Näytönohjain (grafiikkakortti): määritelmä, toiminta ja tyypit

Tietojenkäsittelyssä näytönohjain (jota kutsutaan myös näytönohjaimeksi tai grafiikkakiihdyttimeksi) on erityinen piirilevy, joka ohjaa tietokoneen näytön näyttämistä ja laskee 3D-kuvia ja grafiikkaa.

Näytönohjainta voidaan käyttää kaksiulotteisen (2D) kuvan, kuten työpöydän, tai kolmiulotteisen (3D) kuvan, kuten tietokonepelin, näyttämiseen. Tietokoneavusteisen suunnittelun (CAD) ohjelmia käyttävät usein arkkitehdit, insinöörit ja suunnittelijat luodakseen tietokoneillaan 3D-malleja. Jos tietokoneessa on erittäin nopea näytönohjain, käyttäjä voi luoda hyvin yksityiskohtaisia 3D-malleja.

Useimmissa tietokoneissa on tietokoneen emolevyyn sisäänrakennettu peruslaatuinen video- ja grafiikkaominaisuus. Nämä "integroidut" videosirut eivät ole yhtä nopeita kuin erilliset tai "erilliset" näytönohjaimet. Ne ovat riittävän nopeita tietokoneen peruskäyttöön ja perus- tietokonepeleihin. Jos tietokoneen käyttäjä haluaa nopeampaa ja yksityiskohtaisempaa grafiikkaa, voidaan asentaa näytönohjain.

Miten näytönohjain toimii?

Näytönohjain sisältää GPU:n (Graphics Processing Unit) — erikoistuneen suoritinyksikön, joka käsittelee rinnakkaisia laskentatehtäviä, kuten polygonien, tekstuurien ja varjostusten laskemista. GPU suorittaa graafisia laskelmia paljon rinnakkaisemmin kuin yleis-CPU, minkä vuoksi se sopii hyvin 3D-renderöintiin, grafiikan piirtoon sekä tiettyihin laskennallisiin tehtäviin (esim. koneoppimiseen).

Tärkeimmät osat

GPU — näytönohjaimen laskentaydin, joka suorittaa grafiikka- ja shader-laskentaa.
VRAM (videomuisti) — tallentaa kuvia, tekstuureja ja frame-bufferin; määrällä (esim. 4, 8, 16 GB) ja nopeudella on suuri vaikutus suorituskykyyn erityisesti korkeissa resoluutioissa.
Jäähdytys — jäähdytinlevyt, tuulettimet tai nestejäähdytys pitävät GPU:n lämpötilan hallinnassa.
Virtaliittimet ja TDP — tehokkaat näytönohjaimet vaativat usein 6/8-pin PCIe-virtaliittimiä ja tehokkaan virtalähteen (PSU). TDP kertoo arvioidun lämpö- ja tehontarpeen.
Liitännät — HDMI, DisplayPort, DVI ja harvinaisemmin VGA liittävät näytöt korttiin.
PCI Express (PCIe) -väylä — yleisin liitäntä emolevyyn; PCIe:n versio (esim. 3.0, 4.0, 5.0) vaikuttaa kaistanleveyteen.

Näytönohjaintyypit

Integroitu grafiikka — GPU emolevyllä tai suorittimossa (APU); riittää peruskäyttöön, toimisto-ohjelmiin ja kevyisiin peleihin.
Erillinen (dedikoitu) näytönohjain — itsenäinen kortti, jolla on oma VRAM:insa ja parempi suorituskyky; suunnattu pelaamiseen, renderöintiin ja ammattikäyttöön.
Kannettavien GPU:t — mobiilistandardin mukaisia versioita erillisistä GPU:ista suunniteltuna energiatehokkaiksi ja lämpörajattuun ympäristöön.
Ammattikortit — työasemakäyttöön optimoidut (esim. NVIDIA Quadro / RTX A -sarjat, AMD Radeon Pro): ajurit ja sertifioidut ohjelmat CAD- ja DCC-ympäristöihin.
Ulkoiset näytönohjaimet (eGPU) — kotelo ja kortti, jotka liitetään kannettavaan tietokoneeseen esim. Thunderbolt-liitännällä parantamaan grafiikkasuorituskykyä.
Monikorttiratkaisut — aiemmin SLI/CrossFire, nykyisin harvinaisempia; suorituskyky ei aina skaalaudu hyvin ja tuki on vähentynyt.

Yhteydet ja liitännät

HDMI — yleinen liitäntä televisioille ja näytöille; tukee ääntä ja korkeita resoluutioita.
DisplayPort — laajasti käytetty näyttöliitäntä, tukee suuria virkistystaajuuksia ja moninäyttöasetuksia.
DVI ja VGA — vanhempia liitäntöjä; VGA on analoginen, DVI voi olla digitaalinen.
Moninäytöt — modernit kortit tukevat useita näyttöjä yhtä aikaa, sallien laajat työpöydät ja peliasetukset.

Käyttökohteet

Näytönohjaimia käytetään monissa eri tilanteissa:

Pelaaminen: FPS, resoluutio ja pelin grafiikka-asetukset riippuvat suuresti kortin suorituskyvystä.
3D-mallinnus ja CAD: monimutkaiset mallit ja realiaikainen renderöinti hyötyvät tehokkaasta GPU:sta.
Videoeditointi ja renderöinti: GPU-kiihdytetyt koodekit ja renderöintimoottorit nopeuttavat aikaviiveitä.
Koneoppiminen ja laskenta: tietyt GPU:t (esim. NVIDIA CUDA) ovat suosittuja syväoppimisessa ja rinnakkaislaskennassa.
Cryptovaluutan louhinta: aiemmin yleistä, vaikutukset markkinoihin ja korttien saatavuuteen olivat merkittäviä.

Ajurit ja ohjelmistot

Ajurit ovat keskeisiä: ne mahdollistavat käyttöjärjestelmän ja sovellusten yhteyden GPU:hun. Päivitä ajurit valmistajan (esim. NVIDIA, AMD, Intel) suositusten mukaan, sillä uudet ajurit parantavat suorituskykyä ja yhteensopivuutta. Graafiset rajapinnat kuten DirectX, OpenGL ja Vulkan ovat tärkeitä pelien ja ammattiohjelmistojen toiminnalle.

Asennus, vinkkejä ja vianmääritys

Ennen asennusta: varmista, että virtalähde (PSU) riittää kortin virtavaatimuksille ja että koteloon mahtuu kortin pituus ja jäähdytys.
Asennus: kortti sijoitetaan PCIe-paikkaan, liitetään tarvittavat virtakaapelit ja kytketään näyttö. Asenna ajurit valmistajan sivulta.
Yleisimmät ongelmat: ei kuvaa, näyttöily-artefaktit tai kaatumiset. Tarkista monitorin liitännät, ajurit, kortin istuvuus ja lämpötilat. Päivitä BIOS tai vaihda kortin paikkaa tarvittaessa.
Yliääni ja lämpö: puhdista pöly tuulettimista, varmista hyvä ilmanvaihto ja harkitse parempaa jäähdytystä jos kortti kuumenee liikaa.

Ostajan opas — mitä ottaa huomioon

Käyttötarkoitus: pelaaminen, ammattityö, vai peruskäyttö? Ammattiohjelmat hyötyvät sertifioiduista korteista.
Resoluutio ja virkistystaajuus: 1080p, 1440p, 4K ja korkeat FPS-vaatimukset vaikuttavat kortin valintaan.
VRAM: enemmän muistia auttaa korkeampia resoluutioita ja monimutkaisia tekstuureja.
Virtalähde: varmista riittävä teho ja oikeat virtaliittimet.
Ajurit ja tuki: tutki valmistajan ajureiden laatua ja käyttöjärjestelmäyhteensopivuutta.
Hinta-laatusuhde: vertaile suorituskykyä eri korteissa ja kestävyystekijöitä, kuten jäähdytystä ja takuu.

Yhteenvetona: näytönohjain on keskeinen osa modernia tietokonetta, joka vaikuttaa sekä visuaaliseen kokemukseen että moniin laskennallisiin tehtäviin. Oikeanlaisen kortin valinta riippuu käyttötarkoituksesta, budjetista ja järjestelmän muista komponenteista.

Nvidia GeForce GTX 780, josta on poistettu jäähdytyslevy.

Laitteisto

Näytönohjaimissa on oma prosessori (grafiikkaprosessoriyksikkö tai GPU). Näytönohjainyksikkö on erillään tietokoneen pääprosessorista (jota kutsutaan keskusyksiköksi eli CPU:ksi). Keskusyksikön tehtävänä on käsitellä tietokoneen toimintaan tarvittavia laskutoimituksia. GPU:n tehtävänä on käsitellä grafiikkalaskelmia. 3D-grafiikkalaskennat vievät paljon suorittimen tehoa, joten grafiikkalaskennat hoitava näytönohjain antaa suorittimelle aikaa työskennellä muiden asioiden, kuten tietokoneohjelmien suorittamisen parissa.

Näytönohjaimilla on myös oma muistinsa, joka on erillään tietokoneen keskusmuistista. Se on yleensä myös paljon nopeampi kuin tietokoneen keskusmuisti. Tämä auttaa näytönohjainta suorittamaan grafiikkalaskennat entistäkin nopeammin. Useimmat näytönohjaimet voivat myös saada yhden tietokoneen käyttämään useampaa kuin yhtä tietokonenäyttöä samanaikaisesti. Grafiikkavalmistajilla Nvidialla ja AMD:llä (Advanced Micro Devices) on erityisiä tekniikoita, joiden avulla kaksi samanlaista korttia voidaan yhdistää yhteen tietokoneeseen, jolloin suorituskyky on paljon nopeampi. Nvidia kutsuu tekniikkaansa SLI:ksi ja AMD CrossFireksi. Jotkin nykyaikaiset näytönohjaimet pystyvät jopa käsittelemään fysiikkalaskelmia ja luomaan entistäkin realistisemman näköisiä 3D-maailmoja.

Näytönohjaimet liitetään yleensä emolevyyn PCI- (Peripheral Component Interconnect), AGP- (Advanced Graphics Port) tai PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express) -liitännän (PCI Express tai PCI-E) avulla. PCI-E on uusin ja nopein liitäntä, ja lähes kaikissa nykyaikaisissa näytönohjaimissa ja emolevyissä on tämä liitäntä. Ennen PCI-E:n käyttöönottoa AGP oli näytönohjainten standardiliitäntä. Ennen AGP:tä näytönohjaimet suunniteltiin PCI:tä varten (jota kutsutaan joskus "tavalliseksi" PCI:ksi).

Historia

Tietojenkäsittelyn alkuvuosina grafiikan käsittely oli hyvin yksinkertaista, ja prosessori pystyi suorittamaan sen kaiken muun käsittelyn ohella. Kun tietokonepelit kuitenkin kehittyivät ja alkoivat käyttää 3D-grafiikkaa, suorittimella oli liikaa tehtävää, eivätkä suorittimen valmistajat pystyneet nopeuttamaan niitä. Lopulta ongelman ratkaisemiseksi keksittiin näytönohjaimet, joissa oli oma näytönohjain. Näin suorittimen on mahdollista tehdä enemmän omaa työtään, koska sen ei tarvitse käyttää aikaa kehittyneisiin grafiikkalaskelmiin, vaan se voi yksinkertaisesti siirtää nämä laskelmat näytönohjaimelle suoritettavaksi.

Ensimmäiset näytönohjaimet liitettiin emolevyyn ISA-liitännän kautta. Ensimmäiset suositut muut kuin IBM:n näytönohjaimet valmisti yritys nimeltä Hercules Computer Technology, Inc. Vuosien mittaan näytönohjainten merkitys on kasvanut. Niiden kehittyessä kehitettiin uusi yhteysstandardi nimeltä Advanced Graphics Port (AGP). Tämä oli ensimmäinen emolevyn liitäntä, joka oli suunniteltu yksinomaan näytönohjaimia varten. Se oli paljon nopeampi tiedonsiirrossa näytönohjaimen ja muun tietokoneen välillä. Lopulta AGP-liitäntä vanhentui, ja uudesta PCI Express (PCI-E) -liitännästä tuli näytönohjainten standardi. Useimmat nykyään valmistetut näytönohjaimet käyttävät PCI-E:tä emolevyyn liittämiseen.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on videokortti?

A: Näytönohjain on erityinen piirilevy, joka ohjaa tietokoneen näytön näyttämistä ja laskee 3D-kuvia ja grafiikkaa.

K: Mihin näytönohjainta voidaan käyttää?

V: Näytönohjainta voidaan käyttää sekä 2D- että 3D-kuvien, kuten työpöydän tai tietokonepelin, näyttämiseen.

K: Kuka käyttää tietokoneavusteisia suunnitteluohjelmia (CAD) ja miksi?

V: Arkkitehdit, insinöörit ja suunnittelijat käyttävät usein CAD-ohjelmia luodakseen 3D-malleja tietokoneillaan.

K: Miten erittäin nopea näytönohjain voi vaikuttaa 3D-mallien luomiseen?

V: Jos tietokoneessa on nopea näytönohjain, käyttäjä voi luoda hyvin yksityiskohtaisia 3D-malleja.

K: Mitä eroa on integroitujen videosirujen ja erillisten näytönohjainten välillä?

V: Integroidut näytönohjaimet on rakennettu tietokoneen emolevyyn, eivätkä ne ole yhtä nopeita kuin erilliset näytönohjaimet.

K: Riittävätkö integroidut videosirut tietokoneen peruskäyttöön?

V: Kyllä, integroidut näytönohjaimet ovat riittävän nopeita tietokoneen peruskäyttöön ja vanhoihin tai yksinkertaisiin tietokonepeleihin pienemmillä grafiikka-asetuksilla.

K: Voiko näytönohjaimen asentaa nopeampaa ja yksityiskohtaisempaa grafiikkaa varten?

V: Kyllä, jos tietokoneen käyttäjä haluaa nopeampaa ja/tai yksityiskohtaisempaa grafiikkaa, näytönohjain voidaan asentaa.