グラフィックカードのしくみ

あなたのあなたが見る画像モニターには、ピクセルと呼ばれる小さなドットで作られています。最も一般的な解像度設定では、画面に100万ピクセル以上が表示され、コンピューターは画像を作成するためにすべてのピクセルをどう処理するかを決定する必要があります。これを行うには、トランスレータが必要です。CPUからバイナリデータを取得し、それを画像に変換するものです。コンピュータにマザーボードにグラフィックス機能が組み込まれていない限り、その変換はグラフィックスカードで行われます。

グラフィックカードの仕事は複雑ですが、その原理とコンポーネントは簡単に理解できます。この記事では、ビデオカードの基本的な部分とその機能について説明します。また、高速で効率的なグラフィックカードを作成するために連携する要素についても検討します。

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コンピューターは、独自のアート部門を持つ会社と考えてください。社内の人が作品を欲しがるときは、アート部門にリクエストを送ります。アート部門は、画像の作成方法を決定し、それを紙に書きます。その結果、誰かのアイデアが実際の表示可能な画像になります。

グラフィックカードは同じ原理で動作します。CPUは、ソフトウェア・アプリケーションと連携して作業し、グラフィックスカードに画像情報を送信します。グラフィックカードは、画面上のピクセルを使用して画像を作成する方法を決定します。次に、その情報をケーブルを介してモニターに送信します。

バイナリデータからイメージを作成することは、要求の厳しいプロセスです。するために3次元画像を、グラフィックスカードは、最初の直線のうちワイヤフレームを作成します。次に、画像をラスター化します（残りのピクセルを塗りつぶします）。また、照明、テクスチャ、色を追加します。ペースの速いゲームの場合、コンピューターはこのプロセスを1秒間に約60回実行する必要があります。必要な計算を実行するためのグラフィックカードがないと、コンピュータが処理するには作業負荷が大きすぎます。

グラフィックカードは、次の4つの主要コンポーネントを使用してこのタスクを実行します。

次に、プロセッサとメモリについて詳しく見ていきます。

コンテンツ

1. GPU
2. PCI接続
3. 良いグラフィックカードの選択

同じように、マザーボード、グラフィックスカードは、収容するプリント基板であるプロセッサとRAMを。また、カードの設定を保存し、起動時にメモリ、入力、出力の診断を実行する入出力システム（BIOS）チップも備えています。グラフィックスプロセッシングユニット（GPU）と呼ばれるグラフィックスカードのプロセッサは、コンピュータのCPUに似ています。ただし、GPUは、グラフィックスレンダリングに必要な複雑な数学的および幾何学的計算を実行するために特別に設計されています。最速のGPUの中には、平均的なCPUよりも多くのトランジスタを搭載しているものがあります。 GPUは大量の熱を発生するため、通常はヒートシンクまたはファンの下に配置されます。

GPUは、その処理能力に加えて、データの分析と使用を支援するために特別なプログラミングを使用します。ATIとnVidiaは、市場に出回っているGPUの大部分を製造しており、両社はGPUパフォーマンスのために独自の拡張機能を開発しました。画質を向上させるために、プロセッサは以下を使用します。

各企業は、GPUが色、陰影、テクスチャ、パターンを適用するのに役立つ特定の技術も開発しました。

GPUは画像を作成するため、情報と完成した画像を保持する場所が必要です。この目的でカードのRAMを使用し、各ピクセル、その色、および画面上の位置に関するデータを保存します。 RAMの一部は、フレームバッファとしても機能します。つまり、完成した画像を表示するときまで保持します。通常、ビデオRAMは非常に高速で動作し、デュアルポートです。つまり、システムはビデオRAMからの読み取りと書き込みを同時に行うことができます。

RAMは、DACと呼ばれるデジタル-アナログコンバータに直接接続します。このコンバーターはRAMDACとも呼ばれ、画像をモニターが使用できるアナログ信号に変換します。一部のカードには複数のRAMDACがあり、パフォーマンスを向上させ、複数のモニターをサポートできます。このプロセスの詳細については、アナログおよびデジタル録音のしくみをご覧ください。

RAMDACは、ケーブルを介して最終的な画像をモニターに送信します。この接続と他のインターフェースについては、次のセクションで説明します。

グラフィックカードの進化

グラフィックカードは、IBMが1981年に最初のカードを発表して以来、長い道のりを歩んできました。モノクロディスプレイアダプタ（MDA）と呼ばれるこのカードは、黒い画面に緑または白のテキストをテキストのみで表示します。現在、新しいビデオカードの最小標準は、256色を許可するビデオグラフィックスアレイ（VGA）です。Quantum Extended Graphics Array（QXGA）のような高性能規格により、ビデオカードは最大2040 x1536ピクセルの解像度で数百万色を表示できます。

グラフィックカードは、マザーボードを介してコンピュータに接続します。マザーボードは、カードに電力を供給し、それが通信することができますCPU。新しいグラフィックカードは、マザーボードが提供できるよりも多くの電力を必要とすることが多いため、コンピュータの電源に直接接続することもできます。

マザーボードへの接続は通常、次の3つのインターフェイスのいずれかを介して行われます。

PCI Expressは、3つのうち最新のものであり、グラフィックカードとマザーボード間で最速の転送速度を提供します。PCIeは、同じコンピューターでの2枚のグラフィックカードの使用もサポートします。

ほとんどのグラフィックカードには、2つのモニター接続があります。多くの場合、1つはLCD画面をサポートするDVIコネクタであり、もう1つはCRT画面をサポートするVGAコネクタです。一部のグラフィックカードには、代わりに2つのDVIコネクタがあります。しかし、それはCRT画面の使用を除外するものではありません。 CRT画面は、アダプターを介してDVIポートに接続できます。かつて、Appleは独自のApple Display Connector（ADC）を使用するモニターを製造していました。これらのモニターはまだ使用されていますが、新しいAppleモニターはDVI接続を使用します。

ほとんどの人は、2つのモニター接続のうち1つだけを使用します。2台のモニターを使用する必要がある場合は、ディスプレイを2つの画面に分割するデュアルヘッド機能を備えたグラフィックカードを購入できます。2つのデュアルヘッドPCIe対応ビデオカードを搭載したコンピューターは、理論的には4台のモニターをサポートできます。

マザーボードとモニターの接続に加えて、一部のグラフィックカードには次の接続があります。

一部のカードにはTVチューナーも組み込まれています。次に、適切なグラフィックカードを選択する方法を見ていきます。

DirectXとOpenGL

DirectXとOpenGLは、アプリケーションプログラミングインターフェイスまたはAPIです。APIは、3Dレンダリングなどの複雑なタスクの指示を提供することにより、ハードウェアとソフトウェアがより効率的に通信するのに役立ちます。開発者は、特定のAPI用にグラフィックを多用するゲームを最適化します。これが、最新のゲームが正しく機能するために、DirectXまたはOpenGLの更新バージョンを必要とすることが多い理由です。

APIは、ハードウェアがコンピューターのオペレーティングシステムと通信できるようにするプログラムであるドライバーとは異なります。ただし、更新されたAPIと同様に、更新されたデバイスドライバーは、プログラムを正しく実行するのに役立ちます。

最高級のグラフィックカードは簡単に見つけることができます。それはたくさんのメモリと高速プロセッサを持っています。多くの場合、コンピュータのケースの中に入れることを目的とした他の何よりも視覚的に魅力的です。多くの高性能ビデオカードが図解されているか、装飾的なファンまたはヒートシンクが付いています。

しかし、ハイエンドカードは、ほとんどの人が実際に必要とする以上のパワーを提供します。コンピュータを主に電子メール、ワードプロセッシング、またはWebサーフィンに使用する人々は、統合されたグラフィックスを備えたマザーボード上で必要なすべてのグラフィックスサポートを見つけることができます。ほとんどのカジュアルゲーマーにはミッドレンジカードで十分です。ハイエンドカードのパワーを必要とする人々には、ゲーム愛好家や多くの3Dグラフィック作業を行う人々が含まれます。

カードのパフォーマンスの優れた全体的な測定値は、フレームレート（フレーム/秒（FPS）で測定）です。フレームレートは、カードが1秒間に表示できる完全な画像の数を表します。人間の目は毎秒約25フレームを処理できますが、高速アクションゲームでは、スムーズなアニメーションとスクロールを提供するために、少なくとも60FPSのフレームレートが必要です。フレームレートのコンポーネントは次のとおりです。

グラフィックカードのハードウェアは、その速度に直接影響します。これらは、カードの速度とそれらが測定される単位に最も影響を与えるハードウェア仕様です。

非常に高速なグラフィックカードでは、マザーボードがデータを迅速に配信できないことを補うことができないため、コンピュータのCPUとマザーボードも役割を果たします。同様に、カードのマザーボードへの接続と、CPUから命令を取得できる速度は、カードのパフォーマンスに影響します。

グラフィックカードおよび関連トピックの詳細については、次のページのリンクを確認してください。

統合グラフィックスとオーバーロック

多くのマザーボードには統合されたグラフィックス機能があり、個別のグラフィックスカードがなくても機能します。これらのマザーボードは2D画像を簡単に処理できるため、生産性やインターネットアプリケーションに最適です。別のグラフィックカードをこれらのマザーボードの1つに接続すると、オンボードのグラフィック機能が無効になります。

一部の人々は、オーバークロックと呼ばれるクロック速度を手動でより高いレートに設定することにより、グラフィックカードのパフォーマンスを向上させることを選択します。GPUをオーバークロックすると過熱につながる可能性があるため、通常、人々はメモリをオーバークロックします。オーバークロックはパフォーマンスの向上につながる可能性がありますが、メーカーの保証も無効になります。

初版：2001年3月16日

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