Cos’è la GPU e come funziona? – Guida scheda video

Che cos'è la GPU

Cos’è la GPU? Come funziona la GPU?

Cos’è la GPU e come funziona? Beh, alla prima domanda sarà molto semplice rispondere: la scheda video, o GPUGraphic processing unit) è un componente hardware presente in quasi tutti i PC recenti il cui compito è quello di trasformare un segnale elettrico ricevuto in input dal processore in segnale digitale, tale che esso possa essere correttamente visualizzato sul vostro monitor.

Tuttavia non è semplice spiegarne il funzionamento, come prevedibile, perciò ci impegneremo al massimo nell’essere precisi e professionali, ma allo stesso tempo tenteremo di spiegarvi le cose nel modo più semplice possibile senza lasciarci trasportare da una terminologia eccessivamente spigolosa.

Cos’è la GPU?

Potremmo definire la scheda video una piccola scheda madre: infatti, riprodotta in scala minore anch’essa possiede un calcolatore, all’interno del quale vengono effettuati i calcoli e vengono processate le istruzioni, una memoria RAM, la quale invece servirà a “depositare” informazioni come textures, frame buffer, shadow map ecc. ed infine degli slots di connessione e un dissipatore.

 

Curiosità: il frame buffer è una memoria della scheda video dove viene memorizzato un intero frame destinato ad essere riprodotto come outpout.

 

Anch’essa come un processore avrà il compito di portare a compimento e a termine un’istruzione, ma lo farà in modo diverso da una normale CPU.

Potete facilmente riconoscere la GPU poiché essa è sempre collocata su un connettore della scheda madre chiamato: “PCI Express” il quale, si trova nella parte bassa della mobo, per intenderci, sotto il socket. Su un una mobo vi possono essere inoltre svariati connettori PCIe: è per questa ragione che potremo parlare di tecnologie Multi-GPU (Crossfire nel caso di AMD e SLI nel caso di NVIDIA).Che cos'è la GPU

 

Essa , come visibile nella figura soprastante, possiede un calcolatore, ovvero un processore grafico sulla sua struttura che è il cuore del sistema.  Affiancato poi dalle memorie RAM, condensatori vari ed eventuali e infine dai connettori video nella parte posteriore destinati a fare da tramite tra PCmonitor: questi avranno il compito di trasmettere il segnale digitale, indipendentemente dal cavo utilizzato ( che dopo avremo modo di analizzare più nel dettaglio).

Ma non tutte queste cose saranno ben visibili, appunto perché quando un componente è in funzione e opera ad una certa frequenza compiendo lavoro si surriscalda, motivo per il quale ci sarà un ingombrante dissipatore a nascondere tutto il resto, solitamente ad aria con ventole, nelle schede più complesse high-end e costose a liquido, anche se di questi tempi, soluzioni simili si trovano a fatica sul mercato.

Inoltre le GPU sono dotate di una memoria ROM, all’interno della quale vi è il BIOS.

 

Curiosità: il boot o bootstrap indica la serie di processi eseguiti dalla macchina in avvio, ovviamente a carico del BIOS.

 

Andiamo adesso ad analizzare più nello specifico il lavoro dei singoli:

GPU – Processore grafico

Chiedersi “Cos’è la GPU” è una domanda che non ammette alcuna risposta valida se per prima cosa non si prende in considerazione il processore grafico.Che cos'è la GPU

Come lo abbiamo già precedentemente definito “il cuore” del sistema, si occupa di trasformare il segnale elettrico ricevuto dalla CPU in un segnale leggibile ai monitor e televisori, parliamo appunto di un segnale digitale/video. E’ un circuito elettrico che perciò a differenza di un comune processore si utilizza per le applicazioni grafiche.

La scheda grafica si può trovare ovunque, a prescindere se il vostro sia un computer fisso o un portatile. In certi casi, nei sistemi più economici o  in quelli che ne sono sprovvisti il vostro processore probabilmente disporrà di una GPU integrata che vi possa permettere di usufruire delle più semplici applicazioni senza l’installazione di una scheda aggiuntiva.

La nascita di queste tecnologie è alla base anche di sistemi come gli smartphone, i quali ricordiamo hanno un unico calcolatore che funge sia da CPU che da GPU. Tali sistemi sono denominati:”SoC” (System on a chip). Mentre invece aziende come l’Intel o l’AMD hanno creato processori dotati di grafica integrata, tuttavia nel secondo caso AMD ha puntato sulla serie delle APU (Accelered processing units), le quali se affiancate ad una scheda Radeon dovrebbero offrire prestazioni più elevate.

ROM e BIOS – scheda video

Su ogni scheda video, dalla più costosa alla più economica troviamo sempre una memoria ROM (Read only memory), nella quale è installato un driver, anche se è meglio chiamarlo firmware, il quale permetterà alla scheda di avviarsi correttamente ogni qual volta accendiate il computer. Questa fase prende il nome di “boot” o “bootstrap” e permetterà la lettura delle informazioni necessarie per inviare in output i primi segnali video.

RAM – memoria scheda video

Esattamente come la memoria principale (RAM) anche in questo caso essa serve da tramite. Vi starete chiedendo per quale motivo gli ingegneri abbiano dovuto dotare le proprie schede di una memoria a parte. Ebbene Che cos'è la GPUdovete sapere che la GPU non sarebbe l’unica a fare uso della memoria principale (qualora essa fosse condivisa), ma ad esempio anche la CPU ne farebbe un grande uso e perciò al fine di velocizzare il sistema e di evitare di imbattersi in fastidiosi bottleneck (colli di bottiglia: si verificano quando vi è una differenza prestazionale rilevante tra due componenti, o quando un primo rallenta il secondo ) si utilizza una RAM separata per la GPU.

 

Tuttavia siccome le memorie comuni sono troppo lente per una scheda video all’interno di esse vengono utilizzate le VRAM (la quale sta andando in disuso), le WRAM (Windows RAM), e le SGRAM (Synchronous Graphic RAM, memoria ad accesso casuale sincronizzata dal prezzo abbastanza contenuto).

Le RAM più utilizzate nel campo delle schede video al momento sono le GDDR5 (comparse per la prima volta con la serie ATI HD4000) le quali utilizzano un sistema di prefetch ad 8 bit e sono studiate appositamente per garantire un trasferimento elevatissimo. Le più nuove GDDR5x, le quali a loro volta stanno per essere sostituite  da un’ultima innovazione portata avanti da AMD: ovvero le memorie HBM (High Bandwidth Memory) delle quali il progetto ebbe inizio nel lontano 2008.

 

Se non sai in cosa consiste il “prefetch” ti invitiamo a leggere un’approfondito articolo sul funzionamento della CPU cliccando qui!

 

Le schede video odierne possiedono in media tra i 512 megabyte agli 8Gb di memoria, tuttavia ci sono delle proposte molto costose che possono raggiungere anche i 12 o i 16 GB.

Ricordate tuttavia che il ruolo della memoria in una scheda video è relativamente importante: i produttori, infatti, giocando sull’ingenuità altrui lasciano pensare che generalmente più memoria abbia una scheda, più sia prestante.

Tuttavia la vera differenza si nota solo a definizioni alte oppure quando si devono maxare le impostazioni grafiche su Ultra. Allora a quel punto, se dovesse capitare che saturiate l’integrità della memoria messa a disposizione dalla vostra scheda noterete dei sinceri rallentamenti, ma solitamente per giocare in 1080p può bastare anche un GPU con 2Gb di memoria, tuttavia il nostro consiglio è quello di acquistare schede con almeno 4GB di memoria dato che ci stiamo proiettando verso il futuro del 4k e dei dettagli texture altissimi!

 

Se non sai quale scheda video acquistare visita la migliore guida sul web dove potrai trovare consigli e prezzi per le singole GPU cliccando qui!

 

RAMDAC – Random Access Memory Digital-to-Analog Converter

Anche questa parte della GPU sta lentamente scomparendo, parliamo appunto della RAMDAC (Random Access Memory Digital-to-Analog Converter). Il suo compito originario era quello di permettere ai vecchi monitor a tubo catodico di visionare correttamente l’immagine sotto forma di segnale analogico, e ovviamente a causa della nascita di monitor LED LCD non se ne fa più un grande utilizzo. Inoltre esso ha il compito di memorizzare le tavolozze dei colori.

Le schede video per i notebook o quelle di fascia più alta inoltre possono possedere più RAMDAC, grazie ai quali, di conseguenza si avrà una qualità migliore delle immagini e il supporto per più monitors.

Cos’è la GPU e come funziona?

Una volta appresi i concetti precedenti possiamo invece comprendere come funziona la GPU e quali sono le varie modalità operative!Cos'è la GPU

A differenza di una normale CPU, la quale possiede un’unica ALU (Arithmetic Logic Unit), una GPU è dotata di molti più calcolatori al suo interno. Questa differenza, come vedremo risulterà essere rilevante.

Mentre una CPU è progettata per effettuare scambi di dati tra le varie periferiche, per lo spostamento di variabili tra registri vari e l’esecuzione di istruzioni, una scheda video sarà molto più veloce nell’effettuare rendering di immagini!

Infatti il processore  è costruito su un sistema definito MIMD (multiple instruction, multiple data), il quale per farla breve, vi permetterà di utilizzare ad esempio su un dual core un core per un’applicazione e l’altro per la navigazione in internet, più nel dettaglio potremmo dire che i core della CPU lavorano in modo asincrono e anche indipendentemente l’uno dall’altro.

La CPU nasce per processare le istruzioni, la GPU invece per effettuare dei calcoli, motivo per il quale invece essa è basata su un sistema chiamato SIMD (Single istruction, multiple data), quindi nonostante possa eseguire un’unica istruzione per volta riesce a farlo con una tecnica di parallelizzazione del lavoro impressionante.

Quest’ultimo sistema è stato implementato anche nelle CPU degli ultimi tempi di modo tale da permettere un’utilizzo gratificante anche con applicazioni grafiche che dovrebbero richiedere l’utilizzo di una scheda video e può essere banalmente identificato col nome di “scheda video integrata“.

I cosiddetti cores nelle schede grafiche prendono il nome di “shader cores”.

Funzionamento GPU

Proviamo adesso a riassumere il modo in cui una scheda video elabora i dati. Un ruolo fondamentale è svolto dalla memoria RAM, la quale è divisa in tante “locazioni” o “celle” ovvero piccoli circuiti elettrici costituiti da un condensatore ed un transistor, il primo conserva i dati mentre il secondo agisce come da regolatore.

Ogni locazione della RAM contiene le informazioni necessarie per la visualizzazione di un determinato pixel, motivo per il quale all’aumentare di essa aumenteranno le risoluzioni supportate e il numero di schermi, invece se la scheda è in modalità testo ogni locazione di memoria conterrà un determinato carattere.

Perciò il ruolo della GPU sarà “semplicemente” quello di leggere le locazioni della RAM e in seguito di permettere la corretta visualizzazione dell’immagine come output in segnale video.

Il connubio tra CPU e GPU sarà noto come GPU Computing, ed adesso andremo a vedere nello specifico di cosa si tratta.

GPGPU & GPU Computing

Per fortuna le schede grafiche non sono esclusivamente utilizzate per i videogames ma piuttosto affiancarle ad una buona CPU sarà un’ottima mossa per velocizzare applicazioni ad esempio per fotoritocco, modellazione e montaggio video, le quali sono le più comuni che solitamente possono  usufruire di tali vantaggi.Cos'è la GPU

Infatti il GPU Computing è stato ideato per scopi ben diversi: come la ricerca scientifica o geologica, per l’analisi aziendale e tecnica o persino finanziaria.

Parliamo appunto del GPGPU (general-purpose computing on graphics processing units),  ovvero un’utilizzo della GPU per scopi alternativi a quelli da lei solitamente svolti.

Potremmo persino immaginare tutto ciò come una sorta di aiuto che la scheda grafica da al processore permettendogli di effettuare certi calcoli più velocemente, date le sue grandiose capacità.

Questa tecnologia da consistenti vantaggi in vari ambiti di cui primo fra tutti è quello prestazionale: poiché ovviamente la capacità di calcolo di una scheda video rispetto a quella offerta da un normale processore è molto più elevata, data la sua struttura interna studiata appositamente.

Inoltre essendo in continua evoluzione e miglioramento le GPU sono soggette a miglioramento costante che permette loro di fare calcoli sempre più veloci a differenza dei processori per i quali solitamente passa più tempo per l’evoluzione da una architettura ad un’altra.

Infine va tenuto conto del fattore economico e quello del rapporto consumo/prestazioni, che ancora una volta favoriscono le GPU.

Modalità operative scheda video

Modalità testoCos'è la GPU

Questa è una modalità che possiedono tutte le GPU, persino quelle più economiche: per farla breve, consente di visualizzare dei caratteri di testo dividendo lo schermo in una griglia di caselle rettangolari nelle quali saranno inserite i caratteri. Un ruolo importante è giocato dal generatore di caratteri al suo intero, e dalla RAM la quale servirà per memorizzare i codici di un determinato carattere tipografico.

Modalità Grafica

Questa modalità differentemente da quella soprastante necessità di un quantitativo di RAM maggiore. In essa l’immagine viene rappresentata senza l’utilizzo del generatore dei caratteri bensì pixel per pixel con un’approccio bitmap, in cui la mappatura avviene per mezzo dei bit. Richiede un’utilizzo di RAM che va da 10 a 10.000 volte tanto quella precedente.

Schede video con accelerazione 2D

Col tempo e col progresso le schede grafiche andarono migliorandosi, in particolare non si limitarono a fare la parte più semplice del lavoro lasciando al processore gran parte dei calcoli, bensì una volta ricevute le direttive dalla CPU sarebbero state in grado di comporre le immagini autonomamente. Inoltre fu implementato un generatore di caratteri evoluto che permise la visualizzazione di testi più complessi e di font diversi.

Schede video con accelerazione 3D

Queste ultime schede possiedono le modalità proposte precedentemente, ma a differenza di esse una volta ricevuti i modelli dalla CPU riescono a generare un’immagine 3D pixel per pixel, e ad ogni singolo fotogramma da visualizzare in 3D la scheda sulla base dei punti geometrici forniti dal processore elabora forme, geometrie e applica le tanto ambite textures.

Con queste nuove schede possiamo dire definitivamente: la CPU è sollevata dall’incarico di effettuare i calcoli per la visualizzazione, limitando la sua funziona a quella di inviare delle informazioni base, sulle quali poi la GPU costruirà le immagini.

Questa tipologia di schede necessitano di molta memoria RAM, il calcolatore centrale è composto da una serie di unità identiche ( chiamate pipeline), le quali operano parallelamente ma su pixels differenti volta per volta!

 

Curiosità: poiché in grafica il “principio di località” non è valido non si può utilizzare la cache.

 

Cos'è la GPURicordiamo per terminare che proprio come un normalissimo processore la scheda video funziona ad una determinata frequenza, o meglio, la GPU ( il calcolatore interno) ha una sua frequenza operativa e anche una boost, che equivale alla frequenza massima raggiungibile in full load ( carico massimo). Tuttavia dato che, come abbiamo precedentemente enunciato, le memorie per la scheda grafica devono essere molto veloci anche queste avranno una frequenza molto alta se messe a confronto con le “comuni” memorie primarie, perciò si useranno BUS molto ampi del tipo 128 bit, 256 bit, o 512 bit ecc.

Pertanto essendo le prestazioni un’accurato giochetto tra frequenze differenti ed altro capite come durante una sessione di overclock non abbia senso innalzare esclusivamente la velocità del calcolatore e lasciare la frequenza delle memorie immutata.

Connettori video – come collegare scheda video

Una volta terminato il montaggio della GPU all’interno del case dovrete collegarla con il vostro monitor a questo punto potrete trovarvi davanti ad una scelta da prendere: esistono diversi tipi di connettori posteriori da poter utilizzare, ed ora li vedremo nello specifico.

Video Graphcis Array (VGA)

Cos'è la GPU

E’ uno standard analogico introdotto nel 1987 da IBM. Inizialmente veniva utilizzato con i primi monitor a tubo catodico, tuttavia permane anche tutt’ora come uno degli standard più utilizzati. Ha delle pecche in quanto presenta distorsione dell’immagine e rumore elettrico, ciò dipende anche dalla lunghezza del filo.

Digital Visual Interface (DVI)

Cos'è la GPU

Viene di solito utilizzata per definizioni alte e dove richiesta una qualità eccelsa. Riesce ad evitare alcuni artefatti grafici poco piacevoli della VGA facendo corrisponde ad un pixel della grafica uno corrispondente sul monitor. Trasmette il segnale digitale ed analogico in base al modello, infatti esistono DVI-D (a loro volta divisibili in single link e dual link), DVI-I e DVI-A.

High-Definition Multimedia Interface

Cos'è la GPU

L’HDMI è la sostituta della ormai nota presa SCART entrata in disuso con l’implementazione delle risoluzioni HD FullHD. Trasmette sia segnali video non compressi sia segnali audio compressi o meno. E’ probabilmente il cavo più utilizzato tra quelli citati e dovrebbe andare a sostituire definitivamente i predecessori come il “VGA” in pochi anni.

Nel 2013 con l’implementazione dell’HDMI 2.0 si è raggiunta una banda passante massima di 18 Gbit/s, quindi da allora questo cavo permette la visualizzazione su monitor in risoluzione 4k (2160p).

Crossfire & Sli – Multi GPU

Come già detto in precedenza questa tecnica permette di utilizzare più di una scheda video contemporaneamente in modo da aumentare la potenza di calcolo. Si parla di Crossfire in casa AMD  e di SLI per le schede NVIDIA.  Nonostante in sostanza facciano le stesse cose sono state chiamate con nomi diversi poiché furono sviluppate su protocolli differenti.Cos'è la GPU

Per poter effettuare uno SLI  o un Crossfire si necessita di:

  • Due o più schede video, nel caso di AMD anche differenti (la più veloce si adatterà alla velocità della più lenta), mentre per NVIDIA devono essere di stesso modello ma possono anche essere di brand differenti (ex. Asus, Gigabyte, HOF, MSI ecc.) purché con la stessa frequenza operativa.
  • Due o più PCI Express x16 ( controllare la velocità effettiva di questi poiché se dovesse essere x4 il secondo slot come nel caso delle H97 non è conveniente effettuare Crossfire).
  • Un chipset che possa gestire le linee  di PCI Express e sia compatibile con tali funzioni.
  • Infine uno o più bridge di collegamento.

Anche queste tecnologie possiedono diverse modalià di funzionamento:

  • SuperTiling: funzionante solo su Crossfire e con schede che possiedono lo stesso numero di pipeline (se non sai di cosa si tratta leggi l’articolo sul funzionamento della CPU all’interno del quale viene spiegato il sistema di “pipeline” cliccando qui!). Permette di suddividere l’immagine dello schermo in una sorta di scacchiera nella quale verranno elaborati da una scheda alcuni quadratini e dall’altra i restanti, tuttavia non è una funziona prestazionalmente parlando valida!
  • Scissor: conosciuta con il nome di Split Frame Rendering (SFR), divide lo schermo in due rettangoli orizzontali e dovrebbe avere pressoché le stesse performance della precedente se non minori.
  • Alternate Frame Rendering (AFR): questa tecnica permette di renderizzare ad una scheda i frame pari ed all’altra quelli dispari, ma non è semplice trovare dei giochi che siano compatibili con essa.
  • Crossfire Super AA: questa tecnologia non è studiata per aumentare i frame bensì per utilizzare il filtro Super anti-aliasing (se non sai di cosa si tratta clicca qui per scoprirlo!) senza una perdita di FPS.

Esiste infine un’ultima modalità detta AFR of SFR raramente utilizzata perché funziona solo in configurazioni SLI da 4 GPU.

In seguito all’implementazione di tali tecnologie fu stabilito il concetto di “scalabilità”  il quale stabilisce il vantaggio prestazionale ottenuto con più di una scheda ma è fortemente influenzato dall’ottimizzazione driver per determinati videogames.

Le prestazioni non sono destinate a raddoppiare con due schede, a triplicare con tre o a quadruplicare con quattro bensì il parametro di incremento prestazionale, che oscilla da configurazione a configurazione generalmente è tra il 75% e il 90%.

Come scegliere una scheda video?

Affinché voi possiate scegliere una scheda video che sia perfetta per l’uso che fate del PC vi consiglio di visitare la guida d’acquisto per GPU scritta interamente dallo Staff MiglioriPC.it .

Abbiamo riassunto quanto conoscevamo sull’argomento con la speranza che anche voi possiate apprendere il funzionamento della scheda video.

Se avete domande non esitate a commentare e continuate a seguirci e visitate qualche nostro articolo:

Il team MiglioriPc ti ringrazia per la lettura e ti invita a lasciare un commento qualora dovessi avere dubbi o considerazioni da fare!

 

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