Układy VRAM, WRAM, RDRAM, SGRAM, MGRAM, SDRAM ...

Trzy podstawowe elementy karty graficznej to: przetwornik RAMDAC, akcelerator i pamięć, w której przechowywane są informacje o obrazie. Wszystkie te elementy współpracują ze sobą i od ich parametrów zależy jakość wyświetlania obrazów na ekranie monitora komputerowego.

Przetwornik RAMDAC steruje wyświetlaniem obrazu. Jest to układ, który po odczytaniu zawartych w pamięci danych, biorąc pod uwagę ustawienia parametrów trybu graficznego, generuje sygnały elektryczne, sterujące pracą monitora.

Akcelerator to specjalizowany procesor zwany też koprocesorem graficznym, który na żądanie sterownika programowego ma za zadanie odciążyć procesor główny w obliczeniach związanych z operacjami graficznymi (rysuje odcinki, wypełnia i kopiuje obszary) i umieścić informacje o obrazie w pamięci RAM.

Typ zastosowanej pamięci RAM zależy od stopnia zaawansowania zadań graficznych. Tańsze z kart graficznych wyposażane są z reguły w pamięć typu DRAM (oddzielny zapis i odczyt) lub EDO RAM (wysłanie adresu w czasie odczytu wartości poprzedniej komórki). Karty droższe zawierają szybszą (i oczywiście droższą) pamięć VRAM. Tymczasem na rynek wchodzą inne, coraz szerzej stosowane typy pamięci - WRAM, BEDO RAM, SGRAM, SDRAM, MDRAM, RDRAM...

Wymagania kart graficznych

Wyświetlanie obrazów o dużych rozdzielczościach z kolorystyką klasy true color, sekwencji wideo lub grafiki 3D wymaga dużej i szybkiej pamięci. Jest to szczególnie ważne, gdy układ scalony akceleratora równolegle wspomaga kilka z wymienionych funkcji.

Przykładowo: obraz 1024 x 768 pkt. z 16-bitową kolorystyką (65 000 kolorów), tylko dla odświeżania z częstotliwością 75 Hz wymaga pasma przenoszenia 115 MBps. Tego typu wymagania dotyczą średniej klasy komputerów PC. Jeżeli przy tej rozdzielczości ktoś chce dodatkowo skorzystać z możliwości szybkiego rysowania, wyświetlania wideo i grafiki 3D, wymagania na pasmo przenoszenia wzrastają do 400 MBps.

Dla wysokich rozdzielczości 1600 x 1200 pkt., kolorystyki true color (32-bitowej) i częstotliwości odświeżania obrazu 80 Hz pasmo przenoszenia powinno wynosić 600 MBps. Dla silnej stacji graficznej korzystanie z dodatkowych funkcji graficznych może zwiększyć wymagania na pasmo przenoszenia do 1 GBps. Jak uzyskać tak wysoką szybkość wymiany obrazów?

Dwuportowe układy pamięci

Profesjonalne karty graficzne wyposażane są zwykle w pamięć typu VRAM (Video RAM). Ma ona dwa porty działające jednocześnie - jeden dla obsługi nadsyłanych przez akcelerator funkcji graficznych, drugi dla odświeżania obrazu za pośrednictwem przetwornika RAMDAC. 64-bitowa pamięć VRAM składająca się z układów EDO (Extended Data Output) może osiągnąć pasmo przenoszenia do 800 MBps, stosowanie nieco szybszych układów WRAM (Window RAM) zwiększa tę wartość do 900 MBps. Ze względu na swoją dwuportową konstrukcję oba typy pamięci VRAM/WRAM gwarantują niezależność odświeżania obrazu od jednoczesnego wykonywania innych funkcji graficznych (rysowanie, wyświetlanie wideo w oknie). Ta rozdzielna praca jest jednocześnie wadą tych układów dla zadań silnie niesymetrycznych, jak np. grafika 3D i wideo, które przy niskiej rozdzielczości wymagają niewielkiej częstotliwości odświeżania i szerokiego pasma dla obsługi zadań graficznych, z kolei aplikacje DTP lub CAD wymagają wysokiej rozdzielczości przy mniejszym obciążeniu grafiką, czyli dużej częstotliwości odświeżania. Pamięci VRAM/WRAM nie pozwalają, niestety, alokować nadmiaru pasma przesyłanych danych, płynących przez jeden port na drugi.

To właśnie spowodowało, że alternatywą pamięci dwuportowych mogą być bardzo szybkie pamięci jednoportowe.

W labiryntach pamięci

Po okresie względnego spokoju na rynku pojawiło się nagle wiele nowych architektur pamięci RAM. Wzrost szybkości nowych procesorów doprowadził do sytuacji, że pracujący z ogromną szybkością procesor często czeka na nienadążającą za nim, tradycyjną pamięć. Wiele z tych nowych rodzajów pamięci opracowano specjalnie do zastosowań graficznych, natomiast do bardziej popularnych można wybrać pamięci BEDO (Burst EDO) RAM, nieco kosztowniejsze są pamięci SGRAM (Synchronous Graphic DRAM) oraz RDRAM (Rambus DRAM). Najdroľsze sŃ pami©ci MDRAM (MultibankDRAM).

Spośród wymienionych układów Burst EDO (Extended Data Out) jest pamięcią najwolniejszą i jednocześnie najtańszą. Wykorzystuje się ją w popularnych akceleratorach (S3 Trio64+ czy ViRGE), a jej budowa jest podobna do standardowych pamięci DRAM. Szybkość działania BEDO zależy od częstotliwości zegara taktującego system komputerowy. Wynika to stąd, że w trybie burst nie są odczytywane pojedyncze bajty, a większe zestawy danych (zestaw sąsiadujących ze sobą bajtów). Dla częstotliwości 66 MHz pasmo przenoszenia pamięci BEDO wynosi 528 MBps.

Pamięć typu SGRAM (Synchronous Graphic DRAM) jest w zasadzie graficznie zorientowaną odmianą pamięci SDRAM (Synchronous DRAM). Pamięć SDRAM charakteryzuje się tym, że częstotliwość jej szyny może być zsynchronizowana z częstotliwością szyny procesora. Jest to ważne przy współpracy układów z bardzo szybko taktowanym procesorem. Przykładowo: procesor pracujący z częstotliwością 400 MHz może korzystać z danych nadsyłanych szyną o częstotliwości 66 MHz (1/6 szybkości) lub 100 MHz (1/4 szybkości) za pośrednictwem trybu burst.

Podobnie jak SDRAM, pamięci SGRAM są wewnętrznie podzielone na dwa banki pamięci z przemiennym dostępem (memory interleave) i korzystają z szyny o przetwarzaniu potokowym (pipelined bus interface - przesłanie adresu kolejnej komórki pamięci zanim nastąpi odczyt komórki poprzedniej, co wymaga składowania przesyłanych danych przez kontrolera pamięci).

Dostępne na rynku 8 Mb układy pamięci SGRAM wyposażone są w 32-bitowe interfejsy. W wersji 64-bitowej, przy częstotliwości szyny 100 MHz, oferują one pasmo przenoszenia wynoszące 800 MBps.

W układach typu MDRAM (Multibank DRAM) pamięć DRAM dzielona jest na wiele banków pamięci (16, 24 lub 256) korzystających z szyny o przetwarzaniu potokowym. MDRAM jest szybsza od SDRAM, zarówno przy wysyłaniu danych w trybie burst, jak i przy dostępie typu random acces. Dla najwyższej dla MDRAM częstotliwości 166 MHz i 64-bitowej szerokości szyny pasmo przenoszenia może wynosić do 1,3 GBps. Tak wysoka wartość pozwala na równoległe korzystanie z grafiki 3D, sekwencji wideo i zaawansowanych operacji graficznych przy rozdzielczościach 1600 x 1200 i kolorystyce true color.

Pamięć RDRAM (Rambus DRAM) jest jedną z bardziej obiecujących z opisywanych architektur. Konstruktorzy firmy Rambus, twórcy tej pamięci, całkowicie zmienili tradycyjny interfejs dostępu do pamięci DRAM i zastąpili go szyną korzystającą z buforów i przetwarzania potokowego. Podział szyny na oddzielne, 8- lub 9-bitowe kanały, taktowane częstotliwością 250 MHz pozwala przesyłać dane w kanale z prędkością 500 MBps. Aby zwiększyć pasmo przesyłania danych, wystarczy dodać układ pamięci RAMBUS - dodanie układu scalonego o pojemności 16 Mb zwiększa pamięć graficzną o 2 MB i jednocześnie pasmo przenoszenia dwukrotnie - do 1 GBps. Pasmo wypadkowe karty może składać się z dwu lub czterech równolegle dołączanych kanałów pamięci RAMBUS.