Компьютер — не такое новое изобретение, но показывать красивую картинку на экранах он «научился» сравнительно недавно. Для этого потребовалось специальное «железо»: видеокарта (также: видеочип, графическая карта). Без нее индустрии видеоигр в современном понимании бы не существовало. Давайте узнаем, как появились и развивались видеокарты.
Ранняя история
Видеокарта (графическая карта, видеоплата) — это устройство, которое преобразует данные в графику, изображение на экране. Представляет собой плату расширения, устанавливаемую в слот материнской платы или располагается прямо на ней. Видеокарты не только выводят изображение на мониторы, но и обрабатывают его с помощью встроенного графического процессора (graphics processing unit или GPU). Это снимает нагрузку с ЦПУ (центрального процессора), позволяя ему заниматься другими задачами.
Первый в мире графический дисплей появился у Whirlwind (создавался с 1944 по 1953 годы) — компьютера, использовавшегося ВМС США для отслеживания воздушных объектов. Размер экрана составлял 16 дюймов при разрешении 2048х2048 точек.
Дисплей Whirlwind и световое перо для него
Если говорить о потребительской графике, то есть применявшейся в играх, ее история начинается с аркадных автоматов и домашних консолей. Сначала за графику в них отвечали видеоконтроллеры. Magnavox Odyssey (1972) выводила на экран три квадратных точки, действия которых зависели от конкретной игры, а также вертикальную линию. Для модификации игрового поля на телевизор прикрепляли специальные накладки, державшиеся с помощью статического электричества.
В середине 1970-х начали появляться видеочипы и графические процессоры с более интересными возможностями. В 1976 году RCA выпустила чип Pixie, который применялся в консоли RCA Studio II (не снискала популярности), микрокомпьютерах COSMAC и еще нескольких устройствах. По современным стандартам его возможности были скромными, а для своего времени хорошими: разрешение 62x128 пикселей и монохромное растровое изображение.
Atari 2600 и графика игр на ней
В Atari 2600 (1977) применялось более сложное техническое решение — телевизионный интерфейсный адаптер 1A (Television Interface Adapter, TIA). Он выполнял несколько функций сразу: генерировал изображение, звук и считывал информацию с контроллеров.
Первые персональные компьютеры
Конец семидесятых и начало восьмидесятых — время появления в домах первых массовых ПК. Если с играми можно было повременить, то отображать на экране текст машина должна была обязательно. Перед производителями встала задача по оснащению своих устройств видеокартами собственного или стороннего производства.
На компьютерах Atari 400 (1979) и Atari 800 (1979) устанавливали ANTIC, LSI-контроллер. Он поддерживал плавный скроллинг (да, сейчас это стандарт) и простую игровую графику.
В 1981 году IBM создала для своих компьютеров знаменитые MDA (Monochrome Display Adapter) и CGA (Color Graphics Adapter) — «монохромную» и «цветную» видеокарты соответственно. MDA работал только в текстовом режиме (80 колонок, 25 строк) и не «умел» выводить на монитор графику. Зато на это был способен CGA: он поддерживал 4-битную палитру и разрешение 640х200 пикселей, а также имел 16 килобайт памяти — в 4 раза больше, чем у монохромного «коллеги».
Устройства устанавливались на один ПК, но не могли работать одновременно. Проблему решила компания Hercules, выпустившая HGC (Hercules Graphic Card) в 1984 году. Адаптер поддерживал вывод как графики, так и текста с разрешением 720х348 точек. Технические решения, использованные в HGC применялись для ПК вплоть до конца 1990-х.
В 1984 IBM выпустила EGA (Enhanced Graphics Adapter), который поддерживал 16 цветов при разрешении в 640x350 или 320×200. Карта имела 64 килобайта памяти. Свои адаптеры производила Intel — например Intel iSBX 275.
Следующей вехой стали видеокарты ATI Technologies, созданной гонконгцами, мигрировавшими в Канаду. OEM Color Emulation Card (1986) выводила шрифт в трех цветах (белый, янтарный зеленый) и применялась в компьютерах Commodore. Встряску рынку устроили карты линейки ATI Wonder. Они поддерживали эмуляцию CGA, EGA и MDA в разрешении до 640x350 и с 16 цветами и стоили 399 долларов (EGA Wonder 800 — 449 долларов).
Спрос на персональные компьютеры рос, поэтому все больше фирм стали производить видеокарты: Yamaha, Texas Instruments, Trident, Realtek, AMD и другие.
Хорошую графику обеспечивало «железо» компьютера Sharp X68000 (1987). Оригинальная версия продавалась только в Японии, а в США экспортировали машины с процессорами Intel и под американскими брендами. Компьютер позиционировался как игровой, и на него портировали многие хиты с аркадных автоматов. Устройство поддерживало 65,536 цветов — солидная цифра по сравнению с началом восьмидесятых!
В 1989 на рынке появился первый 2D-ускоритель S3 Graphics 86C911. Карта имела 1 Мб видеопамяти, поддерживала 16-битный цвет и разрешение 800х600. В мире видеокарт началось соревнование: вскоре вышли адаптеры, поддерживающие 24 и 32 бита.
Девяностые
В 1992 Silicon Graphics выпустила OpenGL, первый открытый API для работы с двухмерной и трехмерной графикой. Что такое API? Аббревиатура расшифровывается как Application Programming Interface, программный интерфейс приложения. Это протокол взаимодействия между программами, позволяющий использовать функции одной внутри другой. OpenGL или Open Graphics Library — интерфейс для видеокарт, с помощью которого можно создавать компьютерную графику, пригодную для воспроизведения на разных платформах.
Благодаря универсальности и удобству OpenGL быстро распространился среди пользователей профессиональных программ и разработчиков игр. Однако это не означало унификации и полного доминирования. Графического «железа» выпускалось много, а для него выходили новые API. Самым крупным конкурентом OpenGL стал DirectX, дебютировавший в Windows 95. Он был слабее, но всячески поддерживался и продвигался Microsoft.
В середине девяностых на прилавках появились первые видеокарты, способные работать с настоящим 3D (а не с псевдо-версиями, как в Doom и Wolfenstein). ATI Mach64 имела 2 или 4 мегабайта памяти (в зависимости от версии), ускоряла 2D-графику для корректного отображения интерфейса операционной системы. 3DLabs представила GLINT 300SX (поддерживала рендеринг на базе OpenGL), а всем известная сегодня Nvidia — свою первую карту NV1 (1995).
Nvidia — дебют Nvidia
NV1 была очень быстрой, поддерживала передовые опции (например мультитекстурирование), имела встроенную звуковую карту и порт для геймпада. Увы ни OpenGL, ни DirectX не были способны в полной мере использовать ее возможности. К тому же Nvidia ошиблись с рендерингом. NV1 работала с квадратичным текстурированием, а OpenGL — с треугольными полигонами.
1995 год оказался очень продуктивным для производителей «видеожелеза». S3 выпустила свой чип ViRGE с функцией 3D-ускорения. Карта стала успешной, а S3 заключила соглашения с разработчиками топовых игр: Tomb Raider, Mechwarrior 2 и рядом других. Однако это не помогло Virge, поскольку через два года вышла Voodoo (о ней чуть позже).
Первой полноценной 3D-игрой на ПК стал шутер Quake (1996), в котором OpenGL использовал свои возможности на полную. Окружение и персонажи стали трехмерными моделями, а не спрайтами. Также в игре было передовое по тем временам освещение и спецэффекты.
Красоты первого Quake
Еще один прорыв девяностых — 3dfx Voodoo (1997). Не столько видеокарта, сколько 3D-ускоритель. Для вывода изображения на экран и ускорения двухмерной графики, был нужен видеоадаптер. В Voodoo реализовали новый подход, так называемый отсроченный рендеринг. Это сокращало энергозатраты устройства и экономило место в буфере обмена.
Ускоритель визуализировал только то, что попадало в кадр, не тратя ресурсы на остальные объекты. Voodoo обогнала конкурентов и стала крайне востребованной среди владельцев ПК. До этого 3dfx производила только графические чипы для консолей.
Легендарная Voodoo
Впрочем, соперники не сдавались. Nvidia учла прошлые ошибки в RIVA 128. Карта поддерживала как OpenGL, так и DirectX. Она спасла своих создателей от поглощения игроками покрупнее. ATI могла противопоставить Voodoo карту 3D Rage (1996) — более мощную, но требовательную к материнской плате. Позволить себе такую могли далеко не все.
Voodoo 2 (1998) тоже ожидал коммерческий успех. 3dfx представила технологию SLI (Scan-Line Interleaving), позволившую устанавливать в ПК сразу две видеокарты. Работали они как единое устройство: одна отвечала за четные строки, другая — за нечетные. Такая пара обеспечивало высокое разрешение, но прилично стоила — до 5 тысяч долларов с сопутствующим оборудованием. К тому же не все процессоры были способны на работу с SLI.
Начался путь 3dfx к упадку. RIVA TNT2 (1999) победила Voodoo 3 (1999) благодаря дешевизне. Свою лепту в свержение легенды внесли Matrox G400 (1999) и еще одна карта от Nvidia, давшая старт новой линейке, GeForce 256 (1999). Устройство поддерживало OpenGL 1.3 и Direct3D 7 (API развивались вместе с эволюцией железа), а также избавило центральный процессор от просчитывания эффектов освещения. Этим занялся блок Transform & Lighting.
Двадцать первый век
В новом тысячелетии от былого разнообразия производителей видеокарт не осталось следа. На рынке удержалось не более десяти крупных игроков. Nvidia продолжила развивать бренд GeForce. Серии со второй по девятую вышли с 2000 по 2008 годы. Только пятая называлась не GeForce 5, a GeForce FX. Nvidia активно конкурировала с API, а вот 3dfx окончательно вышел из игры. Создатель Voodoo провалил продажи четвертой версии своей карты, не смог совершить революцию с помощью пятой, обанкротился и был куплен Nvidia.
Знаковые карты Nvidia той эпохи — это GeForce 6800 GT (2004), GeForce GTX 8800 (2006), GeForce GTX 750 ti (2014), GeForce GTX 1060 (2016). Первая отлично справлялась с шейдерными моделями и могла похвастаться хорошей скоростью. Вторая базировалась на чипе G80, была самым мощным игровым ускорителем своего времени, поддерживала Direct3D 10 и Shader Model 4.0.
Также стоит отметить GeForce GTX 1080 (2016). Карта основывалась на новой микроархитектуре графических процессоров Pascal, которая пришла на смену Maxwell. Это обеспечило хороший прирост производительности.
Известные устройства ATI нулевых: R100, R200, R520. В 2006 году AMD поглотила ATI. Наработкам Nvidia она противопоставляла линейку Radeon (под этой маркой также выпускались карты оперативной памяти и твердотельные накопители. В 2009 на прилавках появилась Radeon HD 5970. В свое время карта пользовалась большим спросом у геймеров и отлично продавалась.
Вместе с видеокартами огромного прогресса в нулевые и десятые добилась графика в играх. От низкополигональных героев и простых текстур к сложным спецэффектам, реализму и рейтрейсингу.
Мы живем в интересное время: сейчас видеокарты нужны далеко не только тем, кто хочет играть в красивые игры. Их вовсю используют ради майнинга криптовалют. Главная функция устройств остается прежней: вывод графики. В топовых проектах она уже приблизилась к фотореалистичной, поэтому векторы дальнейшего развития графического железа и софта для него нужно рассматривать отдельно.