TARJETA DE SONIDO
Una tarjeta de sonido o placa de sonido es
una tarjeta de expansión para computadoras que permite la salida de audio controlada por un programa informático llamado controlador (en inglés driver). El uso típico de las tarjetas de sonido consiste en
hacer, mediante un programa que actúa de mezclador, que las aplicaciones multimedia del componente de
audio suenen y puedan ser gestionadas. Estas aplicaciones incluyen composición
de audio y en conjunción con la tarjeta de video
conferencia también puede hacerse
una edición de vídeo, presentaciones
multimedia y entretenimiento (videojuegos). Algunos equipos (como los personales) tienen la tarjeta ya integrada, mientras que otros
requieren tarjetas de expansión. También hay equipos que por su uso (como por
ejemplo servidores) no requieren de dicha función.
TARJETA GRAFICA
Tarjeta de vídeo, placa de vídeo, tarjeta aceleradora de gráficos o adaptador de pantalla, es una tarjeta de expansión para una computadora u ordenador, encargada de procesar los
datos provenientes de la CPU y transformarlos en información
comprensible y representable en un dispositivo de salida, como un monitor o televisor.
Las tarjetas gráficas más comunes son las disponibles para las computadoras
compatibles con la IBM PC,
debido a la enorme popularidad de éstas, pero otras arquitecturas también hacen
uso de este tipo de dispositivos.
Es habitual que se
utilice el mismo término tanto a las habituales tarjetas dedicadas y separadas
como a las GPUintegradas en la placa base.
Algunas tarjetas gráficas han ofrecido funcionalidades añadidas como captura de
vídeo, sintonización de TV, decodificación MPEG-2 y MPEG-4 o incluso conectores Firewire,
de ratón, lápiz óptico ojoystick.
Las tarjetas gráficas no
son dominio exclusivo de los PC;
contaron o cuentan con ellas dispositivos como los Commodore Amiga (conectadas mediante las ranuras Zorro II y Zorro III), Apple II, Apple Macintosh, Spectravideo SVI-328, equipos MSX y, por supuesto, en las videoconsolas modernas, como la Wii U, la PlayStation 4 y la Xbox One
HISTORIA
La historia de las
tarjetas gráficas da comienzo a finales de los años 1960,
cuando se pasa de usar impresoras como elemento de visualización a utilizar
monitores. Las primeras tarjetas sólo eran capaces de visualizar texto a 40x25
u 80x25, pero la aparición de los primeros chips gráficos como el vinagre Motorola 6845 permiten comenzar a dotar a los
equipos basados en bus S-100 oEurocard de capacidades gráficas. Junto con las
tarjetas que añadían un modulador de televisión fueron las primeras en recibir
el término tarjeta de video.
El éxito del ordenador doméstico y las primeras videoconsolas hacen que por abaratamiento de costes
(principalmente son diseños cerrados), esos chips vayan integrados en la placa base.
Incluso en los equipos que ya vienen con un chip gráfico se comercializan
tarjetas de 80 columnas, que añadían un modo texto de 80x24 u 80x25 caracteres,
principalmente para ejecutar soft CP/M (como las de los Apple II y Spectravideo SVI-328).
Curiosamente la tarjeta
de vídeo que viene con el IBM PC,
que con su diseño abierto herencia de los Apple II popularizará el concepto de tarjeta
gráfica intercambiable, es una tarjeta de sólo texto. La MDA (Monochrome Display Adapter),
desarrollada porIBM en 1981, trabajaba en modo
texto y era capaz de representar 25 líneas de 80 caracteres en pantalla.
Contaba con una memoria VRAM de 4KB, por lo que sólo podía trabajar
con una página de memoria. Se usaba con monitores monocromo, de tonalidad
normalmente verde.
Componentes:
GPU
La GPU, —acrónimo de «graphics processing unit», que
significa «unidad de procesamiento gráfico»— es un procesador (como la CPU) dedicado al
procesamiento de gráficos; su razón de ser es aligerar la carga de trabajo del
procesador central y, por ello, está optimizada para el cálculo en coma flotante,
predominante en las funciones 3D. La mayor parte de la información ofrecida en
la especificación de una tarjeta gráfica se refiere a las características de la
GPU, pues constituye la parte más importante de la tarjeta gráfica, así como la
principal determinante del rendimiento. Tres de las más importantes de dichas
características son la frecuencia de reloj del núcleo, que en la actualidad
oscila entre 825 MHz en las tarjetas de gama baja y 1200 MHz, e incluso más, en
las de gama alta, el número de procesadores shaders y el número de pipelines(vertex y fragment shaders), encargadas de
traducir una imagen 3D compuesta por vértices y líneas en una imagen 2D
compuesta por píxeles. Elementos generales de una GPU:
- Shaders: Es elemento más notable de potencia de una GPU, estos shaders unificados reciben el nombre de núcleos CUDA en el caso de nvidia y Procesadores Stream en el caso de AMD. Son una evolución natural de los antiguos pixel shader (encargados de la rasterización de texturas) y vertex shader (encargados de la geometría de los objetos), los cuales anteriormente actuaban de forma independiente. Los shaders unificados son capaces de actuar tanto de vertex shader como de pixel shader según la demanda, aparecieron en el 2007 con los chips G90 de nvidia (Series 8000) y los chips R600 para AMD (Series HD 2000), antigua ATi, incrementando la potencia drásticamente respecto a sus familias anteriores
- ROP: Se encargan de representar los datos procesados por la GPU en la pantalla, además también es el encargado de los filtros como Antialiasing.
Memoria gráfica de acceso aleatorio
Son chips de memoria que
almacenan y transportan información entre sí, no son determinantes en el
rendimiento máximo de la tarjeta gráfica, pero bien unas especificaciones
reducidas pueden limitar la potencia de la GPU. Existen de dos tipos, Dedicada cuando, la tarjeta gráfica o la GPU
dispone exclusivamente para sí esas memorias, ésta manera es la más eficiente y
la que mejores resultados da; y compartida cuando se utiliza memoria en
detrimento de la memoria RAM, ésta memoria es mucho más lenta que la dedicada y
por tanto su rendimiento es menor, es recurrente en campañas de márketing con
mensajes tipo Tarjeta gráfica de "Hasta ~ MB" para engañar al
consumidor haciéndole creer que la potencia de esa tarjeta gráfica reside en su
cantidad de memoria.
Las características de memoria gráfica de una tarjeta gráfica se
expresan en 3 características:
Capacidad: La capacidad de la
memoria determina el número máximo de datos y texturas procesadas, una
capacidad insuficiente se traduce en un retardo a espera de que se vacíen esos
datos. Sin embargo es un valor muy sobrevalorado como estrategia recurrente de márketing para engañar al consumidor, tratando
de hacer creer que el rendimiento de una tarjeta gráfica se mide por la
capacidad de su memoria.
Interfaz de Memoria: También denominado Bus de datos, es la multiplicación
resultante del de ancho de bits de cada chip por su número de unidades. Es una
característica importante y determinante, junto a la velocidad de la memoria, a
la cantidad de datos que puede transferir en un tiempo determinado, denominado
ancho de banda. Una analogía al ancho de banda se podría asociar al ancho de
una autopista o carriles y al número de vehículos que podrían circular a la
vez. La interfaz de memoria se mide en bits.
Velocidad de Memoria: Es la velocidad a la que las memorias pueden transportar los
datos procesados, por lo que es complemento a la interfaz de memoria para
determinar el ancho de banda total de datos en un tiempo determinado.
Continuando la analogía de la circulación de los vehículos de la autopista, la
velocidad de memoria se traduciría en la velocidad máxima de circulación de los
vehículos, dando resultado a un mayor transporte de mercancía en un mismo periodo
de tiempo.
Ancho de banda: Es la tasa de datos que
pueden transportarse en una unidad de tiempo. Un ancho de banda insuficiente se
traduce en un importante limitador de potencia de la GPU. Habitualmente se mide
en "Gigabytes por segundo" (GB/s).
Su fórmula general es el
cociente del producto de la interfaz de memoria (expresada en bits) por la
frecuencia efectiva de las memorias (expresada en Gigahertzios), entre 8 para
convertir bits a bytes.
Por ejemplo, tenemos una tarjeta gráfica con 256 bits de interfaz de memoria y
4200 MHz de frecuencia efectiva y necesitamos hallar su ancho de banda:
Una parte importante de la memoria de un adaptador de vídeo es el Z-Buffer,
encargado de gestionar las coordenadas de profundidad de las imágenes en los gráficos 3D.
RAMDAC
El RAMDAC es un conversor de señal digital a analógico de
memoria RAM. Se encarga de transformar las señales digitales producidas en el
ordenador en una señal analógica que sea interpretable por el monitor. Según el
número de bits que maneje a la vez y la velocidad con que lo haga, el conversor
será capaz de dar soporte a diferentes velocidades de refresco del monitor (se
recomienda trabajar a partir de 75 Hz, y nunca inferior a 60). Dada la creciente popularidad de los
monitores de señal digital, el RAMDAC está quedando obsoleto, puesto que no es
necesaria la conversión analógica si bien es cierto que muchos conservan
conexión VGA por compatibilidad.
Espacio que ocupan las texturas almacenadas
El espacio que ocupa una
imagen representada en el monitor viene
dada en función de su resolución y
su profundidad de color, es decir, una imagen sin
comprimir en formato estándar Full HD con 1920x1080 píxeles y 32 bits de
profundidad de color ocuparía 66.355.200 bits, es decir, 8,294 MiB
Salidas
SVGA/Dsub-15: Estándar analógico de los años 1990;
diseñado para dispositivos CRT, sufre de ruido eléctrico y distorsión por
la conversión de digital a analógico y el error de muestreo al evaluar los
píxeles a enviar al monitor. Se conecta mediante pines. Su utilización continúa
muy extendida a día de hoy, aunque claramente muestra una reducción frente al
DVI en los últimos años.
DVI: Sustituto del anterior, pero digital, fue
diseñado para obtener la máxima calidad de visualización en las pantallas
digitales o proyectores. Se conecta mediante pines. Evita la distorsión y el
ruido al corresponder directamente un píxel a representar con uno del monitor
en la resolución nativa del mismo. Cada vez más adoptado, aunque compite con el
HDMI, pues el DVI no es capaz de transmitir audio.
HDMI: Tecnología
propietaria transmisora de audio y vídeo digital de alta definición cifrado sin
compresión en un mismo cable. Se conecta mediante patillas de contacto. No está
pensado inicialmente para monitores, sino para televisores, por ello no apaga
la pantalla cuando deja de recibir señal y debe hacerse manualmente en caso de
monitores.
Otras no tan extendidas
por un uso minoritatio, no implementadas u obsoletas son:
DisplayPort: Puerto para tarjetas gráficas creado por VESA y
rival del HDMI, transfiere vídeo a alta resolución y audio. Sus ventajas son
que está libre de patentes, y por ende de regalías para incorporarlo a los
aparatos, también dispone de unas pestañas para anclar el conector impidiendo
que se desconecte el cable accidentalmente. Cada vez más tarjetas gráficas van
adoptando este sistema, aunque a día de hoy, sigue siendo su uso minoritario,
existe una versión reducida de dicho conector llamada Mini DisplayPort,
muy usada para tarjetas gráficas con multitud de salidas simultáneas, como
pueden ser 5.
Vídeo Compuesto: analógico de muy baja
resolución mediante conector RCA.
Completamente en desuso para tarjetas gráficas, aunque sigue siendo usado para
TV.
Vídeo por componentes: Sistema analógico de
transmisión de vídeo de alta definición, utilizado también para proyectores; de
calidad comparable a la de SVGA, dispone de tres clavijas (Y, Cb y Cr).
Anteriormente usado en PCs y estaciones de trabajo de gama alta, ha quedador
relegado a TV y videoconsolas.
Digital TTL DE-9 : usado por las
primitivas tarjetas de IBM (MDA, CGA y variantes, EGA y muy contadas VGA). Completamente
obsoleto
Interfaces con la placa base
Bus
|
Puerto
|
|||
ISA XT
|
8
|
4,77
|
8
|
Paralelo
|
ISA AT
|
16
|
8,33
|
16
|
Paralelo
|
32
|
10
|
20
|
Paralelo
|
|
32
|
8,33
|
32
|
Paralelo
|
|
32
|
40
|
160
|
Paralelo
|
|
32 - 64
|
33 - 100
|
132 - 800
|
Paralelo
|
|
AGP 1x
|
32
|
66
|
264
|
Paralelo
|
AGP 2x
|
32
|
133
|
528
|
Paralelo
|
AGP 4x
|
32
|
266
|
1000
|
Paralelo
|
AGP 8x
|
32
|
533
|
2000
|
Paralelo
|
PCIe x1
|
1*32
|
25 / 50
|
100 / 200
|
Serie
|
PCIe x4
|
1*32
|
25 / 50
|
400 / 800
|
Serie
|
PCIe x8
|
1*32
|
25 / 50
|
800 / 1600
|
Serie
|
PCIe x16
|
1*32
|
25 / 50
|
1600 / 3200
|
Serie
|
PCIe x16 2.0
|
1*32
|
25 / 50
|
3200 / 6400
|
Serie
|
En orden cronológico,
los sistemas de conexión entre la tarjeta gráfica y la placa base han sido,
principalmente:
VESA:
extensión de ISA que solucionaba la restricción de los 16 bits, duplicando el
tamaño de bus y con una velocidad de 33 MHz.
PCI: bus que desplazó a los anteriores a
partir de 1993; con un tamaño de 32
bits y una velocidad de 33 MHz, permitía una configuración dinámica de los
dispositivos conectados sin necesidad de ajustar manualmente los jumpers. PCI-X fue una versión que aumentó el tamaño
del bus hasta 64 bits y aumentó su velocidad hasta los 133 MHz.
Dispositivos
refrigerantes:
Debido a las cargas de
trabajo a las que son sometidas, las tarjetas gráficas alcanzan temperaturas
muy altas. Si no es tenido en cuenta, el calor generado puede hacer fallar,
bloquear o incluso averiar el dispositivo. Para evitarlo, se incorporan
dispositivos refrigerantes que eliminen el calor excesivo de la tarjeta. Se
distinguen dos tipos:
Disipador:
dispositivo pasivo (sin partes móviles y, por tanto, silencioso); compuesto de
un metal muy conductor del calor, extrae este de la tarjeta. Su eficiencia va
en función de la estructura y la superficie total, por lo que a mayor demanda
de refrigeración, mayor debe ser la superficie del disipador.
Ventilador: dispositivo activo (con partes móviles); aleja el
calor emanado de la tarjeta al mover el aire cercano. Es menos eficiente que un
disipador, siempre que nos refiramos al ventilador sólo, y produce ruido al
tener partes móviles.
Aunque diferentes, ambos
tipos de dispositivo son compatibles entre sí y suelen ser montados juntos en
las tarjetas gráficas; un disipador sobre la GPU extrae el calor, y un
ventilador sobre él aleja el aire caliente del conjunto.
Refrigeración Líquida: La
refrigeración líquida o watercooling es una técnica de enfriamiento utilizando
agua en vez de disipadores de calor y ventiladores (dentro del chasis),
logrando así excelentes resultados en cuanto a temperaturas, y con enormes
posibilidades en overclock. Se suele realizar con circuitos de agua estancos.
El agua, y cualquier
líquido refrigerante, tienen mayor capacidad térmica que el aire. A partir de
este principio, la idea es extraer el calor generado por los componentes de la
computadora usando como medio el agua, enfriarla una vez fuera del gabinete y
luego reintroducirla.
Alimentación
Hasta ahora la
alimentación eléctrica de las tarjetas gráficas no había supuesto un gran
problema, sin embargo, la tendencia actual de las nuevas tarjetas es consumir
cada vez más energía. Aunque las fuentes de alimentación son cada día más
potentes, la insuficiencia energética se encuentra en la que puede proporcionar
el puerto PCIe que sólo es capaz de aportar una
potencia por sí sólo de 75 W. Por este motivo, las tarjetas gráficas
con un consumo superior al que puede suministrar PCIe incluyen un conector (PCIe power connector) que permite una conexión directa entre
la fuente de alimentación y la tarjeta, sin tener que pasar por la placa base,
y, por tanto, por el puerto PCIe.
Aun así, se pronostica
que no dentro de mucho tiempo las tarjetas gráficas podrían necesitar una
fuente de alimentación propia, convirtiéndose dicho conjunto en dispositivos
externos.
Tipos
antiguos de tarjetas graficas:
Tarjeta MDA
"Monochrome Display
Adapter" o Adaptador monocromo. Fue lanzada por IBM como una memoria de 4 KiB de forma exclusiva para monitores TTL
(que representaban los clásicos caracteres en ámbar o verde). No disponía de
gráficos y su única resolución era la presentada en modo texto (80x25) en
caracteres de 14x9 puntos, sin ninguna posibilidad de configuración.
Básicamente esta tarjeta
usa el controlador de vídeo para leer de la ROM la matriz de
puntos que se desea visualizar y se envía al monitor como información serie. No
debe sorprender la falta de procesamiento gráfico, ya que, en estos primeros PC
no existían aplicaciones que realmente pudiesen aprovechar un buen sistema de
vídeo. Prácticamente todo se limitaba a información en modo texto.
Este tipo de tarjeta se
identificaba rápidamente, ya que incluía un puerto de comunicación para la
impresora.
Tarjeta CGA
"Color Graphics
Array" o "Color graphics adapter" según el texto al que se
recurra. Aparece en el año 1981 también de la mano de IBM y fue muy extendida.
Permitía matrices de caracteres de 8x8 puntos en pantallas de 25 filas y 80
columnas, aunque solo usaba 7x7 puntos para representar los caracteres. Este
detalle le imposibilitaba el representar subrayados, por lo que los sustituía
por diferentes intensidades en el carácter en cuestión.En modo gráfico admitía
resoluciones de hasta 640x200. La memoria era de 16 KiB y solo era compatible
con monitores RGB y Compuestos. A pesar de ser superior a la MDA, muchos
usuarios preferían esta última dado que la distancia entre puntos de la rejilla
de potencial en los monitores CGA era mayor. El tratamiento del color, por
supuesto de modo digital, se realizaba con tres bits y uno más para
intensidades. Así era posible lograr 8 colores con dos intensidades cada uno,
es decir, un total de 16 tonalidades diferentes pero no reproducibles en todas
las resoluciones tal y como se muestra en el cuadro adjunto.
Esta tarjeta tenía un
fallo bastante habitual y era el conocido como "snow". Este problema
era de carácter aleatorio y consistía en la aparición de "nieve" en
la pantalla (puntos brillantes e intermitentes que distorsionaban la imagen).
Tanto era así que algunas BIOS de la época incluían en su SETUP la
opción de eliminación de nieve ("No snow").
Tarjeta HGC
"Hercules Graphics
Card" o más popularmente conocida como Hércules (nombre de la empresa
productora), aparece en el año 1982, con gran éxito convirtiéndose en un
estándar de vídeo a pesar de no disponer del soporte de las rutinas de la BIOS por parte de IBM. Su resolución era de
720x348 puntos en monocromo con 64 KiB de memoria. Al no disponer de color, la
única misión de la memoria es la de referenciar cada uno de los puntos de la
pantalla usando 30,58 KiB para el modo gráfico (1 bit x 720 x 348) y el resto para el modo
texto y otras funciones. Las lecturas se realizaban a una frecuencia de 50 HZ,
gestionadas por el controlador de vídeo 6845. Los caracteres se dibujaban en
matrices de 14x9 puntos.
Diseñadores,
fabricantes y ensambladores:
En el mercado de las
tarjetas gráficas hay que distinguir tres tipos de fabricantes:
Diseñadores de GPU: diseñan y generan exclusivamente la GPU. Los dos más
importantes son:
- AMD, anteriormente conocida como ATi
- nVIDIA
- GPU integrado en el chipset de la placa base: también destaca Intel además de los antes citados nVIDIA y AMD.
Otros fabricantes como Matrox o S3 Graphics tienen una cuota de mercado muy
reducida. Todos ellos contratan y encargan a fabricantes ciertas unidades de
chips a partir de un diseño.
Fabricantes de GPU: Son quienes fabrican y suministran las unidades extraídas de
las obleas de chips a los ensambladores. TSMC y Global Foundries son claros ejemplos.
Ensambladores: integran las GPUs
proporcionadas por los fabricantes con el resto de la tarjeta, de diseño
propio. De ahí que tarjetas con el mismo chip tengan formas o conexiones
diferentes o puedan dar ligeras diferencias de rendimientos, en especial
tarjetas gráficas modificadas u overclokeadas de fábrica.
En la tabla adjunta se
muestra una relación de los dos diseñadores de chips y algunos de los
ensambladores de tarjetas con los que trabajan.
API para
gráficos
A nivel de programador,
trabajar con una tarjeta gráfica es complicado; por ello, surgieron interfaces
que abstraen la complejidad y diversidad de las tarjetas gráficas. Los dos más
importantes son:
OpenGL:
creada por Silicon Graphics a principios de los años 1990;
es gratuita, libre y multiplataforma. Utilizada principalmente en aplicaciones
de CAD, realidad virtual osimulación de vuelo. Actualmente está
disponible la versión 4.3
OpenGL está siendo
desplazada del mercado de los videojuegos por Direct3D, aunque haya sufrido
muchas mejoras en los últimos meses.
Efectos
gráficos
Algunas de las técnicas
o efectos habitualmente empleados o generados mediante las tarjetas gráficas
pueden ser:
Shader:
procesado de píxeles y vértices para efectos de iluminación, fenómenos naturales
y superficies con varias capas, entre otros.
HDR: técnica novedosa para representar el
amplio rango de niveles de intensidad de las escenas reales (desde luz directa
hasta sombras oscuras). Es una evolución del efecto Bloom, aunque a diferencia
de éste, no permite Antialiasing.
Mapeado de texturas: técnica que añade detalles
en las superficies de los modelos, sin aumentar la complejidad de los mismos.
Motion Blur: efecto de emborronado debido a la velocidad de un
objeto en movimiento.
Depth Blur: efecto de emborronado
adquirido por la lejanía de un objeto.
Lens flare: imitación de los destellos
producidos por las fuentes de luz sobre las lentes de la cámara.
Efecto Fresnel (reflejo especular): reflejos
sobre un material dependiendo del ángulo entre la superficie normal y la
dirección de observación. A mayor ángulo, más reflectante.
Teselado:
Consiste en multiplicar el número de polígonos para representar ciertas figuras
geométricas y no se vean totalmente planas. Esta característica fue incluida en
la API DirectX 11
Errores
comunes
- Confundir a la GPU con la tarjeta gráfica. Aunque muy importante, no todas las GPU y adaptadores de gráficos van en tarjeta ni son el único determinante de su calidad y rendimiento. Es decir, las GPU sí determinan el rendimiento máximo de la tarjeta, pero su rendimiento puede ser capado por tener otros elementos que no estén a su altura, por ejemplo un ancho de banda pequeño.
- Considerar el término tarjeta de vídeo como privativo del PC y compatibles. Esas tarjetas se usan en equipos no PC e incluso sin procesador Intel o AMD y sus chips en videoconsolas.
- Confundir al fabricante de la GPU con la marca de la tarjeta. Actualmente los mayores fabricantes de chip gráficos de PC en el mercado son NVIDIA y AMD (anteriormente ATi Tecnologies). Esto se debe a que se encargan solamente, de diseñar los chip gráficos (GPU). Luego, empresas como TSMC o Global Fundities fabrican las GPU y más tarde son ensambladas en PCBs con memorias por ASUS, POV, XFX, Gigabyte, Sapphire y demás ensambladoras para su venta al público.
- Saliendo del círculo de PCs, para otros dispositivos como Smartphones, la mayoría de las GPU vienen integradas en "System on Chip" junto al procesador y el controlador de memoria.
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