Näytönohjain

Pääartikkeli: Näyttötila

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.

Yleisiä grafiikkatiloja ovat olleet VGA-standardin 640×480 ja sen seuraajat 800×600 ja 1024×768. Kannettavissa tietokoneissa yleinen on laajakuva 1366×768. 2020-luvulla yleisimpiä näyttötiloja ovat täysteräväpiirto (Full HD) 1920×1080 ja 1440p eli 2560×1440.[1]

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[2] 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.

NVIDIA:n SLI:n ja AMD:n (ATI:n) CrossFiren kaltaiset tekniikat mahdollistavat useamman eri näytönohjaimilla sijaitsevan grafiikkasuorittimen käyttämisen yhden kuvan piirtämiseen, mikä lisää grafiikalle käytettävissä olevan laskentatehon määrää.

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.[3] 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.[4] 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.[5] 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.[6]

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.

Nykynäytönohjaimet koostuvat piirilevystä, johon komponentit kiinnitetään. Komponentteihin kuuluvat grafiikkaprosessori, sen käyttämä muisti ja liittimet, sekä apupiirejä, kuten virran tasaukseen tarvittavat komponentit.

NVIDIAn GeForce FX 5200 -näytönohjaimen grafiikkaprosessori

Jäähdytyslaitteet

Lämpöputkijäähdytetty näytönohjain.

Pääartikkeli: Tietokoneen jäähdytys

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.

Muita liitäntöjä

Komposiittivideo	Pieniresoluutioinen analogiliitäntä, joka käyttää RCA-liitäntää.
Komponenttivideo	Kolme kaapelia, joista jokainen käyttää RCA-liitäntää. Käytetään projektoreissa, DVD-soittimissa ja joissain televisioissa.
DB13W3	Analogistandardi, jota käyttivät Sun Microsystems, SGI ja IBM.
DMS-59	Liitäntä, jossa on kaksi DVI-ulostuloa yhdessä liittimessä.

Varhaiset näytönohjaimet tarjosivat vain kuvapuskurin.

Näytönohjaimen suorituskykyyn vaikuttavat useat eri seikat. Suurimmassa määrin näytönohjaimen suorituskykyyn vaikuttavat verteksi- ja pikselivarjostinyksiköiden lukumäärä[9] grafiikkasuorittimen kellotaajuus[9] sekä näytönohjaimen muistin suorituskyky.[9]

Grafiikkasuorittimen ominaisuudet ratkaisevat kuinka näyttävää grafiikkaa näytönohjain kykenee prosessoimaan jotta se näyttää liikkuvan sujuvasti.[9] Suuresta rinnakkain tapahtuvasta laskennan määrästä johtuen grafiikkasuorittimien transistorimäärä on suurempi kuin keskusprosessoreissa.[9] Keskussuoritin kykenee suorittamaan tyypillisesti 1–8-säikeisiä ohjelmia yhtäaikaisesti[9] siinä missä grafiikkasuorittimen sisällä voi olla kymmenittäin rinnakkain toimivia säkeitä.[9] Näytönohjain huolehtii itse piirrettävän grafiikan jakamisesta eri varjostinyksiköihin[10] Kiihdytinpiirin nopeus koostuu pitkälti varjostinyksiköitten lukumäärästä, piirin kellotaajuudesta sekä muistiväylän leveydestä ja nopeudesta.[11] Keskussuoritin antaa yleensä runsaasti isoja piirrettäviä alueita näytönohjaimelle.[9] Grafiikkasuoritin kykenee jakamaan piirrettävän alueen pienempiin osa-alueisiin ja kykenee piirtämään sitä samanaikaisesti monesta eri suunnasta.[9] Työstöön grafiikkasuoritin käyttää eri yksiköitä, jotka hoitavat piirtämisen omalla tavallaan.[9] Perinteisessä tavassa yksiköitä on useita samalla näytönohjaimella, mutta uudemmissa näytönohjaimissa pohjataan Unified Shader yksikköön, jossa näytönohjaimen pikselinvarjostin ja verteksivarjostinyksiköt on yhdistetty yhdeksi isommaksi piiriksi.[9] Verteksi- ja pikselinvarjostinyksiköiden tehtävänä on pääasiallisesti värittää oikeilla väreillä niille annetut monikulmiot.[9] Varjostinyksiköt myös valaisevat kolmiot varjostinohjelmien määrittelemällä tavalla.[12] Näytönohjaimessa on myös teksturointiyksikkö, joka värittää pikselit.[13]

Varjostinyksiköitten toiminnan kannalta oleellinen osa on näytönohjaimen muistin suorituskyky.[13] Nopeammalla muistilla varjostinyksiköitten ei tarvitse odotella niin kauaa grafiikkadatan siirtymistä muistista varjostinyksiköihin tai toisinpäin.[13]

Varjostinsuorittimet on suunniteltu erityisesti 3D-grafiikassa käytettävien matriisilaskujen ja laskutoimituksissa käytettävän ohjelmakoodien suorittamiseen.[14] Ohjelmoitavien varjostinyksiköiden tulemisen myötä näytönohjain sai muitakin tehtäviä kuin monikulmioiden värittäminen annetuilla väreillä. Varjostinohjelma kykenee mallintamaan esimerkiksi veden pinnan käyttäytymistä suorittimen ohjeistaessa että paikassa X on vettä. Tämän jälkeen varjostinohjelma kykenee laskemaan itsenäisesti veden pinnan käyttäytymisen ilman että välitulosten kanssa tarvitsee neuvotella suorittimen kanssa.[14] DirectX10 tulemisen myötä varjostinsuorittimet korvasivat aiemmin käytössä olleet pikselivarjostin- ja verteksivarjostinyksiköt.[14] Tämän myötä ohjelmoijan työ helpottui.[14] Ohjelmoitavuus nousi myös uuteen ulottuvuuteen, sillä DirecX10:n myötä mukaan tulivat myös geometriavarjostimet, jotka kykenevät luomaan uusia väritystä vaativia monikulmioita.[14]

Kun varjostinyksiköt ovat värittäneet monikulmiot, kuva päätyy rasterointiyksikölle pikseleiksi muuntamista varten.[15]

Lisäksi näytönohjaimen suorituskykyyn vaikuttaa muistiväylän leveys ja siinä käytettävien muistipiirien kellotaajuus ja sukupolvi.[15] Muistin määrä ratkaisee näytönohjaimen näytettävissä olevien yksityiskohtien määrän.[16] Muistin määrä ja muistin nopeus vaikuttavat näytönohjaimen suorituskykyyn. Muistin suorituskyky riippuu muistiväylän leveydestä ja muistin kellotaajuudesta.[17] Muistiväylän kapeutta voidaan kompensoida käyttämällä korkealla kellotaajuudella toimivia muistipiirejä.[17]

Nykyaikaiset henkilökohtaisten tietokoneiden näytönohjaimet toimivat tyypillisesti PCI Express -laiteväylässä. Tietokoneissa on eri aikoina ja eri valmistajilta ollut käytössä useisiin eri väyliin sopivia näytönohjaimia. Joissakin tietokoneissa näytönohjain on integroitu emolevylle. Pelikonsoleissa ja joissakin vanhemmissa grafiikkatyöasemissa näytönohjauslogiikka on yleensä varsin kiinteästi sidoksissa laitteen muuhun toimintaan, eikä sitä yleensä edes pysty vaihtamaan lisäkortin avulla.

Uusimmat PC-näytönohjaimet toimivat nykyään nopeammassa PCI-Express 16x -väylässä, joka on paranneltu versio vanhasta PCI-väylästä. Pci-e-väylien nopeus voidaan säätää dynaamisesti.[17] PCI-Express 16x on parhaimmillaan monta kertaa nopeampi kuin AGP-väylä ja mahdollistaa NVIDIA:n ja ATI:n usean näytönohjaimen rinnakkain kytkemisen suorituskyvyn lisäämiseksi (NVIDIA:n SLI-ominaisuus ja ATI:lla CrossFire). Vastaava tekniikka oli myös joissakin Sunin ja SGI:n grafiikkatyöasemissa jo 1990-luvun alkupuolella sekä joissakin 3dfx Interactiven pelikäyttöön tarkoitetuissa Voodoo-näytönohjainperheen malleissa 1990-luvun lopulla.

Tietokonenäyttöjen ongelmana on se että kuva muodostuu kulmikkaista pisteistä.[18] Kaarevien ja vinojen pintojen esittäminen näyttää sen vuoksi aina sahalaitaiselta.[18] Ongelmaa kiertämään on kehitetty useita tapoja joiden perusideana on pyrkiä häivyttämään sahalaitaisuutta sopivan värisillä pisteillä sahalaitakuviossa.[18] Tätä toteutusta kutsutaan reunanpehmennykseksi.[18] Reunanpehmennyksessä piirrettävästä kuvasta tehdään suurempiresoluutioinen versio jonka avustuksella kuvapisteelle lasketaan lähimmän oikean värityksen keskiarvo.[18] Reunanpehmennyksessä käytettävä kerroin kertoo kuinka monta kertaa suurempi pehmennykseen käytettävä kuva on kooltaan.[18] Tämä tekniikka tarvitsee sujuvasti toimiakseen suuren määrän näyttömuistia.[18] Suurempitarkkuuksisen kuvan laskeminen myös vie näytönohjaimelta paljon laskentatehoa.[18]

Toinen yleisesti kuvanlaadun parantamisessa käytetty tekniikka on anisotrooppinen suodatus.[18] Anisotrooppinen suodatus estää kaukaisia objekteja liialliselta sumentumiselta.[18] Reunanpehmennystä voidaan käyttää myös näissä kohteissa mutta laskennallisesti se on liian raskas näytönohjaimille.[18]

Näytönohjaimen suorituskykyyn vaikuttavat piiriarkkitehtuurin lisäksi myös käytetty ajuriversio.[19]

Näytönohjainajurin tehtävänä on peristeisesti välittää ohjelmiston käskyt näytönohjainpiirille ja suorittaa käännöstehtävä näytönohjaimen ymmärtämään muotoon.[19] Ajureilla kyetään tekemään moninaisia muutoksia suorituskyvyn lisäämiseksi.[19] NVIDIAn ForceWareissa (sittemmin GeForce nimelle vaihtuneet ajurit) ja ATIn Catalysteissa on rutiineja jotka optimoivat ohjelmakoodia paremmin grafiikkapiirille sopivaan muotoon.[19] Aiemmin näytönohjainvalmistajien kesken vallitsi yhteisymmärrys siitä että varjostinohjelmien piirtojärjestystä saa muokata mutta ohjelmien sisältöön ei saa vaikuttaa.[19] Sittemmin tämä raja on hämärtynyt ja ajurit saattavat muuttaa alkuperäistä ohjelmakoodia hyvinkin paljon.[19] Muutoksia luodaan esimerkiksi varjostinohjelmien sisältöön ja z puskurien luontijärjestykseen.[19] Esimerkiksi ATIn Catalyst ajurit sisältävät AI-toiminnon jonka ollessa pois päältä ohjelmistokoodi kulkee kortille kutakuinkin siten kuin ohjelman ohjelmoijat ovat tarkoittaneet.[20] AI-ominaisuuden päälläollessa ajurit vaikuttavat kuvan piirtämiseen jotka asetuksista riippuen tekevät koodiin esiasteisia optimointeja.[21] Ohjelmistokoodi ajetaan eri piirivalmistajien näytönohjelmissa eri tavoin jolloin lopputulokset eivät ole identtisiä keskenään.[21] Koska eri ajurit optimoivat ohjelmakoodia eri tavoin, lopputulokset eivät ole identtisiä keskenään.[21]

Näytönohjaimia valmistavat yritykset lisensoivat grafiikkasuoritin (GPU) tekniikan suoritinvalmistajilta, kuten AMD, Intel ja Nvidia.

Kuluttajille suunnattuja näytönohjaimia valmistavat yhtiöt ja tuotemerkit:

• Asus
• Gigabyte
• MSI
• Sapphire
• XFX
• KFA2
• Palit
• Zotac
• EVGA
• Gainward
• Inno3D
• PNY

• Tietokoneen näyttöstandardi
• PAL
• NTSC
• NVIDIA ja AMD – 3D-grafiikkasuorittimien ja -näytönohjaimien duopoli.
• CUDA
• OpenCL