

- Memory Bandwidth: Khả năng truyền tải dữ liệu của bộ nhớ Đây còn được hiểu

là băng thông giữa bộ nhớ của VGA và GPU Chỉ số này phụ thuộc vào xung của

bộ nhớ và Bus bộ nhớ Chú ý rằng bandwidth không phụ thuộc vào dung lượngRAM trên card màn hình Chỉ số nầy càng cao càng tốt

- Cách thông số khác: Bên cạnh các thông số chính ở trên, đa số những loại card

màn hình khác nhau đều được trang bị 1 số công nghệ độc quyền tính năng nhấtđịnh phù hợp với “hạng” của mình trong dòng sản phẩm của từng hãng Ví dụ nhưNvidia SLI Ready (khả năng chạy đa card màn hình trên 1 mainboard), Nvidia 3DVision Ready (hổ trợ xuất hình ảnh 3D đầy đủ nhất) hay Nvidia CUDATechnology (encode bằng GPU không thông qua CPU)

5 Các kiểu kết nối phổ biến

Kết nối đầu ra của bo mạch đồ họa đến các màn hình máy tính hoặc các thiết bị hiểnthị, sử dụng hình ảnh khác có thể gồm các loại sau đây:

- SVGA: Đầu kết nối thông dụng nhất cho đến năm 2007 Đây là

kiểu kết nối với tín hiệu đầu ra kiểu tương tự dành cho các màn

hình máy tính kiểu CRT, các máy chiếu, màn hình máy tính kiểu

tinh thể lỏng tầm trung

- DVI: Kiểu kết nối tín hiệu số: Dành cho các màn hình máy tính

tinh thể lỏng tầm trung và cao cấp

- S-Video: Kiểu kết nối đầu ra tín hiệu tương tự dành cho các thiết

bị video dân dụng: Ti vi, đầu phát video (băng từ, VCD, DVD),

máy quay, máy chiếu

- Video in: Đường kết nối dành riêng cho ngõ vào video ở một

số bo mạch đồ họa có tính năng mở rộng "VIVO"

(Video-In-Video-Out), với tính năng này bo mạch đồ họa có một phần

tính năng của một bo mạch kỹ xảo

- HDMI: Thường dùng kết nối với tivi (hay gọi là chuẩn HD)

6 Các hàm API trong đồ hoạ

Sự xuất hiện của nhiều bộ xử lý đồ họa với các công nghệ khác nhau không thống nhất theo chuẩn nhất định khiến cho các nhà phát triển phần mềm và trò chơitrên máy tính gặp khó khăn về vấn đề tương thích

Để thuận tiện cho các nhà viết phần mềm đồ họa và trò chơi trên máy tính cầnthống nhất các hàm API sử dụng chung mà các bo mạch đồ họa cần phải tương thíchvới chúng các hãng đã đưa ra hai chuẩn chung là DiretcX và OpenGL

- DirectX: được hãng Microsoft phát triển vào những năm 1996 nhằm hướng các

nhà lập trình sử dụng chúng để lập trình các game cho hệ điều hành Windows 95(hệ điều hành mang tính cách mạng trong thời bấy giờ, bắt đầu cách ly việc cácphần mềm can thiệp trực tiếp vào phần cứng) thay cho thói quen lập trình trên nềnDOS mà họ dễ dàng can thiệp vào phần cứng

Sự phát triển các phiên bản DirectX từ đó đến phiên bản DirectX 9c mang tính kếthừa, nhưng đến phiên bản gần đây nhất - DirectX 10 (chỉ sử dụng trong WindowsVista và các hệ điều hành khác nếu có của Microsoft sau này) có một sự thay đổilớn được xem như viết trên một nền tảng mới hoàn toàn

Đến cuối năm 2007, chỉ có một số bo mạch đồ họa hỗ trợ DirectX 10 khi sử dụngcác bộ xử lý đầu họa (có ký hiệu) đầu 8XXX (8800, 8600 ) của nVIDIA và 2XXX(2900, 2600 ) của ATI (Các bo mạch đồ họa sử dụng các GPU cũ hỗ trợ đếnDirectX

9c vẫn có thể làm việc với Windows Vista)

- OpenGL được Silicon Graphics phát triển những năm 1990.

7 Tản nhiệt trên vi xử lí đồ hoạ

Do phải xử lý một khối lượng công việc lớn khi chơi game hoặc thực hiện các tác

vụ liên quan nên bộ xử lý đồ họa thường toả một lượng nhiệt lớn, cũng như CPU trongmáy tính, các bo mạch đồ họa cũng cần tản nhiệt cho GPU

Cách thức tản nhiệt với các GPU thường là:

- Sử dụng tấm, phiến tản nhiệt (không dùng quạt) để tản nhiệt tự nhiên Hình thứcnày trước kia chỉ phù hợp với các GPU có xung nhịp thấp Hiện nay đã có những hãng (như Asus) rất thành công trong việc tạo những phiến tản nhiệt tĩnhlặng (tản nhiệt silent) cho bo mạch đồ họa trung, cao cấp, tận dụng được quạt của CPU và case giải nhiệt qua những ống đồng và các phiến dẫn nhiệt

- Sử dụng tấm, phiến tản nhiệt kết hợp dùng quạt

- Tản nhiệt bằng chất lỏng: Rất hiếm gặp hình thức này ở các bo mạch đồ họa khixuất xưởng Thông thường hình thức này do người dùng thay thế cách cách tản nhiệt nguyên bản của bo mạch đồ họa để ép xung

Do bộ nhớ đồ họa cũng phát sinh nhiệt nên trong các cách tản nhiệt trên, tấm tản nhiệt thường bao trùm và tản nhiệt luôn cho bộ nhớ đồ họa tuy rằng một số bo mạch đãkhông tản nhiệt cho bộ nhớ đồ họa hoặc thiết kế các phiến tản nhiệt riêng

8 Sự phát triển của card đồ hoạ

Card màn hình VGA hay còn gọi là chíp đồ họa GPU xuất hiện hầu như cùng lúc với

PC Nó là 1 thành phần cực kỳ quan trọng trong 1 hệ thống máy tính sau CPU và Ram.Ngày nay, nhiều VGA đã trở nên rất mạnh và giá thành cũng hợp lý khi đến tay ngườitiêu dùng Cùng điểm qua những thời kỳ phát triển của nó

Card màn hình lại càng rất quan trọng hơn cho các game thủ và chuyên viên đồ họa lẫnthiết kế Sự phát triển của card màn hình qua nhiều thời kỳ từ khi mới ra đời, nâng cấpcho tới khi hoàn thiện như ngày hôm nay VGA đầu tiên dành cho PC ra đời vào năm

1981 do IBM sản xuất và được gọi là Color Graphics Adapter - CGA Đây cũng chính

là thời điểm ra đời tiêu chuẩn màn hình màu đầu tiên cho hệ máy IBM PC

Card màn hình CGA trang bị 16 KByte bộ nhớ và hỗ trợ vài kiểu đồ họa lẫn văn bản,

độ phân giải và độ sâu màu tối đa lần lượt là 640 x 200 và 4bit (16 màu), hầu như chỉgồm RAMDAC (bộ phận chuyển đổi các tín hiệu số sang tín hiệu tương tự để hiển thịtrên màn hình máy tính) và bộ nhớ Tất cả các tính toán đều do CPU đảm nhiệm và kếtquả được sao chép từ bộ nhớ hệ thống vào bộ nhớ CGA

Card màn hình CGA của IBM

1 năm sau, IBM ra lò card màn hình đơn

sắc Hercules Graphics Card HGC hỗ

trợ độ phân giải 720 x 348

Năm 1984, cùng với sự ra đời của máy

tính thế hệ tiếp theo IBM-PC là IBM-AT,

1 loại card màn hinh mới có tên gọi là

Enchance Graphics Adapter - EGA, ra

đời EGA cho phép hiển thị đồng thời 16

màu ở độ phân giải tối đa 640 x 350, gồm

bộ nhớ ROM dung lượng 16KByte bổ trợ

BIOS cho những chức năng đồ họa, và tích hợp chip Motorola MC6845 điều khiểnmàn hình CRT, bộ nhớ video của EGA dung lượng 64KByte có thể mở rộng tới256KByte bằng cách gắn thêm 1 loại card phụ

Năm 1987, card màn hình do IBM phát minh dầndần thay thế card EGA và được sử dụng như là 1tiêu chuẩn cho card màn hình mãi tới ngày nay.VGA khác hoàn toàn những đời card trước vì cóthể xử lý tính năng cuộn mượt, chia màn hình vàtạo ảnh dưới dạng ô vuông (raster) ngay trên chip

Bộ nhớ card màn hinh tăng lên 256KByte, đồngthời hỗ trợ 2 chế độ 16 và 256 màu trên bảng màu

262144 giá trị (6bit RGB) Dòng card VGA đánh dấu mốc thời gian các thành phần củaBXL đồ họa tích hợp vào 1 chíp duy nhất nên được xem là tiền thân của GPU hiệnđại

Địa vị thống lĩnh của IBM giảm dần

cùng với sự lớn mạnh của những công ty

khác trên thị trường PC, đồng thời với sự

ra đời của những hệ thống làm việc dạng

cửa sổ như Microsoft Windows 2.1, 3.0

và 3.11,

IBM OS/2 và Microsoft Windows 95, ngành sản xuất card màn hình bắt đầu khởi sắc.Rất nhiều nhà sản xuất và sản phẩm ra đời với tính năng, độ phân giải, hoạt động khácnhau Điều này gây nhiều bối rối cho các lập trình viên Video Electronics StandardAssociation - VESA, giải quyết vấn đề này bằng cách đưa ra VESA BIOS Extensions -VBE, 1 giao diện chuẩn hóa chung để truy cập các card đồ họa tương thích về độ phângiải và độ sâu màu, mở đường cho bộ đệm khung tuyến tính (linear frame buffer) dànhcho card đồ họa xuất hiện Nhiều loại card sản xuất trong thời gian này cho mức độ xử

lý 2D khá, bộ đệm được nâng lên 2 hoặc 3 lần để tăng tốc độ tạo ảnh các cửa sổ và ứngdụng

Card màn hinh 3D tăng cường lần đầu tiên được giới thiệu dành cho PC là MatroxImpression của hãng Matrox Electronic, giống như dòng card anh em MatroxMillennium đều hướng đến thị trường máy PC CAD Vào thời đó đồ họa 3D vẫn còn là

trò chơi xa xỉ, đắt đỏ, đơn cử là các dòng card của hãng SGI (nhà phát triển OpenGL,cho phép lập trình viên làm việc với các khóa API trên cả 2D và 3D).

Chip đồ họa PC 3D đầu tiên tạo nên bước ngoặc lớn là Voodoo Graphics Chip từ hãng3dfx Interactive Hãng này được thành lập năm 1994 bởi các cựu nhân viên của SGI.Giống với Matrox Millennium, 3dfx là loại card khe PCI không có RAMDAC tích hợpnhưng nối vào 1 card đồ họa 2D khác theo kiểu daisy-chained

Card đồ họa sử dụng chip Voodo và

nạp VBE trong ROM

Chip Voodoo báo trước thời đại mới của đồ họa 3D trên PC và đánh dấu sự tuột giácủa các sản phẩm đồ họa 3dfx giới thiệu hệ thống API (Giao diện lập trình ứng dụng)của chính họ, tên là Glide, sử dụng 1 chiến thuật khác so với các bộ API cùng thời nhưDirect3D, OpenGL, QuickDraw3D và Intel 3DR, Glide không giấu nhẹm các chi tiếtphần cứng cấp thấp bằng cách thiết kế giao diện hào nhoáng, thay vào đó chỉ thực thinhững gì chip đồ họa có thể làm Chính sự đơn giản này làm tăng hiệu năng đáng kể, vì

sử dụng giao diện hào nhoáng vào thời đó chỉ tổ ngốn RAM và CPU

Chip Voodoo 3dfx Chip đồ họa Matrox FS

Năm 1998, NVIDIA giới thiệu RIVA (Real-time Interactive Video and Animation

accelerator) TNT (TwinTexel) là thế hệ chíp đồ họa thứ tư của NVIDIA vào thời đó.

Đúng như tên gọi TNT, loại chip này có thể chạy 2 luồng xử lý tạo vân đơn (singletexturing pipeline) và bộ lọc vân bộ 3 tuyến tính (tri-linear texture filtering) Khác vớichip Voodoo và hậu duệ, TNT tương thích hoàn toàn với OpenGL 1.1 TNT đượctrang bị ZBuffer 24bit và bộ đệm khung hỗ trợ đầy đủ 32bit màu

Chip RIVA TNT của NVidia

Card đồ họa sử dụng chip RIVA TNT

1 năm sau đó, NVIDIA tiếp tục "xưng bá" bằng chíp Geforce256 được hãng gọi là

"GPU hàng đầu thế giới" Thuật ngữ GPU (Graphics Processing Unit) cũng ra đời từ đó Đây là chíp đồ họa đơn đầu tiên tích hợp đầy đủ các engine chuyển dạng, xử

lý ánh sáng, tạo - xử lý vân - cắt / điều chỉnh tam giác vào chung 1 chíp Phiên bản proQuadro đánh dấu thời điểm NVIDIA chính thức nhảy vào thị trường đồ họa 3D dànhcho máy bàn Hiệu năng của GeForce 256 là đối thủ đáng gờm của các dòng chip 3Dhi-end pro sử dụng infinite reality engine dành cho PC của SGI GeForce256 hỗ trợđầy đủ OpenGL

1.2 và Direct3D7 vốn tích hợp tính năng tạo vân và xử lý ánh sáng vào trong API

Chip đồ họa NVidia Geforce256

Bước phát triển kế tiếp của GPU là việc công bố chip Geforce3 vào năm 2001 Đây làchip đồ họa đầu tiên giới thiệu tính năng lập trình tùy chọn, được thêm vào bên cạnhnhững dòng xử lý đồ họa cố định thông thường Bộ xử lý đổ bóng pixel và đỉnh chóp

(vertex & pixel shader) ra đời Direct3D 8 là bộ API đồ họa đầu tiên có phần tùy biếntrong 1 dòng xử lý cố định khác.

GPU Geforce3 Nvidia

Mặc dù những bộ xử lý đổ bóng pixel và đỉnh chóp vẫn còn rất hạn chế vào thời đó,nhưng hình mẫu đó vẫn còn được sử dụng cho tới ngày nay Đỉnh chóp và pixel khôngthể nhân bản, lặp lại hay thêm vào trong tiến trình xử lý nhưng có thể bị hủy dưới mộtvài tình huống và điều kiện Mỗi đỉnh chóp hay pixel trên lý thuyết có thể được xử lýđộc lập với nhau, nhưng tất cả đều thông qua 1 mã lập trình thực thi giống nhau, giốngnhư kiểu bộ xử lý stream truyền thống Các chương trình pixel và đỉnh chóp trongDirect3D 8 được viết bằng hợp ngữ pseudo-assembly hỗ trợ véc tơ đặc biệt (4D), véc

tơ vô hướng và các thao tác tải vân

ATI Radeon 8500 thêm vào 2 phần mở rộng trong Direct3D 8.1 Đó là bộ đổ bóngpixel phiên bản 1.1, 1.2, 1.3 và 1.4 và bộ đổ bóng đỉnh chóp phiên bản 1.1 dành choAPI có thay đổi một ít hợp ngữ và thêm vào các chỉ dẫn mới, cho phép chương trìnhdài hơn và nhiều thao tác xử lý vân hơn Một điểm mốc khác nữa về khả năng lập trìnhcủa GPU hỗ trợ Direct3D 9 và Direc3D 9C: chương trình xử lý pixel và đỉnh chópnâng cấp bộ đổ bóng pixel lên phiên bản 2.2, 2+ và 3.0 Hơn nữa, nhờ vào bản chất cóthể lắp ghép với các chương trình xử lý tương tự của phiên bản trước, phần mở rộngnày thêm vào ngôn ngữ cấp cao C-Style/Renderman, 1 dạng ngôn ngữ lập trình tương

tự HLSL (High Level Shader Language) cho phép viết ra những chương trình xử lýđỉnh chóp và pixel trừu tượng, dễ đọc và tái sử dụng được

Card đồ họa sử dụng Radeon 8500

Để đạt điều này, những chương trình này

bổ sung kiểu biên dịch mã áp dụng cho CPU, tuy nhiên chưa đạt độ “chin muồi” nhưcủa CPU Vào thời đó, với sự suy yếu của SGI, OpenGL tách riêng và ít nhiều trở

nghiệp này và đưa ra OpenGL 1.5 và OpenGL 2.0, 1 loại ngôn ngữ lập trình đổ bóngchung cấp

cao dành cho trình xử lý pixel và đỉnh chóp (common high level shading language forvertex and pixel programs), gọi là ngôn ngữ GLSL (OpenGL Shading Language).

Mô hình minh họa Vertex Shader

Năm 2006, Microsoft lại lần nữa thayđổi căn bản API đồ họa bằng việc cho

ra đời Direct3D 10 API, chỉ sử dụngvới Vista Ý định của Microsoft là hợpnhất các phiên bản trình đổ bóng khácnhau và khả năng của GPU vào chung 1thứ bằng cách “ép” các nhà sản xuất sửdụng

1 lõi đổ bóng hợp nhất Có nghĩa là cảtiến trình xử lý dòng lệnh đỉnh chóp vàpixel do 1 bộ xử lý đơn lập trình được đảm trách thay vì sử dụng nhiều bộ xử lý nhưtrong Direct3D 9 Điều này mang lại thuận tiện là: bất kỳ nơi nào trong máy tính cần

xử lý đồ họa phức tạp thì mọi nguồn lực đồ họa sẽ tự dồn về đó để xử lý Về lý thuyết,

cơ chế này giúp loại bỏ tình trạng thắt cổ chai Dĩ nhiên, sự thống nhất chỉ nằm trêngiấy tờ Thêm vào đó Direct3D 10 thêm vào 1 tầng lập trình khác gọi là geometryshader vào dòng lệnh và 1 mẫu bộ nhớ ảo mới

So sánh 2 kiểu xử lý có và không sử dụng GLSL

Trong khi đó 2 nhà sản xuấtchính trên thị trường là NVIDIA

và AMD/ATI giới thiệu những bộ API của chính họ (CUDA của NVIDIA và

(Trong khoa học và kỹ thuật, black box là 1 thiết bị, hệ thống hay vật thể mà ta chỉ cóthể biết được đầu vào, đầu ra có gì và hoàn toàn không biết gì về tiến trình xử lý bêntrong nó, black