Tarjetas gráficas
Una tarjeta gráfica o tarjeta de video es una tarjeta de expansión de la tarjeta madre o motherboard del computador que se encarga de procesar los datos provenientes del procesador y transformarlos en información comprensible y representable en el dispositivo de salida (por ejemplo: monitor, televisor o proyector). Estas tarjetas utilizan una unidad de procesamiento gráfico o GPU, que muchas veces se usa erróneamente para referirse a la tarjeta gráfica en sí. También se les conoce como Adaptador de pantalla, Adaptador de vídeo, Placa de vídeo, y Tarjeta aceleradora de gráficos.
Una tarjeta de video permite al usuario en términos generales jugar videojuegos, usar aplicaciones de edición de fotografía como Adobe Photoshop o GIMP, aplicaciones de edición de vídeo como Adobe Premiere o DaVinci Resolve y aplicaciones de dibujo asistido por computador como AutoCAD, Revit y ArchiCAD. También sirven para minar criptomonedas.
Algunas tarjetas gráficas han ofrecido funcionalidades añadidas como sintonización de televisión, captura de vídeo, decodificación MPEG-2 y MPEG-4, o incluso conectores IEEE 1394 (Firewire), de mouse, lápiz óptico o joystick.
Las tarjetas gráficas más son las disponibles para el ordenador compatibles con la IBM PC, debido a la enorme popularidad de estas, pero otras arquitecturas también hacen uso de este tipo de dispositivos.
Las tarjetas gráficas no son dominio exclusivo de los ordenadores personales (PC) compatibles IBM; contaron o cuentan con ellas dispositivos como por ejemplo: Commodore Amiga (conectadas mediante las ranuras Zorro II y Zorro III), Apple II, Apple Macintosh, Spectravideo SVI-328, equipos MSX y en las videoconsolas modernas, como la Nintendo Switch, la PlayStation 4 y la Xbox One.
Como una alternativa a las placas de vídeo, hardware de vídeo puede ser integrado a la placa madre o a la Unidad central de procesamiento. Ambos acercamientos pueden entenderse como gráficos integrados. Casi todas las computadoras con gráficos integrados a la placa madre pueden desactivar la función de dicho chip en la BIOS, y tienen una entrada PCI, o PCI Express (PCI-E) para añadir una tarjeta de mayor rendimiento en lugar de gráficos integrados. La capacidad de deshabilitar gráficos integrados a veces también permite el uso de una placa madre en la cual el componente gráfico falló. A veces ambos tipos de gráficos (dedicados e integrados) pueden ser usados simultáneamente para distintas funciones. Las principales ventajas de los gráficos integrados son el costo, la compacidad, simpleza y bajo consumo de energía. La desventaja en rendimiento de los gráficos integrados es que utilizan recursos de la CPU. Una tarjeta gráfica posee su propia memoria RAM, su propio sistema de ventilación, y reguladores eléctricos dedicados, con todos los componentes diseñados específicamente para procesar imágenes de vídeo. Mejorar a gráficos dedicados libera trabajo de la CPU y la memoria RAM del sistema, así que no solo el procesamiento de gráficos será más rápido, también el rendimiento general de la computadora podría mejorar.
Los dos fabricantes mayoritarios de CPU, AMD e Intel, están invirtiendo más en procesadores con gráficos integrados. Una de las principales razones es que los procesadores gráficos son muy buenos en procesamiento paralelo, y ponerlos en las pastillas de la CPU permite que se puede usar su aptitud de procesamiento paralelo para distintas tareas de cómputo además de para procesamiento gráfico. AMD denomina a estas CPU como APU, y suelen ser suficientes para jugar de manera casual..
La GPU (acrónimo de «graphics processing unit», que significa «unidad de procesamiento gráfico») es un procesador (como la CPU) dedicado al procesamiento de gráficos; su razón de ser es aligerar la carga de trabajo del procesador central y, por ello, está optimizada para el cálculo en coma flotante, predominante en las funciones 3D. La mayor parte de la información ofrecida en la especificación de una tarjeta gráfica se refiere a las características de la GPU, pues constituye la parte más importante de la tarjeta gráfica, así como la principal determinante del rendimiento. Tres de las más importantes de dichas características son la frecuencia de reloj del núcleo, que puede oscilar entre 825 MHz en las tarjetas de gama baja, y 1600 MHz (e incluso más) en las de gama alta, el número de sombreadores y el número de tuberías (de vértices o fragmentos) encargadas de traducir una imagen 3D compuesta por vértices y líneas en una imagen 2D compuesta por píxeles.
Elementos generales de una GPU:
La memoria gráfica de acceso aleatorio (GRAM) son chips de memoria que almacenan y transportan información entre sí, no son determinantes en el rendimiento máximo de la tarjeta gráfica, pero unas especificaciones reducidas pueden limitar la potencia de la GPU.
Existen memorias gráficas de dos tipos:
Las características de memoria gráfica de una tarjeta gráfica se expresan en tres características:
Una parte importante de la memoria de un adaptador de vídeo es el z-buffer, encargado de gestionar las coordenadas de profundidad de las imágenes en los gráficos 3D, es decir, es el espacio de memoria donde se gestiona la profundidad en los gráficos.
El convertidor digital-analógico de memoria de acceso aleatorio (RAMDAC) es un conversor de señal digital a señal analógica de memoria RAM. Se encarga de transformar las señales digitales producidas en el ordenador en una señal analógica que sea interpretable por el monitor. Según el número de bits que maneje a la vez y la velocidad con que lo haga, el conversor será capaz de dar soporte a diferentes velocidades de refresco del monitor (se recomienda trabajar a partir de 75 Hz, y nunca inferior a 60). Dada la creciente popularidad de los monitores de señal digital, el RAMDAC está quedando obsoleto, puesto que no es necesaria la conversión analógica si bien es cierto que muchos conservan conexión VGA por compatibilidad.
El espacio que ocupa una imagen representada en el monitor viene dada en función de su resolución y su profundidad de color, es decir, una imagen sin comprimir en formato estándar Full HD con 1920 × 1080 píxeles y 32 bits de profundidad de color ocuparía 66 355 200 bits, es decir, 8 294 MiB
Los sistemas de conexión más habituales entre la tarjeta gráfica y el dispositivo visualizador (p. ej. monitor o televisor) son:
Otras no tan extendidas: por uso minoritario, por no ser implementadas o por ser obsoletas; son:
Los sistemas de conexión entre la tarjeta gráfica y la placa base han sido principalmente (en orden cronológico):
En la tabla adjunta se muestran las características más relevantes de algunas de dichas interfaces.
Debido a las cargas de trabajo a las que son sometidas, las tarjetas gráficas alcanzan temperaturas muy altas. Si no es tenido en cuenta, el calor generado puede hacer fallar, bloquear o incluso averiar el dispositivo. Para evitarlo, se incorporan dispositivos refrigerantes que eliminen el calor excesivo de la tarjeta.
Se distinguen dos tipos:
Aunque diferentes, ambos tipos de dispositivo son compatibles entre sí y suelen ser montados juntos en las tarjetas gráficas; un disipador sobre la GPU extrae el calor, y un ventilador sobre él aleja el aire caliente del conjunto.
La refrigeración líquida es una técnica de enfriamiento utilizando agua en vez de disipadores de calor y ventiladores (dentro del chasis), logrando así excelentes resultados en cuanto a temperaturas, y con enormes posibilidades en overclocking. Se suele realizar con circuitos de agua estancos.
El agua, y cualquier líquido refrigerante, tienen mayor capacidad térmica que el aire. A partir de este principio, la idea es extraer el calor generado por los componentes de ordenador usando como medio el agua, enfriarla una vez fuera del gabinete y luego reintroducirla.
Hasta ahora la alimentación eléctrica de las tarjetas gráficas no había supuesto un gran problema, sin embargo, la tendencia actual de las nuevas tarjetas es consumir cada vez más energía. Aunque las fuentes de alimentación son cada día más potentes, la insuficiencia energética se encuentra en la que puede proporcionar el puerto PCIe que solo es capaz de aportar una potencia por sí solo de 75 W. Por este motivo, las tarjetas gráficas con un consumo superior al que puede suministrar la fuente, PCIe incluyen un conector PCIe que permite una conexión directa entre la fuente de alimentación y la tarjeta, sin tener que pasar por la placa base, y, por tanto, por el puerto PCIe.
Aun así, se pronostica que no dentro de mucho tiempo las tarjetas gráficas podrían necesitar una fuente de alimentación propia, convirtiéndose dicho conjunto en dispositivos externos.
La historia de las tarjetas gráficas da comienzo a finales de los años 1960 cuando se pasa de usar impresoras, como elemento de visualización, a utilizar monitores. Las primeras tarjetas sólo eran capaces de visualizar texto a 40x25 u 80x25, pero la aparición de los primeros chips gráficos como el Motorola 6845 permiten comenzar a dotar a los equipos basados en bus S-100 o Eurocard de capacidades gráficas. Junto con las tarjetas que añadían un modulador de televisión fueron las primeras en recibir el término tarjeta de vídeo.
El éxito del ordenador doméstico y las primeras videoconsolas hacen que por abaratamiento de costes (principalmente son diseños cerrados), esos chips vayan integrados en la placa base. Incluso en los equipos que ya vienen con un chip gráfico se comercializan tarjetas de 80 columnas, que añadían un modo texto de 80x24 u 80x25 caracteres, principalmente para ejecutar programas CP/M (como las de los Apple II y Spectravideo SVI-328).
Curiosamente la tarjeta de vídeo que viene con el IBM PC, que con su diseño abierto herencia de los Apple II popularizará el concepto de tarjeta gráfica intercambiable, es una tarjeta de sólo texto. El adaptador monocromo de pantalla (MDA) desarrollada por IBM en 1981, trabajaba en modo texto y era capaz de representar 25 líneas de 80 caracteres en pantalla. Contaba con una memoria VRAM de 4KB, por lo que sólo podía trabajar con una página de memoria. Se usaba con monitores monocromo, de tonalidad normalmente verde.
A partir de ahí, se sucedieron diversas controladoras para gráficos resumidas en la tabla adjunta.
El adaptador gráfico de vídeo (VGA) tuvo una aceptación masiva, lo que llevó a compañías como ATI, Cirrus Logic y S3 Graphics, a trabajar sobre dicha tarjeta para mejorar la resolución y el número de colores. Así nació el estándar Super Video Graphics Array (SVGA). Con dicho estándar se alcanzaron los 2 MB de memoria VRAM, así como resoluciones de 1024 × 768 pixeles a 256 colores.
La competencia de las PC, Commodore Amiga 2000 y Apple Macintosh reservaron en cambio esa posibilidad a ampliaciones profesionales, integrando casi siempre la GPU (que batía en potencia con total tranquilidad a las tarjetas gráficas de las PC del momento) en sus placas base. Esta situación se perpetúa hasta la aparición del bus Peripheral Component Interconnect (PCI), que sitúa a las tarjetas de PC al nivel de los buses internos de sus competidores, al eliminar el cuello de botella que representaba el bus Industry Standard Architecture (ISA). Aunque siempre por debajo en eficacia (con la misma GPU S3 ViRGE, lo que en una PC es una tarjeta gráfica avanzada deviene en acelerador 3D profesional en los Commodore Amiga con ranura Zorro III), la fabricación masiva (que abarata sustancialmente los costes) y la adopción por otras plataformas del bus PCI hace que los chips gráficos VGA comiencen a salir del mercado de la PC.
En 1995, la evolución de las tarjetas gráficas dio un giro importante con la aparición de las primeras tarjetas 2D/3D, fabricadas por Matrox, Creative, S3 y ATI, entre otros. Dichas tarjetas cumplían el estándar SVGA, pero incorporaban funciones 3D.
En 1997, 3dfx lanzó el chip gráfico Voodoo, con una gran potencia de cálculo, así como nuevos efectos 3D (mip mapping, z-buffering, antialiasing, etc.). A partir de ese punto, se suceden una serie de lanzamientos de tarjetas gráficas como Voodoo2 de 3dfx, TNT y TNT2 de NVIDIA. La potencia alcanzada por dichas tarjetas fue tal, que el puerto PCI donde se conectaban se quedó corto de ancho de banda. Intel desarrolló el Accelerated Graphics Port (AGP) que solucionaría la limitación que empezaba a aparecer entre el procesador y la tarjeta.
Desde 1999 hasta 2002, NVIDIA dominó el mercado de las tarjetas gráficas (comprando incluso la mayoría de bienes de 3dfx) con su gama GeForce. En ese período, las mejoras se orientaron hacia el campo de los algoritmos 3D y la velocidad de los procesadores gráficos. Sin embargo, las memorias también necesitaban mejorar su velocidad, por lo que se incorporaron las memorias DDR a las tarjetas gráficas. Las capacidades de memoria de vídeo en la época pasan de los 32 MB de GeForce, hasta los 64 y 128 MB de GeForce 4.
La mayoría de videoconsolas de sexta generación y sucesivos utilizan chips gráficos derivados de los más potentes aceleradores 3D de su momento. Los Apple Macintosh incorporan chips de NVIDIA y ATI desde el primer iMac, y los modelos PowerPC con bus PCI o AGP pueden usar tarjetas gráficas de PC con BIOS no dependientes de CPU.
En 2006, y en adelante, NVIDIA y ATI (ese mismo año comprada por AMD) se repartían el liderazgo del mercado con sus series de chips gráficos GeForce y Radeon, respectivamente. GeForce y Radeon son ejemplos de series de procesadores gráficos.
El adaptador de pantalla monocromo (MDA) fue lanzada por IBM como una memoria de 4 KiB de forma exclusiva para monitores TTL (que representaban los clásicos caracteres en ámbar o verde). No disponía de gráficos y su única resolución era la presentada en modo texto (80x25) en caracteres de 14x9 puntos, sin ninguna posibilidad de configuración.
Básicamente esta tarjeta usa el controlador de vídeo para leer de la ROM la matriz de puntos que se desea visualizar y se envía al monitor como información serie. No debe sorprender la falta de procesamiento gráfico, ya que, en estos primeros PC no existían aplicaciones que realmente pudiesen aprovechar un buen sistema de vídeo. Prácticamente todo se limitaba a información en modo texto.
Este tipo de tarjeta se identifica rápidamente ya que incluye (o incluía en su día) un puerto de comunicación para la impresora.
El adaptador de gráficos en color (CGA, color graphics array o color graphics adapter, según el texto al que se recurra), fue lanzado al mercado en el año 1981 también de la mano de IBM y fue muy extendido. Permitía matrices de caracteres de 8x8 puntos en pantallas de 25 filas y 80 columnas, aunque solo usaba 7 × 7 puntos para representar los caracteres. Este detalle le imposibilitaba el representar subrayados, por lo que los sustituía por diferentes intensidades en el carácter en cuestión. En modo gráfico admitía resoluciones de hasta 640x200 pixeles. La memoria era de 16 KiB y solo era compatible con monitores RGB y Compuestos. A pesar de ser superior a la MDA, muchos usuarios preferían esta última dado que la distancia entre puntos de la rejilla de potencial en los monitores CGA era mayor. El tratamiento del color, por supuesto de modo digital, se realizaba con tres bits y uno más para intensidades. Así era posible lograr 8 colores con dos intensidades cada uno, es decir, un total de 16 tonalidades diferentes pero no reproducibles en todas las resoluciones tal y como se muestra en el cuadro adjunto.
Esta tarjeta tenía un fallo bastante habitual y era el conocido como efecto nieve. Este problema era de carácter aleatorio y consistía en la aparición de nieve en la pantalla (puntos brillantes e intermitentes que distorsionaban la imagen). Tanto era así que algunos BIOS de la época incluían en sus ajustes la opción de eliminación de nieve.
La tarjeta de gráficos Hércules (Hercules graphics card, HGC), o más popularmente conocida como Hércules (nombre de la empresa productora), lanzado en el año 1982, con gran éxito convirtiéndose en un estándar de vídeo a pesar de no disponer del soporte de las rutinas de la BIOS por parte de IBM. Su resolución era de 720 × 348 puntos en monocromo con 64 KiB de memoria. Al no disponer de color, la única misión de la memoria es la de referenciar cada uno de los puntos de la pantalla usando 30,58 KiB para el modo gráfico (1 bit × 720 × 348) y el resto para el modo texto y otras funciones. Las lecturas se realizaban a una frecuencia de 50 HZ, gestionadas por el controlador de vídeo 6845. Los caracteres se dibujaban en matrices de 14x9 puntos.
En el mercado de las tarjetas gráficas hay que distinguir tres tipos de empresas:
En la tabla adjunta se muestra una relación de los dos diseñadores de chips y algunos de los ensambladores de tarjetas con los que trabajan.
A nivel de programador, trabajar con una tarjeta gráfica es complicado; por ello, surgieron interfaces de programación de aplicaciones (API) que abstraen la complejidad y diversidad de las tarjetas gráficas. Los dos más importantes son:
OpenGL está siendo desplazada del mercado de los videojuegos por Direct3D, aunque haya sufrido muchas mejoras en los últimos meses.
Algunas de las técnicas o efectos habitualmente empleados o generados mediante las tarjetas gráficas pueden ser: