História vývoja grafických kariet

Možno žiadna zo súčastí počítača nie je predmetom takého uctievania ako grafický adaptér pre PC. Prívržencami tohto kultu sú početní fanúšikovia počítačových hier, ktorí môžu bez váhania utratiť značné množstvo peňazí za ďalšiu aktualizáciu kvôli nádhernému plynulému obrazu. Tieto peniaze neustále podnecujú vývoj nových a výkonnejších adaptérov: a tieto zariadenia sa vyvíjajú oveľa rýchlejšie ako centrálne procesorové jednotky. Len pred 30 rokmi si to však nikto nemohol predstaviť. Obráťme sa do tých čias a zvážme, ako sa to všetko začalo.

Žiadna grafika

Za prvú grafickú kartu pre PC sa považuje grafický adaptér MDA (Monochrome Display Adapter), ktorý bol súčasťou slávneho IBM PC (1981), zakladateľa rodiny počítačov kompatibilných s PC. Na rozdiel od svojich predchodcov, integrovaný do hlavnej dosky počítača, bol produkt IBM MDA zostavený na vlastnej doske a nainštalovaný do slotu univerzálnej zbernice XT. V skutočnosti išlo o jednoduchý radič videa, ktorý na displeji zobrazuje obsah videopamäte. Dokonca chýbal povinný RAMDAC pre neskoršie adaptéry z jednoduchého dôvodu, že signál generovaný MDA pre monitor bol digitálny. Okrem samotného čipu video radiča niesla doska MDA 4 KB videopamäte, čip ROM s písmom a generátor hodín.

Je zaujímavé, že prvý grafický adaptér pre IBM PC bol úplne textový, t.j. nemal grafický režim činnosti. Zároveň väčšina počítačov tých rokov vedela pracovať s grafikou. Čo spôsobilo také ignorovanie grafiky zo strany IBM? Ide o polohovanie. V tých rokoch bola schopnosť „kresliť“ počítačom na obrazovke silne spojená s hrami a inými ľahkovážnymi činnosťami a z pohľadu spoločnosti bol biznis počítač úplne zbytočný.

Čo urobil MDA? Na svoju dobu dosť veľa. Na obrazovke monitora dokázal zobraziť 25 riadkov po 80 znakoch a každý znak obsadil maticu pixelov 9x14. Inými slovami, poskytovalo rozlíšenie 720x350 pixelov, takže text, ktorý zobrazoval, mal vysoké rozlíšenie, ktoré konkurenti nedokázali. Každá postava môže mať navyše jeden z piatich atribútov: normálny, podčiarknutý, jasný, blikajúci, inverzný. MDA sa samozrejme používal výhradne s čiernobielymi (jednofarebnými) monitormi. Ďalšou vlastnosťou adaptéra bola prítomnosť portu tlačiarne na ňom, čo používateľom ušetrilo asi 100 dolárov, čo stálo samostatný radič.

Frivolný brat

Počítač IBM PC by si však nezískal takú popularitu, keby nemal grafické možnosti. Pre menej vážne použitie svojho PC pripravila spoločnosť IBM ďalší grafický adaptér s názvom CGA (Color Graphics Adapter), ktorý bol uvedený na trh v tom istom roku 1981. Keďže CGA neposkytovalo také vysoké rozlíšenie obrazu, ako MDA, mohlo pracovať v mnohých rôznych režimoch - v textovom aj grafickom, pre ktoré bolo potrebné vybaviť ho 16 kB videopamäte.

Rovnako ako MDA, aj CGA dokázala zobraziť 25 riadkov s 80 alebo 40 znakmi, ale rozlíšenie každého znaku bolo iba 8x8 pixelov. Ale symboly môžu mať 16 rôznych farieb.

Grafika CGA sa mohla zobrazovať v jednom z troch režimov: 640 x 200 s 1-bitovou farbou (čiernobiely režim), 320 x 200 pixelov s 2-bitovou farbou (4 farby), 160 x 100 pixelov so 4-bitovou farbou (16 farieb). Posledná z nich bola technicky emulácia grafiky pomocou textového režimu (t. J. Pixely boli simulované znakmi, ktoré boli do polovice vyplnené štvorcom s rozmermi 8 x 8 pixelov).

Adaptér CGA bol vybavený rovnakým 9-kolíkovým portom ako MDA a tiež prenášal digitálne video, pričom mal aj kompozitný výstup pre pripojenie k farebnému televízoru. Mohol pracovať s konvenčným monochromatickým MDA displejom. Táto kompatibilita pokračovala až do pokročilejšej EGA, ktorá vyšla v roku 1984.

Viac farieb, viac definícií

Vývoj grafických adaptérov teda šiel cestou zvyšovania rozlíšenia a farby obrazu. EGA (Enhanced Graphics Adapter, 1984) dokázal zobraziť grafiku s rozlíšením 640x350 pixelov pri 4-bitových farbách (16 farieb). Množstvo video pamäte sa zvýšilo najskôr na 64 kb a potom na 256 kb, čo umožnilo EGA pracovať s niekoľkými stránkami video pamäte. To poskytlo určité grafické zrýchlenie: procesor mohol generovať niekoľko obrazových snímok naraz.

Teraz to znie čudne, ale také primitívne video adaptéry kraľujú na trhu už roky. Až do roku 1987 teda neboli pravidlá EGA na PC kompatibilných s počítačmi nespochybniteľné a používatelia si nedokázali predstaviť, čo môže byť lepšie. Čo sa stalo v roku 1987? Objavila sa VGA.

Nový grafický adaptér bol pôvodne určený pre novú generáciu počítačov IBM PS / 2. Táto rodina, v ktorej dizajne sa vývojári odchyľovali od princípov otvorenej architektúry, na trhu skutočne zlyhala, ale veľa uplatnených riešení v nej dostalo štart v Life. MCGA (Multi-Color Graphics Array), najnovší grafický adaptér zabudovaný do základnej dosky počítačov PS / 2, bol čoskoro uvedený na trh ako karta pre zbernicu ISA a volal sa VGA (Video Graphics Array).

Nový produkt poskytoval grafický výstup v rozlíšení 640x480 pixelov s 16 farbami alebo 320x240 pixelov v 8-bitových farbách (256 farieb). Už to vyzeralo trochu ako niečo fotorealistické. Keďže adaptér bol pôvodne vyvinutý pre nekompatibilný systém PS / 2, jeho vývojári pre neho bez akýchkoľvek pochybností vytvorili nové analógové video rozhranie - 15-kolíkový D-Sub, ktorý sa na mnoho rokov stal novým štandardom a stále sa používa v rozpočtových systémoch. Dôležité je, že VGA bol softvér kompatibilný s EGA, CGA a MDA: aplikácie vyvinuté pre staršie adaptéry mohli bežať na novom.

256 kb videopamäte umožňovalo uloženie niekoľkých snímok a vlastného písma navyše a pri použití celého zväzku pre jednu snímku bolo možné v tom čase, v doterajšej dobe nevídaného, ​​zobraziť obrázok v rozlíšení 800x600 pixelov, aj keď táto funkcia bola nebol zdokumentovaný a používal sa extrémne zriedka.

O niečo rýchlejšie

Opakujúc príbeh s MDA a CGA, IBM vyvinula dva grafické adaptéry pre PS / 2 naraz: integrované MCGA (VGA) a vylepšené 8514 / A. Model 8514 / A, ktorý sa dodáva ako voliteľná aktualizácia PS / 2, dokázal zobraziť 1024 x 768 pixelov v 8-bitových farbách. Tým ale technologické inovácie nekončili. Prvýkrát vývojári uvažovali o prenose časti práce na príprave rámu na plecia grafického adaptéra a modelu 8514 / A poskytli niektoré funkcie grafickej akcelerácie.

Adaptér sa naučil samostatne kresliť čiary vo svojej pamäti, vyplniť časť rámu farbou, naniesť bitovú masku. Pre grafické aplikácie tých rokov to bola neoceniteľná pomoc: dokonca aj pri vytváraní diagramov bolo badať zrýchlenie a výkonné inžinierske grafické aplikácie dokonca mnohokrát zvíťazili. Všetko si to samozrejme vyžadovalo softvérovú podporu a nový adaptér ho čoskoro dostal.

Musím povedať, že v tých časoch už boli profesionálne grafické stanice vybavené ďalšími grafickými koprocesormi umiestnenými na samostatných doskách. Takéto zariadenia boli veľmi drahé a zároveň mali veľmi široké možnosti. Model 8514 / A bol oveľa menej schopný, ale bol tiež relatívne lacný, čo bola a stále zostáva najcennejšia kvalita v sektore PC.

A v roku 1990 dostal model 8514 / A zmenu v podobe adaptéra XGA (Extended Graphics Array), ktorý mal mierne rozšírenú funkčnosť. Nový adaptér má režim 800x600 pixelov so 16-bitovými farbami (tzv. High Color, 65 536 farieb), inak bol podobný svojmu predchodcovi. Počnúc XGA začala na trhu dominovať paleta adaptérov SuperVGA a množstvo pamäte a dostupných rozlíšení začalo každý rok stúpať. Výsledkom je, že je čoraz ťažšie prekvapiť užívateľa jasnosťou a farbou obrazu. Ako potom predávať drahé nové predmety? Potrebné boli nové, doteraz nevyžiadané a nevídané funkcie. A objavili sa.

Prvý krok v 3D

Známa spoločnosť S3 sa stala priekopníkom v akcelerácii 3D grafiky pre PC. Adaptér S3 Virge bol nástupcom veľmi úspešného modelu Trio 64V +, pričom stále podporoval až 4 MB pamäte DRAM alebo VRAM. Jeho grafické jadro a videopamäť pracovali na frekvencii 80 MHz, čo v dnešnej dobe nie je nijako pôsobivé.

Najzaujímavejšou novinkou vo Virge je podpora funkcií akcelerácie 3D grafiky. Nemohli zabezpečiť vážne zvýšenie rýchlosti vtedajších hier, navyše softvérové ​​vykreslenie (pomocou CPU) často fungovalo rýchlejšie ako hardvérové ​​vykreslenie na Virge. Ale pomocou týchto funkcií si vývojári hier mohli dovoliť zdobiť svoje produkty novými technologiami, ako sú dynamické osvetlenie a bilineárne filtrovanie textúr.

Inšpirovaná svojou rolou priekopníka sa spoločnosť S3 rozhodla prevziať pozíciu medzi spotrebiteľskými 3D akcelerátormi. Boli teda uzatvorené zmluvy s výrobcami známych herných titulov: Tomb Raider, Mechwarrior 2, Descent II dostali podporu pre štandard S3D. Obchodníci spoločnosti usúdili, že rozšírením vlastného štandardu pre funkcie 3D akcelerácie získajú oproti konkurencii značnú výhodu. S3 Virge teoreticky podporoval aj niektoré funkcie profesionálneho štandardu 3D OpenGL 3D, ale výkon s knižnicami tohto štandardu bol úplne neuspokojivý. Ohlásená bola aj priama podpora 3D, ale také hry neexistovali a ani sa neplánovali: v tom čase vyšli takmer všetky hry pod MS-DOS.

Veľké plány S3 neboli predurčené na splnenie: už v roku 1996 spoločnosť 3Dfx uviedla 3D akcelerátor Voodoo Graphics, ktorý zabezpečil jeho dominanciu v priemysle. Virge nemá šancu; v nasledujúcich rokoch prešiel adaptér niekoľkými aktualizáciami, ale nemohol sa dostať z úlohy lacnej 2D grafickej karty.

Vek príšer

Z akých hĺbok vyliezla doteraz neznáma spoločnosť 3Dfx? V roku 1994 sa traja špecialisti pracujúci pre veľmi, veľmi uznávanú oblasť profesionálnej grafiky Silicon Graphics, rozhodli zmeniť zamestnanie. Ross Smith, Harry Tarolly a Scott Sellers upozornili na rast trhu s hernými konzolami, ktoré už mali dobrú 3D grafiku. Z jednoduchého nápadu, že počítačovému hernému rozmachu chýba iba 3D výkon, vznikla 3DfX.

Po získaní niekoľkých pôžičiek sa otcovia zakladatelia spoločnosti pustili do podnikania. Počiatočné skúsenosti a kapitál 3Dfx si vyslúžilo vydanie grafických čipov pre herné konzoly, o rok neskôr sa však objavil prvý produkt pre PC - Voodoo Graphics. Novinka predstavená na Computexe vyvolala senzáciu: plynulosť a krása vykreslenia 3D scény ohromili predstavivosť. Pokiaľ ide o grafickú kvalitu, akcelerátor ďaleko predčil konzoly Sony PlayStation a Nintendo 64, ktoré v tom čase ešte ani len nevyšli.

Rovnako ako Virge, aj Voodoo Graphics mala podporu pre OpenGL a DirectX, ale rýchlosť bola „chromá“. Ale keď pracoval cez svoje vlastné programovacie rozhranie Glide, Voodoo Graphics bol v pohode. Mnoho výrobcov hier začalo okamžite optimalizovať svoje produkty pre nový akcelerátor: konkurenti vyzerali, mierne povedané, bledo na pozadí. Maximálny grafický režim Voodoo Graphics nevyzeral veľmi pôsobivo - iba 640x480 pixelov pri 16-bitovej farbe, ale potom sa zdalo, že pre 3D grafiku to bolo viac než dosť.

Štrukturálne bol Voodoo Graphics nainštalovaným adaptérom a slotom PCI, ale chýbali mu funkcie 2D grafickej karty. S monitorom bol zapojený do série pomocou konvenčného grafického adaptéra a prevzal kontrolu pri prepnutí do 3D režimu. Spočiatku tento prístup vyzeral sľubne: v tom čase nebolo ľahkou úlohou poskytnúť vysoko kvalitný 2D obraz a schopnosť kombinovať 3D akcelerátor so zjavne kvalitnou 2D kartou mnohí používatelia vysoko ocenili. Ako protiklad môžeme uviesť 3D akcelerátor Rendition Verite V1000, ktorý bol vydaný v tom istom roku 1996 a ktorý síce mal funkcie 2D grafickej karty, ale zreteľne „vyplavil“ obraz vo vysokých rozlíšeniach. Z rovnakého dôvodu nebol úspešný ani Voodoo Rush, ktorý sa objavil v roku 1997 a bola to plnohodnotná grafická karta s 3D jadrom od spoločnosti Voodoo Graphics.

Na palube Voodoo Graphics bola 4 MB EDO DRAM, fungujúca rovnako ako procesor na frekvencii 50 MHz. Pokles cien na konci roku 1996 pre tento typ pamätí umožnil spoločnosti 3Dfx predávať svoje čipsety relatívne lacno, čo ďalej zvyšovalo ich popularitu. Upozorňujeme, že spoločnosť nevyrábala samotné adaptéry, ale iba dodávala čipové sady svojim partnerom. Najčastejšie sa používa 3D adaptér Diamond Monster, a preto sa produkty založené na čipoch 3Dfx v každodennom živote nazývajú „príšery“.

Druhý sled

Okrem mladých a prvých 3Dfx sa pokúsili získať svoj podiel na trhu aj staršie spoločnosti. Spoločnosť ATI, založená v roku 1985 vystúpením spoločnosti Voodoo Graphics, už teda mala meno a skúsenosti, počnúc výrobou klonov IBM 8514 / A. Do roku 1995 mala ATI 3D Rage, adaptér so základnou 3D akceleráciou, vynikajúcou 2D grafikou a pokročilým hardvérovým spracovaním pre komprimované video streamy MPEG-1. V polovici roku 1996 spoločnosť uviedla na trh 3D Rage II, ktorý poskytoval dvojnásobný 3D výkon oproti svojmu predchodcovi a bol schopný spracovať video MPEG-2 (DVD). Adaptér podporoval Direct3D a čiastočne OpenGL, bol vybavený 8 MB SDRAM a bežal na 60 MHz (CPU) a 83 MHz (pamäť). Pokiaľ ide o výkon pri 3D vykresľovaní, nový produkt bol výrazne podradný mnohým konkurentom,karta si ale našla využitie vďaka dobrému 2D obrazu a počiatkom hardvérovej akcelerácie videa.

NVIDIA bola len o dva roky staršia ako 3Dfx a už v roku 1995 uviedla na trh prvý katastrofálny produkt. Adaptér NV1 bol dobre koncipovaný a kombinoval 2D adaptér, 3D akcelerátor, zvukový adaptér a dokonca aj port gamepadu Sega Saturn. Produkt sa ukázal ako nie lacný, zatiaľ čo jednotka 3D akcelerácie mala veľmi neobvyklú architektúru: 3D scéna nebola postavená z polygónov, ale z kriviek tretieho rádu. Vývojári hier si dávali pozor na taký originálny prístup, ktorý bol plný problémov s programovaním 3D enginu, a príchod Direct3D, ktorý využíva polygóny, definitívne ukončil NV1.

Dajte spoločnosti NVIDIA patričné ​​slovo: pretože stratila veľa peňazí a veľa zamestnancov, už v roku 1996 mohla vydať nový, úplne odlišný produkt. NVIDIA Riva 128 založená na čipe NV3 mala 4 MB (8 MB vo verzii Riva 128ZX) SDRAM so šírkou zbernice 128 bitov a fungovala na 100 MHz. Riva 128, ktorá mala dobrú 3D časť, výkonovo porovnateľnú s grafikou Voodoo, bola vyrobená pre PCI aj AGP (čím sa „monštrá“ nemohli pochváliť) a dokázala NVIDIA vytiahnuť z finančnej priepasti. Parita s produktom 3Dfx však bola veľmi podmienená: boli si v tom čase rovnaké iba v málo používanom Direct3D ...