Co je to grafická karta a jak funguje? Vše, co potřebujete vědět

Grafická karta je nezbytnou součástí každého moderního počítače, od běžných notebooků až po výkonné herní sestavy a klasické počítače. Jejím hlavním úkolem je zpracovávat grafická data a převádět je na obraz, který vidíme na obrazovce monitoru. V tomto článku se podrobně podíváme na to, co je to grafická karta, na všechny aspekty grafických karet, na jejich technologii, vývoj, funkce a použití.

Klíčové body:

• Co je to grafická karta: Co je to grafická karta: Hardwarová součást počítače pro zpracování grafických dat a zobrazování obrázků na monitoru.
• Hlavní součásti: GPU (procesor), VRAM (paměť), zdroj napájení, chlazení, výstupní porty.
• Typy grafických karet: integrované (pro základní úlohy), dedikované (výkonné pro hry a 3D modelování), profesionální (pro CAD a vědecké aplikace).
• Hlavní výrobci grafických čipů: NVIDIA, AMD a nováček Intel.
• Hry, strojové učení, 3D modelování, tvorba obsahu a vědecké simulace.

Co je to grafická karta?

Grafická karta je hardwarová součást počítače nebo notebooku, která zpracovává grafická data a zobrazuje je na monitoru. Je určena k provádění složitých výpočtů potřebných pro generování obrázků ve hrách, střih videa, 3D modelování, vědecké výpočty nebo jednoduše k zobrazení operačního systému.

Jeho hlavním úkolem je co nejrychleji a v co nejvyšší kvalitě převést digitální informace na obraz, který vidíte na obrazovce.

Hlavní komponenty grafické karty

Grafický procesor (GPU)
Grafický procesor je srdcem grafické karty. Jedná se o specializovaný čip určený k paralelnímu zpracování velkého počtu úloh. Moderní GPU mají tisíce jader (např. jádra CUDA od společnosti NVIDIA nebo stream procesory od společnosti AMD).

Paměť (VRAM)
Paměť grafické karty uchovává data, která zpracovává grafický procesor. Výkonné karty mají 8 až 24 GB paměti GDDR6 nebo HBM2 VRAM. Dostatek paměti je zásadní pro plynulé zpracování náročných grafických úloh.

Napájení
Grafické karty spotřebovávají značné množství energie, některé modely vyžadují až 450 W. Karty jsou napájeny prostřednictvím slotu PCIe a dalších napájecích konektorů (6pinový, 8pinový).

Chlazení
GPU generují velké množství tepla, proto jsou vybaveny ventilátory, chladiči nebo dokonce vodním chlazením. Správné chlazení zajišťuje stabilní výkon a prodlužuje životnost karty.

Výstupní porty
Porty jako HDMI, DisplayPort nebo DVI umožňují připojení monitoru. Moderní karty podporují i více monitorů najednou.

Jak funguje grafický procesor?

Grafická karta provádí miliony výpočtů za sekundu, aby převedla digitální data na obraz viditelný na monitoru. Tento proces zahrnuje několik kroků, které spolupracují v dokonalé harmonii. Podívejme se krok za krokem na celý mechanismus fungování grafické karty.

Příjem dat z procesoru (CPU)

Procesor zpracovává hlavní úlohy a posílá pokyny grafické kartě k vykreslení obrazu. Tyto pokyny zahrnují:

• Geometrická data (pozice a tvary objektů v 3D prostoru).
• Textury (obrázky nebo vzory nanesené na povrch objektů).
• Informace o osvětlení a stínech.

Data se přenášejí po sběrnici PCI Express (PCIe), která zajišťuje vysokorychlostní spojení mezi základní deskou a grafickou kartou.

Zpracování grafických dat (Rendering pipeline)

Funkce grafické karty, která je realizována v rámci tzv. vykreslovacího potrubí, které obsahuje několik kroků:

Transformace a projekce (Vertex Shader)

• První data, která GPU zpracovává, jsou „vrcholy“ – body, které definují geometrický tvar objektů.
• GPU provádí matematické transformace, které převádějí tyto body z trojrozměrného prostoru do dvourozměrného prostoru obrazovky.
• V této fázi je zohledněna perspektiva pohledu, aby se objekty blíže ke „kameře“ jevily větší a objekty vzdálenější menší.

Rastrování

• Po transformaci rozdělí GPU trojúhelníky (základní stavební jednotky 3D objektů) na pixely. Tento proces se nazývá rasterizace.
• GPU určí, které pixely na obrazovce odpovídají jednotlivým částem trojúhelníků.

Textury a stínování (Pixel Shader/Fragment Shader)

• V této fázi GPU aplikuje na pixely textury (obrázky nebo barvy) a vypočítává, jak se světlo odráží od povrchu.
• Stínování zahrnuje simulaci světelných efektů, jako jsou stíny, odrazy, průhlednost a lom světla.

Postprocessing

• Hotový snímek projde finálními úpravami, jako je přidání efektů hloubky ostrosti, rozostření pohybu nebo vylepšení barev.

Ukládání dat do paměti (VRAM)

Funkce grafické karty, která v průběhu celého procesu využívá vlastní paměť VRAM (Video RAM), která je mnohem rychlejší než běžná paměť RAM. VRAM se používá k:

• Ukládání textur.
• Dočasné ukládání mezivýsledků.
• Uložení hotového snímku před odesláním na monitor.

Moderní grafické karty používají vysokorychlostní paměť, například GDDR6 nebo HBM2, aby byl zajištěn plynulý tok dat.

Výstup hotového obrazu (výstup vyrovnávací paměti snímků)

Funkce grafické karty, která po dokončení zpracování snímku uloží hotový snímek do tzv. vyrovnávací paměti snímků. Odtud je obraz odeslán na monitor prostřednictvím výstupních portů(HDMI, DisplayPort, DVI). Tato fáze zahrnuje následující činnosti:

• Synchronizace se zobrazovací frekvencí monitoru (např. 60 Hz, 144 Hz).
• Podpora technologií, jako je G-Sync nebo FreeSync, které eliminují trhání obrazu.

Typy grafických karet

Existuje několik typů grafických karet podle jejich výkonu, použití a cílové skupiny:

Integrované grafické karty

Integrované grafické karty jsou zabudovány přímo v procesoru nebo na základní desce. Jsou ideální pro základní úlohy, jako je prohlížení webu, sledování videa nebo kancelářská práce. Příkladem jsou grafická řešení Intel Iris Xe Graphics nebo AMD Radeon Vega Graphics. Jejich výhodou je nízká cena a energetická účinnost, ale mají omezený výkon.

Dedikované grafické karty

Dedikované nebo samostatné grafické karty nabízejí mnohem vyšší výkon než integrovaná řešení. Mají vlastní grafický procesor, paměť VRAM a chlazení, což jim umožňuje zvládat náročnější grafické operace. Jsou určeny pro uživatele, kteří potřebují vyšší výkon pro hraní her, střih videa nebo 3D modelování.

Herní grafické karty

Herní grafické karty jsou určeny speciálně pro hráče. Nabízejí vysoký výkon pro zpracování náročných herních titulů ve vysokém rozlišení. Tyto karty obvykle podporují technologie optimalizace herního výkonu, jako je DLSS od společnosti NVIDIA nebo FSR od AMD.

• Řada NVIDIA GeForce RTX: Oblíbené modely, jako je RTX 4060, 4070 Ti nebo špičková RTX 4090.
• Řada AMD Radeon RX: RX 7600, RX 7900 XT nebo RX 7900 XTX.
  Tyto karty jsou vhodné pro všechny typy hráčů – od příležitostných až po profesionály, kteří chtějí hrát v rozlišení 4K a vyšším.

Profesionální grafické karty

Profesionální grafické karty jsou optimalizovány pro specifické aplikace, jako je CAD, 3D modelování, vizualizace nebo vědecké výpočty. Jsou navrženy tak, aby poskytovaly vysokou stabilitu a přesnost.

1. NVIDIA Quadro a RTX řady A: používají se v průmyslových a vědeckých aplikacích.
2. AMD Radeon Pro: Alternativa pro profesionální trh.

Parametry, na které je třeba dávat pozor

Při výběru grafické karty je důležité věnovat pozornost následujícím parametrům GPU:

• Počet jader GPU: více jader znamená vyšší paralelní výkon.
• VRAM: vyšší kapacita umožňuje pracovat s náročnými texturami a vysokými rozlišeními.
• Frekvence GPU: Vyšší frekvence znamená rychlejší zpracování.
• Šířka paměťové sběrnice: Širší sběrnice GPU (např. 256bitová nebo 384bitová) umožňuje rychlejší přenos dat mezi GPU a VRAM.
• Ray tracing: Technologie umožňující realistické osvětlení a odrazy v reálném čase.
• DLSS a FSR: Technologie zvyšující výkon při zachování kvality obrazu.

Použití grafické karty

1. Hry: Moderní hry využívají pokročilé technologie, jako je ray tracing a textury ve vysokém rozlišení, které vyžadují výkonný grafický procesor.
2. Grafický design a animace: Software jako Adobe After Effects nebo Blender využívá výpočetní výkon GPU.
3. Strojové učení a umělá inteligence: GPU umožňují rychlé trénování neuronových sítí, které jsou základem umělé inteligence.
4. Vědecké výpočty a simulace: GPU se používají ve výzkumu k simulaci fyzikálních jevů nebo ke zpracování velkého objemu dat.
5. Těžba kryptoměn: Grafické karty byly kdysi oblíbené v těžbe kryptoměn, jako je Ethereum, protože dokázaly rychle řešit matematické problémy. V současné době již Ethereum nelze těžit pomocí grafických procesorů, ale stále existuje mnoho dalších kryptoměn, které lze těžit. Velmi však záleží na aktuální situaci na trhu kryptoměn.

Výrobci grafických karet

Grafické karty vyrábějí dva hlavní výrobci grafických čipů – NVIDIA a AMD. Nedávno se k nim přidal nováček na trhu – Intel. Následně zde jsou partneři (výrobci GPU), kteří finální produkty vyrábějí a prodávají.

Pro lepší představu, výrobce grafických čipů – společnost NVIDIA vytvoří nový model grafické karty – RTX 4080 Super. V některých případech vytvoří také vlastní referenční model grafické karty – RTX 4080 Super Founders edition. Tento nový model GPU pak poskytne dalším výrobcům, kteří se specializují na grafické karty – Gigabyte, Asus, EVGA, XFX atd. Tito výrobci navrhnou a vytvoří vlastní design chlazení a grafické karty a poté ji dají k dispozici k prodeji. Příkladem může být grafická karta Gigabyte AORUS GeForce RTX 5080 MASTER.

Zde jsou nejvýznamnější hráči na trhu grafických karet:

NVIDIA

Společnost NVIDIA je celosvětovým lídrem v oblasti grafických karet a GPU technologií. Společnost je známá svými inovacemi a výkonnými produkty pro hráče, profesionály a vědecký výzkum.

• Oblíbené produktové řady:
  • GeForce RTX a GTX: Herní grafické karty známé svým vysokým výkonem, technologií ray tracing a DLSS.
  • NVIDIA Quadro (nahrazena řadou RTX A): Profesionální grafické karty určené pro CAD, 3D modelování a další profesionální aplikace.
  • NVIDIA Tesla a A100: Grafické procesory pro datová centra, umělou inteligenci a strojové učení.
• Technology innovations:
  • DLSS (Deep Learning Super Sampling) pro zvýšení herního výkonu.
  • Ray tracing pro realistické osvětlení a odrazy.

AMD

Společnost AMD (Advanced Micro Devices) je hlavním konkurentem společnosti NVIDIA a nabízí grafické karty s vynikajícím poměrem ceny a výkonu. Společnost je známá inovacemi v oblasti herních i profesionálních grafických řešení.

• Oblíbené produktové řady:
  • Radeon RX: Herní grafické karty určené pro širokou škálu uživatelů, od základních hráčů až po nadšence (např. RX 7600, RX 7900 XTX).
  • Radeon Pro: Profesionální grafické karty pro kreativní a pracovní aplikace.
  • Instinct: Grafické procesory pro datová centra a vědecké výpočty.
• Technologické inovace: GPU pro výpočetní techniku, která je určena pro grafické procesory, jako je např:
  • FSR (FidelityFX Super Resolution) pro zvýšení výkonu a kvality obrazu.
  • Podpora technologií s otevřeným zdrojovým kódem, která umožňuje širší využití jejich grafických procesorů.

Intel

Společnost Intel, tradičně známá jako výrobce procesorů, nedávno vstoupila na trh specializovaných grafických karet s řadou Intel Arc.

• Oblíbené produktové řady:
  • Intel Arc A-Series: herní a kreativní grafické karty určené pro střední třídu.
  • Grafické karty Intel Xe.
• Technologické inovace:
  • XMX (Xe Matrix Extensions) pro urychlení výpočtů umělé inteligence.
  • Podpora DirectX 12 Ultimate a ray tracing.

Intel má ambice konkurovat společnostem NVIDIA a AMD nejen v herním segmentu, ale také v kreativní a profesionální oblasti.

Trh s grafickými kartami 2024: klíčová fakta a trendy

Celosvětový trh s grafickými procesory má v roce 2024 hodnotu 75,77 miliardy dolarů a očekává se, že do roku 2032 vzroste na 461 miliard dolarů, a to při 28,6% tempu růstu. Trh v Asii vede s CAGR 34,2 %, což je podpořeno poptávkou po herních aplikacích a aplikacích umělé inteligence.

Hlavní trendy v oblasti GPU:

• Umělá inteligence (AI) a strojové učení: v tomto segmentu dominují Nvidia H100 a AMD Instinct, přičemž hnací silou je infrastruktura AI.
• Nové architektury: Nvidia Blackwell slibuje dvojnásobný výkon oproti Hopperu, přičemž trh směřuje k heterogenním architekturám kombinujícím akcelerátory CPU a AI.
• Energetická účinnost: Nvidia a AMD přinášejí modely s nižší spotřebou energie a lepším chlazením, čímž reagují na rostoucí důraz na udržitelnost.

Hlavní hráči:

• Nvidia: Dominantní podíl na trhu (80 %) a pětiletý růst akcií o 2160 %, podporovaný umělou inteligencí a datovými centry.
• AMD: Stabilní růst se zaměřením na herní a profesionální GPU, tržby v roce 2024 přesahující 5 miliard dolarů.
• Intel: Získává podíl v oblasti GPU a do konce roku plánuje zvýšit podíl na trhu na 2-3 %.

Budoucnost grafických karet

Vývoj grafických karet směřuje k ještě realističtějším efektům, vylepšenému ray tracingu a rozšířené podpoře umělé inteligence. Cloudové hraní, virtuální realita a metaverse otevírají nové možnosti jejich využití.

Grafické procesory zůstávají klíčovým prvkem technologického pokroku. Ať už je používáte k hraní her, práci nebo vědeckému výzkumu, jejich význam stále roste.

Závěr

Grafické karty jsou nedílnou součástí moderních počítačů a jejich význam zdaleka přesahuje pouhé zobrazení obrazu. Grafické karty jsou klíčem k dosažení vysokého výkonu a vizuální kvality – od jednoduchého zpracování grafiky v běžných úlohách až po složité vědecké výpočty nebo realistické herní světy.

Rychlý vývoj technologií, jako je ray tracing, DLSS a virtuální realita VR a AR, neustále posouvá možnosti grafických karet a otevírá nové oblasti použití. Pro uživatele, kteří hledají výkonný nástroj pro hraní her, tvorbu obsahu nebo profesionální aplikace, je výběr správné grafické karty jedním z nejdůležitějších rozhodnutí.

S rostoucí poptávkou po výpočetním výkonu se grafické karty stávají jedním z nejdůležitějších pilířů technologického pokroku.

Často kladené otázky – Frequently Asked Questions