Tarjetas Graficas en profundidad

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NOTA: Aunque este articulo es anticuado sigue siendo muy válido.


Todo lo que querías saber sobre tarjetas de video y nunca te animaste a preguntar. Si te confunden todos esos términos como PCI-Express, DirectX, GDDR3,… está guía es para tí.

En esta pequeña guía explicaré el funcionamiento y características básicas de una tarjeta
de video, para esto la he dividido en las siguientes secciones:

  • Introducción
  • Características de Hardware
    • Interfaz
    • Alimentación y consumo de energía
    • Puertos de video
    • El chip de video o GPU
      • Bus y memoria de video
      • Aceleración 2D y 3D
      • Aceleración de códecs de video
    • Multi-GPUs
  • Características de Software
    • APIs
    • Drivers
    • Reproducción de video

Introducción

Una tarjeta de video es en si mismo una pequeña computadora, cuenta con sus propios
medios para procesar, almacenar y transportar información. Casi toda la información que
se manipula es de tipo gráfico pero existen excepciones como veremos un poco más adelante.

Cuando compramos una tarjeta de video es importante tener en mente el uso que le vamos
a dar. Para la mayoría de los usuarios que no gustan de ver películas en la PC o jugar los
títulos más nuevos de videojuegos, es suficiente con una tarjeta gráfica económica y sencilla.
Los cinéfilos buscarán una tarjeta que pueda reproducir videos en alta definición, y  los
videojugadores tal vez estén interesados en una poderosa y costosa tarjeta gráfica.

Características de Hardware

Interfaz

Todas las tarjetas de video se conectan físicamente al equipo mediante alguna ranura ya sea
PCI, AGP, o PCI-Express, es importante revisar el tipo de ranura de video que soporta nuestra
tarjeta madre (motherboard) pues no todas son compatibles entre sí, y si no tenemos cuidado
podríamos terminar comprando una tarjeta que no funciona con nuestro equipo. Los tipos de
ranuras son las siguientes:

Nombre Velocidad Fecha de aparición
PCI 133MB/s 1993
AGP 1x (1.0) 266MB/s 1997
AGP 2x (1.0) 533MB/s 1997
AGP 4x (2.0) 1066MB/s 2000
AGP 8x (3.0) 2133MB/s 2000
PCI-Express 8x (1.0) 2 GB/s 2004
PCI-Express 16x (1.0) 4 GB/s 2004
PCI-Express 8x (2.0) 4 GB/s 2007
PCI-Express 16x (2.0) 8 GB/s 2007
PCI-Express 8x (3.0) 8 GB/s 2010
PCI-Express 16x (3.0) 16 GB/s 2010

PCI-Express 16x

Hoy en día prácticamente todas las tarjetas de video nuevas son PCI-Express. Las tarjetas PCI,
PCI-Expres y AGP no son compatibles entre sí, pero si son compatibles entre versiones
diferentes, por ejemplo el PCI-Express 2.0 es compatible con el PCI-Express 1.0.

Alimentación y consumo de energía

El consumo de energía puede ser importante al pagar nuestro servició de energía eléctrica. Las
fuentes de alimentación más comunes para PC son de 350-450 Watts pero para ciertas tarjetas
de video podríamos requerir fuentes de 600 o hasta 1000W!!. Si la fuente no soporta el consumo
es muy posible que se queme. Las tarjetas de mayor consumo generalmente requieren de
conectores de alimentación especiales como los siguientes:

Como en todos los circuitos electrónicos, al aumentar el consumo de energía, también aumentará
la temperatura y la disipación térmica, esto implica que requerirás un gabinete más grande y mejor
ventilado. En algunos equipos la disipación térmica y el consumo energético son críticos, como es
el caso de un HTPC que cuentan con fuentes de alimentación de muy poca capacidad 100-250W y
los gabinetes son pequeños y pobremente ventilados.

Al comprar una tarjeta de video no solo es recomendable revisar el consumo máximo de energía
(publicado por el fabricante), sino también el consumo de energía mientras la tarjeta no realiza
tarea alguna, pues la mayor parte del tiempo tu tarjeta se encontrara en este estado. Por ejemplo,
de acuerdo al sitio X-bit labs tenemos el consumo de energía de las siguientes tarjetas:

Consumo de energía en Watios

Aunque estas dos tarjetas tienen un desempeño muy parecido el consumo de energía varia
considerablemente. Es posible apreciar como la 9600GT consume más de 20W incluso cuando
no realiza tarea alguna, mientras que la GT240 ofrece un consumo de menos de 20W en el
uso diario, excepto en videojuegos.

Es recomendable revisar sitios de Internet como X-bit labs que realizan reseñas detalladas
sobre el consumo energético de las tarjetas de video que van apareciendo en el mercado.
Al 22 de Marzo de 2010 esta es la lista de tarjetas y su consumo energético: Lista.

Puertos de video

Existen varios puertos de video que permiten conectar la tarjeta gráfica al monitor o a la TV,
eh aquí una lista de los más comunes:

VGA (1987)

DVI (1999) s-video (1987)
HDMI (2002) DisplayPort (2008)

Cuando se habla de puertos de video, lo más importante es el dispositivo que deseas conectar,
por ejemplo si deseas conectar tu HDTV a la PC, deberías asegurarte que la tarjeta tenga el
puerto HDMI. El puerto más común en los monitores actualmente es DVI. Si deseas conectar 2
o más monitores deberás asegurarte que tu tarjeta cuente con el soporte necesario para esto.

El chip de video o GPU

Todas las capacidades de nuestra tarjeta de video dependen de un pequeño
chip llamado Unidad de Procesamiento Gráfico o GPU (por sus siglas en inglés).
Algunos ejemplos son:

  • ATI Radeon HD5750
  • Nvidia Geforce GT250

Podemos ver que los nombres están compuestos por 3 datos: [Fabricante] [Familia] [Modelo].
Lo primero que debemos revisar al comprar una tarjeta de video es el GPU. Puedes encontrar
información detallada sobre GPUs de ATI, Nvidia e Intel en las siguientes ligas (en inglés):

Comparison of AMD graphics processing units
Comparison of Nvidia graphics processing units
Intel GMA

Bus y Memoria de video

El tipo y cantidad de memoria es en la mayoría de los casos irrelevante al elegir una tarjeta
de video. Por ejemplo, en algunos casos una tarjeta con 1GB de video puede ser mucho más
lenta que una que tiene tan solo 256MB. Es necesario elegir primero el GPU y depués fijarnos
en la memoria.

Los tipos de memoria que podemos encontrar en una tarjeta de video (y su fecha de aparición
en el mercado) son los siguientes:

  • DDR2 (2003)
  • DDR3 (2007)
  • GDDR3 (2003)
  • GDDR4 (2007)
  • GDDR5 (2008)

La letra G, al principio de los últimos tres, se refiere a Graphics, y son tipos de memoria
especialmente diseñados para tarjetas de video, los dos primeros son los tipos de memoria
comerciales que ya conocemos.

Algunos GPUs soportan varios tipos de memoria de video. Por ejemplo el ATI Radeon HD4650
soporta tres tipos de memoria: GDDR2, GDDR3 y DDR2, con cada tipo de memoria obtendremos
un desempeño diferente para este mismo chip.

Saber el desempeño de la memoria de video requiere conocer la combinación:

cantidad * tipo * velocidad * ancho de bus

Donde la velocidad se mide en Mhz y el ancho de bus puede ser de 64 a 512 bits (actualmente)
dependiendo del GPU. Una memoria muy rápida podría estar limitada por el cuello de botella del
bus de datos.

Aceleración 2D y 3D

La aceleración 2D, se refiere a la aceleración de los elementos en 2 dimensiones que usamos
todos los días en nuestro escritorio, como botones, menús, ventanas y el ratón. La mayoría de
las tarjetas de video nuevas y no tan nuevas cuentan con la aceleración 2D necesaria y se puede
considerar como un factor de poca relevancia.

La aceleración 3D, se refiere a la aceleración de objetos tridimensionales que son utilizados
principalmente en videojuegos. Si no eres un videojugador, este no debería ser un factor
importante al decidir la compra de una nueva tarjeta. Por el contrario si te gusta jugar los títulos
más nuevos de videojuegos, deberás saber que el precio, tamaño y consumo de energía de la
tarjeta casi siempre van de la mano con la aceleración 3D.

Cada videojuego tiene una  demanda diferente de aceleración 3D y de memoria de video, los
juegos más recientes son los más demandantes. En casi todos los juegos, es posible reducir la
calidad gráfica para evitar que se congele o se vea muy lento. La mayoría de los juegos se
pueden jugar perfectamente a más de 45 cuadros por segundo o fps (de sus siglas inglés),
algunos juegos de estrategia se pueden jugar a 30 fps o menos, mientras que algunos de
primera persona requieren 60fps. Veamos el siguiente ejemplo:

Juego: Crysis, Calidad Media, resolución: 1024×768

Tarjeta gráfica Cuadros por segundo (fps)
AMD Radeon HD4670 61
AMD Radeon HD4550 28
AMD Radeon HD4350 24

En esta pequeña comparación podemos ver como el mismo juego con la misma configuración
gráfica se comporta de forma diferente en cada uno de los GPUs de la lista. Claramente con
la configuración de video que se esta manejando, que es bastante baja, no es posible jugar
Crysis en el Radeon HD4350, 24fps es muy lento para un juego de primera persona, pero si
es posible jugarlo con el Radeon HD4670 que es un muy poco más costoso.

Es difícil saber como se comportará un juego con cierta tarjeta gráfica, la mejor opción es revisar
primero las reseñas en Internet antes de adquirir cualquier cosa. Algunos sitios muy
recomendables son los siguientes (en inglés):

Puedes encontrar más reseñas por cada modelo de GPU en GPUReview.

Aceleración de codecs de video

Los codec’s de video son métodos en hardware o software que permiten
comprimir y descomprimir videos digitales; por ejemplo mpeg-1, mpeg-2, H.264, VC-1 etc.
En la actualidad todos los videos que usamos día con día  se encuentran comprimidos en
algún formato y para visualizarlos se requiere que el archivo pase por un proceso de
descompresión. En muchos casos este proceso puede ser sumamente demandante y es
realizado en varias etapas.

Las tarjetas gráficas nuevas cuentan con aceleración de codecs de video, que permite que
algunas o todas las etapas de la descompresión de ciertos codecs sean procesadas por el GPU.
Esto permite ver videos más fluidos y con mejor calidad de imagen, además de reducir el
consumo de energía del equipo.

Solamente los GPUs más nuevos cuentan con aceleración completa de codecs de video.
Las siguientes tecnologías permiten tener aceleración de codecs de video:

Tecnologías como PureVideo o Unified Video Decoder han ido evolucionando, cada nueva
versión soporta más y mejor aceleración de codecs.

La aceleración de codecs de video debe ser un factor importante a tomar en cuenta si deseas
reproducir películas Blue-Ray en la computadora, o cualquier otro formato de alta definición.

Multi-GPUs

Si deseas conectar cuatro monitores, jugar uno de los juegos con los gráficos más impresionantes
en muy alta definición, o simular la colisión de dos galaxias,  posiblemente desees colocar 2 o más
tarjetas de video a tu PC.

Para lograr esto hoy en día solo existen dos tecnologías disponibles:

CrossFire de ATI ó

Scalable Link Interface de Nvidia

Actualmente solo es posible conectar en paralelo tarjetas de video del mismo fabricante y
requieres de una tarjeta madre que soporte alguna de estas configuraciones.

Características de Software

APIs

Las APIs o Interfaces para Programación de Aplicaciones, sirven a los desarrolladores de
software para tomar ventaja de la aceleración que ofrecen las GPUs. Muchos programas y
juegos son escritos usando estas APIs, pero para que tu aplicación realmente sea acelerada
(o en algunos casos, pueda correr) necesitas que la GPU soporte el API y la versión indicada
de ésta. Los APIs utilizados actualmente son:

Nombre Versión más reciente Descripción
Direct3D 11 Parte del API de Microsoft DirectX, orientada a la aceleración de gráficos en 3D, utilizada principalmente en videojuegos para Windows
OpenGL 4.0 API del grupo Khronos para aceleración 2D y 3D, utilizada principalmente en videojuegos para Windows, Linux, Mac, telefonos celulares y otros
OpenCL 1.1 API del grupo Khronos para aceleración de software en general para GPGPUs, utilizada principalmente en simulaciones físicas
DirectX Video Acceleration 2.0 Parte del API de Microsoft DirectX para la aceleración de codecs de video, actualmente tecnologías como PureVideo y UVD utilizan esta API.
Video Acceleration API 0.3 API de sistemas Unix para la aceleración de codecs de video

Si tienes un juego que pide DirectX 10, pero tu tarjeta solo soporta DirectX 9, es posible que el
juego no corra, o no sea acelerado al 100%, lo cual significa que el desempeño podría ser lento.

Drivers

Los drivers o controladores son pequeños elementos de software que permiten que tu sistema
operativo reconozca algún dispositivo de hardware y pueda utilizarlo. Es necesario un controlador
por cada componente de hardware de tu equipo.

En las tarjetas de video, los drivers juegan un papel muy importante no solo para que tu sistema
reconozca la tarjeta, sino para que logres obtener la aceleración del API que necesitas (Si estas
pensando en comprar una tarjeta de video y deseas utlizar algún sistema operativo como Unix o
Linux, es necesario que revises el soporte de los drivers, pues actualmente el soporte de aceleración
de codecs de video o 3d puede ser mala o nula en algunos GPUs).

La calidad de los drivers varia considerablemente y en ocasiones contienen errores que no permiten
que el GPU acelere correctamente las aplicaciones que deseas. En estas situaciones es recomendable
probar con la última versión de drivers ( o en algunos casos, las versiones anteriores) que puedes
descargar directamente de la página de los fabricantes:

nvidia.com

ati.com

Estos drivers estan en continuo desarrollo, agregando soporte para nuevos GPUs, corrección de
errores y mejoras. Es recomendable actualizar los drivers de vez en cuando. En ocasiones pueden
hacer que la tarjeta gráfica funcione de forma más rápida y eficiente.

Reproducción de video

Poder aprovechar la aceleración de codecs de video puede no ser una tarea fácil, en algunos casos,
requieres una combinación particular de: sistema operativo, driver, reproductor de video y archivo de video.

Esto se debe a que diferentes sistemas operativos utilizan diferentes APIs de aceleración de
codecs de video y es necesario que el driver de video soporte este API, algunos drivers pueden
contener errores que no permitan la aceleración, es necesario un reproductor de video que también
soporte el API de aceleración de codecs del sistema operativo en uso y finalmente no todos los
codecs de video son acelerados (es necesario revisar el soporte de codecs de los drivers o del GPU).

Es posible que esta situación mejore en el futuro, conforme esta tecnología se vaya haciendo más común.

Si deseas aprovechar al máximo la aceleración de codecs, es recomendable revisar el soporte
de drivers y reproductores de video para el sistema operativo que usas, antes de adquirir una
tarjeta gráfica.