Video RAM (VRAM): Γραφικά και μνήμη, μία μακροχρόνια σχέση

Από το 1981, όταν η IBM κατασκεύασε και κυκλοφόρησε την πρώτη κάρτα γραφικών, έχουν αλλάξει πάρα πολλά στην τεχνολογία των εν λόγω συσκευών. Η μνήμη αποτελεί ένα ιδιαίτερα σημαντικό στοιχείο τους, που δεν έμεινε ανέπαφο με την πάροδο των ετών.

Γραφικά – μνήμη, μία μακροχρόνια σχέση

Θέλοντας να προσδιορίσουμε μία κάρτα γραφικών, αναφέρουμε τα δύο κυριότερα στοιχεία της, την GPU (Graphics Processing Unit) και τη χωρητικότητα της μνήμης που διαθέτει. Τη μνήμη αυτή θα τη συναντήσουμε με διάφορες ονομασίες, όπως video memory και frame buffer. Λόγω της μεγάλης σημασίας της στους 3D accelerators, αλλά και των ειδικών απαιτήσεων που έχουμε απ’ αυτήν, όταν χρησιμοποιείται για το συγκεκριμένο σκοπό, έχουν αναπτυχθεί εξειδικευμένοι για γραφικά τύποι της.

Στη video memory αποθηκεύονται οι πληροφορίες για το χρώμα του κάθε pixel, που εμφανίζεται στην οθόνη μας. Στην απλούστερη των περιπτώσεων, που είναι η ασπρόμαυρη εικόνα, για να προσδιοριστεί το χρώμα του κάθε pixel, αρκεί ένα μόνο bit της μνήμης, αφού οι τιμές 0 και 1 που μπορεί να πάρει, καθορίζουν, αν το pixel που αντιστοιχεί σε κάθε bit είναι μαύρο ή λευκό.

Ως γνωστόν 8 bits συνθέτουν ένα byte. Συνεπώς, σε μία ανάλυση 640×480 για κάθε σειρά της οθόνης χρειάζονται 640/8 = 80 bytes μνήμης, ενώ για ολόκληρη την οθόνη που έχει 480 γραμμές απαιτούνται 480×80 = 34.800 bytes μνήμης. Δηλαδή, περίπου 35 KB μνήμης αρκούν για να προσδιορίσουν πλήρως το χρώμα όλων των pixels μίας ασπρόμαυρης οθόνης στην ανάλυση που προαναφέραμε.

Κάπως έτσι λειτουργούσαν και οι πρώτες κάρτες γραφικών της IBM, που κυκλοφόρησαν τον Αύγουστο του 1981 και ονομάζονταν Monochrome Display Adapters (MDA). Γρήγορα όμως εμφανίστηκαν στην αγορά κάρτες με δυνατότητες απόδοσης περισσότερων χρωμάτων. Αρχικά ήταν οι τετράχρωμες Hercules Graphic Cards (HGC), τις οποίες ακολούθησαν οι οκτάχρωμες Color Graphics Adapters (CGA) και οι 16-χρωμες Enhanced Graphics Adapters (EGA), ενώ παράλληλα μερικές εταιρείες, όπως η Commodore, κατασκεύαζαν computers με ενσωματωμένες κάρτες γραφικών, που μπορούσαν να διαχειριστούν αρκετά χρώματα.

Όπως είναι λογικό, η χωρητικότητα της απαιτούμενης μνήμης αυξάνονταν διαρκώς, έτσι ώστε να είναι δυνατή η απόδοση των όλο και περισσότερων χρωμάτων. Το 1987 και πάλι η IBM παρουσίασε το επαναστατικό για την εποχή του πρότυπο VGA (Video Graphics Array), που υποστήριζε μέχρι και 256 διαφορετικά χρώματα σε ανάλυση 720×400 και το οποίο αποτελεί μέχρι σήμερα τη minimum απόδοση όλων των καρτών γραφικών. Το διαδέχτηκαν διάφορα άλλα πρότυπα, όπως το Super VGA (SVGA) και το UXGA (Ultra Extended Graphics Array), για να φτάσουμε στις μέρες μας να έχουμε Graphics adapters που υποστηρίζουν 16,7 εκατομμύρια (32 bit) χρώματα σε αναλύσεις της τάξης των 2048×1536.

Η λειτουργία

Σύμφωνα με αυτά που αναφέραμε πρωτύτερα, στη μνήμη αποθηκεύονται οι πληροφορίες για το χρώμα του κάθε pixel, που αποτελεί μέρος της λαμβανόμενης από το monitor εικόνας. Από τη στιγμή που η εικόνα αυτή απαρτίζεται από αυτά τα μικρά τετραγωνάκια, για να σχηματιστεί, μας αρκεί να γνωρίζουμε το χρώμα, καθώς και τη θέση κάθε pixel. Στη μνήμη λοιπόν της εκάστοτε κάρτας γραφικών στέλνονται από τον επεξεργαστή γραφικών όλα τα δεδομένα, που χρειάζονται για το σχηματισμό της επόμενης εικόνας (frame) στην οθόνη.

Έτσι, το περιεχόμενο του frame buffer ανά πάσα στιγμή αποτελεί ένα ψηφιακό αντίγραφο αυτού που θα εμφανιστεί αμέσως μετά στην οθόνη αποθηκευμένο σαν digital bitmap. Τα δεδομένα αυτά έχουν φυσικά ψηφιακή μορφή. Αντίθετα, το σήμα RGB που τελικά πρέπει να μεταφερθεί στο monitor, είναι αναλογικό. Τη μετατροπή αυτή του ψηφιακού σήματος σε αναλογικό αναλαμβάνει ένας ειδικός μετατροπέας Digital to Analog, που ονομάζεται RAMDAC (Random Access Memory Digital to Analog Converter).

Το chip αυτό διαβάζει πολλές φορές ανά δευτερόλεπτο τα περιεχόμενα της Video Memory, τα μετατρέπει σε σήμα RGB και στη συνέχεια τα μεταδίδει μέσω του καλωδίου στην οθόνη όπου και γίνεται η απεικόνιση. Για να κάνει αυτήν τη μετατροπή, χρησιμοποιεί ένα look-up table, όπου υπάρχει η αντιστοιχία του ψηφιακού σήματος με τιμές αναλογικού ρεύματος για κάθε χρώμα. Ο RAMDAC περιέχει τρεις D to A converters, έναν για κάθε βασικό χρώμα (κόκκινο, κίτρινο, μπλε).

Το χρώμα του κάθε pixel προκύπτει μετά από τη μίξη των τριών βασικών χρωμάτων σε διάφορες αναλογίες. Τα refresh rates που υποστηρίζει η κάθε κάρτα, εξαρτώνται από το πόσο γρήγορα μπορεί να μετατρέψει αυτά τα δεδομένα ο RAMDAC, καθώς και από την ίδια την GPU. Η εσωτερική αρχιτεκτονική του RAMDAC καθορίζει επίσης τον αριθμό των χρωμάτων, που μπορούν να αποδοθούν σε κάθε ανάλυση.

Πληροφορίες

Video RAM (VRAM): ένας ειδικός τύπος dual-ported DRAM, ο οποίος επιτρέπει ταυτόχρονη εγγραφή και ανάγνωση (write/read). Ακόμα, δε χρειάζεται τόσο συχνό refresh των δεδομένων σε σχέση με την απλή DRAM, κάτι που μεταφράζεται σε καλύτερες επιδόσεις.

Windows RAM (WRAM): ο τύπος της μνήμης που χρησιμοποιεί η επιτυχημένη κάρτα Matrox Millennium, είναι επίσης dual ported και επιτυγχάνει ελαφρώς καλύτερη απόδοση σε σχέση με τη VRAM.

EDO DRAM: παρέχει μεγαλύτερο bandwidth από την DRAM, μπορεί να λειτουργήσει σε υψηλότερες συχνότητες ρολογιού και διαχειρίζεται καλύτερα τα σήματα read και write.

SDRAM: παρόμοια με την EDO RAM μόνο που εδώ έχουμε κοινή συχνότητα ρολογιού για το chip των γραφικών και για τη μνήμη, πράγμα που κάνει την SDRAM ταχύτερη από την EDO RAM.

SGRAM: ίδια με την SDRAM με τη μόνη διαφορά, ότι εδώ υπάρχει η δυνατότητα τόσο για block writes (ταυτόχρονη εγγραφή πολλών bits) όσο και για write-per-bit, που εξασφαλίζει καλύτερη απόδοση όταν συνεργάζεται με graphics chips, που υποστηρίζουν αυτές τις δυνατότητες.

Τέλος, στις κάρτες γραφικών έχουν χρησιμοποιηθεί και οι γενικότερης χρήσης τύποι μνήμης DRDRAM (Direct Rambus DRAM) και DDR RAM (Double Data Rate RAM). Ο δεύτερος είναι και αυτός που ενσωματώνεται στις καλύτερες σύγχρονες κάρτες, αφού έχει ένα μεγάλο πλεονέκτημα έναντι όλων των υπολοίπων. Όπως αποκαλύπτει και η ονομασία του, είναι σε θέση να εκτελεί διπλάσιες λειτουργίες Input/Output (Write/Read) σε κάθε κύκλο ρολογιού σε σχέση με τις άλλες μνήμες, διπλασιάζοντας έτσι το ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων από και προς τη μνήμη.

Στα motherboards που θα βρούμε ενσωματωμένη κάρτα γραφικών, σα frame buffer χρησιμοποιείται ένα τμήμα της κανονικής RAM του υπολογιστή. Η αρχιτεκτονική αυτή ονομάζεται Unified Memory Architecture και έχει σαν απώτερο σκοπό τη μείωση του κόστους του συστήματος. Με τον τρόπο αυτό όμως δεν είναι δυνατή η εκμετάλλευση ορισμένων ειδικών τεχνολογιών της Video Memory, με αποτέλεσμα εκτός από το κόστος να πέφτει αισθητά και η απόδοση.

Ο τύπος της μνήμης που χρησιμοποιήθηκε στις πρώτες κάρτες ήταν ο απλός DRAM (Dynamic Random Access Memory). Το γεγονός ωστόσο, ότι η DRAM απαιτεί διαρκή ανανέωση των δεδομένων για να αποτραπεί η πιθανή απώλειά τους, καθώς και ότι κατά τη διάρκεια της ανανέωσης τα δεδομένα δεν μπορούν να μετατραπούν, κόστιζε πολύ στις επιδόσεις των συσκευών. Η ανάπτυξη ειδικών τύπων μνήμης για τις κάρτες γραφικών, φάνταζε μονόδρομος και έτσι αναπτύχθηκαν νέες, ειδικές τεχνολογίες με το σκοπό αυτό.

info: Basics

Η μνήμη των σύγχρονων καρτών γραφικών έχει φτάσει σε πολύ υψηλά επίπεδα χωρητικότητας. Οι περισσότερες διαθέτουν πλέον 64 MB Video Memory, ενώ στην αγορά κυκλοφορεί και η έκδοση της Geforce 4 με τα 128 MB μνήμης.

Είναι όμως όλα αυτά τα Megabytes απαραίτητα, για να επιτύχουμε την καλύτερη ανάλυση εικόνας με τα περισσότερα χρώματα; Σίγουρα όχι. Μια ματιά στον παρακάτω πίνακα θα σας κατατοπίσει. Οπως γίνεται σαφές λοιπόν από τον πίνακα, για να επιτύχουμε τις καλύτερες ρυθμίσεις οθόνης σε ανάλυση και χρώματα, χρειαζόμαστε 13 MB μνήμης. Η τιμή αυτή φυσικά είναι κατά πολύ μικρότερη από τη χωρητικότητα της Video Memory, που ενσωματώνεται στους 3D accelerators τα τελευταία χρόνια. Η υπόλοιπη μνήμη όμως δεν μπορεί να θεωρηθεί σε καμία περίπτωση άχρηστη.

Στις κάρτες γραφικών, οι κενές θέσεις μνήμης χρησιμοποιούνται σα cache, όπου αποθηκεύονται πληροφορίες για λογαριασμό του επεξεργαστή γραφικών. Παραδείγματος χάριν, η αποθήκευση των συχνά εμφανιζόμενων γραφικών στοιχείων, όπως είναι τα fonts ή τα εικονίδια, αποτρέπουν την ανάγκη να φορτώνονται στη μνήμη της κάρτας κάθε φορά που θέλουμε να πληκτρολογήσουμε ένα χαρακτήρα, ή να μετακινήσουμε ένα εικονίδιο, βελτιώνοντας με αυτόν τον τρόπο αισθητά την απόδοση.