Les cartes graphiques/Les cartes d'affichage

Les cartes graphiques sont des cartes qui communiquent avec l'écran, pour y afficher des images. Les cartes graphiques modernes incorporent aussi des circuits de calcul pour accélérer du rendu 2D ou 3D. Dans ce chapitre, nous allons faire une introduction et expliquer ce qu'est une carte graphique, nous allons parler des cartes dédiées/intégrées, et surtout : nous allons voir ce qu'il y a à l'intérieur, du moins dans les grandes lignes.

Les cartes graphiques dédiées, intégrées et soudées

Vous avez sans doute déjà démonté votre PC pour en changer la carte graphique, vous savez sans doute à quoi elle ressemble. Sur les PC modernes, il s'agit d'un composant séparé, qu'on branche sur la carte mère, sur un port spécialisé. Du moins, c'est le cas si vous avez un PC fixe assez puissant. Mais il y a deux autres possibilités.

La première est celle où la carte graphique est directement intégrée dans le processeur de la machine ! C'est quelque chose qui se fait depuis les années 2000-2010, avec l'amélioration de la technologie et la miniaturisation des transistors. Il est possible de mettre tellement de transistors sur une puce de silicium que les concepteurs de processeur en ont profité pour mettre une carte graphique peut puissante dans le processeur.

Une autre possibilité, surtout utilisée sur les consoles de jeu et les PC portables, est celle où la carte graphique est composée de circuits soudés à la carte mère.

Pour résumer, il faut distinguer trois types de cartes graphiques différentes :

Les cartes graphiques dédiées, séparées dans une carte d'extension qu'on doit connecter à la carte mère via un connecteur dédié.
Les cartes graphiques intégrées, qui font partie du processeur.
Les cartes graphiques soudées à la carte mère.

Vous avez sans doute vu qu'il y a une grande différence de performance entre une carte graphique dédiée et une carte graphique intégrée. La raison est simplement que les cartes graphiques intégrées ont moins de transistors à leur disposition, ce qui fait qu'elles contiennent moins de circuits de calcul. Les cartes graphiques dédiées et soudées n'ont pas de différences de performances notables. Les cartes soudées des PC portables sont généralement moins performantes car il faut éviter que le PC chauffe trop, vu que la dissipation thermique est moins bonne avec un PC portable (moins de gros ventilos), ce qui demande d'utiliser une carte graphique moins puissante. Mais les cartes soudées des consoles de jeu n'ont pas ce problème : elles sont dans un boitier bien ventilés, on peut en utiliser une très puissante.

Vous vous demandez comment est-ce possible qu'une carte graphique soit soudée ou intégrée dans un processeur. La raison est que les trois types de cartes graphiques sont très similaires, elles sont composées des mêmes types de composants, ce qu'il y a à l'intérieur est globalement le même, comme on va le voir dans ce qui suit.

Les cartes d'affichage et leur architecture

Au tout début de l'informatique, le rendu graphique était pris en charge par le processeur. Il calculait l'image à afficher et l'envoyait à l'écran, pixel par pixel. Le problème est que le processeur devait se synchroniser avec l'écran, pour envoyer les pixels au bon moment. Pour simplifier la vie des programmeurs, les fabricants de matériel ont inventé des cartes vidéo. Avec celles-ci, le processeur calcule l'image à envoyer à l'écran et la transmet à la carte d'affichage, sans avoir à se synchroniser avec l'écran. L'avantage est que le processeur n'a pas à se synchroniser avec l'écran, juste à envoyer l'image à une carte d'affichage.

Les cartes d'affichage ne géraient pas le rendu 3D. Le processeur calculait une image, la copiait dans la mémoire vidéo, puis la carte d'affichage l'envoyait à l'écran au bon moment. Il n'y avait pas de circuits de calcul graphique, ni de circuits de décodage vidéo. Juste de quoi afficher une image à l'écran. Et mine de rien, il est intéressant d'étudier de telles cartes graphiques anciennes. De telles cartes graphiques sont ce que j'ai décidé d'appeler des cartes d'affichage.

L'intérieur d'une carte d'affichage

Une carte d'affichage contient plusieurs sous-circuits, chacun dédié à une fonction précise.

La mémoire vidéo est une mémoire RAM intégrée à la carte graphique, qui a des fonctions multiples.
L'interface écran, ou Display interface, regroupe les connecteurs et tous les circuits permettant d'envoyer l'image à l'écran.
Le circuit d'interface avec le bus existe uniquement sur les cartes dédiées et éventuellement sur quelques cartes soudées. Il s'occupe des transmissions sur le bus PCI/AGP/PCI-Express, le connecteur qui relie la carte mère et la carte graphique.
Un circuit de contrôle qui commande le tout, appelé le Video Display Controler.

La mémoire vidéo mémorise l'image à afficher, les deux circuits d'interfaçage permettent à la carte d'affichage de communiquer respectivement avec l'écran et le reste de l'ordinateur, le Video Display Controler commande les autres circuits. Le Video Display Controler sert de chef d'orchestre pour un orchestre dont les autres circuits seraient les musiciens. Le circuit de contrôle était appelé autrefois le CRTC, car il commandait des écrans dit CRT, mais ce n'est plus d'actualité de nos jours.

La carte graphique communique via un bus, un vulgaire tas de fils qui connectent la carte graphique à la carte mère. Les premières cartes graphiques utilisaient un bus nommé ISA, qui fût rapidement remplacé par le bus PCI, plus rapide, lui-même remplacé par le bus AGP, puis le bus PCI-Express. Ce bus est géré par un contrôleur de bus, un circuit qui se charge d'envoyer ou de réceptionner les données sur le bus. Les circuits de communication avec le bus permettent à l'ordinateur de communiquer avec la carte graphique, via le bus PCI-Express, AGP, PCI ou autre. Il contient quelques registres dans lesquels le processeur pourra écrire ou lire, afin de lui envoyer des ordres du style : j'envoie une donnée, transmission terminée, je ne suis pas prêt à recevoir les données que tu veux m'envoyer, etc. Il y a peu à dire sur ce circuit, aussi nous allons nous concentrer sur les autres circuits.

Le circuit d'interfaçage écran est au minimum un circuit d’interfaçage électrique se contente de convertir les signaux de la carte graphique en signaux que l'on peut envoyer à l'écran. Il s'occupe notamment de convertir les tensions et courants : si l'écran demande des signaux de 5 Volts mais que la carte graphique fonctionne avec du 3,3 Volt, il y a une conversion à faire. De même, le circuit d'interfaçage électrique peut s'occuper de la conversion des signaux numériques vers de l'analogique. L'écran peut avoir une entrée analogique, surtout s'il est assez ancien.

Les anciens écrans CRT ne comprenaient que des données analogiques et pas le binaire, alors que c'est l'inverse pour la carte graphique, ce qui fait que le circuit d'interfaçage devait faire la conversion. La conversion était réalisée par un circuit qui traduit des données numériques (ici, du binaire) en données analogiques : le convertisseur numérique-analogique ou DAC (Digital-to-Analogue Converter). Au tout début, le circuit d’interfaçage était un DAC combiné avec des circuits annexes, ce qu'on appelle un RAMDAC (Random Access Memory Digital-to-Analog Converter). De nos jours, les écrans comprennent le binaire sous réserve qu'il soit codé suivant le standard adapté et les cartes graphiques n'ont plus besoin de RAMDAC.

Il y a peu à dire sur les circuits d'interfaçage. Leur conception et leur fonctionnement dépendent beaucoup du standard utilisé. Sans compter qu'expliquer leur fonctionnement demande de faire de l'électronique pure et dure, ce qui est rarement agréable pour le commun des mortels. Par contre, étudier le circuit de contrôle et la mémoire vidéo est beaucoup plus intéressant. Plusieurs chapitres seront dédiés à leur fonctionnement. Mais parlons maintenant des GPU modernes et passons à la section suivante.

Un historique rapide des cartes d’affichage

Les cartes d'affichages sont opposées aux cartes accélératrices 2D et 3D, qui permettent de décharger le processeur d'une partie du rendu 2D/3D. Pour cela, elles intègrent des circuits spécialisés. Vous imaginez peut-être que les cartes d'affichage sont apparues en premier, puis qu'elles ont gagné en puissance et en fonctionnalités pour devenir d'abord des cartes accélératrices 2D, puis des cartes 3D. C'est une suite assez logique, intuitive. Et ce n'est pas du tout ce qui s'est passé !

Les cartes d'affichage pures, sans rendu 2D, sont une invention des premiers PC. Elles sont arrivées alors que les consoles de jeu avaient déjà des cartes hybrides entre carte d'affichage et cartes de rendu 2D depuis une bonne décennie. Sur les consoles de jeu ou les microordinateurs anciens, il n'y avait pas de cartes d'affichage séparée. A la place, le système vidéo d'un ordinateur était un ensemble de circuits soudés sur la carte mère.

Les consoles de jeu, ainsi que les premiers micro-ordinateurs, avaient une configuration fixée une fois pour toute et n'étaient pas upgradables. Mais avec l'arrivée de l'IBM PC, les cartes d’affichages se sont séparées de la carte mère. Leurs composants étaient soudés sur une carte qu'on pouvait clipser et détacher de la carte mère si besoin. Et c'est ainsi que l'on peut actuellement changer la carte graphique d'un PC, alors que ce n'est pas le cas sur une console de jeu.

La différence entre les deux se limite cependant à cela. Les composant d'une carte d'affichage ou d'une console de jeu sont globalement les mêmes. Aussi, dans ce qui suit, nous parlerons de carte d'affichage pour désigner cet ensemble de circuits, peu importe qu'il soit soudé à la carte mère ou placé sur une carte d’affichage séparée. C'est un abus de langage qu'on ne retrouvera que dans ce cours.

Les différents types de cartes d'affichage

Dans la suite du cours, nous allons voir que toutes les cartes d'affichage ne fonctionnent pas de la même manière. Et ces différences font qu'on peut les classer en plusieurs types distincts. Leur classement s'explique par un fait assez simple : une image prend beaucoup de mémoire ! Par exemple, prenons le cas d'une image en niveaux de gris d'une résolution de 320 par 240 pixels, chaque pixel étant codé sur un octet. L'image prend alors 76800 octets, soit environ 76 kiloctets. Mine de rien, cela fait beaucoup de mémoire ! Et si on ajoute le support de la couleur, cela triple, voire quadruple la taille de l'image.

Les cartes graphiques récentes ont assez de mémoire pour stocker l'image à afficher. Une partie de la mémoire vidéo est utilisée pour mémoriser l'image à afficher. La portion en question s'appelle le framebuffer, tampon d'image en français. Il s'agit là d'une solution très simple, mais qui demande une mémoire vidéo de grande taille. Les systèmes récents peuvent se le permettre, mais les tout premiers ordinateurs n'avaient pas assez de mémoire vidéo. Les cartes d'affichages devaient se débrouiller avec peu de mémoire, impossible de mémoriser l'image à afficher entièrement.

Pour compenser cela, les cartes d'affichage anciennes utilisaient diverses optimisations assez intéressantes. La première d'entre elle utilise pour cela le fonctionnement des anciens écrans CRT, qui affichaient l'image ligne par ligne. Pour rappel, l'image a afficher à l'écran a une certaine résolution : 320 pixels pour 240 pixels, par exemple. Pour l'écran CRT, l'image est composée de plusieurs lignes. Par exemple, pour une résolution de 640 par 480, l'image est découpée en 480 lignes, chacune faisant 640 pixels de long. L'écran est conçu pour qu'on lui envoie les lignes les unes après les autres, avec une petite pause entre l'affichage/envoi de deux lignes. Précisons que les écrans LCD ont abandonné ce mode de fonctionnement.

L'idée est alors la suivante : la mémoire vidéo ne mémorise que la ligne en cours d'affichage par l'écran. Le processeur met à jour la mémoire vidéo entre l'affichage de deux lignes. La mémoire vidéo n'est alors pas un tampon d'image, mais un tampon de ligne. Le défaut de cette technique est qu'elle demande que le processeur et la carte d'affichage soient synchronisés, de manière à ce que les lignes soient mises à jour au bon moment. L'avantage est que la quantité de mémoire vidéo nécessaire est divisée par un facteur 100, voire plus, égal à la résolution verticale (le nombre de lignes).

Une autre méthode, appelée le rendu en tiles, est formellement une technique de compression d'image particulière. L'image à afficher est stockée sous un format compressé en mémoire vidéo, mais est décompressée pixel par pixel lors de l'affichage. Il nous est difficile de décrire cette technique maintenant, mais un chapitre entier sera dédié à cette technique. Le chapitre en question abordera une technique similaire, appelée le rendu en mode texte, qui servira d'introduction propédeutique.

Le rendu en tiles et l'usage d'un tampon ligne sont deux optimisations complémentaires. Il est ainsi possible d'utiliser soit l'une, soit l'autre, soit les deux. En clair, cela donne quatre types de cartes d'affichage distincts :

les cartes d'affichage à tampon d'image ;
les cartes à tampon d'images en rendu à tiles ;
les cartes d'affichage à tampon de ligne ;
les cartes d'affichage à tampon de ligne en rendu à tiles.

	Rendu normal	Rendu à tile
Tampon d'image	Cartes graphiques post-années 90, standard VGA sur PC	Consoles de jeu 8 bits et 16 bits, standards CGA, MGA
Tampon de ligne	Consoles de jeu ATARI 2600 et postérieures	Console de jeu néo-géo

Lez prochains chapitres porteront surtout sur les cartes d'affichages à tampon d'image, plus simples à, expliquer. Deux chapitres seront dédiés respectivement aux cartes à rendu en tile, et aux cartes à tampon de ligne.

Les cartes graphiques actuelles sont très complexes

Les cartes graphiques actuelles sont des cartes d'affichage améliorées auxquelles on a ajouté des circuits annexes, afin de leur donner des capacités de calcul pour le rendu 2D et/ou 3D, mais elles n'en restent pas moins des cartes d'affichages. La seule différence est que le processeur n’envoie pas une image à la mémoire vidéo, mais que l'image à afficher est calculée par la carte graphique 2D/3D. Les calculs autrefois effectués sur le CPU sont donc déportés sur la carte graphique.

Si vous analysez une carte graphique récente, vous verrez que les circuits des cartes d'affichage sont toujours là, bien que noyés dans des circuits de rendu 2D/3D. On retrouve une mémoire vidéo, une interface écran, un circuit d'interface avec le bus, un Video Display Controler. L'interface écran est par contre fusionnée avec le Video Display Controler. Mais à ces circuits d'affichage, sont ajoutés un GPU (Graphic Processing Unit), qui s'occupe du rendu 3D, du rendu 2D, mais aussi d'autres fonctions comme du décodage de fichiers vidéos.

L'intérieur d'un GPU

Le GPU est un composant assez complexe, surtout sur les cartes graphiques modernes. Il regroupe plusieurs circuits aux fonctions distinctes.

Un Video Display controler est toujours présent, mais ne sera pas représenté dans ce qui suit.
Des circuit de rendu 2D séparés peuvent être présents, mais sont la plupart du temps intégrés au VDC.
Les circuits de rendu 3D s'occupent du rendu 3D.
Les circuits de décodage vidéo, pour améliorer la performance du visionnage de vidéos.

Les trois circuits précédents sont gouvernés par un processeur de commande, un circuit assez difficile à décrire. Pour le moment, disons qu'il s'occupe de répartir le travail entre les différents circuits précédents. Le processeur de commande reçoit du travail à faire, envoyé par le CPU via le bus, et le redistribue dans les trois circuits précédents. Par exemple, si on lui envoie une vidéo encodée en H264, il envoie le tout au circuit vidéo. De plus, il le configure pour qu'il la décode correctement : il dit au circuit que c'est une vidéo encodée en H264, afin que le circuit sache comment la décoder. Ce genre de configuration est aussi présente sur les circuits de rendu 2D et 3D, bien qu'elle soit plus compliquée.

Un GPU contient aussi un contrôleur mémoire, qui est une interface entre le GPU et la mémoire vidéo. Interface électrique, car GPU et mémoire n'utilisent pas les mêmes tensions et qu'en plus, leur interconnexion demande de gérer pas mal de détails purement électriques. Mais aussi interface de communication, car communiquer entre mémoire vidéo et GPU demande de faire pas mal de manipulations, comme gérer l'adressage et bien d'autres choses qu'on ne peut pas encore détailler ici.

Un GPU contient aussi d'autres circuits annexes, comme des circuits pour gérer la consommation électrique, un BIOS vidéo, etc. L'interface écran et l'interface avec le bus sont parfois intégrées au GPU.

Un historique simplifié des pipelines 2D/3D/vidéo

Avant les années 90, les cartes graphiques des ordinateurs personnels et des consoles de jeux se résumaient à des circuits d'accélération 2D, elles n'avaient pas de décodeurs vidéos ou de circuits de rendu 3D. C'est dans les années 90 qu'elles ont commencé à incorporer des circuits d'accélération 3D. Puis, après les années 2000-2010, elles ont commencé à intégrer des circuits de décodage vidéo, aux alentours des années 2010. En parallèle, les circuits de rendu 2D ont progressivement été réduits puis abandonnés.

Les circuits de rendu 2D sont des circuits qui ne sont pas programmables, mais qu'on peut configurer. On dit aussi que ce sont des circuits fixes. Ils sont opposés aux circuits programmables, basés sur des processeurs. Les circuits de rendu 3D étaient initialement des circuits fixes eux aussi, mais sont devenus de plus en plus programmables avec le temps. Les GPU d'après les années 2000 utilisent un mélange de circuits programmables et fixes assez variable. Nous reviendrons là-dessus dans un chapitre dédié.

Pour les circuits de décodage vidéo, les choses sont assez complexes. Initialement, ils s'agissait de circuits fixes, qu'on pouvait programmer. Un GPU de ce type est illustré ci-dessus. Mais de nos jours, les calculs de décodage vidéo sont réalisés sur les processeurs de shaders. Les circuits de rendu 3D et de décodage vidéo ont chacun des circuits fixes dédiés, mais partagent des processeurs.

GPU avec processeurs de shaders partagés entre rendu 3D et décodage vidéo

Les cinq prochains chapitres vont parler des cartes d'affichage et des cartes accélératrices 2D, les deux étant fortement liées. C'est seulement dans les chapitres qui suivront que nous parlerons des cartes 3D. Les cartes 3D sont composées d'une carte d'affichage à laquelle on a rajouté des circuits de calcul, ce qui fait qu'il est préférable de faire ainsi : on voit ce qui est commun entre les deux d'abord, avant de voir le rendu 3D ensuite. De plus, le rendu 3D est plus complexe que l'affichage d'une image à l'écran, ce qui fait qu'il vaut mieux voir cela après.

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