کارت گرافیک را بهتر بشناسید

در این قطعات میلیاردها ترانزیستور وجود دارد که صدها وات برق مصرف می‌کنند. این قطعات شاهکاری از مهندسی الکترونیک هستند که طرز کارشان حیرت انگیز است. به دنیای کارت گرافیک‌ها خوش آمدید!

کارت‌های گرافیک معمولا گران‌ترین عضو یک سیستم کامپیوتری هستند. برای نمونه، کارت گرافیک Radeon HD 6870 را در نظر گرفته‌ایم.

در یک نمای کلی می‌بینید که این کارت حدود 22 سانتی متر طول دارد و بنظر می‌رسد که اکثرا قسمت آن نیز از جنس پلاستیک است. با این حال براکت فلزی نیز بر روی آن وجود دارد. یک فن بزرگ قرمز رنگ و یک کانکتور بُرد نیز وجود دارد. حال قسمت پشتی آن را بررسی می‌کنیم.

اولین چیزی که به چشم می‌آید، یک براکت فلزی است که داخل آن پر از خازن و مقاومت است. بنابراین عملا منطقه‌ای بسیار مهم است. تمام آی سی ها (مدارهای مجتمع) هنگام فعالیت ،گرما تولید می‌کنند. از طرفی تمام کارت گرافیک‌ها، تعداد بالایی از این آی سی‌ها را دارا می‌باشند پس می‌توانید تصور کنید که چه گرمایی از کارت گرافیک خروج پیدا می‌کند. برای رفع این موضوع، از هیت سینک و فن‌های بزرگ استفاده می‌شود. فن‌ها هوای کیس را به سمت داخل و درون قطعه می‌کشانند تا جریان هوا باعث ایجاد خنکی در کارت گرافیک شود.

برای مثال بیایید به هیت سینک کارت گرافیک مورد نظرتان نگاهی بیندازیم، 3 لوله مسی که از داخل یک بلوک از آلومینیوم عبور کرده است! در داخل لوله‌های مسی کمی آب و یا آمونیاک وجود دارد. اگر گرما زیادتر از حد باشد، آب بخار شده به قسمت انتهایی لوله رسیده و دوباره پس از سرد شدن به آب تبدیل می‌شود و این روند ادامه دارد. مشکلی که در کارت گرافیک‌های تک فن وجود دارد، این است که فن باید برای خنک کردن کارت گرافیک، میزان چرخش بالایی داشته باشد و همین امر نیز باعث ایجاد صدای فراتر از حد نرمال می‌شود.

اما مورد دیگری که در کارت گرافیک‌ها دیده می‌شود، استفاده از خنک کننده‌های آبی در آن‌ها می‌باشد. خنک کنندگی آب 4 برابر بیشتر از هوا است. بنابراین این نوع کارت گرافیک‌ها و محصولاتی فوق العاده قدرتمند که گرمای زیادی تولید می‌کنند از سیستم خنک کنندگی آبی بهره مند هستند. برای مثال کارت گرافیکی که می‌بینید، مدل Eva Geforce RTX 2080 Ti می‌‌باشد که فن بادی آن فقط برای رم کارت گرافیک است و بقیه قطعات توسط سیستم خنک کننده آبی، کنترل و سرد می‌شوند. جالب است که RTX2080 ماکسیموم تا 250 ولت را پشتیبانی می‌کند که کم‌تر از نمونه مد نظر ما (Radeon HD 6870) است.

مغز متفکر کارت گرافیک:

حال که هیت سینک از روی کارت گرافیک برداشته شده است، بیایید نگاهی به برد اصلی کارت گرافیک بیندازیم. مهم نیست که چه مدل کارت گرافیکی داشته باشید، تمامی آن‌ها یکسری قطعات مشابه دارند. مثلا عکس پایینی یکی از قدیمی‌ترین کارت‌ گرافیک‌های جهان است، اما همانطور که می‌بینید چندین قطعه مشابه به مانند: مقاومت، آیسی، ترانزیستور و... وجود دارد.

حال برگردیم به کارت گرافیک مد نظر خودمان. در این کارت گرافیک چیپ بزرگی در وسط کارت گرافیک وجود دارد. این چیپ با نام های زیادی من جمله: ویدیو آداپتور، اجرا کننده دو بعدی/سه بعدی و چیپ گرافیک شناخته می‌شود اما این روزها اکثرا به آن، واحد پردازش گرافیکی (GPU) می‌گویند. انویدیا مدعی است که در ابتدا او این واژه را به کار برده است! چیپ مورد نظر، توسط AMD طراحی شده و با نام رمزی ترا اِسکِیل 2 (Tera Scale 2) شناخته می‌شود. بعضی  از نقاط این چیپ تنها اعمال مربوط به عملیات‌های ریاضی را انجام می‌دهند به مانند: ضرب، تقسیم و... بعضی مسئول خواندن مقادیر و تبدیل آن‌ها به یک سیگنال دیجیتالی برای نمایش در مانیتور هستند و وظایف همین گونه بین قسمت‌های مختلف تقسیم می‌شوند.

چیپ‌‌های گرافیکی طراحی شده‌اند تا در یک زمان، اعمال متعددی را انجام دهند، بنابراین درصد زیادی از ساختار چیپ را بلاک‌های یونیت‌های منطقی تشکیل می‌دهند.

می‌بینید که در عکس زیر چگونه 20 کپی از یک بلوک وجود دارد؟ این بلوک‌ها وظیفه محاسبه و هر عملی که منجر به ایجاد گرافیک‌های سه بعدی در یک بازی می‌شود را دارند. آن نوارهای باریکی که در قسمت پایین مشاهده می‌کنید همان Cache هستند که یک مموری با سرعت بالا جهت ذخیره سازی داده و دستورالعمل‌ها می‌باشند. در گوشه‌های بالایی و پایینی، تعداد مدارهای مجتمع با کاربردهای خاص وجود دارد (ASCI) که ارتباطات با چیپ‌های رم را برقرار می‌کنند و همینطور مدارهایی نیز به جهت ارتباط با بقیه قسمت‌های کامپیوتر و اِنکودینگ و دِکودینگ سیگنال‌های ویدیویی وجود دارد.

 جالب است بدانید این پردازنده‌های گرافیکی را می‌توان در بعضی از سی پی یو‌ها نیز مشاهده کرد. اصولا هر پردازنده‌ای که فاقد پسوند F باشد یعنی دارای گرافیک است.

تصویر زیر عکس بلوری از سی پی یوی (Core I7 9900K) می‌باشد. رنگ بندی‌های مختلف به جهت شناسایی مناطق متفاوت در نظر گرفته شده است. قسمت آبی، پردازنده گرافیکی می‌باشد همانطور که مشاهده می‌کنید کم‌تر از یک سوم سی ی یو را اشغال کرده است اما ازآن‌جایی که اینتل در حفظ اطلاعات ساخت خود بسیار با احتیاط و دقیق عمل می‌کند نمی‌توان گفت، اندازه دقیق آن چقدر می‌باشد.

به مانند تمام گرافیک‌های کامپیوتر، تعدادی آی سی در اطراف چیپ گرافیک وجود دارد که برای نمایش تصاویر در بازی‌ها ضروری‌اند. به نوعی مانند همان DRAM، منتها برای کارت گرافیک می‌باشد و با نام GDDR SD RAM شناخته می‌شوند. امروزه اما بطور مختصر به آن‌ها GDDR می‌گویند.

در کارت گرافیک مدنظر ما، هشت عدد آی سی Hynix h5 GQ1H23AFR از نوع GDDR5 وجود دارد که در فرکانس 1.05 گیگاهرتز عمل می‌کنند. امروزه معمولا شرکت‌های بزرگ سازنده کارت گرافیک، محصولات پرچمدار خود را با حافظه‌های DDR6 نیز می‌سازند. البته طریقه عملکرد این دو نوع ذکر شده همانند یکدیگر است. با این تفاوت که در GDDR5 برای هر دسترسی به خواندن/نوشتن، 8*32 بیت پردازش می‌شود که در نوع GDDR6 این مقدار دو برابر است.

در کارت گرافیک HD6870 که دارای 8 چیپ می‌باشد، پردازنده گرافیکی می‌تواند تا 1075.2 گیگابایت بر ثانیه را انتقال دهد.

1075.2=(پهنای استریم)32*(چیپ)8*(کلاک بیس لاین)1/05*(کلاک دیتا دوبل)2*(انتقال در هر تیک)2

این مقدار را معمولا حافظه تئوریکال پهنای باند می‌نامند و عموما هرچه بالاتر باشد بهتر است! این چیپ‌ها بطور مستقیم به خود پردازنده گرافیکی متصل می‌باشند. دلیل این امر نیز ایجاد بهترین عملکرد است.

به مانند هر قطعه دیگری، کارت‌های گرافیک نیز برای کارکردن به برق نیاز دارند. اما مقدار مصرف آن کاملا به قدرت خود قطعه گرافیک مربوط است. در تصویر زیر پین‌های سکشن سمت چپ برای تغذیه و پین‌های سمت راست نیز برای انتقال داده هستند. تصویر زیر به طور واضح عملکرد 22 پین (11پین بالا،11پین پایین) را نشان می‌دهد. این پین‌ها توان تغذیه کارت گرافیک تا مقدار 75.9 وات را دارند اما اگر نیاز به برق بیشتری باشد چه؟

برای نمونه کارت گرافیک HD6870 به میزان انرژی حداقل 150 ولت نیاز دارد. برای تامین این نیاز، 2عدد سوکت 6 پین به کارت گرافیک متصل شده که سر جمع تا 225 ولت را پشتیبانی می‌کند و این قدرت حتی بیشتر از نیاز کارت گرافیک است.

همانطور که می‌دانید پردازنده گرافیکی نمی‌تواند با ولتاژ بیش از 3 ولت کار کند، بنابراین این مقادیر زیاد باید کاهش یابد. این کار نیز بر عهده VRAM (Voltage Regular Modules) می‌باشد. این قطعه را می‌توان در هر برد الکترونیکی نظیر مادربرد، کارت شبکه و.. یافت. هرچه پردازنده نیاز به برق بیشتری داشته باشد، پس تعداد این وی رم‌ها نیز باید بیشتر باشد. در این تصویر که متعلق به یک کارت گرافیک RTX2080 Ti می‌باشد، فن و هیت سینک جدا شده است. همانطور که مشاهده می‌کنید 10 عدد VRAM در آن وجود دارد.

حال زمان آن رسیده تا از بحث سخت افزاری جدا شدیم و به سمت طریقه انتقال داده‌ها برویم. انتقال داده‌ها از طریق کانکتور PCI Express صورت می‌گیرد. پین‌های ارسال در یک طرف و پین‌های دریافت در طرف دیگر قرار دارند. هر دو پین یک کار انجام می‌دهند (بصورت جفتی). برای ارسال 2پین، دریافت 2پین و 4 پین (دو جفت پین) نیز گراند (Ground) هستند. تمام این‌ها یک واحد به نام لِین را تشکیل می‌دهند. تعداد لین‌هایی که در یک قطعه بکار رفته است بر روی جعبه نوشته شده. معمولا کارت‌های گرافیک 16 لین دارند که این یعنی می‌تواند در هر چرخه  (Cycle) 16 بیت دریافت/ارسال گردد. بعضی از کارت گرافیک‌ها همانند همین HD6870 می‌تواند با دو یا چند گرافیک دیگر سینک شوند. برای این که این عمل صورت گیرد، کانکتوری همانند تصویر زیر وجود دارد:

در هر شرکت نیز این قابلیت نام مخصوص خود را دارد. شرکت AMD به آن Cross Fire و NVIDIA به آن SLI می‌گویند.

معمولا در کارت‌های گرافیک چندین خروجی تصویر وجود دارد مانند: دیسپلی پورت  (Display Port)،اچ دی ام ای (HDMI)، دی وی ای (DVI)  و یا وی جی ای  (VGA).

اگر در یک کارت گرافیک چندین پورت با هم وجود داشته باشد یعنی شما می‌توانید تصویر را در چندین مانیتور را به صورت هم زمان داشته باشید. همچنین کارت‌های قدرتمند امکان ایجاد تصاویر با کیفیت‌های بالا مانند 4K را دارند.

کارت گرافیک پر از شگفتی و سوالات متنوع است. می‌گویند با نگاه به هستی می‌توان به وجود خالقی قدرتمند پی برد!‌حال نگاهی به نظم و عملکرد دقیق این قطعه بیندازید....

آیا به مهندسین خلاق و متخصص آن‌ها ایمان نمی‌آورید؟!