Tarjetas Gráficas

Las tarjetas gráficas y sus funciones tienen una influencia decisiva en el rendimiento del sistema y las características de un ordenador. El rendimiento de la tarjeta gráfica es relevante sobre todo para los juegos de ordenador y las pantallas gráficas de gran tamaño. En las escenas de juego complejas, la tarjeta gráfica calcula los objetos detallados y la iluminación correcta. Mientras el procesador principal realiza los cálculos generales y, por ejemplo, calcula el comportamiento de los personajes del juego, la tarjeta gráfica se encarga de calcular, por ejemplo, los fenómenos físicos, las explosiones y el derrumbe de edificios. Si la visualización de la pantalla da tirones durante estos movimientos o desplazamientos, la tarjeta gráfica, especialmente la unidad de procesamiento gráfico (GPU), no es lo suficientemente potente con la resolución y el nivel de detalle seleccionados actualmente.

Cada vez más, el procesamiento de gráficos se traslada de la tarjeta gráfica al procesador principal. Sin embargo, esto no significa que la época de las tarjetas gráficas haya terminado. Se trata más bien de que las funciones gráficas que ya están integradas "a bordo" en el chipset se integren directamente en el procesador. En consecuencia, la salida de los gráficos también debe provenir del procesador.

Al contrario de lo que se podría pensar, los programas de procesamiento de imágenes se benefician sobre todo de una CPU rápida y de mucha RAM. La tarjeta gráfica o el procesador gráfico mejoran principalmente la velocidad de visualización de la pantalla. Por ejemplo, al mover las ventanas y los elementos de la imagen, al hacer zoom continuamente y al girar el área de dibujo. Sólo en algunos casos la tarjeta gráfica ayuda directamente al sistema informático a procesar los datos de imagen y vídeo. Por ejemplo, al reproducir y transcodificar vídeos.

Estructura de una tarjeta gráfica

Una tarjeta gráfica consta de las siguientes partes mecánicas y electrónicas:

• Portada
• Ventilador
• Disipador de calor
• Procesador gráfico
• Memoria
• Junta
• Soporte de la ranura
• más cobertura

La tarea más importante de una tarjeta gráfica es emitir una señal de imagen para las pantallas. Para ello, el procesador principal transmite los datos a la tarjeta gráfica.

Debido al gran volumen de datos entre el procesador y la tarjeta gráfica, las tarjetas gráficas están equipadas con su propio procesador. Su propósito es aliviar al procesador principal con operaciones de computación en paralelo. El corazón de la tarjeta gráfica es el procesador gráfico (GPU), que determina las características esenciales de rendimiento de una tarjeta gráfica. También hay tarjetas gráficas que tienen dos GPU y que tienen que ser refrigeradas con un disipador de calor o incluso con un ventilador debido a la alta disipación de energía.

Para poder procesar las enormes cantidades de datos, las tarjetas gráficas tienen su propia memoria principal y una conexión de memoria especial con altas velocidades de reloj. La memoria gráfica puede ser tan grande como la memoria principal normal. Un controlador de memoria controla el acceso a la memoria gráfica.

La RAM-DAC es la etapa de salida que convierte la información digital de la memoria de imagen en una señal analógica para la conexión VGA. El rendimiento de la RAM-DAC se indica mediante su velocidad en MHz. Cuanto más alto sea este valor, mayores resoluciones y profundidades de color (número de colores) serán posibles. Dado que hoy en día las señales digitales suelen enviarse a las pantallas, el DAC de la RAM ha perdido su importancia. Si la tarjeta gráfica tiene una conexión VGA o emite señales VGA a través de DVI, el DAC RAM sigue existiendo.

Una interfaz de bus proporciona la conexión de la tarjeta gráfica con el sistema informático. La interfaz del bus utiliza PEG (PCIe) para transferir datos con el chipset o el procesador. Las tarjetas gráficas más antiguas utilizan AGP o PCI.

GPU - Unidad de procesamiento gráfico

La GPU no es más que un coprocesador diseñado para realizar cálculos en 3D. La representación realista y espacial de objetos con sombras y escenas en movimiento es el principal trabajo de una tarjeta gráfica. Los motores de física especiales reproducen las leyes físicas de la mecánica en juegos o aplicaciones 3D. Por ejemplo, es posible que los coches sufran daños reales tras una colisión. Una CPU normal es demasiado lenta para estos cálculos.

El rendimiento 3D de una GPU se consigue principalmente por la paralelización y por el hecho de que las funciones típicas de procesamiento de gráficos se implementan en el hardware. Para tareas especiales, las GPU son mucho más rápidas que los procesadores más caros. Esto incluye, por ejemplo, la transcodificación de vídeo HD, que puede hacer sudar a un procesador normal.

La GPU se encuentra en el chipset, en el procesador o en una tarjeta gráfica.

Sombreado

Un shader es un pequeño procesador dentro de la GPU. Una GPU tiene varios cientos de sombreadores. Los sombreadores están optimizados para diferentes funciones o para cálculos específicos. En las antiguas GPU, era habitual distinguir entre unidades de cálculo especiales para los cálculos de vértices y de píxeles. Sin embargo, las unidades se utilizaron entonces de forma bastante desigual. Desde DirectX-10, sólo hay sombreadores unificados que entran en acción como sombreadores de vértices o de píxeles, dependiendo de la necesidad.

El sombreador de vértices calcula la posición de un objeto y también se encarga de la iluminación correcta. Una vez que los sombreadores de vértices han completado sus cálculos, el objeto se cubre con colores o texturas. Los sombreadores de píxeles son los responsables de esto.

Las estructuras también se denominan texturas. Una textura es un azulejo digital que se pega a un objeto. Se utiliza varias veces en una imagen o secuencia de imágenes. Estas texturas deben ser cargadas en la memoria gráfica antes de que puedan ser calculadas. Las texturas ocupan la mayor parte de la memoria gráfica. Si falta memoria, la tarjeta gráfica debe recargar repetidamente las texturas desde el disco duro. Esto puede dar lugar a tirones de imagen. Cuanto mayor sea la memoria, más texturas se podrán precargar.

Mejora de la imagen

Para que las representaciones en 3D parezcan más realistas, los procesadores gráficos tienen funciones adicionales. El filtrado anisotrópico agudiza las texturas de las superficies. Parecen más claros y los desniveles parecen resaltar.

El contenido de la imagen siempre es calculado por la GPU con una resolución mayor y luego se reduce a la resolución del monitor. Esto da lugar a feos escalones en los bordes. Con el antialiasing (suavizado de bordes), la imagen aparece más suave y los escalones casi han desaparecido.

La teselación aumenta el nivel de detalle de las imágenes haciendo que la tarjeta gráfica añada más puntos a la imagen y modele estructuras aún más finas.

HDR - Alto rango dinámico

El alto rango dinámico, o HDR para abreviar, se refiere a las imágenes con un alto rango de contraste. En concreto, esto significa que las imágenes tienen mucho más contraste y colores más fuertes. Por ejemplo, también un negro muy oscuro y un blanco muy brillante.

Sin embargo, este verdadero HDR no debe confundirse con el efecto 3D del mismo nombre. Esto último sólo simula esta impresión.

Aceleración 3D

Para que cada fabricante de juegos no tenga que reprogramar las funciones 3D de los distintos fabricantes de tarjetas gráficas, se han desarrollado interfaces gráficas, las llamadas Application Program Interfaces (API). Estas API hacen que el software sea en gran medida independiente de la tarjeta gráfica. Proporcionan funciones para calcular y construir la imagen. Hay dos de estas interfaces. Uno es DirectX de Microsoft y el otro es OpenGL. OpenGL es un estándar abierto que se incluye en casi todos los sistemas operativos.

Vulkan

Interfaz 3D con una API de bajo nivel que permite a los desarrolladores programar cerca del hardware para aprovechar mejor los procesadores y chips gráficos modernos. Mejor que DirectX u OpenGL.

Además, Vulkan se ejecuta tanto en hardware de escritorio como en móvil y en cualquier sistema operativo.

VR - Realidad Virtual

La realidad virtual no es nada nuevo. En el pasado, esta palabra de moda recorría el país de vez en cuando. La Realidad Virtual se quedó en la mayoría de los casos en un truco. La potencia de cálculo no era suficiente para la RV real y, por tanto, las aplicaciones no cumplían las expectativas. Además, la visualización en un monitor convencional era cualquier cosa menos realidad virtual.

Con las gafas de RV, esto ha cambiado. Sin embargo, tampoco es seguro que la RV llegue a la gran masa de usuarios de esta forma. Porque los obstáculos para la RV son altos. Las gafas son caras, requieren un ordenador rápido, las aplicaciones convincentes son escasas y la aplicabilidad en la vida real es limitada. En principio, la aplicación se reduce a los juegos y quizás al entrenamiento sobre objetos virtuales. Así que toda la industria de la RV está esperando desesperadamente la aplicación asesina que justifique la inversión y el alto precio. La realidad virtual es ahora muy impresionante, pero también es más un entretenimiento y un juego que un uso práctico.

¿Cómo produce una tarjeta gráfica una imagen?

La representación o el cálculo de una imagen comienza en el software. Por ejemplo, en un juego o en un programa de edición de imágenes. Dentro del código del programa, también se procesan los comandos para la representación de la información de la imagen. Estos comandos se transmiten al sistema operativo. Aquí, por ejemplo, DirectX u OpenGL están disponibles para el procesamiento posterior. Un controlador de la tarjeta gráfica traduce entonces los comandos de DirectX, que son ejecutados por la tarjeta gráfica. Cada tarjeta gráfica necesita su propio controlador para cada sistema operativo con el fin de funcionar de manera óptima. Los sistemas operativos también proporcionan controladores estándar. Sin embargo, éstos sólo soportan funciones rudimentarias. Un controlador sirve de interfaz entre el hardware y el software.

Los píxeles se procesan uno tras otro en tuberías. En el mejor de los casos, se dispone de varios conductos. De este modo, se pueden ejecutar varios pasos de procesamiento en paralelo y la composición de la imagen se puede calcular más rápidamente. Dentro del pipeline están los shaders, que pueden dar a las zonas de píxeles colores o formas geométricas. Los sombreadores se utilizan principalmente cuando se requieren efectos gráficos.

Cuando se completa una imagen, la tarjeta gráfica olvida todos los cálculos y comienza de nuevo con los cálculos para la siguiente imagen. Sólo los búferes de vértices, las texturas y los programas de sombreado cargados se conservan cuando la GPU los vuelve a necesitar en la siguiente imagen. A continuación, sólo se añaden nuevos datos. Por ejemplo, cuando aparecen nuevos objetos o detalles en la imagen.

Elegir una tarjeta gráfica

Las tarjetas gráficas se diferencian según su idoneidad para el 3D o los juegos, su rendimiento y su diversidad funcional. La tarjeta gráfica debe seleccionarse en función de los requisitos del uso previsto. Las tarjetas gráficas se dividen en modelos básicos, de gama media, de rendimiento y de gama alta según su precio. Dependiendo del precio, las tarjetas gráficas difieren en su rendimiento y características 3D. Las características típicas de rendimiento son la frecuencia de reloj, el número de sombreadores, el reloj de memoria y el ancho de banda de la memoria.

Con una tarjeta gráfica de nivel básico, la idoneidad para los juegos es limitada, el rendimiento es escaso y la gama de funciones es limitada. Las aplicaciones sencillas de ofimática e Internet pueden arreglárselas con una tarjeta gráfica barata o una solución integrada. Con una tarjeta gráfica de gama alta, la capacidad de juego es inmejorable, el rendimiento es enorme y la gama de funciones no deja nada que desear. Los juegos (de acción), en particular, requieren inevitablemente una tarjeta gráfica potente.

Hasta hace unos años, siempre había que instalar en el PC la tarjeta gráfica más rápida y, por tanto, más cara, si se quería jugar a los juegos de ordenador actuales. Pero como muchos juegos de ordenador también se desarrollan para la XBox de Microsoft y la Playstation de Sony, los requisitos están disminuyendo. Esto se debe a que las videoconsolas permanecen en funcionamiento durante más tiempo y no pueden actualizarse posteriormente. Por ello, los desarrolladores se están orientando a las especificaciones de hardware de las videoconsolas y adaptando estos juegos como juegos multiplataforma también al PC. Como resultado, incluso las tarjetas gráficas de nivel básico para el PC son mucho más potentes que la función gráfica de una consola de juegos.

Por entre 120 y 150 euros, se obtiene una tarjeta gráfica que ya funciona de forma muy silenciosa en Windows y cuyo rendimiento es suficiente para mostrar la mayoría de los juegos multiplataforma en resolución Full HD con fluidez y jugarlos sin problemas. Además, estas tarjetas gráficas también son adecuadas para reproducir películas de discos Blu-ray.

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Fuente:elektronik-kompendium