Näytönohjain

thumb|Nvidia GeForce 770 grafiikkapiirillä varustettu PCI Express näytönohjain alt=GTX 1070- Näytönohjain|pienoiskuva|Nykyaikaisempi näytönohjain, jossa on Nvidia GeForce GTX 1070- grafiikkapiiri, on sopiva mm. pelaamiseen. Näytönohjain on tietokoneen komponentti, joka piirtää grafiikan tietokoneen näytölle. Erilliset näytönohjaimet koostuvat nykyään tyypillisesti grafiikkasuorittimesta, näyttömuistista, väylälogiikasta sekä ulostuloliitännästä näyttölaitetta varten. Emolevylle yhdistetyt integroidut näytönohjaimet voivat käyttää tietokoneen keskusmuistia oman erillisen muistinsa sijaan.

Joissakin näytönohjaimissa on lisäominaisuuksia, kuten videokaappaus, TV-viritinadapteri, FireWire, valokynäliitäntä, TV-ulostulo ja mahdollisuus yhdistää useita näyttöjä. Näytönohjaimia käytetään graafisesti vaativiin tarkoituksiin, kuten videopelien pelaamiseen, ja yleisesti visualisointitarkoituksiin, kuten tietokoneavusteinen suunnittelu. Näytönohjaimen grafiikkasuoritinta voidaan käyttää GPGPU-laskentaan. Aiemmin näytönohjaimella oli valinnaisesti erilaisia lisäpiirejä, mutta useat laskentaa vaativat toimet, kuten MPEG-2/MPEG-4-purku, ovat siirtyneet grafiikkasuorittimen tehtäväksi.

Näytönohjain voi olla emolevyyn rakennettu eli integroitu tai erillinen laajennuskortti. Nykyisissä PC-tietokoneissa integroitu grafiikkapiiri sisältyy suorittimeen, jolloin emolevyllä ei ole erillistä grafiikkapiiriä (esim. Intel HD Graphics, AMD APU-mallisto). Integroitu näytönohjain tyypillisesti käyttää osan tietokoneen keskusmuistista, kun taas erillisessä on näyttömuistia yksinomaan grafiikkasuoritinta varten.

Historia

Näytönohjaimen historiaan liittyy olennaisesti näyttötila, jonka näytönohjain kykenee esittämään.

Ensimmäiset IBM PC-tietokoneissa käytetyt näytönohjaimet kykenivät vain MDA tekstitilaan, jonka leveys oli 80 saraketta ja korkeus 25 riviä. Varhaiset näytönohjaimet tukivat vain rajatun värimäärän väripalettia, esimerkiksi CGA tuki 16 väriä. EGA ja VGA kasvattivat käytettävää värimäärää. Väriskaala on kasvanut merkittävästi ja käytössä on useita standardeja.

Yleisiä grafiikkatiloja ovat olleet VGA-standardin 640×480 ja sen seuraajat 800×600 ja 1024×768 (SVGA). Kannettavissa tietokoneissa yleinen on laajakuva 1366×768. 2020-luvulla yleinen näyttötila on täysteräväpiirto (Full HD) 1920×1080. Steamin laitteisto- ja ohjelmistokysely: September 2022 Myös korkeampia Ultra HD -näyttötiloja on käytössä (1440p eli 2560×1440, 4k ja muita).

Käyttökohteet Tehokkaimmat grafiikkasuorittimet ovat yleensä erillisissä näytönohjaimissa, jotka kiinnitetään emolevyyn väylän, esimerkiksi PCI Expressin, kautta ja jotka voidaan yleensä vaihtaa suhteellisen helposti.

Erillinen näytönohjain ei välttämättä ole vaihdettava eikä sitä aina kiinnitetä emolevyyn standardoidulla liitännällä. Erillisyydellä viitataan siihen, että näytönohjaimessa on sen omaan käyttöön tarkoitettua muistia (ks. Video RAM), ei siihen että useimmat erillisnäytönohjaimet ovat vaihdettavia.

Nvidian SLI:n ja AMD:n (ATI:n) CrossFiren kaltaiset tekniikat mahdollistivat useamman eri näytönohjaimilla sijaitsevan grafiikkasuorittimen käyttämisen yhden tai vuorokkaisten kuvien piirtämiseen, mikä lisää grafiikalle käytettävissä olevan laskentatehon määrää. SLI tekniikan esitteli 3dfx vuonna 1998, jota Nvidia jatkoi ostettuaan sen. 2010-luvun puolivälissä tekniikan suosi laski ja valmistajat jättivät ne pois uusista näytönohjainmalleista.

Yhdysrakenteiset eli integroidut näytönohjaimet ottavat käyttöönsä osan tietokoneen keskusmuistista, sillä niissä ei ole omaa muistia. Vielä vuonna 2007 yli 90 %:ssa kaikista uusista henkilökohtaisista tietokoneista on yhdysrakenteinen grafiikkapiiri. Nämä ovat halvempia kuin erillisnäytönohjaimet mutta myös suorituskyvyltään alhaisempia. Historiallisesti yhdysrakenteisten näytönohjainten katsottiin usein olevan kelvottomia 3D-grafiikkaa käyttävien pelien pelaamiseen ja graafisesti vaativien ohjelmien käyttämiseen mutta kykeneviä kevyempien ohjelmien, kuten Adobe Flashin, käyttöön. Esimerkkejä tällaisista ovat SiS:n ja VIA:n grafiikkapiirit vuoden 2004 tienoilta. Myöhemmät integroidut grafiikkapiirit, kuten AMD:n Radeon HD 3200 (AMD 780G -piirisarja) ja NVIDIA:n GeForce 8200 (nForce 730a -piirisarja), kykenivät käsittelemään Adobe Flashin 2D-grafiikkaa ja matalatasoista 3D-grafiikkaa paremmin kuin hyvin. Integroidun näytönohjaimen siirsi ensimmäisen kerran emolevyn pohjoissiltapiiriltä suorittimelle Intel vuonna 2010. Myös AMD teki tämän Llano-suorittimessa 2011. Nvidia luopui integroidun näytönohjaimen sisältävän nForce-piirisarjan valmistuksesta 2012, jolloin enää vain AMD, Intel ja taiwanilainen Via Technologies tekivät integroituja näytönohjaimia.https://www.computer.org/publications/tech-news/chasing-pixels/the-integrated-graphics-controller

Grafiikkasuorittimien muistikäyttöä varten on kehitetty toteutuksia, kuten AMD:n HyperMemory ja NVIDIA:n TurboCache. Näiden kanssa grafiikkapiiri käyttää tietokoneen keskusmuistia ja siinä on pieni välimuisti keskusmuistin latenssin aiheuttaman suorituskyvyn alenemisen pienentämiseksi. PCI Express-väylän teknologiat mahdollistavat tämän.

Komponentit

Nykynäytönohjaimet koostuvat piirilevystä, johon komponentit kiinnitetään. Komponentteihin kuuluvat grafiikkaprosessori, sen käyttämä muisti ja liittimet, sekä apupiirejä, kuten virran tasaukseen tarvittavat komponentit. thumb|200px|NVIDIAn GeForce FX 5200 -näytönohjaimen grafiikkaprosessori

Grafiikkasuoritin

Grafiikkasuoritin on grafiikan kiihdytykseen optimoitu suoritin. Grafiikkasuoritin on suunniteltu erityisesti liukulukulaskentaa varten, sillä liukulukujen tehokas laskeminen on 3D-grafiikan renderöinnissä hyvin keskeistä. Maaliskuussa 2017 ytimen kellotaajuudet vaihtelivat yleisesti 1000 ja 1 600 megahertsin välillä.

Grafiikkaprosessorien kehitys juontaa juurensa SGI:n työasemiin ja IRIS GL -rajapintaan. Myöhemmin teknologiaa on tullut myös kuluttajien saataville PC-tietokoneisiin. Vuonna 1995 julkaistiin kuluttajille suunnatut, mm. Matroxin, Creativen, ATIn ja S3 Graphicsin kehittämät 2D/3D-näytönohjaimet.

Vuonna 1997 3dfx julkaisi kilpailevia tuotteita tehokkaamman Voodoo-grafiikkasirun, jossa oli uusia 3D-ominaisuuksia, kuten mipmappaus, Z-puskurointi ja reunanpehmennys. Pian tämän jälkeen julkaistiin useita 3D-näytönohjaimia, muun muassa 3dfx:n Voodoo2 ja NVIDIAn TNT ja TNT2. Näiden vaatima kaistanleveys koetteli jo PCI-väylän rajoja, minkä vuoksi Intel kehitti moninkertaisesti nopeamman AGP-väylän. Vuonna 2000 NVIDIA osti 3dfx:n. Vuodesta 1999 vuoteen 2002 NVIDIA hallitsi näytönohjainmarkkinoita GeForce-sarjallaan. Tänä aikana tehdyt parannukset keskittyivät 3D-algoritmeihin ja grafiikkasuorittimen kellotaajuuteen.

Muistin määrä näytönohjaimissa on kasvanut huomattavasti muutamasta megatavusta useisiin gigatavuihin.

Video BIOS

Video BIOS tai firmware sisältää perusohjelman, joka hallitsee näytönohjaimen toimintoja ja antaa ohjeet joiden avulla tietokone ja ohjelmisto kommunikoivat näytönohjaimen kanssa. Se voi sisältää tietoja muistin ajastuksesta, käyttönopeuksista, grafiikkasuorittimen ja välimuistin jännitteestä ynnä muusta. BIOS-asetuksia on joskus mahdollista muuttaa, mutta näin tekevät yleensä vain ylikellottajat. BIOSin muuttaminen on riskialtista, sillä se voi aiheuttaa näytönohjaimelle peruuttamatonta vahinkoa.

Näyttömuisti Tyyppi Muistin kellotaajuus (MHz) Siirtonopeus (GB/s) DDR 200–400 1,6–3,2 DDR2 400–1 066,67 3,2–8,533 DDR3800–2 133,33 6,4–17,066DDR41 600–4 86612,8–25,6 GDDR4 3 000–4 000 160–256 GDDR5 1 000–2 000 288–336,5 GDDR5X 1 000–1 750 160–673 GDDR6 1 365–1 770 336–672 HBM 250–1 000 512–1 024 HBM2 Näyttömuistiin tallennetaan näytölle piirrettävä kuva. Lisäksi näyttömuistissa voidaan säilyttää muuta tietoa, kuten Z-puskuroinnin dataa, tekstuureja, verteksipuskureita ja käännettyjä varjostinohjelmia. Ensimmäiset erilliset näytönohjaimet sisälsivät pelkästään kuvadatan sisältävän näyttömuistin ja elektroniikan joka piirsi kuvan näytölle eli vain kuvapuskurin ().

Modernissa henkilökohtaisen tietokoneen näytönohjaimessa on useita gigatavuja muistia. Koska grafiikkasuorittimen ja mikropiiristön on voitava käyttää näyttömuistia, käytetään yleensä erityisen nopeaa muistityyppiä, kuten VRAM, WRAM tai SGRAM. Vuodesta 2003 lähtien on käytetty DDR- ja GDDR-muistiteknologian eri sukupolvia sekä High Bandwidth Memory -muistityyppiä.

Kellotaajuudeen lisäksi kaistanleveys on kasvanut jolloin pienemmällä kellotaajuudella saadaan suurempi siirtonopeus. 32-bittisellä GDDR5-muistilla saadaan 28 GB/s siirtonopeus piiriä kohden 1 750 MHz:n kellotaajuudella (7 Gbit/s). 1024-bittisellä HBM-muistilla saadaan 100 GB/s siirtonopeus 500 MHz:n kellotaajuudella (1 Gbit/s). HBM-muistilla väylä voi olla 4 096-bittinen käytettäessä neljän piirin pinoa.

RAMDAC

RAMDAC (Random Access Memory Digital-to-Analog Converter) muuntaa digitaaliset signaalit analogiliitäntäisten näyttöjen (kuten kuvaputkinäyttöjen) ymmärtämään muotoon analogisiksi signaaleiksi. RAMDAC sisältää kolme D/A-muunninta, yhden kullekin RGB-järjestelmän päävärille ja niiden lisäksi kellopiirejä, joilla kuvan piirto ajoitetaan kuvaputkinäytön virkistystaajuuksiin. D/A-muunninten bittimäärä määrää kuinka monta väriä näytönohjain voi näyttää, kun taas niiden nopeus määrää millä resoluutiolla eli kuvatarkkuudella ja virkistystaajuudella kuvaa voi näyttää. D/A-muunninten nopeus on nykyisin 400–500 MHz. Digitaalisten näyttöjen suosio ja RAMDACin integrointi grafiikkasuorittimen ytimeen on johtanut erillisen RAMDAC-sirun katoamiseen sen tarpeettomuuden vuoksi.

Jäähdytyslaitteet pienoiskuva|oikea|Lämpöputkijäähdytetty näytönohjain.

Näytönohjain voi käyttää paljon sähköä, josta osa muuttuu lämmöksi. Jäähdytyslaitteita käytetään siirtämään lämpöä muualle, sillä jos lämpöä ei häivytetä näytönohjain voi ylikuumentua ja vahingoittua. Näytönohjaimissa käytetään yleisimmin kolmea eri jäähdytyslaitetta: Jäähdytyssiili: lämpöä johtavasta metallista (usein alumiinista tai kuparista) valmistettu passiivinen jäähdytyslaite. Jäähdytyssiili johtaa lämpöä pois näytönohjaimen ytimestä ja muistista. Lämmön poistamiseen käytetään useimmiten ilmaa, voimakasta jäähdytystä tarvittaessa nestettä. Käytettäessä ilmaa käytetään usein tuuletinta jäähdytyksen tehostamiseksi. Joskus jäähdytyssiiliä käytetään yhdessä lämpöputkien kanssa. Tuuletin: aktiivinen jäähdytyslaite, jota käytetään usein jäähdytyssiilin kanssa. Koska tuulettimessa on liikkuvia osia, sitä pitää huoltaa ja sen voi joutua vaihtamaan laitteen käyttöiän aikana. Tuulettimen nopeutta voidaan säätää hiljaisemman tai tehokkaamman jäähdytyksen saavuttamiseksi. Vesiblokki: jäähdytyssiilin kaltainen sisältä ontto jäähdytyslaite, joka käyttää ilman sijasta vettä. Jäähdytys tapahtuu pumppaamalla vesiblokin läpi vettä, jolloin lämpö siirtyy veteen. Lämmin vesi johdetaan useimmiten jäähdyttimeen, josta se johdetaan uudelleen vesiblokkiin.

Ulostuloliitännät VGA x30px / Mini-VGA x30px VGA on 1980-luvun lopulla kehitelty analogipohjainen standardi, joka suunniteltiin kuvaputkinäyttöjä varten. Joitain VGA-standardin ongelmia ovat sähkömagneettinen häiriö, kuvan vääristyminen ja näytteenottovirheet pikseleiden arvioinnissa.

DVI x30px / Mini-DVI x30px Digitaalinen standardi, joka on suunniteltu litteille näytöille (kuten LCD-, plasma- ja teräväpiirtonäytöille) ja videoprojektoreille. DVI ei kärsi analogitekniikan ongelmista, kuten kuvan vääristymisestä ja sähkömagneettisista häiriöistä.

HDMI x30px Vuonna 2003 julkaistu digitaalinen äänen ja videon yhteisliitäntä, jota käytetään usein pelikonsoleissa ja DVD-soittimissa näyttölaitteen kytkemiseen. HDMI tukee kopiosuojausta HDCP:n kautta.

DisplayPort x20px Vuonna 2007 julkaistu digitaalinen äänen ja videon yhteisliitäntä, joka on lisenssimaksuton. DisplayPort tukee kopiosuojausta DPCP:n ja HDCP:n avulla. DisplayPortin tavoitteena on syrjäyttää DVI ja HDMI näyttölaitteen tietokoneeseen kytkemisessä.

VIVO x30pxx30px