Une carte graphique

Une carte graphique ou carte vidéo (anciennement, par abus de langage, une carte VGA), ou encore un adaptateur graphique, est une carte d’extension d’ordinateur dont le rôle est de produire une image affichable sur un écran.

La carte graphique envoie à l’écran des images stockées dans sa propre mémoire, à une fréquence et dans un format qui dépendent d’une part de l’écran branché et du port sur lequel il est branché (grâce au Plug and Play) et de sa configuration interne d’autre part

Cartes graphiques 2D-3D

Les premières cartes graphiques ne permettaient, au début de l'ère informatique, qu’un affichage en 2D et se connectaient sur un port Industry standard architecture (ISA) 8 bits ; ce sont les cartes Monochrome Display Adapter (MDA). Bien que dénommées « cartes graphiques », elles n'affichaient, en monochrome, que de simples caractères codés sur 8 bits, dont une partie était réservée au graphisme ; c'est l'adressage direct en mode ASCII (mode encore utilisé au démarrage par le BIOS de la plupart des ordinateurs en 2009).
Les premières cartes graphiques pouvant adresser un point individuel de l'affichage n'apparaissent qu'en 1981 pour le grand public, avec les cartes CGA, (Color Graphic Adapter), qui permettaient un adressage de points dans une résolution de 320 colonnes sur 200 lignes en 4 couleurs différentes. Suivent alors une succession de cartes dédiées au graphisme sur ordinateur poussant de plus en plus loin le nombre de lignes et de colonnes adressables, ainsi que le nombre de couleurs simultanées pouvant être affichées ; ce sont les modes graphiques utilisables. De plus en plus de fonctions assurées par le processeur sont petit à petit gérées par le contrôleur graphique des cartes, comme le tracé de lignes, de surfaces pleines, de cercles, etc. ; fonctions très utiles pour accompagner la naissance des systèmes d'exploitation basés sur des interfaces graphiques et en accélérer l'affichage.
Avec l'évolution des techniques, le port ISA est remplacé par le port PCI pour augmenter la vitesse de transfert entre le processeur et la carte graphique. En plus des cartes graphiques d'affichage en 2D, apparaissent dans les années 1990 des cartes dédiées à la gestion et l'affichage d'éléments représentés en 3D, comme les cartes 3DFX. Puis apparurent les cartes graphiques 2D-3D ayant l’avantage de n’occuper qu’un seul connecteur AGP ou PCI au lieu de deux (avant 1998). En effet, jusqu’alors, les cartes 2D étaient proposées séparément des cartes dites accélératrice 3D, chacune ayant un processeur graphique spécifique. Depuis la sortie des premières cartes 2D/3D intégrées par ATI en 1996, toutes les cartes graphiques modernes gèrent la 2D et la 3D au sein d'un seul circuit intégré.

 

Fonction 

Depuis la fin des années 1995, les cartes graphiques ont fortement évolué. Autrefois, la fonction essentielle d’une carte graphique était de transmettre les images produites par l’ordinateur à l’écran. C’est encore sa fonction principale sur beaucoup de machines à vocation bureautique où l’affichage d’images en 3D n’offre que peu d’intérêt. Toutefois, aujourd’hui, même les cartes graphiques les plus simples gèrent aussi le rendu d’images en 3D. C’est une activité très coûteuse en termes de calculs et en termes de bande passante mémoire. Le GPU (pour Graphical Processing Unit) est donc devenu un composant très complexe, très spécialisé et presque imbattable dans sa catégorie (rendu d’images en 3 dimensions). Hormis pour les jeux vidéo ou quelques usages en infographie, les possibilités des cartes graphiques ne sont que très peu exploitées en pratique. Ainsi, ce sont essentiellement les joueurs qui achètent et utilisent des GPU de plus en plus puissants.
Depuis les années 2000, la puissance de calcul des cartes graphiques est devenue tellement importante pour un coût finalement très réduit (100 à 700 € pour les modèles grand public) que les scientifiques sont de plus en plus nombreux à vouloir en exploiter le potentiel dans d’autres domaines. Il peut s’agir de faire tourner des simulations de modèles météo, financiers ou toute opération parallélisable et nécessitant une très grande quantité de calcul. NVIDIA et ATI/AMD, les 2 principaux fabricants de cartes graphiques haute performance grand public proposent chacun des solutions propriétaires afin de pouvoir utiliser leur produit pour du calcul scientifique ; pour NVIDIA, on pourra se référer au projet CUDA et pour AMD au projet ATI Stream. On parle à ce titre de General-Purpose Processing on Graphics Processing Units (ou GPGPU).
Dès 1996, les cartes graphiques commencent à intégrer des fonctions de décompression vidéo, comme pour la Rage-Pro du fabricant ATI qui intègre déjà en 1996 certaines fonctions de décompression des flux MPEG2. Sous des appellations variées, se sont depuis développées des technologies qui permettent de soulager le processeur de la charge incombant à la décompression d'une image 25 (PAL/SECAM) ou 30 (NTSC) fois par seconde dans des définitions toujours plus élevées. La prise en charge partielle, ou totale, par les GPU des flux vidéo permet le visionnage de films en haute définition sur des plateformes matérielles aux ressources processeur relativement modestes ; ce qui serait impossible sans eux au regard du nombre d'informations à traiter presque simultanément.
De nos jours, des modèles mobiles ont été créés pour être embarqué dans les ordinateurs portables. Ce sont des cartes souvent dérivées de leurs équivalents de bureaux avec des unités en moins, une fréquence inférieure, etc.
Les cartes graphiques modernes font parfois office de cartes son grâce à leurs sorties son intégrées aux sorties vidéos classiques, comme pour le HDMI. Les pilotes peuvent alors être adaptés pour gérer le son, via l'onglet audio des pilotes catalyst par exemple. Cette nouvelle fonction s'est développée grâce à l'ajout de haut-parleurs sur les écrans.

Processeur graphique

Le processeur graphique (GPU pour Graphical Processing Unit, ou encore VPU pour Visual Processing Unit en anglais) sert à libérer le micro-processeur de la carte mère en prenant en charge les calculs spécifiques à l’affichage et la coordination de graphismes 3D ou la conversion d'espaces colorimétriques YCbCr vers RGB ; quand ce ne sont pas des fonctions vectorielles permettant la reconstruction d'images compressées de certains flux vidéo comme le H.264. Cette division des tâches entre les deux processeurs libère le processeur central de l’ordinateur et en augmente d’autant la puissance apparente.
Le processeur graphique est très souvent muni de son propre radiateur ou ventilateur pour évacuer la chaleur qu’il produit.

Mémoire vidéo

 

La mémoire vidéo conserve les données numériques qui doivent être converties en images par le processeur graphique et les images traitées par le processeur graphique avant leur affichage. Toutes les cartes graphiques supportent deux méthodes d’accès à leur mémoire. L’une est utilisée pour recevoir des informations en provenance du reste du système, l’autre est sollicitée pour l’affichage à l’écran. La première méthode est un accès direct conventionnel (RAM) comme pour les mémoires centrales, la deuxième méthode est généralement un accès séquentiel à la zone de mémoire contenant l’information à afficher à l’écran.