Ekran Kartı Nedir, Nasıl Çalışır?

Bilgisayar donanımlarındaki önemli parçalardan bir diğeri olan ekran kartı hakkında bilgiler ve çalışma yapısı hakkında açıklamaları aşağıda bulabilirsiniz.

Ekran Kartı Nedir?

Ekran Kartının ana görevi diğer arabirimlerden (işlemci, harddisk, ram vs..) anakart aracılığı ile aldığı dijital bilgileri gerekli dönüşümlerden sonra lcd ve crt monitöre aktararak görüntü oluşturulmasını sağlamaktadır. Anakart üstüne AGP ve PCI Express slotlarına bağlanmaktadır. Bu portların normal diğer portlardan farklı daha hızlı veri transferi yapısına sahip olmalarıdır. Ekran kartının üstünde işlemleri yapan bir GPU (Graphics processing unit - Grafik işleme ünitesi) ve bu işlemci ile birlikte çalışan ekran kartı belleği bulunmaktadır. Kart üzerindeki işlemleri çok daha hızlı gerçekleşmesi için ekran kartı bellekleri ekran kartı üstüne takılır böylece bilgisayar belleğini kullanma gereksinimi olmadan görüntü işlemlerinin hepsi ekran kartı üstünde gerçekleşmektedir. Aşağıdaki resimde ekran kartı üzerindeki GPU ve çevresindeki ram bellekler gözükmektedir.

Yeni nesil ekran kartlarında gpu ve bellekleri çektiği güçler arttığı için soğutulmaya ihtiyaç duyulmaktadır. Özellikle büyük güç gereksinimi bulunan kartların güç bağlantılar ayrı bir port ile yapılıp soğutma modülleri oldukça büyük yüzeyli ve petekli şekildedir. Yukarıdaki soğutucu yüzeyi çıkarılmış kart resmi Nvidia 8800GTS kartına ait olup ortadaki çekirdek G80 mimarisine sahiptir. Bu kartın soğutuculu resmi aşağıda gözükmektedir.

Yeni nesil kartlarda artık kullanılmamakla birlikte monitör bağlantı noktası olarak DVI ve CRT portları bulunmaktadır. CRT kullanıcıları için kart ile birlikte DIV/CRT dönüştürücü soketleri bulunmaktadır.

Ekran Kartı Nasıl Çalışır?

Temel olarak çalışma mantığı pci express veya agp slotundan aldığı bilgileri uygun şekilde işleyerek görüntü haline dönüştürmektedir. Görüntüler işlenirken gölgelendirme, 3d efektleri gibi işlemlerden sonra video memory - video bellek entegrelerine kayıt edilerek birleştirme işlemleri gerçekleştirilir ve bu işlemlerden sonra elde edilen görüntüler çıkış portlarına gönderilir. Yani film izlerken veya oyun oynarken hareketli olan görüntüler aslında kare kare işlenerek birleştirilip oluşturulmaktadır. Eklenecek olan efektler gpu üzerindeki, (pixel, texture, shader, raster operations pipeline - rop, vertex vs..) gibi ünitelerde işlenip video bellek yani ekran kartı üzerindeki belleklere iletilmektedir.

Ekran Kartının Üniteleri

Ekran kartı üzerindeki üniteler ve yapıları hakkında temel bilgileri verecek olursak;

GPU - Graphics processing unit: Bilgisayar işlemcisine benzer bir yapısı vardır. Üzerinde matematiksel işlemleri gerçekleştirmek için bir ALU ve bunu dışında grafik işlemeye yönelik özel bölümler bulunmaktadır. GPU yu CPU dan ayıran en temel özellik ise grafik işlemeye yönelik güçlendirilmiş bir işlemci olmasıdır. Grafik konusunda çok güçlü bir etkiye sahip olup bilgisayar işlemcisinden genel itibariyle çok daha fazla transistör sayısına sahiptir (yeni ve üst modellerde). Günümüzde ekran kartları için gpu üreten iki büyük firma bulunmaktadır. Nvidia ve Atiaralarındaki sürekli rekabetten dolayı her geçen gün gpu mimarilerini güçlendirmekte ve kapasitelerini arttırmaktadır. Nvidia ve atinin geçmişten günümüze mimarilerine bakacak olursak;
» Nvidia: NVIDIA NV4, NV5, NV10, NV11, NV15, NV17, NV18, NV20, NV25, NV28, NV30, NV31, NV34, NV35, NV36, NV38, NV40 (175 milyon transistör - 130nm üretim teknolojisi), NV41, NV44, NV44A, NV48, G70, G71, G72, G73, G80, G84, G86, G92 ve G92s mimarili gpu çekirdekleri.
» ATI: ATI R200, RV250, RV280, R300, RV350, R350, RV360, R360, RV370, RV380, R420, RV410, R423, R430, R480, RV515, R520, RV530, RV560, RV570, R580, R580+, R600, RV610, RV620 LE, RV620 PRO, RV630, RV635 PRO, RV670, RV670 XT ve RV670 PRO mimarili gpu çekirdekleri. Aşağıdaki resimde örnek nvidia g92 ve ati r600 çekirdekleri gözükmektedir.

Firmaları son çıkardığı gpu çekirdeklerini inceleyecek olursak;
G80: 681 milyon transistör, 90nm üretim teknolojisi, 108W güç gereksinimi
G92: 754 milyon transistör, 65nm üretim teknolojisi, 146W güç gereksinimi
RV620 Pro 180 milyon transistör, 55nm üretim teknolojisi, 40 adet SPU (Stream Processing Units)
R580: 384 milyon transistör, 90nm üretim teknolojisi
R600: 720 milyon transistör, 80nm üretim teknolojisi

Mobile PCI Express Module - MXM: Yeni nesil ekran kartlarının artık bir çoğu pci express x16 port teknolojisine göre üretilmektedir. 4000/8000MB/saniye veri transferine olanak sağlayan bu iletişim teknolojisi ile kartların daha uyumlu çalışması ise chip üreticileri kart üstüne donanımsal pci express uyumlandırıcı entegrelerini koymaktadırlar. Bu yöntemle iletişim protokolü için daha uyumlu ve daha hızlı kartlar üretilebilmektedir. Ekran kartları için kullanılan anakart portlarının tarihi gelişimine kısaca bakacak olursak;
- ISA XT- 8MB/Saniye, ISA AT 16MB/saniye, MCA, EISA, VESA, PCI, AGP 1x 264MB/Saniye, AGP 2x, AGP 4x, AGP 8x 2000MB/Saniye, PCIe x1, PCIe x4, PCIe x8, PCIe x16 4000/8000MB/saniye şekline veri transfer hızlarına sahiplerdir. Aşağıdaki resimde Nvidia MXM entegre modülü gözükmektedir.

Video Memory - Bellek: Yazının başlangıcında da açıkladığımız gibi ekran kartı işlemcileri, grafik işlemlerini çok daha hızlı yapmak ve kablo sorunundan kurtulmak için gerekli olan ram bellekleri kart üstüne işlemcinin çevresine takmaktadırlar. Mesafe yakınlığı ve yer avantajlarından dolayı fiziksel olarak ta bu işlem çok büyük avantaj sağlamaktadır. Ayrıca gpu ile bellekler arasındaki binlerce bağlantı bu kısa mesafede gerçekleştiği için hız konusunda da inanılmaz avantajlar oluşmaktadır. Aşağıdaki resimde gpu ve çevresinde video bellekler gözükmektedir.

Video bellek modüller çeşitli chip üreticileri tarafından üretilmektedir. Bunlardan en bilinenler; Samsung, Kingston, Hynix. Üretim teknolojilerini inceleyecek olursak;
» DDR: 166 - 950MHZ saat hızı, 1.2 - 30.4Gb/saniye veri transfer hızı
» DDR2: 533 - 1000MHZ saat hızı, 18.5 - 16Gb/saniye veri transfer hızı
» GDDR3: 700 - 1800MHZ saat hızı, 5.6 - 54.4Gb/saniye veri transfer hızı
» GDDR4: 1600 - 2400MHZ saat hızı, 64 - 156.6Gb/saniye veri transfer hızı
Yeni kartlarda kullanılan GDDR4 ram video bellek çeşitleri ile gpu lar çok hızlı bir şekilde kareleri kaydetme ve birleştirme yeteneklerine sahip hale gelmektedirler.

Video Bios: Anakart bios yapısına sahip bir biosta ekran kartı üzerinde bulunmaktadır. Ekran kartı biosu ile bilgisayar çalıştırıldıktan sonra ekran kartı başlarken üzerinde uygulanması gereken ayarlar (frekans, gerilim) buradan okunarak düzenlenir. Ekran kartı bios ayarları ile kartın performansı arttırılabilir yani anakartta işlemci üzerinde yapılan overclock çalışması burada ekran kartı işlemcisi - gpu üzerinde yapılabilmektedir.

RAMDAC: Ekran kartı üzerinde dijital sinyalleri analog sinyallere çeviren bir digital - analog çevirici bulunmaktadır. RAMDAC (Random Access Memory Digital-to-Analog) adı verilen bu sistem ile CRT monitörler için gerekli olan ve bu monitörlerde değişiklik gösteren yenileme süreleri için ayarlama özelliği sağlamaktadır.

Giriş Çıkış Üniteleri: Ekran kartının verileri işledikten sonra görüntü birimi olan monitörlere gerekli bilgiyi göndermesi için kullanılan çıkış birimleri (DVI, VGA, SVGA) portları bulunmaktadır. Bunların dışında bilgisayarı normal televizyona bağlamak için kullanılan S-Video (tv out) çıkışıda bulunmaktadır.

Bu özelliklerin dışında ekran kartları üzerinde birçok ufak modül daha bulunmaktadır. Örnek olarak nvidia G92s mimarisine sahip çekirdeği bulunan 9800GX2 128 adet stream processors - hareket işlemcisi bulunmaktadır. Ayrıca yeni nesil kartlarda çoklu birleştirme desteği ile aynı markanın 2 kartını uygun şekilde birleştirerek çok daha fazla performans sağlanmış olur bu teknolojiyi inceleyecek olursak;
NVIDIA SLI: SLI (Scalable Link Interface) teknolojisi nvidia kartları için geliştirilen iki kartı aynı anakart üzerine bağlayarak grafik işleme performansını çok büyük ölçüde arttırmaya yarayan bir yapıdır. İki ayrı fiziksel nvidia ekran kartı üst bağlantı ile bağlandıktan sonra yazılım ile gerekli ayarlamalar yapılarak tek bir ekran kartı gibi çalışma şekli göstermesine rağmen iki adet ekran kartının performansına yakın bir güç sunmaktadır. Aşağıdaki resimde nvidia sli bağlantı şekli çizilerek gösterilmiştir.

ATI Crossfire: Nvidia sli teknolojisine benzer bir teknoloji olan ve ati tarafından geliştirilen Crossfire teknolojisi ile. 2 veya daha fazla ati çekirdeğine sahip ekran kartı uygun şartlar altında birbirine bağlanarak performans artışı sağlanmaktadır.

Nvidia ve Ati tarafından geçmişten günümüze üretilen bazı ekran kartı modellerini hatırlayacak olursak;
» Nvidia: TNT2 M64, GeForce PCX 5750, GeForce PCX 5300, GeForce 2 MX 400, GeForce 2 TI, GeForce 3 TI 200, GeForce 3 TI 500, GeForce 4 Ti 4200, GeForce MX4000, GeForce 4 MX 440, GeForce 4 Ti 4400, GeForce 4 Ti 4400, GeForce 4 Ti 4600, GeForce FX 5200, GeForce FX 5700, GeForce FX 5900, GeForce FX 5600XT, GeForce FX 5500, GeForce FX 5800 Ultra, GeForce FX 5700 Ultra, GeForce FX 5900 Ultra, GeForce FX 5950 Ultra, GeForce FX 5700 LE, GeForce 6200 TC, GeForce 6500, 6800 Ultra, 6800 GT, 6600 GT, 6500, 6600, 6800 XT, 6800 LE, GeForce 7600 GT, 7600GS, 7600 GT, 7900 GS, 7900 GT, 7800 GTX, 7950 GT, 7900 GS, 7800 GTX, GeForce 8600 GTS, 8800 GTS, 8600GT, 8800 GT, 8400 GS, 8500 GT, 8400 GS, 8800 GTX, 8800 Ultra, 9800GX2

» ATI: Radeon 7000, Radeon 9000 / 9000 PRO, Radeon 9200 SE, Radeon 9500 / 9500 PRO, Radeon 9550, 9550 SE, 9600, 9600 XT, 9800 PRO, Radeon X300SE, X300, X600 PRO, X700, Radeon X800, Radeon X800PRO, X800 XL, Radeon X800XT, X800 GTO, X850 PRO, Radeon X850 XT, X850 XT-PE, X1300 XT, X1650 PRO, X1800 GTO, X1800 XL, X1800 XT, X1900, X1900 GT, X1900 XT, Radeon X1900 XTX, X1950 XTX, Radeon X1950 Crossfire Edition, Radeon HD 2900XT, Radeon HD 3850, Radeon HD 3870, Radeon 3400 HD, 3470 HD, Radeon 3450 HD, Radeon 3600 HD, 3650 HD, Radeon 3850 HD, 3870 HD, HD 3870 X2, Radeon 3800 HD

Ekran kartlarında bir diğer önemli unsurda gpu ve bellek boyut kapasitesidir. 32bit, 64bit, 128bit, 256bit, 384bit, 512bit ve son olarak 1024 bir teknolojisi bazı ekran kartlarında kullanılmaktadır. Veri bouyutu olaraksa; 512MB, 256MB, 128MB, 64MB, 32MB, 16MB, 8MB, 4MB, 2MB ve daha küçük teknolojiler eski kartlarda kullanılmaktadır. Yeni kartların bazılarında 1GB video memory boyutlarına çıkılmıştır. Bu boyutların büyük olması ekran kartındaki kullanılan malzeme sayısını ve bağlantı sayısını arttırmaktadır fakat tek döngüde 512bit lik bir veri ile 1024 bitlik bir veri işleme arasında iki kat performans olduğunda dikkate alalım. Bu nedenle ekran kartı seçimlerinde data büyüklük boyutlarında göz önünde bulundurunuz.

Yeni ekran kartlarında kullanılan temel bazı özelliklere değinecek olursak; Anti-aliasing Teknolojisi, Floating Point High Dynamic-Range (HDR) Lighting Teknolojisi, Quantum Effects, ForceWare Unified Driver Architecture (UDA) Teknolojisi, OpenGL, Shader Model ve daha birçok teknoloji kullanılmaktadır.