Videokaart

Videokaart (ka graafikakaart, graafikakiirendi, kuvaadapter, videoadapter, graafikaadapter) on arvuti laienduskaart ja seade, mis muundab mälus oleva kujutise kuvarile arusaadavaks signaaliks.

Võib öelda, et videokaart on omalaadne "tõlk", mis võtab protsessorilt kahendsüsteemis andmed ja teisendab need pildiks, mida kasutaja kuvarilt näha võib. Kujutise loomine kahendsüsteemi andmetest on nõudlik protsess. Ruumilise 3D-kujutise loomiseks peab videokaart esmalt looma juhtraamistiku sirgjoontest, mis seejärel rasterdatakse (täidetakse järelejäänud pikslid) ning lisatakse valgustus, tekstuur ja värvid. Nõudlike graafiliste rakenduste puhul peab arvuti tegema seda protsessi kuni kuuskümmend korda sekundis. Ilma videokaardita poleks paljud arvutid võimelised sellist hulka arvutusi tegema.

EGA standardi tulekuga oskasid videokaardid saata digitaalsignaali otse kuvarile, kus see muundati elektronkiiretorule vajalikuks analoogsignaaliks. EGA-le järgnenud uut standardit – VGA-d – toetav videokaart oskas väljastada juba analoogsignaali. Tänu vedelkristallkuvarite laialdasele kasutamisele väljastab tänapäevane videokaart nii analoog- kui ka digitaalsignaali. Uued videokaardid oskavad peale oma põhiülesande täita ka lisafunktsioone, võimaldades näiteks kolmemõõtmelise ja kahemõõtmelise arvutigraafika kiirendatud renderdamist ning MPEG-4 dekodeerimist. Muid suure jõudlusega videokaarte kasutatakse graafiliselt nõudlike protsesside läbiviimiseks, näiteks nõudlike arvutimängude mängimiseks.

Osa videokaarte on integreeritud emaplaadile, mis on tavaline sülearvutite puhul. Sel juhul on graafikaprotsessoril endal väga väike hulk mälu ja videokaart kasutab osa arvuti muutmälust, vähendades sellega vaba muutmälu hulka. Sellised integreeritud videokaardid on tavaliselt väikese jõudlusega ega ole seetõttu nõudlikumate kasutajate hulgas populaarsed. Tänapäeval on integreeritud graafikakaart siiski võimeline paljusid mänge väga ilusti mängima ning tavakasutuses, kui astuda eemale kõige uuematest või halvasti optimeeritud mängudest on uuemate integreeritud graafikate korral siiski tegemist väga korraliku kiibiga. Integreerimata ehk eraldiseisvad videokaardid omavad erinevalt integreeritud videokaartidest oma muutmälu ja graafikaprotsessorit, mis on spetsiaalselt mõeldud kujutiste töötlemiseks ning seeläbi vähendavad arvuti protsessori koormust. Väiksest jõudlusest hoolimata on 95%-l tänapäeval müüdavatest arvutitest integreeritud videokaart, mis jätab kasutaja enda otsustada, kas lisada täiendav videokaart või mitte.

Ajalugu

Videokaardid on läbi käinud pika tee alates sellest, kui IBM esitles esimest esindajat 1981. aastal enda arvutiga IBM PC. Monokroomse kuvaadapteri nime (Monochrome Display Adapter – MDA) kandev kaart omas 4 kB mälu ning oskas väljastada teksti näitavale kuvarile rohelist või valget teksti mustal taustal. 1987. aastal ilmus videokaartide maailma uus standard – VGA (Video Graphics Array). VGA standard sai vägagi laialt levinuks ja viis paljude nimekate firmade, näiteks ATI, S3 ja Cirrus Logic, loomiseni. VGA standardile järgnes juba Super VGA standard, mille eeliseks VGA ees oli parem lahutus, rohkem värve ja suur hulk mälu (2 MB). Aastal 1995 väljastati esimesed 2D- ja 3D-videokaardid, mis võimaldasid 3D-funktsioone. Need videokaardid olid arendatud firmade Matrox, Creative, S3 ja ATI poolt. Aastal 1997 lõi ettevõte 3dfx esimese graafikaprotsessori Voodoo, mis oli enda aja kohta väga võimas ning oskas kasutada 3D-efekte. Varsti pärast Voodoo ilmumist tõi 3dfx turule uue graafikaprotsessori Voodoo2, mille peale 3dfx konkurent NVIDIA tõi turule enda graafikaprotsessorid (TNT, TNT2). Samal ajal lõi Intel kiirendatud graafikapordi AGP, mis täitis tühimiku videokaardi ja mikroprotsessorite vahel. NVIDIA jätkas videokaartide turu vallutamist ja aastal 1999 muutus NVIDIA maailma peamiseks videokaartide tootjaks. Aastatel 1999–2001 olid põhiliselt fokuseeritud 3D-graafikat puudutavate algoritmide täiustamisele. Mõne aja möödudes võeti videokaartides kasutusele ka DDR tehnoloogia, kuna nähti vajadust suurendada andmete edastamise kiirust videokaardi mälu ja graafikaprotsessori vahel. DDR-i tulekuga suurenesid mälumahud 32 megabaidilt 128 megabaidini.

Umbes 2010 ja hiljem toodetud kaardid omasid QXGA (Quantum Extended Graphics Array), võimalusi kuvada miljoneid värve pildilahutusel kuni 2040 × 1536 pikslit. Tänapäeval on olemas 7680 x 4320 piksliga kuvareid/ekraane, mis on suutelised näitama ligikaudu miljard värvitooni ning kasutavad ühenduseks kuni kahte DisplayPort ühendust maksimaalseks värskendamise kiiruseks.

Tootjad

Integreeritud kaartide poolest on suuremad tootjad Intel, AMD ning eraldiseisvate graafikakaartide poolest on suurimad tootjad Nvidia, AMD. Need kuldsed kolm omavad enamus maailma graafikaturust, kus AMD on osa nii integreeritud kaartidest kui ka eraldiseisvate kaartide osas. Kuigi mõlema firma puhul tellitakse enamus kiipe TSMC-lt ehk Taiwan Semiconductor Manufacturing Company käest. Firmad nagu ASUS, Gigabyte, MSI toodavad oma versioone Nvidia või AMD eraldiseisvatest kaartidest näiteks uuendades või tehes paremaks jahutust, toiteülekannet.

Mitme kaardi skaleerimine

Mõned, aga mitte kõik kaardid on võimalik ühendada läbi PCIe siinide või enamasti läbi ekstra ühenduse kahe kaardi vahel näiteks AMD-l CrossFireX ja Nvidia-lt SLI ja hiljem uuem versioon NVLink. Ühendatavad kaardid peavad olema samat liiki kaardid ning võrdlemisi võimsamad kaardid antud generatsioonist, et olla võimelised üksteisega ühenduma. Lühidalt kaarte erinevatelt tootjatelt või erinevate arhitektuuridega ei ole võimalik ühendada. Kaarte ühendades erineva mälu suuruse puhul kasutatakse madalamat mälu suurust. Kaarte on võimalik kuni 4 tükki kokku ühendada näiteks GeForce GTX 590 puhul on õige emaplaadi puhul see võimalik. Kasutus selliste mitme kaardi lahenduste jaoks on näiteks video kiirendamine, tehisintellekti arendamine/simuleerimine ning 3D-renderdamine.

Ühendamine

Personaalarvuti videokaart ühendatakse emaplaadi ISA, MCA, VLB, PCI, AGP, PCI-X või PCI-Expressi siiniga. Seni on levinuim ühendusviis PCI-Expressi ühendus. Videokaardi väljundi saamiseks ühendatakse videokaart kuvariga VGA-, DVI-, S-Video, DMS-59-, HDMI- või DisplayPorti liidese kaudu. Enamikul neist ühendustest on ka mini- või micro-versiooni (mini-HDMI,mini DisplayPort). Uuemad kuvarid kasutavad enamjaolt HDMI, DisplayPort, USB Type-C ühendusi, kuid vanemad kuvarid on endiselt väga levinud ja vanematel arvutitel protsessorisse sisse ehitatud graafika enamjaolt ei toetanud veel uuemaid liike ehk seal on levinud VGA, DVI ühendused.

Ühendused

Kõige tavalisemad ühendused videokaardi ja kuvari vahel:

Vasakult paremale: Video In Video Out S-Video jaoks, DVI HDTV jaoks ja DE-15 VGA jaoks

Ehitus

Graafikaprotsessor

Pikemalt artiklis Graafikaprotsessor

Graafikakaardi protsessor (ingl Graphics Processing Unit – GPU) teostab graafika viimistlemiseks vajalikke keerulisi matemaatilisi ja geomeetrilisi arvutusi. Lisaks oma töötlusvõimsusele kasutab graafikaprotsessor (GPU) eriprogrammeerimisviisi abi andmete analüüsiks ja kasutamiseks. Kujutise kvaliteedi parandamiseks kasutab graafikaprotsessor:

täisstseenset antiaalias põhimõtet (full scene anti aliasing – FSAA), mis muudab kolmemõõtmeliste objektide servad sujuvamaks;
anisotroopset filtreerimist (anisotropic filtering – AF), mis muudab kujutise selgemaks ja teravamaks.

Videokaardil ei pea tingimata olema ainult üks GPU, moodsamatel kaartidel võib neid ka rohkem olla. Ülekuumenemise vältimiseks on GPU tavaliselt varustatud radiaatori või jahutusventilaatoriga. Graafikaprotsessor vähendab oma tööga arvuti keskprotsessori töökoormust.

RAMDAC

RAMDAC on videokaardil asuv RAM-i kiip, mis muudab digitaalsignaali analoogsignaaliks. RAMDAC reguleerib videokaardi funktsioone. Sõltuvalt RAMDAC-is kasutusel olevatest bittide arvust ja andmevahetuskiirusest, suudab RAMDAC toetada erinevaid värskendussagedusi. Mõnel kaardil on lausa mitu RAMDAC-i, mis võimaldavad suurendada tootlikkust ja ühendada kaardiga rohkem kui ühe kuvari. RAMDAC saadab lõpliku pildi läbi kaabli kuvarisse. CRT-kuvarite puhul on väga oluline hoida värskendussagedust kõrgemal kui 75 Hz, kuna sellest madalam värskendussagedus väsitab "värisemise" tõttu liigselt silmi. Tehnoloogilise erinevuse tõttu ei ole "värisemine" LCD-kuvarite puhul probleemiks. Digitaalsete kuvarite populaarsuse kasvu tõttu integreeritakse RAMDAC GPU sisse, mistõttu on ta iseseisva osana kadumas. Kõik tänapäevased LCD-d, plasmakuvarid ja telerid töötavad digitaalsignaalil, mistõttu nad ei vaja RAMDAC-i olemasolu.

Video BIOS

Video BIOS on lihtne (ning tavaliselt kasutaja eest peidetud) programm, mis juhib videokaardi operatsioone ning sisaldab juhendeid selleks, et arvuti ja tarkvara saaksid suhelda videokaardiga. Video BIOS võib sisaldada informatsiooni videokaardi mälu viiteaegade, graafikaprotsessori töökiiruse ja voltide ning muude videokaardiga seonduvate parameetrite kohta. Mõned spetsialistid otsustavad parandada oma arvuti graafikakaardi tootlikkust seades käsitsi läbi Video BIOS-i sätete graafikaprotsessori kella kiiruse suuremaks, see on tuntud kui juurdekruttimine (overclocking). Tänapäevasemad kaardid on võimelised ka ise mingil määral oma taktsagedust muutma olenevalt jahutusele või kui jahutus on halvenenud, siis madaldama taktsagedust (downclocking). Tavaliselt siiski krutitakse juurde mälu sagedust, sest GPU kella kruttimine võib põhjustada GPU ülekuumenemise, mis võib halval juhul teha taastumatut kahju videokaardile. Kuigi juurdekruttimine võib parandada tootlikkust, muudab see ka tootja garantii kehtetuks, sest kaardi tootja annab garantii ainult tootja poolt seadistatud töörežiimi kohta.

Videokaardi muutmälu

Tüüp	Taktsagedus (MHz)	Ribalaius (GB/s)
DDR	166–950	1.2 – 30.4
DDR2	533–1000	8.5 – 16
GDDR3	700–2400	5.6 – 156.6
GDDR4	2000–4000	128–256
GDDR5	3400–5600	130–230
GDDR5X	1000–1750	160-673
GDDR6	1365-1770	336-672

Kui graafikaprotsessor loob kujutise, siis ta vajab kohta, kus hoida infot lõpetatud piltide kohta. Selleks kasutab ta videokaardi mälu (RAM), ladustades andmed iga piksli, tema värvi ja asukoha kohta ekraanil. Osa mälust (RAM) võib täita raampuhvri rolli, see tähendab, et hoitakse lõpetatud kujutisi, kuni saabub aeg neid kuvada. Tüüpiliselt töötab videomälu (RAM) väga suurel kiirusel ja omab "kahepoolset sadamakaid," see tähendab, et süsteem võib andmeid lugeda ja kirjutada üheaegselt. Operatiivmälu (RAM) on ühendatud digitaal-analoogmuunduriga (digital-to-analog converter – DAC), mida tuntakse ka RAMDAC-ina, mis tõlgib kujutise kuvarile mõistetavaks analoogsignaaliks. Videokaartide muutmälu maht on vahemikus 128 MB kuni 24 GB. Tavaliselt kasutavad videokaardid spetsiaalset ja kiiret muutmälu, näiteks VRAMi, WRAMi, SGRAMi jne. Aastal 2003 baseerus videokaartides kasutusel olev muutmälu DDR-tehnoloogial. Aja möödudes on videokaartide tootjad läinud üle uutele ja palju kiirematele tehnoloogiatele, näiteks DDR2, GDDR3, GDDR4, GDDR5, GDDR6. Laiatarbekasutuses olevate videokaartide mälude taktsammud on vahemikus 400 MHz kuni 5.6 GHz.

Elektritarve

Videokaartide arvutusvõimsuse kasvamise tõttu on suurenenud ka nende elektritarve. Kuna protsessorite ja toiteplokkide tootjad on läinud efektiivsuse suurendamise teed, on videokaart muutunud arvutis kõige suuremaks elektritarbijaks. Moodsad videokaardid, mille elektritarve on suurem kui 75 W, mis on maksimaalne võimsus mida saab üle PCI-Express siini, omavad seetõttu kuue- või kaheksaklemmilisi ühenduspesi, et saada tööks vajalik elektrienergia otse arvuti toiteplokist. Uuemaid kaarte vaadates näiteks RTX 3090 on mõõdetud kasutama kuni 600 W maksimaalse võimsuse tippudel ning võib vajada kuni kolme 8-klemmist ühendust, et toita ära kaardi maksimaalne vajadus. Kui vaadata integreeritud kaarte ning protsessoreid, siis isegi nende jahutusseadmed kui ka protsessor võivad vajada maksimaalse võimsuse puhul lisa jõudu näiteks overclock-imisel ehk kiirendamisel, mida on võimalik saavutada 4 või 8 klemmilise ühendusega emaplaadil protsessori läheduses.

Füüsiline ehitus ja areng

Iseseisvad graafikakaardid alustasid väiksena ning olid ehituselt suhteliselt lihtsad näiteks ATI VGA Wonder 1988 nime kandev kaart mis omas eraldusvõimet kuni 800x600 ja kuni 16 biti jagu värve ning oli võimalik asetada IBM PC-isse. Graafikakaartide liikumine 2D-lt 3D-le muutis kaardi ehituse tunduvalt keerulisemaks ja suurenes ka komponentide hulk, näiteks 3Dfx Voodoo 1 - 1996. aastal tõi ekraanilahutusel 640x480 endaga kaasa tõelise 3D-graafika. Pärast 3Dfx pankrotistumist olid suuremad tootjad NVIDIA ja ATI. 3D-graafika oli arenenud juba vägakaugele ning NVIDIA GeForce 6. 2004 seeria puhul on näha juba kaartide laienemist ning jahutuse tähtsust üleüldise kaardi ehituse juures. 2008. aastal oli AMD Radeon HD 4000 juba saavutanud praktiliselt 3 korda laiema kaardi kui esimesed väljatulnud kaardid, mis ei omanud veel aktiivset jahutust. Pärast seda on kaardid jäänud suuruselt suhteliselt samaks, vahepeal toimunud muutus analoog signaali asemel digitaalsele ei muutunud graafikakaartide suurus sugugi palju. Uusim ja suurim muutus pärast aktiivse jahutuse esimest korda kasutusele tulemist oleks kindlasti NVIDIA RTX seeria. RTX Seeriast näiteks 3090 suurused 336 mm x 140 mm x 61 mm on üks suurimaid ja ka kuumemaid kaarte praegu. Praegusel kaevandamise ajastul asetatakse RTX 3090 plaadi teisele poole veel ekstra passiivseid jahuteid, et proovida hoida kaarti alla 90 kraadi Celsiuse.

Jahutusseadmed

Kuna videokaartide elektritarve on üha suurenenud, on kasvanud ka videokaartide eraldatava soojuse hulk. Kui see soojus kasvab liiga suureks, võib videokaart üle kuumeneda ja lõpuks lakata töötamast. Uuemad kaardid on võimelised reguleerima oma taktsagedust ning sellega limiteerima enda tööd juhul, kui jahutus on halvenenud. Seepärast kasutatakse videokaartidel erinevaid jahutusseadmeid, et suunata töö käigus tekkiv kuumus videokaardist eemale. Graafikakaartide jahutus seadmed on teinud läbi suuri arenguid ning tänapäevastel kaartidel on väga populaarne, et jahutus osa kaardis aktiivse jahutuse korral on kuni 4 korda laiem kui kaart ise. Kolm levinud jahutusseadmete tüüpi, mis on kasutusel videokaartide juures, on järgmised:

radiaator – passiivne jahutusseade. Suunab kuumuse videokaardilt eemale, kasutades soojusjuhtivat metalli (tavaliselt tehtud alumiiniumist või vasest). Õhk (või mõnel juhul vesi) toimib seejärel soojusvahetina, mis viib kuumuse videokaardist eemale.
ventilaator – aktiivne jahutusseade. Ventilaatorid on tavaliselt kasutuses radiaatoritega, suurendades seeläbi soojusülekande efektiivsust. Liikuvate osade tõttu vajab ventilaator püsivat hooldust.
vesijahutus – videokaardil on asendatud aktiivne jahutusseade veeplokiga, milles vesi liigub ja jahutab kaarti. Enamasti tuleb veeplokist välja 2 toru, üks torudest saadab enamasti vee plokki ning teisest jookseb vesi edasi jahutusradiaatorisse. Jahutusradiaator on enamasti aktiivne jahutusseade, mis omab ühte või enamat ventilaatorit ning sealt jookseb vesi edasi veehoidlasse kus see pumbatakse tagasi veeplokki.

Videokaardi tarkvara

DirectX ja OpenGL

DirectX ja OpenGL on rakendusprogrammilised kasutajaliidesed ehk API-d. API võimaldab riistvara ja tarkvara siduda efektiivsemalt keerukamate toimingute sooritamiseks, nagu näiteks 3D- graafiliste kujutiste viimistlus. Videokaartide arendajad optimeerivad intensiivse graafikakasutusega mänge tihti spetsiifilise API jaoks, mis on ka põhjuseks, miks uusimad mängud nõuavad sageli uuendatud DirectX või Open GL versioone korrektseks töötamiseks. 2020. aastal on uusim kasutatav DirectX Ultimate versioon 12 ehk DirectX 12 Ultimate.

Vulkan

Tegemist on 3D-graafika ja arvutusrakendusliidesega, mis võimaldab reaalajas 3D-graafikat kuvada näiteks mängud ja interaktiivne meedia. Vulkan on 2014 esimest korda päevavalgust näinud graafika API, mis sai võimu juurde AMD, DICE toel. Vulkan võimaldab madalamat protsessori ja graafikakaardi kasutust suurema tulemuse nimel ning toetab paljusid populaarsemaid operatsiooni süsteeme näiteks Windows 7-11, Linux, macOS, Android, IOS.

Draiver

Draiver on tarkvaraline programmijupp, mis seletab videokaardile, mida ta peab joonistama. Kui rakendus teatab operatsioonisüsteemi vahendusel, et aken A on tarvis viia punktist B punkti C, siis kuvaadapterile arusaadavasse keelde tõlgib selle just draiver. Draiver sisaldab infot käskudest, mida graafikaprotsessor on võimeline täitma ja mida mitte, ehk millised pildiosad on võimeline ta ise välja arvutama ja millised on vaja jätta protsessorile. Süsteemi töökiiruse ja võimaluste seisukohalt on draiveril oluline tähtsus. Sageli on videokaardi või operatsioonisüsteemiga kaasas mitu draiverit, iga eraldusvõime ja värvussügavuse jaoks oma – järelikult võivad ka videokaardi võimalused eri režiimides erineda, olenevalt konkreetsest draiverist.