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Tema 6
Sistemas y aplicaciones informáticas
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SISTEMA GRÁFICO
6.1 Componentes de un sistema gráfico. GPU, memoria gráfica y monitor.
6.2 Tecnologías y características. Modo de funcionamiento.
6.3 Medidas y magnitudes relacionadas.
6.4 Arquitecturas vigentes.
Índice
0. INTRODUCCIÓN.
1. COMPONENTES DE UN SISTEMA GRÁFICO. GPU, memoria gráfica y monitor
1.1. GPU.
1.2. Memoria gráfica.
1.3. Monitor.
2. TECNOLOGÍAS Y CARACTERÍSTICAS. MODO DE FUNCIONAMIENTO.
2.1. GPUs
2.1.1. Dedicadas.
2.1.2. Integradas.
2.1.3. Híbridas.
2.2. Memorias gráficas.
2.3. Monitores.
2.3.1. CRT
2.3.2. LCD
2.3.3. OLED
3. MEDIDAS Y MAGNITUDES RELACIONADAS.
3.1. Las GPUs y las memorias gráficas.
3.2. Los monitores.
4. ARQUITECTURAS VIGENTES.
4.1. CUDA (nVidia).
4.2. GCN (AMD).
CONCLUSIÓN
BIBLIOGRAFÍA COMENTADA
GLOSARIO
ESQUEMA / RESUMEN
CUESTIONES PARA EL REPASO
֠ PROPUESTAS DE SOLUCIÓN
RESUMEN
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0 INTRODUCCIÓN
¿Qué es una tarjeta gráfica? Es tan simple como imaginarnos un pintor. Dispondrá de una
paleta especial, no sólo con colores, sino también con un sinfín de efectos a su alcance, como
sombreados o reflejos. Y será tan rápido que creará obras animadas. Su lienzo, finalmente, será
nuestra pantalla.
Una tarjeta gráfica es un componente plenamente autónomo, similar a otra máquina
dentro de nuestro propio ordenador, pero enfocado al tratamiento de imágenes. Tendrá por ello
su propia RAM, su procesador central (la GPU) y sus conectores gráficos para poder transmitir
sus resultados.
1999 fue el año en que, por primera vez, se logró crear una arquitectura de procesamiento
gráfico 3D completa en una única pieza de hardware: la GPU. Es la encargada de realizar
complejos cálculos gráficos para mostrar en pantalla efectos gráficos increíbles. Antes, gran
parte de todo el complejo proceso gráfico lo llevaba a cabo la CPU, con la consiguiente
sobrecarga computacional.
Todo cambió con la generalización del uso de los ordenadores y las ganas que tenía la
gente de jugar con ellos. Mejores juegos necesitan mejores gráficos. ¿El resultado? Que hoy en
día por 300€ tengamos el triple de potencia gráfica que un ordenador que costaba hace nada
unas diez veces más.
1 COMPONENTES DE UN SISTEMA GRÁFICO.
Veamos cómo se integra el sistema gráfico con el resto de componentes de un ordenador:
Gráfico 1. Visión panorámica del sistema gráfico
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El propósito de una tarjeta gráfica es claro: atender los datos que la CPU le transmite, a
través de la interfaz gráfica, para mostrarlos por pantalla gracias al RAMDAC o al TMDS.
Asimismo, de dicho Gráfico 1 se pueden extraer los integrantes del sistema gráfico:
1. El chip gráfico o GPU, que procesa los datos requeridos.
2. La memoria RAM de la tarjeta, que almacena la información tratada.
3. La pantalla, en la que se mostrarán los resultados.
Pasemos pues, a analizar cada uno de los integrantes del sistema gráfico.
1.1. La GPU (Graphics Processing Unit)
Podría definirse como un chip dedicado al proceso de renderizado1 de imágenes 2D o
3D. Es el encargado de generar a partir de una imagen 3D, contenida en un fichero de escena2,
una imagen 2D que podamos ver en nuestro monitor.
Podríamos imaginarnos la GPU como una gran cadena de montaje que en cada etapa
aplica un efecto, una transformación, iluminación... en fin, lo que necesite. A esa cadena de
montaje se la conoce como pipeline3, a los pequeños programas con los que trabaja como
shaders4 (de pixeles, de vértices y de geometría) y a las imágenes 2D resultantes como
imágenes rasterizadas5.
A grandes rasgos, el proceso que se lleva a cabo en la pipeline gráfica es el siguiente:
1. La CPU envía instrucciones (pre-compiladas para shaders) y datos geométricos a la
GPU.
2. Los shaders de vértices hacen transformaciones geométricas y calculan la iluminación.
3. Si en la GPU hay un shader geométrico, se hacen algunos cambios en la geometría.
4. Los datos geométricos son subdivididos en triángulos.
5. Finalmente, los shaders de píxeles "rompen" esos triángulos en cuartetos de píxeles
(2x2).
Las tarjetas gráficas actuales disponen de una o más GPUs para agilizar este proceso. Y
por supuesto, cuanto más sofisticadas y rápidas sean estas GPUs mejores imágenes serán
capaces de mostrar. Pero no todo se ha resuelto a base de número de GPUs integradas en las
tarjetas gráficas. La situación actual se debe a dos características fundamentales:
1. Su especialización: Si una GPU se dedica a una única tarea, es factible emplear mayor
circuitería en la misma, por lo que será capaz de desempeñarla más eficientemente. Así,
están especializadas en calcular valores en coma flotante6, necesarios en los gráficos en
3D.
2. Su paralelismo: Sus unidades fundamentales de cálculo (los shaders) son
completamente independientes, por lo que pueden efectuar operaciones sin esperar la
una por la otra. Esto hace que su rendimiento sea mucho mayor que el de las CPUs a
velocidades similares.
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Pero si las GPUs son tan potentes, ¿por qué son necesarias las CPUs?. Porque aunque
existen muchos tipos de operaciones que pueden ser realizadas en paralelo y son numéricas, no
son todas. Las CPUs tienen memorias cachés de gran tamaño y ancho de banda, lo que facilita
la reutilización de datos. Por ello, siguen siendo las preferidas en las operaciones de propósito
general.
Es decir, que en términos de procesamiento gráfico sus tareas son:
CPU: Mueve puntos en memoria, en una única dimensión.
GPU: Dota a esos puntos de dimensión y movimiento vectorial.
De tal forma que podríamos decir que una GPU es una orquesta y una CPU es el director
de la misma, con todo tipo músicos especialistas a su alcance, encargados de interpretar la
obra.
1.2. La memoria gráfica
Una tarjeta gráfica se comporta, en cierto modo, de forma autónoma y por ello necesita de
su propia memoria. Es necesario que sea lo más rápida y del mayor tamaño posible, porque se
necesita suavidad de movimiento al mostrar imágenes.
Así que hoy en día podemos encontrar en el mercado tarjetas gráficas con tamaños de
memoria de los que hace menos de 15 años no disponían ni los discos duros más caros. Las
más punteras llevan incorporados 1, 2 e incluso 4 Gbytes de memoria. ¿Pero es necesaria tanta
cantidad?
La memoria empleada en una imagen en 2D es fácil de calcular mediante la siguiente
fórmula:
► Memoria empleada (bits) = resolución de pantalla (píxeles) * color (bits / píxel) ◄
Esa es la cantidad de memoria en bits que la tarjeta gráfica almacena en su frame buffer,
el bloque de memoria encargado de alimentar el convertidor DAC7, si se precisa, para que
nuestra pantalla muestre la imagen requerida. Para hacernos una idea, a una resolución común
de 1600*1200, incluso utilizando double buffering8 o FSAA9, con unos 32 MBytes bastaría.
¿Y el resto en qué se emplea? Básicamente, en la creación de imágenes 3D. Las GPUs se
encargan de tareas muy complejas, para liberar de carga a la CPU, lo que conlleva uso de
memoria.
Pero las verdaderas devoradoras de
memoria gráfica son las texturas y todo lo
relacionado
con
ellas,
como
relieve,
iluminación, sombreado, etc. De no ser por la
aplicación de texturas, sólo veríamos lo que se
conocen como "mallas poligonales", imágenes
3D en su estado más puro. La cantidad de
memoria que las texturas pueden emplear varía
sobremanera, dependiendo de su número,
resolución, color, si están comprimidas o no, etc.
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Por ello, la cantidad y velocidad de las memorias gráficas de hoy en día está justificada,
todo en pos de buscar el fotorrealismo 3D.
1.3. El monitor
Es el último eslabón del sistema gráfico, el dispositivo encargado de mostrar las
imágenes generadas por el ordenador. Y por éso son tan importantes en un sistema gráfico,
porque de nada serviría una carísima GPU con una memoria muy rápida si no se pudieran ver
sus resultados.
Las imágenes le llegan a través del RAMDAC o del TMDS. Se caracterizan por:
El RAMDAC o Random Access Memory Digital-to-Analog Converter es una
combinación de tres rápidos DACs. Cada valor RGB se almacena en un DAC separado,
cuyas salidas van hacia uno de los tres cañones de electrones del monitor o sus
equivalentes digitales.
El TMDS o Transition-minimized differential signaling es una tecnología empleada
para transmitir datos en serie a alta velocidad. Se utiliza interfaces de vídeo digital,
como DVI y HDMI. Posee un avanzado algoritmo de codificación que reduce las
interferencias electromagnéticas en los cables, lo que abarata costes sin perder calidad
de señal.
Es obvio el motivo por el que el RAMDAC desaparecerá (si no lo ha hecho ya) en favor
del TMDS: Hoy día es posible que la señal digital pueda viajar íntegra desde la fuente (la
tarjeta gráfica) hasta el destino (el monitor), lo que nos permite ver las imágenes sin pérdida
de calidad.
Respecto de la parte física, la conexión de la tarjeta gráfica con el monitor puede hacerse a
través de varios estándares de conexión, con sus respectivas particularidades. Los más
empleados en el mundo de las tarjetas gráficas, a día de hoy, son los siguientes:
• SVGA: Estándar analógico de los años '90. Diseñado para dispositivos CRT, sufre de
ruido eléctrico y distorsión por la conversión de digital a analógico y el error de
muestreo al evaluar los píxeles a enviar al monitor.
• S-Video: incluido para dar soporte a televisores, reproductores de DVD, vídeos, y
videoconsolas. Con tendencia a desaparecer, por el auge de las conexiones digitales.
• DVI: Sustituto del anterior, diseñado para obtener la máxima calidad de visualización
en las pantallas digitales como los LCD o proyectores. Evita la distorsión y el ruido al
asignar cada píxel a representar con uno del monitor en la resolución nativa del mismo.
• HDMI: Estándar de transmisión de vídeo y audio en formato digital que pretende
sustituir de facto a todos las demás, al menos en el ámbito doméstico. Sus mayores
argumentos son la alta resolución, su compatibilidad y su sistema anticopia HDCP,
requerido por la industria.
• DisplayPort: Es la tecnología de estándar abierto, surgida en el 2007, competidora del
estándar HDMI. Es más rápida, más barata de implementar y no requiere pagar
royalties. A día de hoy ya existen muchos fabricantes que la implementan, como AMD,
Intel o Apple.
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2 TECNOLOGÍAS Y CARACTERÍSTICAS. MODO DE FUNCIONAMIENTO.
2.1. Las GPUs
Actualmente se pueden dividir en tres tipos diferenciados, que detallaremos a
continuación.
2.1.1. Dedicadas
Este tipo de GPUs tienen su propia RAM y habitualmente están en separadas
físicamente de la placa base, aunque no es requisito. Esto hace que sea fácil confundirlas con
otras tipologías.
No son necesariamente las más potentes, pero las mejores son de esta clase. Pueden ser
diseñadas con el rendimiento como único objetivo, lo que ha motivado querer interconectar
dos o más para incrementar el potencial gráfico. Las alternativas Multi-GPU existentes son:
SLI o Scalable Link Interface: Desarrollada por nVidia. Es posible teóricamente
doblar la potencia gráfica con sólo añadir una segunda tarjeta idéntica a la anterior.
CrossFire: Desarrollada por AMD-ATI. Su ventaja sobre la solución de nVidia es la
posibilidad de interconectar tarjetas diferentes, siempre dentro de unos límites.
2.1.2. Integradas
Utilizan una parte de la RAM principal del ordenador más que una memoria gráfica
dedicada propia. Son normalmente más baratas de implementar, pero a costa de ser menos
capaces.
Como una GPU es muy dependiente de la memoria, una solución integrada competirá por
una RAM del sistema bastante más lenta que una propia. Otro problema es que adolecen de
capacidad T&L o de transformación e iluminación, encargándose de ello una ralentizada CPU.
2.1.3. Híbridas
Se estima que para el 2014 el 80% de los ordenadores dispongan de una solución de este
tipo. La idea es simple: si las GPUs son rapidísimas con cierto tipo de cálculos y las CPUs son
las idóneas para el resto de tareas ¿podrían fusionarse en un sólo chip y beneficiarse
mutuamente?
Ésa es la idea que tuvo AMD hace ya 5 años y en la que ha estado trabajando desde
entonces con su plataforma Fusion. AMD cuenta con cierta ventaja estratégica frente a Intel en
este terreno, al haber absorbido ATi, la mayor especialista en soluciones gráficas del mundo
junto a nVidia.
Una APU, o unidad de procesamiento acelerado, es un microprocesador que aglutina la
lógica de la CPU, la GPU y el Northbridge. Ello conlleva las siguientes ventajas:
Potencia: No hay más CPU y GPU, si no que son una única pieza. Esta sinergia hace
que su capacidad de procesamiento crezca sobremanera en todo tipo de tareas, gráficas
o no.
Rapidez: Al no tener la necesidad de compartir memoria su acceso es más rápido y
eficaz.
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Consumo: El gasto energético de una APU es muy inferior a la suma de los tres chips a
los que equivale, por lo que sus ventajas se multiplican en el campo de los portátiles.
Coste: Es menor que el de la adición de las tres unidades a las que equivale por
separado.
2.2. La memoria gráfica
Aunque hace tiempo hubo gran diversidad de tipologías, se ha reducido su número
drásticamente, con una de ellas en clara posición dominante: la GDDR-SDRAM o Graphics
Double Data Rate SDRAM. Sus características las determinada el organismo regulador JEDEC.
Repasemos las características de la misma desde su versión inicial hasta la que hay
actualmente, la GDDR de quinta generación:
•
GDDR: Similar a las memorias DDR convencionales, es decir, envía dos bits por ciclo
de reloj. Optimizadas para lograr altas frecuencias y lograr así rápidos accesos a las
mismas.
•
GDDR-2: Optimización de las GDDR, con más capacidad y frecuencia y menor
voltaje.
•
GDDR-3: Desarrollada por ATi. Basada en DDR-2, por lo que es capaz de enviar 4 bits
por ciclo de reloj. Asimismo, posee menores voltajes y mayores capacidades y
frecuencias.
•
GDDR-4: Actualización de la GDDR-3, con 8 bits por ciclo y mejores características.
•
GDDR-5: Dos tipos de reloj interno, para optimizar lectura y escritura. Más velocidad
y rapidez de acceso, con el doble de ancho de banda que la memoria DDR-3 de la que
deriva.
Se prevé, según los datos que proporcionan tanto AMD-ATi como nVidia, que se
mantendrá la memoria GDDR-5 en la generación que está a punto de ser lanzada al mercado.
Se limitarán a incrementar el caudal de datos disponibles, estableciendo los 512 bits como
tamaño de bus estándar.
2.3. Los monitores
En cuanto a los monitores, las tecnologías que se emplean mayoritariamente en la
actualidad son las empleadas por los monitores de pantalla plana, que han dejado obsoletos
los de tubo de rayo catódico, apenas utilizados hoy en día.
A continuación, analizaremos los tipos de monitor de un ordenador más relevantes.
2.3.1. CRT o Cathode Ray Tube (Tubo de Rayos Catódicos)
Se basa en emitir un haz de luz constante a una pantalla de vidrio recubierta de fósforo y
plomo. El fósforo permite reproducir la imagen proveniente del haz de luz, gracias a su
excitación. mientras que el plomo bloquea los rayos X para proteger al usuario de sus
radiaciones.
Originariamente eran monocromos y padecían de parpadeos, pero sus últimas evoluciones
permitieron pantallas CRT planas con buena colorimetría y contraste, además de una reducción
de su coste, que permitió que acaparase buena parte del mercado hasta hace menos de 10
años. Actualmente, la evolución de los LCD los ha dejado obsoletos y casi en desuso.
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2.3.2. LCD o Liquid Cristal Display (Pantalla de Cristal Líquido)
Es una pantalla delgada y plana, formada por un número de píxeles en color o
monocromos, colocados delante de una fuente de luz o reflectora que permite que éstos se
hagan visibles.
En los años '90 donde más se utilizaron fue en los ordenadores portátiles, por su menor
consumo, bajo peso y menor tamaño físico. Todo ello justificó su elevado precio comparativo.
Las pantallas LCD tienen diversas variantes, pero las más importantes son éstas:
DSTN (Dual-Scan Technology): De "matriz pasiva". Activan una línea vertical y otra
horizontal, mostrando el píxel donde se entrecruzan. Más asequibles y con menor
consumo que las TFT, pero poseen menor contraste y ángulo de visión, aparte de mayor
latencia.
TFT (Thin Film Transistor): De "matriz activa". Funcionan activando píxel a píxel,
gracias a poseer transistores en cada uno de ellos. Ofrecen un contraste, brillo, ángulo
de visión y velocidad de refresco excelentes. Su mayor desventaja: los posibles píxeles
"muertos".
LED (Light-emmiting diode): Son la actual generación de LCDs. A diferencia de los
TFT, no utilizan lámparas fluorescentes para su iluminación, sino retroiluminación por
LEDs. Su mayor ventaja es la eficiencia energética, amén de un mejor contraste y
mayor durabilidad.
2.3.3. OLED o Organic Light-Emmiting Diode (Diodo orgánico de emisión de luz)
Es aquella LED en la que la capa electroluminiscente, situada entre dos electrodos, se
compone de una película de compuestos orgánicos que emiten luz cuando se les aplica
electricidad.
Son capaces de funcionar sin retroiluminación, lo que conlleva múltiples ventajas:
Permiten niveles de contraste muchísimo mayores, permitiendo negros puros.
Pueden ser más delgadas y ligeras que las LCD, además de flexibles en un futuro
próximo.
Su consumo es en torno al 40% de las LCD, siendo inexistente si no están funcionando.
Su tiempo de respuesta se ha reducido hasta los 0.01 ms.
Es probable que acaben imponiéndose, pero de momento aún presentan ciertas
desventajas:
Mayores costes de fabricación.
Vida útil limitada.
Problemas al representar colores y de burn-in (una imagen puede quedarse fija).
Sensibles al agua y a los rayos ultravioletas.
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3 MEDIDAS Y MAGNITUDES RELACIONADAS
Las magnitudes y los múltiplos relacionadas con el sistema gráfico, que nos servirán
para conocer y comparar qué GPU, memoria o monitor es mejor que otro, son las siguientes:
Magnitud
Representa
Mide
Útil para conocer
Hercio
Hz
Ciclos / Tiempo
Velocidad de una GPU
y de una memoria
FLOPS / seg
FLOPS / s
Cálculos / Tiempo
Instrucciones en lenguaje máquina
que un procesador ejecuta por
segundo
Instrucciones en coma flotante que un
procesador ejecuta por segundo
Bits / Segundo Información / Tiempo Cantidad de información transmitida
(ancho de banda)
por unidad de tiempo
b/s
Vatios / Hora
W/h
Energía / Tiempo
Pixel
px
Medida digital
Candelas / m2
cd / m2
Luminancia
Pulgada
"
Potencia de cálculo de
una GPU
Velocidad
memoria
de
una
Energía que consume un dispositivo
electrónico por unidad de tiempo
Consumo de una GPU
y de un monitor
Tamaño de una imagen
Resolución de
GPU o monitor
Luminosidad
Brillo de un monitor
Medida
Tamaño de un objeto
Tamaño de la pantalla
de un monitor
Grado
º
Ángulo
Parte del plano entre dos semirrectas
Ángulo de visión de
un monitor
Kilogramo
kg
Masa
Peso de un objeto
Peso de un monitor
una
Tabla 1. Magnitudes utilizadas para medir el rendimiento de un sistema gráfico
Prefijo
Símbolo
10n
tera
T
1012
giga
G
109
mega
M
106
kilo
K
103
byte
B
8 bits
Tabla 2. Múltiplos asociados a magnitudes informáticas
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Gracias a estas tablas podremos medir todos los parámetros referentes al sistema gráfico.
En el caso particular de cada componente, y ya que hemos hecho un repaso por cada uno de
ellos, podremos fijarnos en parámetros particulares de su situación en el sistema gráfico.
Veamos a continuación cómo se relacionan entre ellos y cómo medir sus rendimientos:
3.1. Las GPUs y la memoria gráfica
Están íntimamente relacionadas en cuanto al rendimiento gráfico, porque el proceso de
renderizado de imágenes 3D es crítico. Cada uno de los parámetros que conforman una tarjeta
gráfica depende de los demás, pudiendo aparecer cuellos de botella si la GPU no es capaz de
abastecer de datos a la memoria o si la GPU no puede acceder a ella con rapidez.
Este fenómeno se produce cuando la capacidad de un sistema está limitado por uno o
varios componentes-recursos del mismo. Es posible evitarlo mejorando o sustituyendo esa
limitación.
En nuestro caso, es muy útil establecer un símil entre ellas y una autopista imaginaria. Si
tiene más o menos carriles, límites de velocidad o no y si nuestro vehículo es mejor o peor,
influirá en la fluidez del tráfico. Así, podrían compararse:
Número de carriles ↔ Interfaz de memoria
Velocidad máxima ↔ Velocidad de la memoria
Velocidad punta del vehículo ↔ Velocidad de la GPU
Pasajeros ↔ Tamaño de memoria
Potencia disponible ↔ Número de shaders
Fluidez del tráfico ↔ Rendimiento gráfico
Teniendo este hecho en cuenta, veamos un ejemplo para saber en qué fijarnos al elegir
GPU:
Frecuencia
Tasa de relleno
Fab. Núcleos Procesadores
Shaders
(Mhz)
GFLOPs TDP
Núcleo Shaders Pixels Texturas
(nm)
stream
(Vert/Geo/Pix)
(vatios)
(GP/s) (GT/s)
40
1
14
448:56:40
732
1464
29,28
40,99
1311,7
210
En cuanto a la memoria, los datos relevantes son:
Frecuencia Ancho de banda
(Mhz)
(GB/s)
3800
152
Tipo
Ancho de bus
(bit)
GDDR5
320
Se ha tomado de referencia una gran tarjeta gráfica, la nVidia GeForce 560 Ti 448 Cores.
Otros parámetros útiles de conocer son su proceso de fabricación (en nm), su número de
transistores (en millones), la interfaz gráfica (PCIe x16, generalmente), qué APIs10 soportan
(DirectX, OpenCL, etc.) o por supuesto, su precio. Todo ello nos dará pistas sobre sus
capacidades.
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3.2. Los monitores
En el caso de los monitores, todos los parámetros en los que deberemos fijarnos están
relacionados con la calidad de imagen. Hay que tener en cuenta los siguientes datos:
Tecnología
Resolución (px)
Tamaño de punto (mm)
Área útil
Si optamos por un LCD, es interesante saber si es TFT o LED.
Mayor resolución significa más objetos en pantalla.
Un menor tamaño de punto hará que lo veamos todo más definido.
No suele coincidir el tamaño del marco con el de la pantalla.
Ángulo de visión (º)
Si no se va a ver la pantalla de frente, conviene conocer este dato.
Luminancia (cd/m2)
Un mayor brillo es importante para realzar las imágenes.
Tiempo de respuesta (ms)
Si no queremos que aparezcan "estelas", este punto es importante.
Contraste (x:y)
Proporción entre un píxel negro a uno blanco. Ha de ser elevada.
Colorimetría
Los LED presentan un nivel de color más elevado que los TFT.
Refresco (Hz)
Con el paso a los LCD, esta característica no es tan relevante.
Reflejos
Dimensiones y Peso
Existen pantallas antirreflejos, por si vamos a verlas con luz directa.
Los LCD han mejorado mucho estos apartados. Menos es más.
Píxeles muertos
Algunos LCD han presentado defectos de fabricación en este punto.
Consumo (W/h)
Las últimas tecnologías cuidan mucho este apartado.
Precio (€)
Quizá el factor más determinante a la hora de elegir monitor...
4 ARQUITECTURAS VIGENTES
Los sistemas gráficos ha sufrido una evolución vertiginosa en los últimos 20 años, quizá
incluso más que el resto de componentes principales de un ordenador. Ha sido un campo en el
que ha habido una competencia feroz, con múltiples fusiones y absorciones entre los grandes
fabricantes. Ello ha motivado que a día de hoy sólo sean relevantes dos de ellos: nVidia y
AMD, habiendo absorbido éste último al fabricante rival de nVidia, ATi.
ATI fue la auténtica dominadora del mercado de la computación gráfica, tanto que llegó
incluso a estancarse. Ésto fue lo que permitió a nVidia darle caza, al aprovechar las
oportunidades estratégicas que se le presentaron. Actualmente esta feroz competencia nos ha
beneficiado a todos, con nuevas promesas de mejores tarjetas gráficas, más potentes que las de
la competencia.
Aunque su objetivo es básicamente el mismo, ofrecer mayor rendimiento, actualmente
están tomando rumbos diferentes para lograrlo. Ésto se debe a dos grandes hitos en este
campo:
El modelo de shaders unificados: Se implementó a partir del año 2006/07, tanto en la
API DirectX11 como en OpenGL12. Permite que ya no sea necesario emplear juegos de
instrucciones diferentes para cada tipo de shader, sino trabajar con ellos empleando uno
sólo. Así, todos los shaders pueden trabajar con texturas, buffers de datos y operaciones
aritméticas. Esta arquitectura permite que haya un único tipo de shader, multipropósito.
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El concepto de GPGPU (General Purpose GPU): Surgido en 2007. Si una GPU puede
desempeñar ciertos cálculos a velocidades de vértigo, ¿por qué no emplearla para otros
que no sean de tipo gráfico? Actualmente se emplea en el ámbito científico y de
simulación. Ha motivado, en última instancia, el deseo de fusionar CPUs y GPUs en un
sólo bloque.
Y al igual que nunca se ha sabido si fue antes el huevo o la gallina, en el mundo de la
informática siempre se ha debatido sobre si es el software el que permite al hardware desplegar
sus capacidades o si es el hardware el que hace que los usuarios demanden un mejor software.
Ello ha motivado que haya otra batalla de fondo en el panorama gráfico: la de las APIs.
Una carrera entre nVidia y AMD contra DirectX y OpenGL. Este hecho se hizo patente con el
lanzamiento de DirectX 10 junto a Windows Vista, ya que permitió desplegar la potencia del
hardware de las tarjetas nVidia GeForce 8800 GTX, que implementaban la arquitectura de
shaders unificados por primera vez. Y de igual modo, la absorción de ATi por parte de AMD
impulsó el desarrollo de su arquitectura Fusion, que logró que el mundo del software empezase
a hablar de la computación gráfica multipropósito.
Aunque ambas han implementado ambos conceptos en sus tarjetas gráficas desde ese año
2006/2007, no lo han hecho del mismo modo. Veamos la situación de estas arquitecturas:
4.1. CUDA o Compute Unified Device Architecture (nVidia)
Es una arquitectura de procesamiento en paralelo desarrollada por nVidia,
implementada por primera vez en sus tarjetas gráficas GeForce 8800 GTX a finales
del año 2006.
Sus características principales son éstas:
Soporte para la computación GPGPU, de carácter multipropósito.
Modelo de shaders unificados, permitiendo flexibilidad de uso y balanceo de carga.
Sus ALUs13 permiten operar con precisión simple, lo que facilita la computación
GPGPU.
Programable con el lenguaje CUDA C, similar a C, pero con extensiones específicas.
En el campo de los videojuegos, la GPU puede ser utilizada para calcular datos de tipo
físico como el movimiento del humo, los impactos de proyectiles o el oleaje marino.
Soporte para DirectX 10 y 11, integrados en Windows 7.
Su mayor desventaja es que la API de CUDA es propiedad de nVidia y sólo puede ser
empleada por sus tarjetas gráficas, a diferencia de OpenCL, que es multiplataforma.
Actualmente está presente en las tarjetas gráficas nVidia de la familia Fermi, que se
remplazarán en el año 2012 por las Kepler, las primeras capaces de emplear la API DirectX
11.1.
4.2. GCN o Graphics Core Next (AMD)
Es la base de los desarrollos de AMD principios de 2012 tanto para GPUs dedicadas
como para APUs. Presente en las tarjetas de toda la serie AMD Radeon HD 7000.
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Según AMD, aunque la potencia gráfica sigue siendo un factor determinante, se debe
prestar atención a la capacidad que poseen las GPUs para completar determinadas tareas muy
complejas en una fracción de tiempo del que invertiría una CPU. Lo que pretenden es lograr
unas GPUs que realicen tan rápidamente las operaciones gráficas como las de propósito
general.
Sus características más relevantes son las siguientes:
Computación GPGPU completa, desde su concepción.
Tecnología de 28nm, es decir, menor consumo y mayor velocidad.
Compatible con DirectX 11 y presumiblemente con DirectX 11.1
Programable gracias a los lenguajes C++ AMP y OpenCL.
Aprovechamiento de shaders unificados mejorado, gracias a nuevas unidades de
cálculo.
Esta arquitectura estará presente en todas las tarjetas gráficas de la familia Tahiti, que
serán lanzadas a principios de 2012, si todo marcha según lo previsto.
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CONCLUSIÓN
El objetivo de este tema era claro: conocer los fundamentos de un sistema gráfico. Lo
hemos hecho desde un punto de vista tanto teórico como práctico, siendo ya capaces de
describirlo con cierto nivel de detalle y precisión.
Es importante conocer el camino que recorre la imagen digital y las etapas por las que
pasa dentro de un sistema gráfico, desde que se genera en la GPU hasta que se muestra en el
monitor, pasando por la memoria gráfica en la que se almacena. Está contemplado en el primer
epígrafe.
Posteriormente, han sido expuestas las tecnologías, características y capacidades de
cada uno de los integrantes del sistema gráfico, además del porqué han evolucionado como lo
han hecho. Incluso se han mostrado las tendencias tecnológicas más punteras, como el
concepto de computación GPGPU o las pantallas planas OLED, el futuro inmediato.
Y tanto como conocer cada componente del sistema gráfico, importa el saber cómo medir
su rendimiento. Es decir, poder compararlos entre ellos y con los que están por venir. Las
tablas presentes en el tercer epígrafe nos resultarán muy útiles en esta tarea.
Por último, hemos analizado las arquitecturas gráficas imperantes en la actualidad, las
de nVidia y AMD. Conocemos sus características y sus particularidades, además de los
desarrollos que están por llegar, como la arquitectura GCN de AMD, la revolución de la
computación gráfica.
BIBLIOGRAFÍA COMENTADA
- PATTERSON, DAVID A. y HENNESSY, JOHN L.; "Computer Organization and Design,
The Hardware/Software Interface", 4ª Ed. Morgan Kauffman, 2008.
Uno de los mejores libros sobre arquitectura de computadores. Existen traducciones al español.
- FLOYD T.; "Fundamentos de Sistemas Digitales", 9ª Ed. Prentice Hall, 2006.
El funcionamiento de los sistemas digitales al descubierto, desde el punto de vista físico y lógico.
- SCHOROEDER, W., MARTIN, K. y LORENSEN, B.; "The Visualization Toolkit. An ObjectOriented Approach to 3D Graphics", 4ª Ed. Kitware Inc., 2006.
Un buen libro para conocer cómo se representan los gráficos en 3D y la geometría que necesitan.
- SANDERS, J. y KANDROT, E.; "CUDA by Example. An Introduction to General-Purpose
GPU Programming", 1ª Ed. Addison-Wesley Professional, 2010.
En este libro se analizan todas las perspectivas de desarrollo, presentes y futuras, de las GPGPUs
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WEBGRAFÍA
- http://es.wikipedia.org
En un mundo tan cambiante como el de la informática, la Wikipedia, en constante actualización, se
vuelve casi imprescindible. Ahora bien, hay que saber contrastar la información recogida.
- http://www.nvidia.com/object/cuda_home_new.html
Gran página web creada por nVidia para dar soporte y para que conozcamos su plataforma
- http://www.anandtech.com/show/4455
Una de las mejores webs especializadas en rendimiento gráfico analiza la arquitectura GCN.
- Exploiting the Shader Model 4.0 Architecture
En formato PDF, nos muestra el funcionamiento del modelo de shaders unificados en detalle.
GLOSARIO
(1) RENDERIZADO: Proceso de generar una imagen a partir de un modelo o modelos.
(2) FICHERO DE ESCENA: Contiene información geométrica, vistas, texturas, iluminación
y sombreado de los modelos 3D renderizados, conformando la descripción de la escena
virtual.
(3) PIPELINE GRÁFICA: Conjunto de etapas por las que pasa una imagen 3D para
transformarse en 2D, rasterizada. OpenGL y Direct3D utilizan pipelines semejantes.
(4) SHADER: Tipo de programa que se utiliza para crear efectos gráficos renderizados en los
hardware de tipo gráfico, con un alto grado de flexibilidad que facilita su programación.
(5) RASTERIZACIÓN: Método empleado para convertir una imagen vectorial en una imagen
compuesta por píxeles. Es el mecanismo habitual para visualizar imágenes en una pantalla.
(6) COMA FLOTANTE: Forma de notación científica con la que se pueden representar
números reales extremadamente grandes y pequeños de una manera muy eficiente y
compacta, y con la que se pueden realizar operaciones aritméticas. El estándar actual es el
IEEE 754.
(7) DAC (Digital-to-Analog Converter): Se encarga de convertir la señal digital de la tarjeta
gráfica en una señal RGB analógica. En las pantallas digitales actuales podría prescindirse
de él.
(8) DOUBLE BUFFERING: Técnica gráfica que obtiene una imagen posterior antes de
mostrar otra previa para obtener transiciones más suaves entre ellas.
(9) FSAA (Full Scene Anti-Aliasing): Técnica gráfica que renderiza más píxeles para hacer
una media entre los obtenidos y los nuevos, para mostrar vértices en objetos poligonales
más suaves.
(10) API (Application Programming Interface): Especificaciones en código fuente sobre
cómo deben comunicarse los componentes software. Pueden contener rutinas, clases, etc.
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(11) DIRECT3D: API gráfica impulsada por Microsoft, creada para facilitar el acceso al
hardware gráfico disponible. Actualmente, utilizado en Microsoft Windows 7 y Xbox 360.
(12) OPENGL: API gráfica creada por Silicon Graphics. Es multiplataforma y multilenguaje,
lo que le otorga gran flexibilidad. Dispone de más de 250 instrucciones para efectos 3D.
(13) ALU (Arithmetic-Logic Unit): Circuito digital encargado de calcular operaciones
aritméticas (suma, resta, etc.) y operaciones lógicas (si, no, etc.)
CUESTIONES PARA EL REPASO
1. SE DESEA OBTENER LA SOLUCIÓN PEDIDA EN LAS SIGUIENTES
SITUACIONES:
A) Espacio de memoria ocupado (en bytes) por una imagen 2D, que utiliza una paleta de
colores de 24 bits, double buffering, una resolución de 1920*1200 y una compresión de 3:1.
B) Tasa de transferencia necesaria (en bytes) para mostrar una animación con una compresión
de 10:1, a 24 cuadros por segundo, con una resolución de 1680*1050 y que emplea 65.536
colores.
C) Espacio de memoria ocupado (en bytes) por una imagen 3D sin ningún tipo de efecto
aplicado, de un tamaño de 384*256, con una profundidad de 50, 32 bits de color y un factor de
escala de 2.
2. DESCRIBE LAS ETAPAS POR LAS QUE PASA UNA IMAGEN DESDE SU
ORIGEN HASTA LLEGAR AL MONITOR DEL USUARIO.
3. UN AMIGO QUIERE CAMBIAR DE TARJETA GRÁFICA. NOS HA PEDIDO
CONSEJO SOBRE DOS QUE PUEDEN ENTRAR EN SU PRESUPUESTO. SUS
CARACTERÍSTICAS SON:
Velocidad de Número de Tamaño de Velocidad de Interfaz de
la GPU
shaders
memoria
memoria
memoria
625 Mhz
448
2 Gb
750 Mhz
256 bits
500 Mhz
512
1 Gb
500 Mhz
384 bits
¿CON CUÁL DEBE QUEDARSE? JUSTIFÍCALO.
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֠ PROPUESTAS DE SOLUCIÓN
1. SE DESEA OBTENER LA SOLUCIÓN PEDIDA EN LAS SIGUIENTES
SITUACIONES:
A) Espacio de memoria ocupado (en Kbytes) por una imagen 2D, que utiliza una paleta de
colores de 24 bits, double buffering, una resolución de 1920*1200 y una compresión de 3:1.
La solución es simple, pero hay que ir paso a paso:
Tamaño = Resolución (px) * Color (bits/px) = 1920*1200*24 = 55296000 bits
La técnica de double buffering equivale a representar esa imagen 2 veces, así que:
55296000 bits * 2 = 110592000 bits
Ahora hay que aplicar la compresión efectuada, con un factor de 3 a 1:
110592000 bits / 3 = 36864000 bits
Por último, se deben pasar los bits obtenidos a Kbytes:
36864000 / 8 = 4608000 bytes, lo que equivaldría a 4608000 / 1024 = 4500 Kbytes
B) Tasa de transferencia necesaria (en Kbytes) para mostrar una animación con una
compresión de
10:1, a 24 cuadros por segundo, con una resolución de 1680*1050 y que emplea 65.536
colores.
El número de colores nos lo dan en formato decimal, así que habrá que pasar esa
cantidad a binario para luego obtener el tamaño de imagen: 65.536 = 216 = 16 bits de
color
Tamaño = Resolución (px) * Color (bits) = 1680*1050*16 = 28224000 bits
Reduzcamos ese tamaño a un factor de compresión de 10 a 1:
28224000 / 10 = 2822400 bits
Esa cantidad conformará la información que contiene cada cuadro de imagen o frame,
Como son imágenes en movimiento, dependen de un tiempo:
Tasa de transferencia = Datos (bits/frame) * Cadencia (frames/seg) = frames/seg
(fps)
Por lo tanto:
fps = 2822400*24 = 67737600 bits / 8 = 8467200 bytes / 1024 = 8268,75 KBytes / seg
C) Espacio de memoria ocupado (en Kbytes) por una imagen 3D sin ningún tipo de efecto
aplicado, de un tamaño de 384*256, con una profundidad de 50, 32 bits de color y un factor de
escala 1:2.
Procedamos de forma similar a las anteriores, ya que la imagen no tiene efectos:
Tamaño = Resolución (px) * Color (bits) = 384*256*35 = 3145728 bits
Ahora debemos tener en cuenta que es una imagen con volumen, en 3D.
Tamaño = Tamaño 2D * Profundidad = 3145728*50 = 157286400 bits
Por último, hay que aplicar el factor de escala. En este caso, multiplicativo:
Tamaño = 157286400*2 = 314572800 bits / 8 = 39321600 bytes / 1024 = 38400
Kbytes
Como podemos observar, una imagen 3D ocupa mucho más espacio que una en 2D.
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2. DESCRIBE, A GRANDES RASGOS, LAS ETAPAS POR LAS QUE PASA UNA
IMAGEN 3D DESDE SU ORIGEN HASTA LLEGAR AL MONITOR DEL USUARIO.
El camino que recorre una imagen desde su origen hasta su destino es el siguiente:
1) Una aplicación de usuario requiere que se forme una imagen determinada, que se
renderice. Ejemplos pueden ser una aplicación CAD o un videojuego.
2) La CPU del sistema transfiere los datos del modelo 3D, almacenados en ficheros de
escena, desde la memoria del sistema a los bancos de memoria de la tarjeta gráfica. Se
hace a través de la interfaz gráfica de la placa base, PCI, AGP o PCI-Express.
3) La GPU procederá a procesar los datos geométricos gracias a su pipeline gráfica,
delegando todo este trabajo en su arquitectura de shaders unificados.
4) Los shaders (de píxeles, vértices y geométricos) se hacen cargo de las tareas de
transformación e iluminación, además de los cálculos geométricos que procedan.
5) La geometría de la imágen en 3D se "rompe" en triángulos compuestos por cuartetos de
píxels (2x2), por lo que la imágen ya está en formato 2D, es decir, rasterizadas.
6) La GPU devuelve esta imagen 2D rasterizada a sus bancos de memoria, para proceder a
transferirla hacia el monitor correspondiente.
7) Ahora hay dos posibilidades:
- Si nuestro monitor es de tipo analógico (CRT, por ejemplo) se hará uso del
RAMDAC, que convierte la señal digital de nuestra tarjeta gráfica en analógica, de tipo
RGB. Esto se hace gracias a tres rápidos DACs que almacenan la información de los
tres canales.
- Si nuestro monitor es de tipo digital (LCD u OLED, por ejemplo) la imagen podrá ser
mostrada sin modificación alguna, íntegra. Esto es posible gracias al TMDS.
8) El paso previo antes de que llegue la imagen al monitor es que pase a través del
conector correspondiente. Puede ser de tipo SVGA, DVI, HDMI o Displayport, por
ejemplo.
9) Finalmente, la imagen ya puede ser mostrada por el monitor.
3. UN AMIGO QUIERE CAMBIAR DE TARJETA GRÁFICA. NOS HA PEDIDO
CONSEJO SOBRE DOS QUE PUEDEN ENTRAR EN SU PRESUPUESTO. SUS
CARACTERÍSTICAS SON:
Opción Velocidad Número de Velocidad de Tamaño de Velocidad Interfaz de
de la GPU shaders
los shaders memoria de memoria memoria
A
625 Mhz
448
1,5 Ghz
2 Gb
750 Mhz
256 bits
B
500 Mhz
512
1,45 Ghz
1 Gb
500 Mhz
384 bits
¿CON CUÁL DEBE QUEDARSE? JUSTIFÍCALO.
Tenemos dos opciones para elegir, cada una con diferentes características, por lo que
debemos tener todas ellas en consideración.
La opción A destaca porque tiene bastante más tamaño de memoria, ésta es
considerablemente más rápida y la GPU es también más veloz que en el otro caso,
además de los shaders disponibles.
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Por el contrario, la opción B tiene como puntos fuertes su número de shaders y un
interfaz de memoria de mayor ancho de palabra.
Pues bien, lo que más puede indicarnos por qué opción decantarnos es identificar lo que
se conoce como cuellos de botella. Y una de las medidas que más determina los cuellos
de botella gráficos es el ancho de banda de la memoria, debido a los tamaños de las
texturas que se deben manejar hoy en día. Se calcula de la siguiente forma:
►Ancho de banda = Datos (bits) * Frecuencia (Mhz) ◄
En ambos casos tendremos que:
o A = 256/8 bytes * 750 Mhz = 24 Gb/s
o B = 384/8 bytes * 500 Mhz = 24 Gb/s
Podemos observar que el ancho de banda es idéntico, a pesar de tener características
diferentes, por lo que podemos decir que no será un factor determinante.
Como últimos elementos diferenciales tenemos el tamaño de memoria, la velocidad de
la GPU, la de los shaders y su número. En casi todos esos puntos la opción A es la
mejor, salvo en el número de shaders.
A día de hoy existe una arquitectura de shaders unificada, por lo que cuando se
necesiten más o menos de algún tipo, las tarjetas se encargarán de balancear su carga.
También sabemos que cada día se manejan resoluciones más elevadas que necesitan de
texturas de mayor calidad, lo que conlleva un mayor consumo de memoria.
La diferencia en cuanto a número de shaders es de poco más del 10%, pero la GPU de
la opción A es más rápida y la memoria es del doble de tamaño que la otra, de 2
Gbytes.
El tamaño de memoria será determinante a medio y largo plazo para manejar texturas
de gran tamaño. De nada servirá tener algunos shaders más si la tarjeta no dispone de la
memoria suficiente para almacenar las texturas que deban manejar.
Por lo que es justificable decir que la opción A es mejor, teóricamente, que la B.
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RESUMEN
TEMA 6: SISTEMA GRÁFICO.
6.1. Componentes de un sistema gráfico.
6.2. Tecnologías y características. Modo de funcionamiento.
6.3. Medidas y magnitudes relacionadas.
6.4. Arquitecturas vigentes.
0. INTRODUCCIÓN.
Una tarjeta gráfica es un componente autónomo, enfocado al tratamiento de imágenes.
Dispone de RAM, de un procesador central (GPU) y de conectores para transmitir sus
resultados.
Su objetivo es realizar cálculos gráficos para generar efectos 3D, como sombreados,
iluminación, niebla, etc. Antes, gran parte del proceso gráfico lo hacía la CPU, lo que la
ralentizaba.
Todo esto cambió con la generalización de los ordenadores y el impulso que supuso la
industria de los videojuegos para el mercado de las tarjetas gráficas.
6.1. COMPONENTES DE UN SISTEMA GRÁFICO.
El propósito de una tarjeta gráfica es atender los datos que la CPU le transmite, a través
de la interfaz gráfica situada en la placa base, para mostrarlos por pantalla gracias al
RAMDAC o al TMDS. Uno u otro se emplean en monitores analógicos o digitales,
respectivamente.
Sus componentes principales son:
1) El chip gráfico o GPU, que procesa los datos gráficos requeridos por la CPU.
2) La memoria RAM de la tarjeta, que almacena la información tratada en el fichero de
escena.
3) La pantalla, en la que se mostrarán los resultados solicitados por el usuario.
6.1.1. GPU (Graphics Processing Unit)
Es el chip dedicado a generar imágenes 2D, rasterizadas, a partir de imágenes en 3D.
Esto se
conoce como renderizado. Este proceso es necesario para mostrar los modelos 3D calculados
por la GPU en nuestro monitor, que recordemos, es una superficie bidimensional.
Internamente funciona como una cadena de montaje, conocida como pipeline. Sus
unidades de trabajo son los shaders, que pueden ser de tres tipos: de pixeles, de vértices y de
geometría, aunque a día de hoy se encuentran unificados bajo la arquitectura de modelo único.
El proceso que se lleva a cabo en la pipeline gráfica es el siguiente:
1. La CPU envía instrucciones y datos geométricos a la GPU.
2. Los shaders de vértices hacen transformaciones geométricas y calculan la iluminación.
3. Si en la GPU hay un shader geométrico, se hacen algunos cambios en la geometría.
4. Los datos geométricos son subdivididos en triángulos.
5. Los shaders de píxeles "rompen" esos triángulos en cuartetos de píxeles (2x2).
Las tarjetas gráficas actuales disponen de una o más GPUs para agilizar este proceso, que
en ocasiones se interconectan para incrementar su rendimiento. Pero la situación actual de las
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GPUs se debe no sólo a su aumento de frecuencia y memoria, sino a dos características
fundamentales:
1) Especialización: Mayor circuitería en una única tarea significa mayor eficiencia. Y
están especializadas en calcular valores en coma flotante, necesarios en los gráficos en
3D.
2) Paralelismo: Sus unidades de cálculo (los shaders) son independientes. Esto hace que
su rendimiento sea mucho mayor que el de las CPUs a velocidades similares.
Pero no todas las operaciones son de tipo numérico ni susceptibles de paralelismo de
ejecución, las preferidas por los procesadores gráficos. Las CPUs facilitan la reutilización de
datos y son las preferidas en el resto de operaciones.
En procesamiento gráfico sus tareas son:
CPU: Mueve puntos en memoria, en una única dimensión.
GPU: Dota a esos puntos de dimensión y movimiento vectorial.
6.1.2. La memoria gráfica
Una tarjeta gráfica necesita su propia memoria, lo más rápida y del mayor tamaño
posible, porque muestra imágenes en movimiento que necesitan de fluidez.
La memoria empleada en una imagen en 2D se puede calcular gracias a la siguiente
fórmula:
► Memoria empleada (bits) = resolución de pantalla (píxeles) * color (bits / píxel) ◄
Pero son las imágenes 3D las que emplean la mayor parte de la memoria. y en particular
las texturas y todo lo relacionado con ellas, como relieves, sombreados, etc. La memoria que
emplean varía sobremanera, dependiendo de su número, de su resolución, de su compresión,
etc.
6.1.3. El monitor
Es el dispositivo encargado de mostrar las imágenes generadas por el ordenador, tras ser
procesadas por la GPU. Los datos de las imágenes le llegan a través de:
a) RAMDAC: Combinación de tres DACs. Cada valor RGB se almacena en un DAC,
cuyas salidas van hacia el monitor y por último a uno de sus tres cañones o
equivalentes.
b) TMDS: Transmite datos en serie a alta velocidad. Se utiliza en los interfaces de vídeo
digital. Reduce las interferencias electromagnéticas, mejorando su señal y los costes.
Hoy en día, la señal digital puede viajar íntegra desde la fuente (la tarjeta gráfica) hasta el
destino (la pantalla), lo que redunda en una gran pureza de visionado.
Los estándares de conexión empleados actualmente son:
SVGA: Sufre de ruido eléctrico y distorsión en la señal enviada.
DVI: Diseñado para obtener calidad de visualización en pantallas digitales.
HDMI: Estándar A/V digital. Alta resolución y compatibilidad.
DisplayPort: Estándar A/V digital abierto. Más rápida y barato que HDMI.
6.2. TECNOLOGÍAS Y CARACTERÍSTICAS. MODO DE FUNCIONAMIENTO.
6.2.1. Las GPUS
6.2.1.1. Dedicadas
Poseen su propia RAM y no están necesariamente integradas en una tarjeta gráfica. Las
más potentes son de esta clase, porque pueden diseñarse con el rendimiento como único
objetivo.
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Además, pueden ser interconectadas, para mejorar su rendimiento gráfico, aunque no
llegan a sumar sus rendimientos. Las alternativas Multi-GPU existentes a día de hoy son:
SLI: De nVidia. Es teóricamente posible doblar la potencia gráfica con una tarjeta
gemela.
CrossFire: De AMD-ATI. Es capaz de interconectar tarjetas distintas del mismo
fabricante.
6.2.1.2. Integradas
Son la que utilizan parte de la RAM principal del ordenador. Este hecho las ralentizará
sobremanera, ya que tendrán que competir por la memoria con el resto de componentes.
Y son más baratas de implementar, pero a costa de ser menos capaces. Muchas adolecen
de las capacidades de transformación e iluminación, ralentizando la CPU al delegar en ella
dichas tareas.
6.2.1.3. Híbridas
Se estima que para el 2014 el 80% de los ordenadores dispondrán de una solución de este
tipo. La idea que las rodea es simple: fusionar las CPUs y las GPUs para establecer sinergias
de rendimiento. Es decir, sacar partido de las cualidades de cada una de ellas.
Basándose en este concepto, AMD ha desarrollado lo que se conoce como APU, un chip
que aglutina la lógica de la CPU, la GPU y el Northbridge.
Ésto conlleva múltiples ventajas, entre las que destacan su potencia, rapidez, consumo y
coste, todo ello derivado de la posibilidad de aprovechar lo mejor de cada uno de sus
integrantes.
6.2.2. La memoria gráfica
Aunque hubo diferentes tipologías, hoy podemos decir que la GDDR-SDRAM es la
dominadora. Sus características las determinada el organismo conocido como JEDEC.
Sus evoluciones (actualmente la 5ª) se han centrado en mejorar la velocidad y el
consumo.
6.2.3. Los monitores
6.2.3.1. CRT
Están basados en la emisión de un haz de electrones a través de un tubo de rayos
catódicos. Su bajo coste ha hecho que dominasen el mercado hasta la llegada de los más
evolucionados LCD.
6.2.3.2. LCD
Están formados por píxeles delante de una fuente de luz o reflectora, que los hace
visibles.
Existen diversas variantes, pero las más importantes son:
DSTN: Matriz pasiva. Bajo coste y consumo. Pobre contraste, ángulos y latencias.
TFT: Matriz activa. Contraste, brillo y refresco excelentes. Posibles píxeles muertos.
LED: Retroiluminación por LEDs. Eficiencia energética, mejor contraste y durabilidad.
6.2.3.3. OLED
Son LEDs basados en una película de compuestos orgánicos electrosensibles. Por ello, no
necesitan retroiluminación, lo que les otorga un consumo mucho más bajo, además de un
mayor contraste, ligereza y menores latencias a la hora de mostrar una imagen.
Pero aún tienen problemas de durabilidad, color y burn-in. Y sensibilidad al agua y a los
uV.
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6.3. MEDIDAS Y MAGNITUDES RELACIONADAS.
Las magnitudes relacionadas con el sistema gráfico que nos interesan son:
Hercio (Hz) = Instrucciones máquina / segundo → Velocidad de una GPU
FLOPS = Cálculos en coma flotante / segundo → Potencia de cálculo de una GPU
Bps = Bits / segundo (ancho de banda) → Velocidad de una memoria
W / h = Energía consumida → Consumo de una GPU o monitor
Píxels (Px) = Tamaño de una imagen → Resolución de una GPU o monitor
Candelas / m2 (Cd / m2) = Luminosidad → Brillo de un monitor
Pulgadas = Tamaño → Medidas de la pantalla de un monitor
Grados (º) = Ángulos → Visibilidad de un monitor
Kilogramos (kg) = Masa → Peso de un monitor
Y algunos múltiplos informáticos interesantes son:
tera (T) = 1012 giga (G) = 109 mega (M) = 106 kilo (K) = 103
byte (B) = 8 bits
6.3.1. Las GPUs y la memoria gráfica
Están íntimamente relacionadas en cuanto al rendimiento gráfico, porque cada uno de los
parámetros que conforman una tarjeta gráfica depende de los demás, pudiendo aparecer cuellos
de botella. Este fenómeno se produce cuando la capacidad de un sistema está limitado por uno
o varios componentes-recursos del mismo. Es posible evitarlo centrándonos en esa limitación.
Es muy útil establecer un símil entre ellas y una autopista imaginaria. El número de
carriles, los límites de velocidad o las características de nuestro vehículo influirán en la fluidez
del tráfico.
Teniendo esto en cuenta, podemos intuir en qué fijarnos al elegir GPU:
Frecuencia
Tasa de relleno
Fab. Núcleos Procesadores
Shaders
(Mhz)
GFLOPs TDP
Núcleo Shaders Pixels Texturas
(nm)
stream
(Vert/Geo/Pix)
(vatios)
(GP/s) (GT/s)
40
1
14
448:56:40
732
1464
29,28
40,99
1311,7
210
En cuanto a la memoria, los datos más relevantes son:
Frecuencia Ancho de banda
(Mhz)
(GB/s)
3800
152
Tipo
Ancho de bus
(bit)
GDDR5
320
6.3.2. Los monitores
Lo más importante es la calidad de imagen. Hay que tener en cuenta los siguientes datos:
Tecnología
Resolución (px)
Si optamos por un LCD, es interesante saber si es TFT o LED.
Mayor resolución significa más objetos en pantalla.
Ángulo de visión (º)
Si no se va a ver la pantalla de frente, conviene conocer este dato.
Luminancia (cd/m2)
Un mayor brillo es importante para realzar las imágenes.
Tiempo de respuesta (ms)
Si no queremos que aparezcan "estelas", este punto es importante.
Contraste (x:y)
Proporción entre un píxel negro a uno blanco. Ha de ser elevada.
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Dimensiones y Peso
Consumo (W/h)
Precio (€)
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Los LCD han mejorado mucho estos apartados. Menos es más.
Las últimas tecnologías cuidan mucho este apartado.
Quizá el factor más determinante a la hora de elegir monitor...
6.4. ARQUITECTURAS VIGENTES.
Han sufrido una evolución vertiginosa, con una competencia feroz. Existen dos
fabricantes relevantes: nVidia y AMD. Su objetivo es el mismo, un mayor rendimiento gráfico,
pero actualmente están siguiendo caminos diferentes. Ésto se debe a dos hitos:
El modelo de shaders unificados: Todos los tipos de shaders pueden trabajar en
cualquier tarea indistintamente. Esto facilita la programación y el aprovechamiento de
los recursos.
El concepto de GPGPU: Se intenta aprovechar la potencia de cálculo de las GPUs en
tareas que no sean gráficas. Ha sido el germen del deseo de fusionar CPUs y GPUs.
nVidia y AMD implementan dichos conceptos, aunque su situación difiere:
CUDA (nVidia): GPGPU. Shaders unificados. Lenguaje CUDA C. DirectX 10 y 11.1.
GCN (AMD): 28 nm. GPGPU completa. Shaders unificados. OpenCL. DirectX 11.
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