Đề tài luận văn vi sử lí đồ họa

1.MỞ
ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Trong những năm đầu của ngành công nghệ thông tin, máy vi tính là một cái gì
đó xa xỉ, mới lạ mà con người muốn dày công tìm hiểu. Từ đó các ý tưởng, tiến dần tới
các hãng máy tính bắt đầu hình thành.
Ban đầu, các thế hệ máy tính vô cùng đơn giản, các yếu tố đồ hoạ không hề
phức tạp, cầu kì nên chưa hình thành khái niệm card đồ hoạ. Cho đến khi các thiết bị
bắt đầu chạy trên hệ điều hành có giao diện người dùng (interface), các yếu tố đồ hoạ
đã được gắn kết với nền tảng hệ điều hành. Từ đó card đồ hoạ ra đời.
Những ngày đầu phát triển card đồ hoạ, chúng vô cùng đơn giản và có thiết kế
thô kệch, xử lí đồ hoạ khiêm tốn, chậm chạp. Sau này, cùng với sự phát triển của máy
tính cá nhân, card đồ hoạ dần được hoàn thiện và phát triển mạnh mẽ. Chúng ta đều
thấy rằng gần như các máy tính cá nhân hiện nay đều được tích hợp card đồ hoạ.
Chúng ta hãy cùng tìm hiểu về thiết bị vô cùng quan trọng này.

2. Mục đích, phạm vi, ý nghĩa của đề tài
- Mục đích: giới thiệu sơ lược về card đồ hoạ (sự hình thành, phát triển và
- Phạm vi nghiên cứu: trong khuôn khổ lĩnh vực công nghệ thông tin
- Ý nghĩa: giúp người đọc hiểu và nắm được công dụng, cách dùng card đồ hoạ

1

1


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................2
NỘI DUNG ............................................................................................................4
I. Sự hình thành, thành phần và sự phát triển của vi xử lí đồ hoạ......................4
1. Khái niệm vi xử lí đồ hoạ ...........................................................................4

2. Phân loại và giới thiệu một số hãng sản xuất card đồ hoạ nổi tiếng ..........4
3. Thành phần của một vi xử lí đồ hoạ...........................................................6
4. Ý nghĩa của những thông số của card đồ hoạ ............................................9
5. Các kiểu kết nối phổ biến .........................................................................11
6. Các hàm API trong đồ hoạ .......................................................................12
7. Tản nhiệt trên vi xử lí đồ hoạ ...................................................................12
8. Sự phát triển của card đồ hoạ ...................................................................13
II. Nguyên lí hoạt động và các khả năng xử lí của vi xử lí đồ hoạ ..................20
1. Nguyên lí chung .......................................................................................20
2. Khả năng ép xung .....................................................................................20
3. Các khả năng và tiện ích của card đồ hoạ ................................................22
III. Ứng dụng của vi xử lí đồ hoạ trong các thiết bị điện tử.............................33
1. Xử lý hình ảnh, hiệu ứng trong phim ảnh và hoạt hình ...........................33
2. Những lĩnh vực sử dụng GPU ..................................................................33
3. Khả năng tính toán dấu chấm động cực lớn nhờ vào sự hỗ trợ của GPU
trong hệ thống ra-đa .....................................................................................34
4. CPU có thể thay thế cho GPU được không? ............................................34
KẾT LUẬN CHUNG ...........................................................................................35

2

2


NỘI DUNG
I. Sự hình thành, thành phần và sự phát triển của vi xử lí đồ hoạ
1. Khái niệm vi xử lí đồ hoạ
Card màn hình (VGA: Video Graphics Adaptor hay Video Graphics Card) còn
được gọi là bo mạch đồ hoạ (Graphics Adapter), thiết bị đồ hoạ … là thiết bị có nhiệm
vụ xử lí các thông tin về hình ảnh trong máy tính, thông qua kết nối với màn hình

(CRT, LCD …) để hiển thị hình ảnh cho người sử dụng giao tiếp được với máy tính.
Bất kì máy tính các nhân nào (Personal Computer) hay máy tính xách tay (Laptop)
cùng đều phải có card màn hình, thậm chí có thể nói thiết bị nào có xuất hình ảnh ra thì
phải có chip điều khiển việc đó và nó thường gọi là card màn hình cho dễ hiểu. Tên gọi
phổ biến của nó là VGA (còn được hiểu là một chuẩn kết nối phổ thông: Analog or DSub 15pin). Có nhiều cách phân biệt card màn hình như phân biệt theo dạng vật lí, theo
chip xử lí (GPU), theo cách giao tiếp với bo mạch chủ (Mainboard) như PCI, AGP,
PCI Express, MXM … và còn theo hãng sản xuất ra thiết bị.

2. Phân loại và giới thiệu một số hãng sản xuất card đồ hoạ nổi tiếng
Để dễ phân biệt, chúng ta thường phân biệt theo dạng vật lí:
+ Card gắn trực tiếp: là loại card
được tích hợp trên bo mạch chủ (main)
của máy tính, cụ thể hơn nó được tích
hợp vào CPU (CPU là bộ vi xử lí trung
tâm, là bộ não điều khiển mọi hoạt động
của máy tính) và sử dụng sức mạnh của
CPU cùng bộ nhớ RAM (bộ nhớ tạm
chứa thông tin của các ứng dụng đang
chạy) để hỗ trợ giúp xử lý hình ảnh. Chính vì vậy mà việc xử lý đồ họa của card
onboard thường không bằng card rời trong cùng một cấp độ. Bù lại, Card Onboard lại
giúp giảm giá thành đáng kể cho chiếc máy tính. Ngày nay, với công nghệ tiên tiến của
các thế hệ CPU thế hệ mới, điển hình là của hàng Intel, sức mạnh của Card Onboard
được gia tăng đáng kể. Việc chơi game 3D hay xem các bộ phim HD là việc mà các bộ
xử lí đồ hoạ tích hợp hoàn toàn có thể đảm đương được.

3

3

- Card màn hình rời: là card
màn hình độc lập, giao tiếp với
mainboard thông qua bus giao tiếp ở
các khe cắm mở rộng như PCI, AGP,
PCI Express hay MXM, cũng có tính
năng công việc như card onboard
nhưng card rời có đẩy đủ hẳn một bộ
phận riêng để hoạt động độc lập,
chuyên xử lý tất cả dữ liệu về hình ảnh. Vì vậy nên những sãn phẩm có card rời sẽ cho
hình ảnh đồ họa tốt hơn với card onboard cùng cấp độ.
Phân biệt các dạng card màn hình này thì chúng ta phân biệt theo tên gọi của nó.
Hiện nay đa số các laptop có card màn hình rời đều là dạng hàn dính trên mainboard
không thể thay thế cũng như nâng cấp nên nó thuộc dạng rời mà không rời
Xét về hiệu năng để xem card màn hình có phù hợp với công việc của mình
không,
người ta thường chia card màn hình ra làm 5 dòng cơ bản:
- Integrated Cards: card màn hình onboard hay còn gọi là card share. Trước đây
card có hiệu năng rất thấp hầu như chỉ đáp ứng đủ như cầu office và web cơ bản cũng
như xem phim và chơi game. Gần đây với công nghệ mới từ Intel và AMD đã nâng
hiệu năng các loại card này lên ngang ngửa một số loại card rời dòng thấp và tầm trung
khác, có khả năng chơi game online mượt và xem phim FHD và 4K dễ dàng. Với hiệu
năng tốt và được tích hợp sẵn trong CPU thì dạng card này sẽ tiết kiệm chi phí kha khá
khi bạn chưa cần hiệu năng đồ hoạ cao
- Low-End Cards: card màn hình rời loại yếu phù hợp với dân văn phòng, có thể
chơi vài game đơn giản.
- Mid-Range Cards: là dòng card phổ biến nhất ở Việt Nam vì chi phí chỉ tầm 1
– 3 triệu. Với dòng card này thì bạn có thể thoải mái chơi game online hay game 3D
khác ở cấu hình thấp. Về xem phim thì phim FHD hoặc 4K (tuỳ card).
- Performance Cards: là loại card tầm trung, phù hợp chơi game cấu hình trung
bình

- High-End Cards: card màn hình cao cấp và chuyên nghiệp thường được người
dùng có nhu cầu cao về game 3D đồ hoạ tối ưu. Card đồ hoạ này giá cao và dành cho
người dùng cao cấp
Hiện nay trên thị trường có hai hãng sản xuất chính cho card đồ họa đó là
hãng Nvidia và ADM. Cả 2 đều là hãng sản xuất có danh tiếng và các sản phẩm của họ
cũng có ưu khuyết điểm khó có thể so sánh ai hơn ai. Tuy nhiên tại thị trường Việt
Nam thì số lượng card rời Nvidia được sử dụng trên máy tính có phần vượt trội hơn so
với AMD.

4

4


3. Thành phần của một vi xử lí đồ hoạ
-

-

Bộ xử lí đồ họa GPU:
GPU chính là bộ phận tạo nên sức mạnh tính toán của card màn hình rời, nó
cũng giống với CPU là trung tâm của máy tính chúng ta. NVIDIA và AMD
đang cố gắng chạy đua ra mắt những GPU cao cấp có tốc độ xử lí nhanh, ít hao
điện và hỗ trợ những ứng dụng GPGPU. Song song với những cấu trúc mới để
có hiệu năng cao, vấn đề về điện năng cũng được quan tâm. 1 trong nhưng cách
làm giảm công suất tiêu thụ của GPU chính là các công nghệ sản xuất ngày càng
nhỏ như 40nm,
32nm và gần đây nhất là đang tiến hành sản xuất GPU với 28nm (trong năm sau
chúng ta có thể thấy 14nm rồi). Mỗi đời GPU sẽ công nghệ khác nhau cũng như
các hỗ trợ khác từ nhà sản xuất nên về cơ bản có thể nói, tầm 1 mức tiền thì bạn

nên lấy con GPU đời sau hơn là đời trước (tôi không nói hiệu năng nó sẽ cao
hơn nhưng chắc chắn về mặt công nghệ sẽ hay ho hơn, như bây giờ là thời đại
DirectX
12 của Windows 10, mua card mà không có DirectX 12 thì hơi tù 1 tí, hehe)
1 số GPU của NVIDIA
Bộ nhớ card:
là thành phần không thể thiếu trong card màn hình rời. Bộ nhớ càng nhiều và tốc
độ càng cao sẽ hổ trợ rất nhiều cho những dữ liệu tính toán và những dữ liệu chờ
đưa ra màn hình. Bộ nhớ Video nhanh nhất hiện nay là GDDR5. Để hạ giá
thành của card màn hình, NVIDIA và AMD có khi lại dùng bộ nhớ Video cấp
khác như: DDR2, GDDR, GDDR3 ... GDDR5 khác với DDR ở tốc độ xung
nhịp và tốc độ. Thông thường card màn hình dùng bộ nhớ Video GDDR5 có tốc
độ 4000MHz thì chúng ta hiểu tốc độ DDR là 4000MHz nhưng tốc độ xung
nhịp chỉ là 1/4 tức là
1000MHz. Bên cạnh dung lượng bộ nhớ và tốc độ, cần quan tâm đến Bus bộ
nhớ Video. Bus càng lớn càng tốt, ít nhất là 64-bit, 128-bit và 256-bit. Những
card màn hình cao cấp của NVIDIA thường có bus 384-bit, card đồ họa đôi SLI
hay Crossfire có khi lên đến 768 bit. Hiện các hãng đang phát triển loại bộ nhớ
GDDr5X có hiệu năng và tốc độ gấp đôi dòng GDDr5. Hiện tại thì với công
nghệ HBM (High Bandwidth Memory) thì giao tiếp bộ nhớ đã đạt mốc 4096
bit với


băng thông lên đến 512GB/s còn HBM2 theo dự báo sẽ đạt mức băng thông
1TB/s.

-

Giao tiếp kết nối Motherboard:
Phổ biến nhất hiện nay là PCI Express. PCI Express 2.0 có băng thông gấp 2 lần

so với PCI Express 1.0. Nhiều Motherboard có 1,2 hoặc 8 làn PCI Express. PCI
Express mới nhất hiện nay là PCI Express 3.0 (đã có thông số của 3.1 và 4.0
nhưng vẫn chưa thương mại). Chú ý rằng PCI Express có tính tương thích
ngược tức là nếu card màn hình hay mainboard xài khác đời vẫn xài được bình
thường nhé (hiệu năng hình như có giảm nhưng không đáng kể)

-

Nguồn phụ:
Nhiều card màn hình rời sẽ cần có thêm đầu nối nguồn phụ để cung cấp thêm
điện
năng khi PCI-e không cung cấp đủ. Mỗi khe PCI-e chỉ cấp điện năng khoảng
75W, nếu card màn hình yêu cầu công suất lớn hơn 75W thì nó sẽ có thêm đầu
nối nguồn phụ. Người dùng cần xác định xem PSU - bộ nguồn máy tính của
mình


có đủ công suất cấp cho toàn bộ hệ thống hay không. Chính vì điều nầy nên khi
mua máy tính, bạn nên mua PSU có công suất thật để sau nầy có dùng card rời
cũng đỡ chi phí hơn. Ngoài ra, nguồn dỏm thì khả năng bị tụt áp và cháy máy
cũng cao hơn rất nhiều

-

-

-

Trình điều khiển
Bo mạch đồ họa đều cần sử dụng một trình điều khiển riêng đối với các hệ điều

hành khác nhau, nếu không có các trình điều khiển thì dù có một bo mạch đồ họa
hiện đại nhất hệ thống chỉ xuất ra hình ảnh có độ phân giải thấp, độ sâu màu thấp
và với tốc độ làm tươi hạn chế. Trình điều khiển cần được cài đặt vào hệ điều hành
sau khi kết nối bo mạch đồ họa với hệ thống (trong một số trường hợp, trình điều
khiển hệ thống đã được tích hợp sẵn với hệ điều hành thì người sử dụng có thể
không cần đến việc cài đặt trình điều khiển).
Do sự quan trọng của trình điều khiển mà nó là một thành phần cơ bản, không thể
thiếu trong bo mạch đồ họa. Đôi khi trình điều khiển chưa được hoàn thiện hay tồn
tại một số lỗi dẫn đến hiệu năng của bo mạch đồ họa bị giảm ít hay nhiều tuỳ mức
độ, hoặc xuất ra hình ảnh không đúng (sọc, răng cưa, rác...)
RAMDAC
RAMDAC (Digital-to-Analog Converter): Có chức năng chuyển đổi các tín hiệu
số sang tín hiệu tương tự để hiển thị trên màn hình máy tính. Tốc độ của
RAMDAC có thể cao hơn tốc độ làm việc của bộ xử lý đồ họa.
Tốc độ RAMDAC trong thời điểm năm 2007 thường vào khoảng 300-500
Mhz. RAMDAC có thể là một bộ phận tách rời hoặc tích hợp sẵn vào các bộ xử
lý đồ họa nếu là bo mạch rời.
Video BIOS
Cũng giống như tính năng của BIOS ở bo mạch chủ, video bios chứa toàn bộ thông
tin thiết lập về phần cứng của bo mạch đồ họa. Video Bios còn giúp cho bo mạch
đồ họa hoạt động ngay khi máy tính bắt đầu khởi động trong quá trình POST trước khi trình điều khiển của hệ điều hành được nạp.


Video bios của bo mạch đồ họa ở dạng một ROM, có thể được hàn định vị trực tiếp
vào bo mạch đồ họa, có thể ở dạng gắn trên đế cắm (đối với các bo mạch đồ họa
trước đây).
Nhiều overlocker hoặc hacker thường thay đổi Video Bios của bo mạch đồ họa để
ép xung chúng (overlock).

4. Ý nghĩa của những thông số của card đồ hoạ

Chúng ta dùng phần mềm GPU-Z để xét các thông số của nó:
- GPU: đây là tên GPU được sử dụng cho card màn hình. Ví dụ như hình trên là
GPU GK107 dùng để tạo ra card màn hình GT 650M. Nói chung thì đây là thành
phần quan trọng nhất để thể hiện sức mạnh của card màn hình và đa số trong nhiều
trường hợp thì khi so sánh 2 card màn hình với nhau thì đem GPU ra là biết ngay
ai mạnh hơn ai (dĩ nhiên là cùng hãng NVIDIA hoặc AMD sẽ chính xác hơn).
- GPU Clock hay Graphic Clock: Đây là tốc độ của vi xử lý GPU (bộ xử lý đồ
họa), ví dụ như trên hình thì GPU Clock của card màn hình NVIDIA GeForce GT
650M


là 745 MHz. Dĩ nhiên tốc độ này càng cao càng tốt nhưng các bạn chú ý rằng là
không so sánh tốc độ nầy của 2 card màn hình dùng GPU khác nhau vì cơ bản là
chúng khác nhau nên sẽ có nhiều thứ ảnh hưởng đến hiệu năng của chúng nhé. Vì
thế đừng khoe rằng card màn hình của tôi có xung 1000 MHz mạnh hơn card màn
hình của bạn có xung 900 MHz nhé.
- Processor Clock: còn gọi là tốc độ đồng hồ hay là clock rate. Tốc độ xử lý các
lệnh của 1 bộ vi xử lý. Mỗi máy tính chứa một đồng hồ nội bộ (internal clock) có
chức năng điều hòa tốc độ xử lý các lệnh và đồng bộ hóa tất cả các thành phần
khác nhau có trong máy tính. Đồng hồ này càng nhanh bao nhiêu, số lệnh mà GPU
có thể xử lý được mỗi giây nhiều hơn bấy nhiêu. Các nầy trên hình không có nên
cũng không dám bàn gì nhiều và cũng khỏi quan tâm đi.
- Texture Fill Rate: còn được hiểu là tốc độ làm đầy (TĐLĐ). TĐLĐ theo quan
điểm thông thường được qui cho tốc độ vẽ điểm ảnh của bộ xử lý đồ họa. Đối với
card màn hình cũ thì quan niệm TĐLĐ đơn giản là tốc độ dựng tam giác (triangle
fill rates). Tuy nhiên, có 2 dạng tốc độ làm đầy là: pixel fill rate (tốc độ làm đầy
điểm ảnh) và texture fill rate (tốc độ làm đầy vật liệu). Theo khái niệm mô tả ở
trên, pixel fill rate là số lượng điểm ảnh mà card màn hình có thể xuất ra và được
tính bằng số raster operations (ROPs) nhân với tốc độ xung lõi của card màn hình.

Chỉ số này càng nhiều càng tốt.
- Memory Clock: Tốc độ xung của bộ nhớ (RAM), chỉ số này càng cao càng tốt.
Chú ý rằng loại bộ nhớ GDDr3 thì số sau tốc độ vậy, còn GDDr5 thì số sao tốc độ
hiệu dụng gấp 4 lần, như trên hình thì tốc độ bộ nhớ 1000 MHz sẽ tương đương
với tốc độ hiệu dụng là 4000 MHz.
- Memory type: Đây là loại bộ nhớ được dùng trong card màn hình. Bộ nhớ thường
được sử dụng trên card màn hình là GDDRx. DDR thường được quảng cáo với
xung tốc độ lớn gấp đôi so với xung tốc độ vật lý thật của nó. Ví dụ DDR 1000
MHz, thực sự chỉ có xung tốc độ là 500 MHz. Chính vì lý do này, mà nhiều người
sẽ ngạc nhiên khi card màn hình được quảng cáo có DDR 1200 MHz, nhưng
chương trình báo là RAM chỉ chạy ở tốc độ 600 MHz. DDR2 và GDDR3 nguyên
tắc làm việc cũng giống như DDR. Sự khác nhau giữa DDR, DDR2 và GDDR3 là
công nghệ sản xuất. Hiện nay, GDDr4 thì ít dùng còn GDDr5 đang chuẩn bị về
vườn để nhường cho GDDr5X và loại bộ nhớ HBM. Các thế hệ bộ nhớ về sau sẽ
tốt hơn trước và dung lượng bộ nhớ càng cao thì càng mạnh. Tuy nhiên, 1 card
màn hình có 4GB GDDr3 cũng chưa chắc đã tốt hơn 1 chiếc card có 1 GB GDDr5.
Đây là điều mà các ông bán hàng hay khè khách hàng khi xách 1 con GT 630 4GB
GDDr3 la khoe mạnh mẽ các kiểu trong khi nó yếu hơn hẵn so với con GT 740
1GB GDDr5. Vẫn câu nói cũ, cùng đời cùng thông số hết thì mới so tới bộ nhớ.
Memory Interface Width: Thông số này còn được biết đến với tên gọi khác là bus
bộ nhớ. Bus bộ nhớ là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tính
9

9


-

-

năng. Các loại card màn hình hiện nay bus bộ nhớ bao gồm từ 64 bits đến 256 bits,
và trong một vài trường hợp có thể đạt đến 512 bits. Hiện nay thì bộ nhớ với công
nghệ HBM đã đạt mức 4096 bits rồi. Bus bộ nhớ càng tăng thì lượng dữ liệu mà bộ
nhớ có thể vận chuyển trong mỗi chu kỳ càng lớn. Ví dụ, 1 card màn hình sử dụng
bus 128 bits có thể mang lượng dữ liệu nhiều gấp đôi so với 1 card màn hình được
trang bị bus 64 bits và tuyến bus 256 bits thì mang gấp 4 lần so với tuyến bus 64
bits.
Memory Bandwidth: Khả năng truyền tải dữ liệu của bộ nhớ. Đây còn được hiểu
là băng thông giữa bộ nhớ của VGA và GPU. Chỉ số này phụ thuộc vào xung của
bộ nhớ và Bus bộ nhớ. Chú ý rằng bandwidth không phụ thuộc vào dung lượng
RAM trên card màn hình. Chỉ số nầy càng cao càng tốt.
Cách thông số khác: Bên cạnh các thông số chính ở trên, đa số những loại card
màn hình khác nhau đều được trang bị 1 số công nghệ độc quyền tính năng nhất
định phù hợp với “hạng” của mình trong dòng sản phẩm của từng hãng. Ví dụ như
Nvidia SLI Ready (khả năng chạy đa card màn hình trên 1 mainboard), Nvidia 3D
Vision Ready (hổ trợ xuất hình ảnh 3D đầy đủ nhất) hay Nvidia CUDA
Technology (encode bằng GPU không thông qua CPU).

5. Các kiểu kết nối phổ biến
Kết nối đầu ra của bo mạch đồ họa đến các màn hình máy tính hoặc các thiết bị hiển
thị, sử dụng hình ảnh khác có thể gồm các loại sau đây:
- SVGA: Đầu kết nối thông dụng nhất cho đến năm 2007. Đây là
kiểu kết nối với tín hiệu đầu ra kiểu tương tự dành cho các màn
hình máy tính kiểu CRT, các máy chiếu, màn hình máy tính kiểu
tinh thể lỏng tầm trung.
-

DVI: Kiểu kết nối tín hiệu số: Dành cho các màn hình máy tính
tinh thể lỏng tầm trung và cao cấp.

-

S-Video: Kiểu kết nối đầu ra tín hiệu tương tự dành cho các thiết
bị video dân dụng: Ti vi, đầu phát video (băng từ, VCD, DVD),
máy quay, máy chiếu...

10

10


-

Video in: Đường kết nối dành riêng cho ngõ vào video ở một
số bo mạch đồ họa có tính năng mở rộng "VIVO" (Video-InVideo-Out), với tính năng này bo mạch đồ họa có một phần
tính năng của một bo mạch kỹ xảo.

-

HDMI: Thường dùng kết nối với tivi (hay gọi là chuẩn HD)

6. Các hàm API trong đồ hoạ
Sự xuất hiện của nhiều bộ xử lý đồ họa với các công nghệ khác nhau không
thống nhất theo chuẩn nhất định khiến cho các nhà phát triển phần mềm và trò chơi
trên máy tính gặp khó khăn về vấn đề tương thích.
Để thuận tiện cho các nhà viết phần mềm đồ họa và trò chơi trên máy tính cần
thống nhất các hàm API sử dụng chung mà các bo mạch đồ họa cần phải tương thích
với chúng các hãng đã đưa ra hai chuẩn chung là DiretcX và OpenGL.
- DirectX: được hãng Microsoft phát triển vào những năm 1996 nhằm hướng các
nhà lập trình sử dụng chúng để lập trình các game cho hệ điều hành Windows 95

(hệ điều hành mang tính cách mạng trong thời bấy giờ, bắt đầu cách ly việc các
phần mềm can thiệp trực tiếp vào phần cứng) thay cho thói quen lập trình trên nền
DOS mà họ dễ dàng can thiệp vào phần cứng.
Sự phát triển các phiên bản DirectX từ đó đến phiên bản DirectX 9c mang tính kế
thừa, nhưng đến phiên bản gần đây nhất - DirectX 10 (chỉ sử dụng trong Windows
Vista và các hệ điều hành khác nếu có của Microsoft sau này) có một sự thay đổi
lớn được xem như viết trên một nền tảng mới hoàn toàn.
Đến cuối năm 2007, chỉ có một số bo mạch đồ họa hỗ trợ DirectX 10 khi sử dụng
các bộ xử lý đầu họa (có ký hiệu) đầu 8XXX (8800, 8600...) của nVIDIA và 2XXX
(2900, 2600...) của ATI (Các bo mạch đồ họa sử dụng các GPU cũ hỗ trợ đến
DirectX
9c vẫn có thể làm việc với Windows Vista)
- OpenGL được Silicon Graphics phát triển những năm 1990.

7. Tản nhiệt trên vi xử lí đồ hoạ

11

11


Do phải xử lý một khối lượng công việc lớn khi chơi game hoặc thực hiện các tác
vụ liên quan nên bộ xử lý đồ họa thường toả một lượng nhiệt lớn, cũng như CPU trong
máy tính, các bo mạch đồ họa cũng cần tản nhiệt cho GPU.

12

12

Cách thức tản nhiệt với các GPU thường là:
- Sử dụng tấm, phiến tản nhiệt (không dùng quạt) để tản nhiệt tự nhiên. Hình thức
này trước kia chỉ phù hợp với các GPU có xung nhịp thấp. Hiện nay đã có
những hãng (như Asus) rất thành công trong việc tạo những phiến tản nhiệt tĩnh
lặng (tản nhiệt silent) cho bo mạch đồ họa trung, cao cấp, tận dụng được quạt
của CPU và case giải nhiệt qua những ống đồng và các phiến dẫn nhiệt.
- Sử dụng tấm, phiến tản nhiệt kết hợp dùng quạt.
- Tản nhiệt bằng chất lỏng: Rất hiếm gặp hình thức này ở các bo mạch đồ họa khi
xuất xưởng. Thông thường hình thức này do người dùng thay thế cách cách tản
nhiệt nguyên bản của bo mạch đồ họa để ép xung.
Do bộ nhớ đồ họa cũng phát sinh nhiệt nên trong các cách tản nhiệt trên, tấm tản
nhiệt thường bao trùm và tản nhiệt luôn cho bộ nhớ đồ họa tuy rằng một số bo mạch đã
không tản nhiệt cho bộ nhớ đồ họa hoặc thiết kế các phiến tản nhiệt riêng.

8. Sự phát triển của card đồ hoạ
Card màn hình VGA hay còn gọi là chíp đồ họa GPU xuất hiện hầu như cùng lúc với
PC. Nó là 1 thành phần cực kỳ quan trọng trong 1 hệ thống máy tính sau CPU và Ram.
Ngày nay, nhiều VGA đã trở nên rất mạnh và giá thành cũng hợp lý khi đến tay người
tiêu dùng. Cùng điểm qua những thời kỳ phát triển của nó
Card màn hình lại càng rất quan trọng hơn cho các game thủ và chuyên viên đồ họa lẫn
thiết kế. Sự phát triển của card màn hình qua nhiều thời kỳ từ khi mới ra đời, nâng cấp
cho tới khi hoàn thiện như ngày hôm nay. VGA đầu tiên dành cho PC ra đời vào năm
1981 do IBM sản xuất và được gọi là Color Graphics Adapter - CGA. Đây cũng chính
là thời điểm ra đời tiêu chuẩn màn hình màu đầu tiên cho hệ máy IBM PC.
Card màn hình CGA trang bị 16 KByte bộ nhớ và hỗ trợ vài kiểu đồ họa lẫn văn bản,
độ phân giải và độ sâu màu tối đa lần lượt là 640 x 200 và 4bit (16 màu), hầu như chỉ
gồm RAMDAC (bộ phận chuyển đổi các tín hiệu số sang tín hiệu tương tự để hiển thị
trên màn hình máy tính) và bộ nhớ. Tất cả các tính toán đều do CPU đảm nhiệm và kết
quả được sao chép từ bộ nhớ hệ thống vào bộ nhớ CGA.
Card màn hình CGA của IBM

1 năm sau, IBM ra lò card màn hình đơn
sắc Hercules Graphics Card HGC hỗ
trợ độ phân giải 720 x 348

13

13


Năm 1984, cùng với sự ra đời của máy
tính thế hệ tiếp theo IBM-PC là IBM-AT,
1 loại card màn hinh mới có tên gọi là
Enchance Graphics Adapter - EGA, ra
đời. EGA cho phép hiển thị đồng thời 16
màu ở độ phân giải tối đa 640 x 350, gồm
bộ nhớ ROM dung lượng 16KByte bổ trợ
BIOS cho những chức năng đồ họa, và tích hợp chip Motorola MC6845 điều khiển
màn hình CRT, bộ nhớ video của EGA dung lượng 64KByte có thể mở rộng tới
256KByte bằng cách gắn thêm 1 loại card phụ.
Năm 1987, card màn hình do IBM phát minh dần
dần thay thế card EGA và được sử dụng như là 1
tiêu chuẩn cho card màn hình mãi tới ngày nay.
VGA khác hoàn toàn những đời card trước vì có
thể xử lý tính năng cuộn mượt, chia màn hình và
tạo ảnh dưới dạng ô vuông (raster) ngay trên chip.
Bộ nhớ card màn hinh tăng lên 256KByte, đồng
thời hỗ trợ 2 chế độ 16 và 256 màu trên bảng màu
262144 giá trị (6bit RGB). Dòng card VGA đánh dấu mốc thời gian các thành phần của
BXL đồ họa tích hợp vào 1 chíp duy nhất nên được xem là tiền thân của GPU hiện
đại.

Địa vị thống lĩnh của IBM giảm dần
cùng với sự lớn mạnh của những công ty
khác trên thị trường PC, đồng thời với sự
ra đời của những hệ thống làm việc dạng
cửa sổ như Microsoft Windows 2.1, 3.0
và 3.11,
IBM OS/2 và Microsoft Windows 95, ngành sản xuất card màn hình bắt đầu khởi sắc.
Rất nhiều nhà sản xuất và sản phẩm ra đời với tính năng, độ phân giải, hoạt động khác
nhau. Điều này gây nhiều bối rối cho các lập trình viên. Video Electronics Standard
Association - VESA, giải quyết vấn đề này bằng cách đưa ra VESA BIOS Extensions VBE, 1 giao diện chuẩn hóa chung để truy cập các card đồ họa tương thích về độ phân
giải và độ sâu màu, mở đường cho bộ đệm khung tuyến tính (linear frame buffer) dành
cho card đồ họa xuất hiện. Nhiều loại card sản xuất trong thời gian này cho mức độ xử
lý 2D khá, bộ đệm được nâng lên 2 hoặc 3 lần để tăng tốc độ tạo ảnh các cửa sổ và ứng
dụng.

14

14


Card màn hinh 3D tăng cường lần đầu tiên được giới thiệu dành cho PC là Matrox
Impression của hãng Matrox Electronic, giống như dòng card anh em Matrox
Millennium đều hướng đến thị trường máy PC CAD. Vào thời đó đồ họa 3D vẫn còn là

15

15


trò chơi xa xỉ, đắt đỏ, đơn cử là các dòng card của hãng SGI (nhà phát triển OpenGL,

cho phép lập trình viên làm việc với các khóa API trên cả 2D và 3D).
Chip đồ họa PC 3D đầu tiên tạo nên bước ngoặc lớn là Voodoo Graphics Chip từ hãng
3dfx Interactive. Hãng này được thành lập năm 1994 bởi các cựu nhân viên của SGI.
Giống với Matrox Millennium, 3dfx là loại card khe PCI không có RAMDAC tích hợp
nhưng nối vào 1 card đồ họa 2D khác theo kiểu daisy-chained.
Card đồ họa sử dụng chip Voodo và
nạp VBE trong ROM

Chip Voodoo báo trước thời đại mới của đồ họa 3D trên PC và đánh dấu sự tuột giá
của các sản phẩm đồ họa. 3dfx giới thiệu hệ thống API (Giao diện lập trình ứng dụng)
của chính họ, tên là Glide, sử dụng 1 chiến thuật khác so với các bộ API cùng thời như
Direct3D, OpenGL, QuickDraw3D và Intel 3DR, Glide không giấu nhẹm các chi tiết
phần cứng cấp thấp bằng cách thiết kế giao diện hào nhoáng, thay vào đó chỉ thực thi
những gì chip đồ họa có thể làm. Chính sự đơn giản này làm tăng hiệu năng đáng kể, vì
sử dụng giao diện hào nhoáng vào thời đó chỉ tổ ngốn RAM và CPU.
Chip Voodoo 3dfx
Chip đồ họa Matrox FS

16

16


Năm 1998, NVIDIA giới thiệu RIVA (Real-time Interactive Video and Animation
accelerator) TNT (TwinTexel) là thế hệ chíp đồ họa thứ tư của NVIDIA vào thời đó.
Đúng như tên gọi TNT, loại chip này có thể chạy 2 luồng xử lý tạo vân đơn (single
texturing pipeline) và bộ lọc vân bộ 3 tuyến tính (tri-linear texture filtering). Khác với
chip Voodoo và hậu duệ, TNT tương thích hoàn toàn với OpenGL 1.1. TNT được
trang bị ZBuffer 24bit và bộ đệm khung hỗ trợ đầy đủ 32bit màu.
Chip RIVA TNT của NVidia

Card đồ họa sử dụng chip RIVA TNT

1 năm sau đó, NVIDIA tiếp tục "xưng bá" bằng chíp Geforce256 được hãng gọi là
"GPU hàng đầu thế giới". Thuật ngữ GPU (Graphics Processing Unit) cũng ra
đời từ đó. Đây là chíp đồ họa đơn đầu tiên tích hợp đầy đủ các engine chuyển dạng, xử
lý ánh sáng, tạo - xử lý vân - cắt / điều chỉnh tam giác vào chung 1 chíp. Phiên bản pro
Quadro đánh dấu thời điểm NVIDIA chính thức nhảy vào thị trường đồ họa 3D dành
cho máy bàn. Hiệu năng của GeForce 256 là đối thủ đáng gờm của các dòng chip 3D
hi-end pro sử dụng infinite reality engine dành cho PC của SGI. GeForce256 hỗ trợ
đầy đủ OpenGL
1.2 và Direct3D7 vốn tích hợp tính năng tạo vân và xử lý ánh sáng vào trong API.
Chip đồ họa NVidia Geforce256

Bước phát triển kế tiếp của GPU là việc công bố chip Geforce3 vào năm 2001. Đây là
chip đồ họa đầu tiên giới thiệu tính năng lập trình tùy chọn, được thêm vào bên cạnh
những dòng xử lý đồ họa cố định thông thường. Bộ xử lý đổ bóng pixel và đỉnh chóp

17

17


(vertex & pixel shader) ra đời. Direct3D 8 là bộ API đồ họa đầu tiên có phần tùy biến
trong 1 dòng xử lý cố định khác.

18

18

GPU Geforce3 Nvidia

Mặc dù những bộ xử lý đổ bóng pixel và đỉnh chóp vẫn còn rất hạn chế vào thời đó,
nhưng hình mẫu đó vẫn còn được sử dụng cho tới ngày nay. Đỉnh chóp và pixel không
thể nhân bản, lặp lại hay thêm vào trong tiến trình xử lý nhưng có thể bị hủy dưới một
vài tình huống và điều kiện. Mỗi đỉnh chóp hay pixel trên lý thuyết có thể được xử lý
độc lập với nhau, nhưng tất cả đều thông qua 1 mã lập trình thực thi giống nhau, giống
như kiểu bộ xử lý stream truyền thống. Các chương trình pixel và đỉnh chóp trong
Direct3D 8 được viết bằng hợp ngữ pseudo-assembly hỗ trợ véc tơ đặc biệt (4D), véc
tơ vô hướng và các thao tác tải vân.
ATI Radeon 8500 thêm vào 2 phần mở rộng trong Direct3D 8.1. Đó là bộ đổ bóng
pixel phiên bản 1.1, 1.2, 1.3 và 1.4 và bộ đổ bóng đỉnh chóp phiên bản 1.1 dành cho
API có thay đổi một ít hợp ngữ và thêm vào các chỉ dẫn mới, cho phép chương trình
dài hơn và nhiều thao tác xử lý vân hơn. Một điểm mốc khác nữa về khả năng lập trình
của GPU hỗ trợ Direct3D 9 và Direc3D 9C: chương trình xử lý pixel và đỉnh chóp
nâng cấp bộ đổ bóng pixel lên phiên bản 2.2, 2+ và 3.0. Hơn nữa, nhờ vào bản chất có
thể lắp ghép với các chương trình xử lý tương tự của phiên bản trước, phần mở rộng
này thêm vào ngôn ngữ cấp cao C-Style/Renderman, 1 dạng ngôn ngữ lập trình tương
tự HLSL (High Level Shader Language) cho phép viết ra những chương trình xử lý
đỉnh chóp và pixel trừu tượng, dễ đọc và tái sử dụng được.
Card đồ họa sử dụng Radeon 8500

Để đạt điều này, những chương trình này
bổ sung kiểu biên dịch mã áp dụng cho CPU, tuy nhiên chưa đạt độ “chin muồi” như
của CPU. Vào thời đó, với sự suy yếu của SGI, OpenGL tách riêng và ít nhiều trở
thành 1 lực lượng dẫn đầu với những thay đổi căn bản và quan trọng trong ngành công

19

19

nghiệp này và đưa ra OpenGL 1.5 và OpenGL 2.0, 1 loại ngôn ngữ lập trình đổ bóng
chung cấp

20

20


cao dành cho trình xử lý pixel và đỉnh chóp (common high level shading language for
vertex and pixel programs), gọi là ngôn ngữ GLSL (OpenGL Shading Language).

Mô hình minh họa Vertex Shader
Năm 2006, Microsoft lại lần nữa thay
đổi căn bản API đồ họa bằng việc cho
ra đời Direct3D 10 API, chỉ sử dụng
với Vista. Ý định của Microsoft là hợp
nhất các phiên bản trình đổ bóng khác
nhau và khả năng của GPU vào chung 1
thứ bằng cách “ép” các nhà sản xuất sử
dụng
1 lõi đổ bóng hợp nhất. Có nghĩa là cả
tiến trình xử lý dòng lệnh đỉnh chóp và
pixel do 1 bộ xử lý đơn lập trình được đảm trách thay vì sử dụng nhiều bộ xử lý như
trong Direct3D 9. Điều này mang lại thuận tiện là: bất kỳ nơi nào trong máy tính cần
xử lý đồ họa phức tạp thì mọi nguồn lực đồ họa sẽ tự dồn về đó để xử lý. Về lý thuyết,
cơ chế này giúp loại bỏ tình trạng thắt cổ chai. Dĩ nhiên, sự thống nhất chỉ nằm trên
giấy tờ. Thêm vào đó Direct3D 10 thêm vào 1 tầng lập trình khác gọi là geometry
shader vào dòng lệnh và 1 mẫu bộ nhớ ảo mới.

So sánh 2 kiểu xử lý có và
không sử dụng GLSL

Trong khi đó 2 nhà sản xuất
chính trên thị trường là NVIDIA
và AMD/ATI giới thiệu những bộ API của chính họ (CUDA của NVIDIA và
CAL/CTM và nay là StreamSDK của AMD/ATI) vượt qua được tình trạng black box

21

21


(Trong khoa học và kỹ thuật, black box là 1 thiết bị, hệ thống hay vật thể mà ta chỉ có
thể biết được đầu vào, đầu ra có gì và hoàn toàn không biết gì về tiến trình xử lý bên
trong nó, black

22

22


box liên quan tới nhiều thứ: transistor, thuật toán hay tư tưởng con người. Đối lập với
nó là white box, clear box hay glassbox), đồng thời khuôn mẫu về khả năng lập trình
GPU từ các bộ API này mang lại cũng giúp đỡ các lập trình viên rất nhiều, giúp họ
giao tiếp với những tính năng phần cứng cấp thấp.

Các hãng này đang muốn tăng trưởng thị trường GPGPU (general purpose GPU) / HPC
nên họ cho lập trình viên tận dụng tối đa sức mạnh của các GPU hiện đại trong khi
mức giá và sự phức tạp khi thao tác với mã lập trình giảm đi rất nhiều.

23

23


II. Nguyên lí hoạt động và các khả năng xử lí của vi xử lí đồ hoạ
1. Nguyên lí chung
Các hình ảnh mà chúng ta thấy được trên màn hình máy tính được tạo bởi rất nhiều
điểm ảnh gọi là pixel. Trong hầu hết các thiết lập cho độ phân giải thì màn hình
thường hiển thị khoảng hơn 1 triệu điểm ảnh. Máy tính sẽ quyết định cần phải làm gì
theo thứ tự đối với từng điểm ảnh để tạo ra một hình ảnh. Để có thể làm được việc này,
nó sử dụng một bộ chuyển đổi, lấy các dữ liệu nhị phân từ CPU và chuyển chúng thành
hình ảnh hiển thị trên màn hình.
Khi CPU nhận được yêu cầu xem một hình ảnh từ phía người sử dụng, nó sẽ chuyển
yêu cầu này tới card đồ họa để quyết định sẽ dùng những pixel nào hiển thị hình ảnh.
Sau đó nó sẽ gửi những thông tin để màn hình hiển thị thông qua dây cáp.
Quá trình tạo ra những hình ảnh không phải là dữ liệu nhị phân thường đòi hỏi quá
trình xử lý phức tạp hơn rất nhiều. Để có thể vẽ ra một hình ảnh 3D, card đồ họa phải
tạo ra một khung điện từ, sau đó quét hình ảnh và thêm vào đó ánh sáng, màu. Đối với
trò chơi có nhiều hình ảnh 3D, máy tính phải lặp lại quá trình này khoảng 60 lần mỗi
giây. Nếu như không có card đồ hoạ hỗ trợ thực hiện những tính toán cần thiết, CPU sẽ
không thể xử lý kịp, từ đó dẫn đến hình ảnh thể hiện sẽ bị giật, vỡ hình.
Card đồ họa phải cần đến sự hỗ trợ của mainboard, bộ xử lý, bộ nhớ và màn hình để có
thể thực hiện việc xử lý các hình ảnh. Chúng cần được kết nối với mainboard để nhận
dữ liệu và nguồn điện, sử dụng bộ xử lý để quyết định tất cả, dùng bộ nhớ như là một
nơi lưu trữ tạm thời thông tin về các pixel trước khi chúng được hiển thị và cuối cùng
màn hình là nơi chúng ta sẽ nhận được kết quả của quá trình xử lý trên.

2. Khả năng ép xung

Trong khoảng vài năm trở lại đây thì ép xung có thể xem đi 1 giá trị gia tăng đi cùng
với CPU và card màn hình. Ngoài trừ các thông số như tên sản phẩm, hiệu năng, nhiệt
độ, giá thành ... ép xung cũng là 1 trong các yếu tố để người mua lựa chọn sản phẩm
hay chỉ là giới thiệu với nhau.
Ép xung card màn hình là việc thay đổi thiết lập phần cứng (hoặc phần mềm) để card màn
hình chạy ở tốc độ cao hơn tốc độ quy định của nhà sản xuất. Đây là giải pháp kinh tế
dành cho những ai muốn card màn hình có hiệu năng cao hơn nhưng không muốn tốn
nhiều tiền. Thường thì card màn hình chạy ở mức mặc định (default) không phải có hiệu
năng cao nhất nhưng nó đảm bảo độ bền cho card màn hình cũng như hoạt động tốt trong

24

24


thời gian liên tục và môi trường làm việc cao. Và ép xung card màn hình chỉ ở khoảng
5
- 10% là an toàn nhất.
Trước đây, nhà sản xuất thường phản đối gay gắt việc ép xung card màn hình cả bằng
phần cứng lẫn phần mềm vì nó làm giảm tuổi thọ card màn hình và thường gây ra cháy
nổ. Tuy nhiên, nhận thấy tìm năng từ thị trường ép xung, nhà sản xuất đã bắt đầu thay
đổi thái độ, tung ra các phần mềm hổ trợ ép xung card màn hình cũng như lựa chọn
linh kiện tốt cho các loại card màn hình có khả năng ép xung cao. Ép xung cũng được
đưa vào trong quảng cáo cạnh tranh giữa các nhà sản xuất. Hàng năm cũng đều có
cuộc thi ép xung card màn hình với qui mô toàn cầu.
Nhà sản xuất cũng thường ép xung card màn hình + rename tên sản phẩm lại để bán
như
1 thiết bị mới và dĩ nhiên là ... giá mới. Có thể thấy ép xung card màn hình không phải
là cái gì đó ghê gớm lắm, chỉ cần thực hiện đúng quy trình, bạn có thể làm tăng tốc độ
xử lý của card màn hình 1 cách dễ dàng và từ đó tăng cường hiệu năng chung cho toàn

máy tính. Tuy nhiên, ép xung card màn hình thường làm cho card màn hình không còn
được bảo hành, nhiều nhà sản xuất từ chối bảo hành trong trường hợp hỏng hóc liên
quan đến ép xung. Ép xung làm card màn hình tiêu thụ nhiều điện năng hơn, nhiệt
lượng tỏa ra khi hoạt động cao hơn, giảm tuổi thọ card màn hình, thậm chí hư hỏng
trong thời gian ngắn nếu người thực hiện không nắm rõ bản chất vấn đề và thực hiện ép
xung một cách máy móc.
Ép xung card màn hình được cho là thành công nếu như bạn vẫn kiểm soát được nhiệt
độ của card màn hình. Trong quá trình ép xung đạt được hiệu năng lớn nhất thì nhiều
người thường thay quạt tản nhiệt đi kèm bằng một chiếc khác có công suất lớn hơn
nhằm tăng khả năng giải nhiệt cho card màn hình, thậm chí dùng luôn tản nhiệt bằng
chất lỏng. Hãy kiểm soát thật chặt nhiệt độ của card màn hình khi bạn ép xung.
Hầu hết các nhà sản xuất card màn hình đều hỗ trợ khách hàng của mình 1 số phần
mềm có chức năng ép xung và theo dõi nhiệt độ. ASUS có iTracker dành cho dòng
Republic of Gamers và SmartDoctor cho các dòng còn lại. ATI cung cấp tiện ích
Overdrive trong gói driver áp dụng cho các sản phẩm card màn hình dựa trên nền tảng
ATI ...
Ở chế độ ATI Overdrive trong Advanced Mode of the ATI Catalyst Control Centre,
bạn có thể tùy chỉnh xung nhịp của cả GPU lẫn bộ nhớ. Sau đó hãy bấm vào “Test
Custom Clocks”s. Nếu xung nhịp của hệ thống ổn định, bạn có thể tăng thêm tốc độ
cho đến khi bạn cảm thấy cân bằng giữa tốc độ và sự ổn định. Nếu không dám mạo
hiểm nhưng vẫn muốn được tận hưởng cảm giác “overclock”, hãy thử để ở chế độ
auto-tuning mode. Tất nhiên sẽ luôn có câu hỏi đặt ra rằng liệu trên thực tế, hiệu năng

25

25