La tarjeta gráfica del equipo microinformático

La tarjeta gráfica o de vídeo (graphic card) se encarga de crear las imágenes que el sistema le indica para enviárselas a los periféricos de salida, monitor o proyector. Las tarjetas gráficas poseen un procesador encargado de generar las imágenes el cual denominamos GPU (Graphics Processing Unit - Unidad de Procesamiento Gráfico).

Pero no siempre vamos a necesitar en nuestro equipo una tarjeta gráfica, ya que esta puede existir en otros componentes del equipo microinformático. Según dónde se encuentre la GPU, podemos denominarla de diferentes maneras:

• En tarjeta de expansión: gráfica dedicada (dGPU - Dedicated Graphics Processing Unit).

• En el microprocesador o en la placa base: gráfica integrada (iGPU - Integrated Graphics Processing Unit).

• En el exterior del chasis: gráficas externas (eGPU - External Graphics Processing Unit) 

 

Funcionamiento

A grandes rasgos, la tarjeta gráfica del equipo se encarga de generar un fotograma (una imagen) y enviárselo al periférico de salida a través de sus conectores y cables. Este fotograma se genera a partir de cálculos matemáticos que convierten una imagen 3D en una imagen 2D para ser mostrada en el periférico de salida. La sucesión de fotogramas produce la ilusión del movimiento en la pantalla.

Los pasos para generar un fotograma y enviarlo son:

1. Entrada de datos gráficos: El sistema operativo, las aplicaciones o los juegos envían instrucciones a la GPU a través de una API gráfica (librería gráfica), que es un conjunto de instrucciones que especifican qué elementos deben ser dibujados, sus posiciones, texturas, iluminación, etc. Existen las siguientes APIs gráficas:

• DirectX (Windows).
• Vulkan (multi-plataforma).
• OpenGL (Windows/Linux/macOS).
• Metal (macOS).

2. Renderización de la imagen (render): La GPU toma las instrucciones recibidas y las traduce en operaciones matemáticas para generar la imagen. Esto incluye varias etapas:

a) Transformación de vértices: Los modelos 3D están formados por vértices (puntos en el espacio 3D), por lo que se transforma estos puntos en coordenadas 2D para proyectarlos en la pantalla. 

b) Sombreado (shading): Determinar el color y la iluminación de cada vértice o píxel según las fuentes de luz, sombras y materiales.

c) Rasterización (rasterize): Convertir los vértices y formas geométricas (triángulos) en píxeles que forman la imagen final

d) Post-procesamiento: Aplicar efectos finales como desenfoque, profundidad de campo, antialiasing, etc, para mejorar la calidad visual.

3. Almacenamiento en memoria: La imagen se almacena en una región de su memoria llamada framebuffer.

4. Conversión digital a analógica (si es necesario): Si la salida es analógica, se convierten los datos digitales en una señal analógica utilizando un DAC (Digital-to-Analog Converter).

5. Envío de la señal al periférico de salida: Se transmite la imagen a través del conector de video.

 

Fabricantes procesadores / Ensambladores tarjetas

La tarjeta gráfica posee un procesador denominado GPU que es el encargado del renderizado de la imagen. Los fabricantes de procesadores GPU más destacados son nVidia, AMD/ATI e Intel.

Pero luego existen los fabricantes ensambladores de tarjetas gráficas, que utilizan los procesadores GPU anteriores y crean las tarjetas gráficas en sí, que además incluyen memoria, refrigeración, conectores, etc. Los ensambladores más destacados son Asus, Gigabyte y MSI.

 

Tipos de conexiones

Las primeras tarjetas gráficas estaban diseñadas para ser conectadas en las ranuras de expansión PCI. Al ir aumentando la velocidad de procesamiento de las tarjetas gráficas y la cantidad de datos procesados, el bus PCI se colapsó formándose en él numerosos cuellos de botella. En ese momento las tarjetas gráficas se adaptaron a las ranuras de expansión AGP, las cuales creaban un bus exclusivo para transportar los datos de vídeo.

Actualmente, las tarjetas gráficas utilizan una ranura de expansión PCI Express dedicada exclusivamente a la transmisión de vídeo. Lo más usual es que la tarjeta de expansión sea del tipo PCIe 3.0 o 4.0. Debemos leer las especificaciones de la placa base para saber qué ranura de expansión es la dedicada a la tarjeta gráfica y si cumple los requisitos de la misma.

Cuando son tarjetas gráficas externas, se insertan en una caja o contenedor (dock) y este a su vez se conecta a la placa base a través de un puerto USB-C de la interfaz Thunderbolt.

 

Procesador gráfico

El procesador gráfico GPU hemos dicho que se encarga de realizar los cálculos necesarios para convertir las imágenes 3D en imágenes 2D y enviárselas al periférico de salida.

Las características más importantes a tener en cuenta sobre la GPU son las siguientes.

 

Arquitectura y generaciones

Al igual que ocurre con los microprocesadores, las GPU se basan en diferentes arquitecturas de diseño (cómo se organizan y operan sus componentes internos), y estas a su vez en generaciones (la misma arquitectura pero con pequeñas variaciones).

Las últimas arquitecturas de nVidia son:

• Ampere.

• Ada Lovelace.

• Hopper.

Y las últimas arquitecturas de AMD son:

• RDNA 2.

• RDNA 3.

• CDNA.

El número del modelo GPU nos sirve para conocer la generación (los primeros números) y el orden (tier) dentro de la generación (últimos números). Por ejemplo, para la GPU nVidia GTX 1060, sabemos que es de la generación 10 y del orden 60 dentro de esa generación. De manera general, cuanto mayor suele ser el número, más potente es la tarjeta gráfica.

 

Tamaño de la GPU

El tamaño de la GPU o tamaño del procesador (die size) se mide en mm² y refleja la superficie del chip. Un chip más grande suele tener más transistores, lo que puede implicar mayor complejidad y capacidad.

 

Núcleos

Indican el número de unidades de procesamiento dentro de la GPU. Se denominan CUDA Cores en NVIDIA y Stream Processors en AMD

Por ejemplo, la GPU nVidia RTX 4060 posee 3072 núcleos CUDA.

 

Frecuencia

La velocidad del núcleo o frecuencia de reloj se mide en GHz, e indica la frecuencia con la que cambia el reloj de la GPU. A mayor velocidad suele haber mayor rendimiento, pero también mayor consumo de energía eléctrica y generación de calor. 

Suele venir indicada la frecuencia base y la frecuencia turbo o de aumento (boost).

 

TFLOPS

Indica las Operaciones en Punto Flotante por Segundo (FLOPS - Floating-points Operation Per Second), y mide las operaciones en coma flotante que la GPU es capaz de realizar en un segundo de manera teórica. Actualmente se habla más bien de TeraFLOPS o TFLOPS.

 

Unidades ROP

Las unidades de operaciones de rasterizado (ROP - Raster OPerator Unit) son las encargadas de realizar operaciones finales sobre los píxeles, como el cálculo del color final, la profundidad y la escritura en memoria. Son fundamentales en el proceso de renderizado y almacenamiento.

 

Unidades TMU

Las unidades de texturizado (TMU - Texture Mapping Unit) son responsables de acceder a las texturas almacenadas en la memoria de video y aplicarlas a los píxeles de un modelo 3D. También realizan operaciones como dimensionar, rotar y distorsionar texturas para adaptarlas a las superficies de los modelos.

 

Resolución máxima

La resolución máxima indica el número más alto de píxeles que la tarjeta puede dibujar en el monitor. Esta cifra viene expresada en píxeles de ancho por alto. Este valor va a depender tanto de la GPU como del resto de componentes de la tarjeta, como es la interfaz de salida.

 

Framerate y Frametime

El framerate (ratio de fotogramas) se mide en fotogramas por segundo (FPS - Frames Per Second) e indica cuántos fotogramas genera la GPU en un segundo. Mientras más fotogramas, más sensación de fluidez nos dará la imagen en movimiento. Con una tasa de 60 fps o más, el ojo humano en condiciones normales apreciará una imagen totalmente fluida, que simularía a la realidad, pero la percepción de suavidad depende también del tipo de contenido y las condiciones de visualización.

El frametime (tiempo de fotograma) se mide en milisegundos (ms) e indica el tiempo que tarda la GPU en renderizar un fotograma. 

Podemos pensar que ambas medidas son la misma, por ejemplo, que 60 fps nos llevaría a un frametime de 16,67 ms (1/60 = 0,01667). Pero que en un segundo se generen 60 fotogramas no quiere decir que cada fotograma esté luego el mismo tiempo en pantalla, eso sería lo ideal, pero el renderizado puede hacer que unos fotogramas estén más tiempo esperando a que el siguiente fotograma se renderice, lo que da lugar a problemas como los tirones (stuttering).

 

¿Qué ocurre si el framerate (FPS) no coincide con la tasa de refresco (Hz) de un monitor?

• FPS mayores que los Hz del monitor: la GPU genera más fotogramas que los que el monitor puede mostrar. Esto provoca que el monitor muestre partes de diferentes fotogramas en una misma actualización, causando un efecto de imagen partida (tearing).
• FPS menores que los Hz del monitor: la GPU genera menos fotogramas que los que el monitor puede mostrar. Esto hace que el monitor repita el último fotograma mientras espera uno nuevo, lo que puede generar tirones visuales (stuttering).

 

Solucionando el stuttering

Existen dos tecnologías, aunque no es la única manera, que permiten solucionar el problema de los tirones (stuttering).

• G-Sync de nVidia: Requiere que los monitores integren un módulo propietario de nVidia. Ya sea por hardware, la propia tarjeta gráfica, o por software, el propio driver del sistema operativo, se controlará el sincronizar los FPS con los Hz.
• FreeSync de AMD: Requiere que los minitores integren un módulo abierto VESA Adaptive Sync. Ya sea por hardware, la propia tarjeta gráfica, o por software, el propio driver del sistema operativo, se controlará el sincronizar los FPS con los Hz.

 

Relleno de píxeles

El relleno de pixel (Pixel Fillrate) mide la cantidad de píxeles que la GPU puede procesar y escribir en la memoria en un segundo, después de aplicar operaciones como sombreado, blending y pruebas de profundidad. Se mide en GPixel/s o GP/s. A mayor velocidad, más potencia.

 

Relleno de texturas

El relleno de textura (Texture Fillrate) mide la cantidad de texeles (píxeles texturizados) que la GPU uede procesar y aplicar a los modelos por segundo. Se mide en GTexel/s o GT/s. A mayor velocidad, más potencia.

 

Memoria de vídeo

La memoria de vídeo (VRAM - Video RAM) es un tipo de memoria RAM que sirve almacena los datos que está procesando la GPU para renderizar cada fotograma y así acceder a ellos de forma muy rápida. Según se aumenta la resolución máxima y el detalle gráfico aumenta el consumo de esta memoria por lo que es importante que no se quede corta.

La memoria de vídeo se divide en los siguientes bloques, entre otros, para permitir una gestión más eficiente de la misma:

• Framebuffer: Almacena el fotograma completo que se va a enviar al monitor.
• Texturas: Almacena las imágenes que se aplican a los objetos 3D para darles apariencia y detalle.
• Shaders: Almacena programas que se ejecutan en la GPU para realizar cálculos complejos y generar efectos visuales.
• Buffers de profundidad: Almacenan información sobre la distancia de cada píxel a la cámara, utilizada para determinar qué objetos ocultan a otros.
• Otros: Pueden existir otros bloques para almacenar diversos tipos de datos que son necesarios para el procesamiento gráfico, como coordenadas, colores y otros parámetros.

La memoria de vídeo es del tipo dual-ported, lo que permite que se puedan realizar lecturas y escrituras al mismo tiempo. Esto es así para poder sacar por pantalla cada fotograma, pero al mismo tiempo estar actualizándose para calcular el siguiente fotograma.

 

Tipos

Los tipos de memorias que podemos encontrar en la tarjeta gráfica, ordenada de más rápida a más lenta:

• HBM/HBM2
• GDDR6X
• GDDR6
• GDDR5X
• GDDR5
• GDDR4
• GDDR3

 

Cantidad

Especifica la cantidad de espacio que posee la memoria de vídeo. Se mide en GB.

 

Velocidad de transferencia y frecuencia

La velocidad de transferencia indica las operaciones (lecturas y escrituras) que puede realizar la memoria en un segundo. Se mide en MT/s (millones de transferencias por segundo).

La velocidad de transferencia está relacionada con la frecuencia (que se mide en Hz), ya que cada transferencia se realiza en función del reloj.

 

Bus de memoria / Ancho de datos / Longitud

Indica el número de líneas o carriles que tiene la memoria para transportar los datos. Se mide en bits. Leer más sobre el bus de memoria.

 

Ancho de banda

Indica la cantidad de datos enviados por unidad de tiempo. Se mide en GB/s.

 

Conectores de Entrada/Salida

La tarjeta gráfica poseerá en su parte externa los conectores de salida en los que conectar los periféricos hacia los que se redirigirán los gráficos generados.

 

VGA / SVGA (Video Graphic Array / Super VGA)

Conector para señal de video analógica. Produce ruido eléctrico. El conector es un subconector de la familia D-Sub, en concreto DB-15.

 

S-Vídeo (Super Video)

Conector para señal de video analógica. Se caracteriza por llevar dos señales de video separadas, por un lado el brillo y otro el color.

 

 

RCA (Radio Corporation of America)

Conector para señal de video analógica. Utiliza un solo hilo para llevar la señal. Normalmente suele presentar un conector de color amarillo.

 

 

DVI (Digital Video Interface)

Conector para salida de video digital, aunque también puede llevar video analógico. Se utiliza en pantallas LCD o proyectores digitales. Utiliza 4 canales para transmitir la señal. Los 3 primeros son (rojo, verde y azul), y el 4º transmite la señal del reloj de ciclos. Podemos encontrar tres tipos diferentes de conectores DVI.

DVI-A: Estos conectores tienen 17 pines, repartidos entre 12 en el bloque principal y 5 en la parte analógica, no disponen de versión dual y solo dispone de señal analógica. Es exactamente lo mismo que un conector VGA, pero está dispuesto de una forma diferente. En este caso sí que le podemos poner un adaptador para señal VGA, pues al ser la misma señal no hay que realizar ningún tipo de conversión de la misma. Estos son raros encontrarlos en los dispositivos, pues al ser VGA la opción más extendida para analógico, y DVI para formato digital se ha hecho la diferenciación por tipo de conector. Este conector no es compatible con DVI-D, ya que aunque este pueda conectarse en un conector DVI-A macho, no tiene señal digital.

DVI-D: Este conector solo lleva señal digital, y normalmente los veremos con 19 pines en su versión simple 18+1, y con 25 en la dual 24+1. Si te fijas un poco verás que junto a la patilla grande de la izquierda no existen las otras 4 que llevan la señal analógica, y por tanto deja claro que es exclusivamente para transportar señal digital. Un conector de cualquier tipo de DVI-D a VGA o viceversa no funcionará por que no tiene este tipo de señal. No es el más común en los equipos, ya que la mayoría de las gráficas ofrecen esas patillas con salida analógica para poder usar adaptadores, pero sí lo veremos en gráficas que tengan salida DVI y VGA, como por ejemplo las integradas en placa. Como puedes ver en la imagen, te encuentras con dos tipos de DVI-D, por un lado está el Single link (un único canal de datos a un máximo de 165MHz) y por otro el Dual link (doble canal de datos que permite transmitir a un máximo de 340MHz, asimilándose a la calidad del HDMI).

DVI-I: En este último caso tenemos un conector que tiene lo mejor de las dos tecnologías. Con sus 23 patillas es decir 18+5 nos ofrecen tanto salida digital como analógica, los distinguiremos fácilmente por que en el bloque principal faltan dos hileras verticales de patillas, dejándonos dos cuadrados o bloques de patillas. Debemos tener en cuenta que tanto la tarjeta gráfica, como el cable y los conectores que usemos deberán ser compatibles con DVI-I. Sería compatible también con un conector macho entre DVI-A y DVI-I, y podremos conectar un cable DVI-I a VGA mediante un adaptador.

 

HDMI (High Definition Multi-media Interface)

Conector para salida de vídeo digital de alta calidad. Transporta también la señal de audio. Hay diferentes cables según el estándar que utilice y el tipo de datos que transporte, pero no hay ninguna diferencia entre usar un cable de más caro o barato (leer más). Desarrollado por HDMI Forum, los fabricantes necesitan pagar una licencia para poder instalarlo en sus dispositivos.

Dentro de los conectores podemos encontrar tres tipos.

• HDMI Standard o Tipo A.
• HDMI Mini o Tipo C.
• HDMI Micro o Tipo D.

Tipos de conectores HDMI (Imagen de Xataka.com)

 

Conector hembra HDMI Standard (izquierda) y macho HDMI Standard (derecha)

Existen los siguientes protocolos HDMI:

Versión	Característica	Año
HDMI 1.0	1920x1080 (Full HD) @ 60Hz	2002
HDMI 1.1	Soporte para DVD-Audio	2004
HDMI 1.2	Soporte para Super Audio CD	2005
HDMI 1.3	2560x1440 @ 60 Hz, Deep Color	2006
HDMI 1.4	3840x2160 (4K) @ 24Hz, 3D, ARC	2009
HDMI 2.0	3840x2160 (4K) @ 60Hz, HDR	2013
HDMI 2.1	7680x4320 (8K) @ 60Hz, 3840x2160 (4K) @ 120Hz, VRR, ALLM, eARC	2017

 

DisplayPort

Conector para la salida de vídeo digital de alta calidad. Opcionalmente permite transportar también audio. Se trata del competidor directo del HDMI. Es un desarrollo libre de licencias y los fabricantes no deben pagar nada por instalarlo en sus dispositivos.

Dentro de los conectores encontramos dos tipos:

• DisplayPort Standard.
• DisplayPort mini.

Conector DisplayPort Standard (arriba) y DisplayPort mini (abajo)

Existen los siguientes protocolos DisplayPort:

Versión	Ancho de banda	Resolución Máxima	Año
DisplayPort 1.0	10,8 Gbps	2560 x 1440 @ 60Hz	2006
DisplayPort 1.1	10,8 Gbps	2560 x 1440 @ 60Hz	2007
DisplayPort 1.2	10,8 Gbps	3840x2160 (4K) @ 60Hz 2560x1600 @ 120 Hz	2010
DisplayPort 1.3	32,4 Gbps	3840x2160 (4K) @ 120 Hz 5120x2880 (5K) @ 60 Hz	2014
DisplayPort 1.4	32,4 Gbps	7680x4320 (8K) @ 60 Hz con HDR	2016
DisplayPort 2.0	77,4 Gbps	7680x4320 (8K) @ 60 Hz con HDR 10240x4320 (10K) @ 60 Hz sin compresión	2019
DisplayPort 2.1	77.4 Gbps	10240x4320 (10K) @ 60 Hz sin compresión	2022

 

Adaptadores

Gracias a los adaptadores podemos convertir un tipo de conector en otro, por si nuestra placa base o monitor no es compatible, pero debemos ser conscientes de que estas conversiones pueden llevar la pérdida de calidad en algunos casos.

Mostramos algunos como ejemplo:

Adaptador de VGA a HDMI

Adaptador HDMI a DVI

 

Refrigeración

Las tarjetas gráficas, en concreto la GPU, alcanzan temperaturas muy altas, para evitarlo la mayoría poseen un disipador (pasivo) y un ventilador (activo) para refrigerarlas.

El calor generado por la GPU viene indicado en las especificaciones por el TDP (Thermal Design Power), y se mide en watios (W) que no debemos confundir con la potencia eléctrica.

 

Alimentación

Las tarjetas cada vez consumen más energía, ya que su procesador es cada vez más potente. Conocer su consumo es importante para dimensionar la fuente de alimentación del equipo. 

Los siguientes parámetros miden exactamente el calor disipado y se mide en watios (W). Son varios los parámetros que nos puede indicar el fabricante.

• TDP (Thermal Design Power o Thermal Design Parameter o Thermal Design Point): es la cantidad máxima de calor generado solamente por la GPU.

• TGP (Total Graphics Power): es la cantidad máxima de calor generado por la GPU y su PCB (que incluye memorias, bobinas, condensadore, etc.).

• TBP (Total Board Power): es la cantidad máxima de calor generada por toda la tarjeta gráfica, es decir, la GPU, su PCB, su refrigeración y su iluminación.

Debido a este mayor consumo, algunas tarjetas necesitan energía adicional a la que proporciona la propia ranura de expansión, por lo que conectaremos un cable que proceda directamente de la fuente de alimentación.

 

Factor de forma

El factor de forma de la tarjeta gráfica nos define sus medidas.

El tamaño de una tarjeta gráfica, también viene definido por el número de ranuras de expansión (slots) que ocupa la tarjeta gráfica. Algunas pueden llegar a ocupar dos ranuras de expansión, una para la tarjeta gráfica y otra para el ventilador.

 

Procesamiento en paralelo

El procesamiento en paralelo consiste en conectar dos o más tarjetas gráficas PCI Express para que funcionen como una sola. En ese caso incrementarán el poder de procesamiento disponible para los gráficos.

Según la compañía de la tarjeta gráfica se le conocerá con un determinado nombre a este procesamiento:

• SLI: nVIDIA.

• CROSSFIRE: AMD/ATI.

 

Tarjetas gráficas externas

Las tarjetas gráficas externas no son más que una caja (docker) que incluye una ranura de expansión PCI Express a la que se conecta la tarjeta gráfica. Esta caja se conecta a la placa base a través del puerto USB-C de la interfaz Thunderbolt.

 

Museo virtual de la tarjeta gráfica

En el siguiente enlace se puede acceder a un museo virtual donde encontrar un catálogo muy amplio de tarjetas gráficas de todos los tiempos, junto con imágenes y especificaciones.

Videocard virtual museum

 

Bibliografía

• Cómo entender las especificaciones de la tarjeta gráfica. Profesional Review.
• VRAM: qué es y para qué sirve en las tarjetas gráficas. Profesional Review.
• Super alta definición con DVI Dual Link. Avacab-online.com
• TGP vs TDP vs TBP: Te ayudamos a conocer las diferencias principales. Profesional Review.
• TDP, TBP, TGP, cTDO, SPD ¿En qué se diferencian? Profesional Review.
• ¿Qué es el frametime y qué tiene que ver con los FPS? Profesional Review.