Processeur graphique

Ils ont généralement un mode texte, dans lequel une table contient les codes des caractères à afficher, en 8 bits, et une autre table fait la liaison entre le code du caractère et l'emplacement mémoire au sein du système du motif les représentant. Des motifs sont généralement présents en ROM ou EPROM, et il est alors possible de les remplacer par un motif défini par logiciel en RAM.

Les consoles de jeu et bornes d'arcades 8 et 16 bits ont généralement un système similaire pour les décors. Une table des tuiles graphique à afficher à l'écran, généralement plus grande que l'écran affiché afin de permettre les défilements de l'écran, et une table définissant leur emplacement en mémoire.

Depuis les ordinateurs 8 bits, il est également possible, à l'aide du processeur vidéo d'opérer des changements en fonction de la position de l'élément en cours de traçage (en anglais : raster) à l'écran. Les coordonnées, actuelles sont déterminées à partir des signaux de synchronisation verticale (VBLANK, 1 par image) et horizontal (HBLANK, 1 par ligne), et du temps pendant lequel l'information d'un pixel est envoyé. Il est alors possible de changer la couleur de la palette ou du fond de l'écran par exemple. Ce principe était souvent utilisé sur les ordinateurs 8 bits pour signaler un chargement ou une décompression en cours. Ce principe a également été utilisé pour afficher des dégradés et différents effets dans les démos.

Le sprite est un objet graphique, superposé à l'image de fond par le processeur vidéo. Si sa couleur est transparente, il envoie l'information mémoire de l'image de fond, si elle est opaque, il envoie l'information du ̺sprite lui-même. Sur de nombreux systèmes le nombre de sprites était limité en largeur (nécessité de parcourir la mémoire des différents sprites au moment d'afficher la ligne horizontale). Selon les systèmes, cette limite est plus souple verticalement en raison de la dépendance au Raster. Il est principalement utilisé dans le domaine des jeux vidéo, mais est également utilisé dans les interfaces graphiques, pour afficher le curseur.

Le plan d'image (anglais : bitplan) est similaire au sprite mais sur une image entière, selon les systèmes il est plus ou moins limité. Par exemple sur un système dont la mémoire à une limite d'un écran complet en 8 bits, pourra afficher 2 plans images 4 bits, il faut également prendre en compte les limites dans les opérations de mixage de ces plans, limitées dans le temps.

Les SoC utilisés aujourd'hui sur les téléphones conservent toujours ces possibilités.

Une des fonctions premières d'un processeur géométrique 2D est le "blitter". Il sert à la copie d'image de part et d'autre de la RAM (principale ou vidéo selon les systèmes), avec ou sans gestion de la transparence pour le mixage, La transparence peut être gérée via un masque de transparence (contenant une version de l'image ou 0 signifie transparent et 1 ou autre valeur selon les capacités, signifie opaque ou translucide), ou via une valeur dans l'image dédiée à la transparence. Cela permet de complémenter la présence ou de compenser l'absence d'un processeur vidéo gérant les sprites ou les multiples bitplans. On retrouve par exemple cette fonction dans Denise (Amiga), ou G2D (certains processeurs ARM, notamment Samsung, AllWinner, Rockchip, NXP).

Certains processeurs vectoriels 2D, comme celui de la console de jeu 8 bits Vectrex, gèrent uniquement des objets vectoriels, tels que des segments de droite.

Il est chargé de faire des calculs en trois dimensions, c'est-à-dire de représenter dans l'espace des objets géométriques.

Silicon Graphics en 1992, est un pionnier dans le domaine, en sortant des stations de travail équipées de processeurs graphiques spécialisées en 3D. Ils créent également le langage OpenGL, qui deviendra ensuite un standard ouvert, géré par le consortium industriel Khronos Group, qui le fait évoluer vers Vulkan.

Selon les processeurs, il a des fonctions plus ou moins avancées. Tracé de droite, de polygones, modification géométrique d'image pour les textures, anticrénelage, sont des fonctions de base.

Les fonctions de traitement d'image des processeurs géométrique 3d utilisant, au fur et à mesure de leur évolution de plus en plus les mêmes instructions qu'un processeur vectoriel, les deux fonctions ont été réunies au sein de ce que l'on appelle un GPGPU (signifiant littéralement processeur graphique à but généraliste). Cela a permis de démocratiser ces derniers.

Il permet en plus de faire des opérations géométriques 2D et 3D, des opérations d'algèbre linéaire complexes, et avec un bon niveau de parallélisme. Il est principalement utilisé en calcul intensif, que ce soit dans le rendu d'images avancé, ou le calcul scientifique (analyse numérique).

Ces processeurs peuvent être intégrés de différentes manières dans un système informatique :

• Une puce dédiée, soudée sur la carte mère, c'était le cas sur les micro-ordinateurs 8 et 16 bits et ¹⁶⁄₃₂ bits (comme la puce Agnus de l'Amiga), ou les bornes d'arcades des années 1980 (un processeur secondaire pouvant être dédié pour le calcul graphique), des consoles de jeu 8 et 16 bits, ainsi que quelques micro-ordinateurs 32 bits des années 1990).
• Une puce dédiée, soudée sur une carte graphique, notamment sur les compatibles IBM PC (cartes CGA, EGA, VGA, SVGA, etc., jusqu'à nos jours)
• Un processeur intégré à un SoC (une puce, regroupant l'ensemble du système, dont ; processeur principal, graphique, sonore, vidéo, réseau, etc.), c'est le cas notamment de la majorité des puces d'architecture ARM, tels que sur les téléphones mobiles, tablettes tactiles, box internet, SBC, etc.
• Un processeur intégré à un APU, seul le processeur principal et le processeur graphique sont intégrés dans la même puce. Intel et AMD se sont inspirés d'ARM, pour améliorer les performances des échanges entre le processeur principal et le processeur graphique en intégrant leurs propres circuits graphiques à leurs processeurs.

Sur les premiers micro-ordinateurs, le processeur graphique était un circuit intégré (ou puce), situé sur la carte mère de l'ordinateur. C'est également le cas généralement sur les consoles de jeu, ou encore aujourd'hui sur les ordinateurs à carte unique.

Il s’agit du type de processeur graphique le plus puissant. Le processeur est généralement situé sur une carte interfacée avec la carte mère de l’ordinateur par un port PCI Express pour les machines récentes AGP ou PCI pour les machines plus anciennes ; quant aux ordinateurs portables, certains disposent d’une déclinaison spécifique du port PCI Expres}, le MXM ou Mobile PCI-Express Module). Ces cartes disposent de leur propre mémoire vive.

Dans les System On Chip (SoC), le processeur graphique est situé dans le même circuit intégré que le processeur principal , le processeur sonore, et les autres composants principaux du système. Un bus interne au circuit intégré permet d'échanger les informations entre ses différentes composantes.

Ces processeurs graphiques sont intégrés dans le northbridge sur la carte mère de l’ordinateur ou directement au processeur central (à partir de la famille de processeurs Westmere chez Intel), et utilisent sa mémoire vive ou plus rarement une faible quantité de mémoire dédiée. Ces processeurs graphiques sont moins performants que ceux des cartes graphiques dédiées, mais ils sont moins coûteux, plus faciles à intégrer et moins consommateurs en énergie. Les ordinateurs portables anciens et/ou d'entrée de gamme utilisent cette méthode afin de réduire les coûts.

Les IGP suffisent si le matériel n'est pas sollicité par les jeux modernes ou des programmes utilisant de grandes quantités de ressources graphiques. Les cartes mères anciennes ont souvent un processeur graphique intégré et un (ou plusieurs) port permettant d’ajouter une carte graphique dédiée. Ce type d'IGP tend cependant à disparaître au profit des processeurs graphiques intégrés directement dans les CPU plus récents. Le défaut majeur de ces derniers est que l'ensemble CPU/GPU est limité par la puissance maximale pouvant être reçue par le biais du socket. CPU et GPU ne peuvent donc fonctionner ensemble au maximum de leur fréquence respective si la somme des puissances nécessaires dépasse la puissance maximale réelle pouvant être admise. Cela nécessite donc un bridage de l'un pour obtenir de meilleurs résultats avec l'autre. En d'autres termes, quand l'un est au maximum, l'autre doit passer en économie. Les jeux les plus récents deviendront injouables et les logiciels utilisant essentiellement beaucoup de graphisme seront limités si le CPU est sollicité au détriment du GPU. Et vice versa, des logiciels de compression de données ou ayant besoin essentiellement du CPU seront plus lents si celui-ci est bridé au profit du GPU. Par contre, il est possible de jouer sans problème à des jeux plus anciens qui ne demandent pas beaucoup de ressources en termes de couple CPU/GPU ou en désactivant bonne quantité d'options graphiques.

Bien que ce type de configuration se démocratise de plus en plus, une configuration plus classique CPU et carte graphique supplémentaire reste plus efficace car la bande passante dédiée utilisée par la carte graphique permet de soulager le CPU, laissant ainsi à ce dernier la totalité de la puissance du socket. Une carte graphique, même bas de gamme, obtiendra de meilleurs résultats qu'un IGP car non bridée par un partage de circuit avec le CPU. Ainsi, pour un joueur occasionnel ou quelqu'un évoluant dans le domaine du multimédia, une carte bas de gamme se révélera utile, voire quasi-indispensable, afin de profiter de meilleurs rendus sans pour autant dépenser beaucoup d'argent. Cependant cet investissement supplémentaire n'est pas intéressant pour un utilisateur limitant l'utilisation de sa machine à de la bureautique ou de la recherche sur internet, car demandant peu de ressources. Il lui sera alors plus avantageux de se contenter d'un IGP. De plus, les améliorations à chaque nouvelle génération de processeurs intégrant une partie graphique permet parfois de rattraper cet écart de puissance avec les cartes graphiques bas de gamme, voire les dépasser dans certains cas.

Il est aussi possible pour un utilisateur possédant un ensemble « CPU/IGP/carte graphique » d'activer le GPU intégré au processeur principal et donc, par l'intermédiaire de programmes fournis ou présents sur les sites des fabricants de ces composants, de faire la transition entre le GPU du processeur et la carte graphique adjointe au système et ainsi optimiser la consommation électrique. Par exemple, une carte graphique performante destinée aux jeux et consommant beaucoup en puissance peut être désactivée pendant une session de bureautique par un pilote permettant d'attribuer à chaque programme installé un GPU spécifique.

D'autres entreprises (Asus, MSI, PNY…) se chargent ensuite de proposer des cartes graphiques intégrant ces processeurs. Ce sont les entreprises constructrices. Celles-ci prennent en général une certaine liberté de modification des fréquences de fonctionnement des GPU par rapport aux fréquences de base préconisées par les concepteurs. C'est le principe de l'overclocking. Bien entendu, ces modifications nécessitent un choix rigoureux dans le système de refroidissement, car bien souvent, les fréquences en hausse provoquent également en contrepartie une hausse de température, à l'image des CPU. Ces fréquences varient entre les constructeurs et selon les modèles et les systèmes de refroidissement proposés par ces entreprises. L'écart de performance entre les modèles de référence (fournis par les concepteurs) et les constructeurs varie et certains GPU personnalisés peuvent même présenter un gain non négligeable par rapport au GPU de référence.