O que é placa de vídeo e como funciona?

Uma placa de vídeo, ou unidade de processamento gráfico (GPU), é a peça responsável por processar todos os dados que serão representados graficamente em um computador. A origem das placas de vídeo se dá no início dos anos 80, quando surgiram como chips dedicados que auxiliavam as unidades centrais de processamento (CPUs) a gerar imagens de vídeo.

Antes dos anos 80, os processadores gráficos eram integrados, o que só foi mudar com o lançamento e sucesso do IBM MDA (Monochrome Display Adapter) e do IBM CGA (Color Graphics Adapter), que deram o ponta pé inicial ao que conhecemos hoje em dia como placas gráficas. Em 87 o IBM 8514 introduz o Video Graphics Array (VGA), que tomou a frente até a década de 2000, quando o atual High-Definition Multimedia Interface (HDMI) chegou em cena.

Ela é a peça mais desejada por gamers e profissionais do audiovisual e neste artigo, entenda o que ela é e como ela funciona.

O nosso artigo irá aborda apenas as placas de vídeo dedicadas, por serem as mais procuradas e desejadas pelo mercado. Para saber o que difere uma placa de vídeo integrada de uma placa de vídeo dedicada, confira aqui nosso artigo explicando!

Como funciona a placa de vídeo

O vídeo detalha bem o funcionamento de uma GPU. Usamos ele de base para esse artigo! – Créditos: YouTube/Branch Education

Para compreender como uma placa de vídeo funciona, precisamos primeiro destrinchar seus principais componentes e entender qual a responsabilidade de cada um. Assim como o vídeo acima, utilizaremos a placa de vídeo NVIDIA GeForce RTX 3090 como exemplo, o que fará com que algumas características sejam bem específicas deste modelo.

Ao contrário do que se possa imaginar, os componentes de uma marca para outra costumam ser bastante semelhantes. Isso se dá por motivos de padronização industrial, o que acaba facilitando a vida do consumidor em não gastar mais dinheiro em uma gama de acessórios para poder usar um produto, e das fabricantes de placa de vídeo, que tem o processo de produção sem grandes alterações.

Em resumo, o funcionamento de uma placa de vídeo envolve uma combinação de hardware e software. O hardware inclui a GPU, as memória e portas de entrada, enquanto o software abrange drivers de dispositivo e programas de aplicação que permitem o controle e configuração da placa de vídeo.

Uma visão aprofundada da microarquitetura Turing das GeForce RTX série 20

Sem mais delongas, vamos peça por peça!

Chips de memória gráfica

Chip de memória GDDR6X – Créditos: Micron

Tudo começa quando os dados do programa em uso saem do dispositivo de memória do computador e são enviados para os chips de memória gráfica (mais especificamente 24 chips GDDR6X SDRAM no caso da RTX 3090), que enviam constantemente as informações gráficas para que a GPU possa processar e criar as imagens que estarão sendo vistas pelo o usuário.

As memórias gráficas, depois da GPU, são os componentes mais importantes de uma placa gráfica, tendo em vista a essencialidade de uma comunicação efetiva entre armazenamento e processamento. O diferencial das GDDR6X, se dá pela sua taxa de transferência não ser feitas somente por 0’s e 1’s, mas também por uma codificação (chamada PAM4) de níveis de tensão que, em vez de enviar apenas um binário, podia enviar dois.

Se tratando do processamento de um jogo, a maior parte do tempo de carregamento é dado pela alta quantidade de dados gráficos sendo processados in game. O que a primeira vista parece ser algo simples, quando olhamos atentamente a quantidade de dados enviados entre as memórias gráficas e a GPU, vemos uma largura de banda de 1.15 terabytes por segundo a todo vapor.

Principais tipos de memórias: RAM, ROM, HD e SSD – Tudo sobre

GPU

O PCB (printed circuit bord) da RTX 3090 Ti Founders Edition, com a GPU centralizada – Créditos: TechPowerUp

Começando pelo cérebro central, a GPU, e como o próprio nome diz, é responsável pelo processamento dos bilhões de informações gráficos que a CPU envia para . O design de chip analisado é o GA 102, que estreou em setembro de 2020 com os lançamentos das RTX 3080 e 3090, mas também está presente nas RTX 3080 Ti e 3090 ti.

Ao dar zoom em uma GPU, percebemos que ela possui várias divisões em sua composição, como:

Núcleo de processamento

GPU-Z: o que é e como funciona – Adrenaline

O núcleo de processamento ocupa grande parte de uma GPU, tendo sua estrutura dividida por subdivisões de processamento hierárquico. Nele estão inseridos:

GPC’s (graphics processing clusters / clusters de processamento gráfico): No total, há 7 clusters presentes no núcleo, que tem a função de centralizar e conectar todos os módulos de processamento gráfico da GPU entre si.

SM (streaming multiprocessors / multiprocessadores de streaming/transmissão): Cada GPC possui 12 SM’s (84 no total), que tem a tarefa de ajudar a GPU a realizar processamentos paralelamente, dando mais agilidade para as renderizações.

Warp: Cada SM, possui 4 warp’s (336 no total) é basicamente um agrupamento das threads (que são as sequências de instruções gerais executadas, correspondendo a um núcleo CUDA) que irão realizar boa parte das tarefas.

Núcleos de Ray Tracing: Como o próprio nome já indica, esses núcleos lidam com todo o processo gráfico de iluminação (84 no total).

Núcleos CUDA (Compute Unified Device Architecture): Possuindo 32 (10752 no total) unidades em cada Warp, o CUDA’s servem como receptor e calculador dos binários que irão formar, sendo essenciais para o processamento de jogos.

Tensor: Possui uma unidade para cada Warp (336 no total) e lida com os cálculos de matrizes gráficas, geométricas e tem papel fundamental em processar redes neurais, usada por inteligências artificiais (IAs).

Portas de entrada, pino PCIe, modulador de tensão e resfriamento

As portas de entrada são conectores que servem para levar para fora ou para dentro, os dados e informações que o usuário necessitar. A maioria das placas de vídeo possuem três entradas display port e uma para HDMI, já teve casos onde a NIVIDIA lançou modelos com um dois display port, dois HDMI e USB-C; tudo vai depender do consumidor alvo da empresa, mas raro encontrar essa configuração hoje em dia.

Para conectar a GPU com a placa-mãe, os pinos PCI Express (PCIe 4.0 x16 no caso da RTX 3090) fazem o serviço. A placa também possui os reguladores de tensão, que convertem os 12 volts de entrada em 1.1v para alimentar o processador gráfico.

Com tantos dados sendo processados a cada segundo, o calor gerado por essa dinâmica pode influenciar no funcionamento do hardware. Para isso, ele é resfriado através dos quatro tubos dissipadores de calor, que transferem o calor para as aletas dos radiadores, onde são ajudados pelas ventoinhas a resfriar toda a placa de vídeo.

DisplayPort vs. HDMI: Qual a melhor conexão para jogar?

Qual é a diferença entre resfriamento e arrefecimento em PCs?

Como a placa de vídeo processa suas atividades

Uma placa de vídeo também pode ser utilizada para outros processos que não gráficos, como a mineração de criptomoedas. Curiosamente, ela utiliza os mesmos mecanismos de processamento para ambas as atividades, chamado de SIMD (Single Instruction, Multiple Data/Instrução Única, Múltiplos Dados).

Como o próprio nome infere, o SIMD é um método onde as mesmas instruções são aplicadas para uma gigantesca quantidade de dados, o que acelera bastante a execução do processo. Isso acontece por conta da especificidade técnica que a mineração de criptomoedas e a renderização de jogos possuem, chamada de operações embaraçosamente paralelas.

Como o foco aqui do Adrenaline acaba sendo mais em jogos, vamos focar em como a GPU lida come eles.

A renderização de jogos possui uma extensa linha de etapas menores, mas não menos complexas do que suas principais –
Créditos: Branch Education/YouTube

As três principais etapas de renderização são o vertex shading, a rasterização e o fragment shading. Como a imagem acima ilustra, a mais passos dentro da renderização, mas as três citadas conseguem resumir e apresentar as altas complexidades envolvidas dentro do processamento de uma GPU.

Vertex shading (sombramento de vértice)

O vertex shading se inicia quando os arquivos da memória chegam para a GPU, o SIMD entra em ação mapeando o modelo espacial dos itens, objetos, personagens e efeitos do programa, dentro do mundo espacial onde o jogo ocorrerá. Esse mapeamento se inicia no 3D e é transformando em 2D a partir do ponto de vista da câmera do jogador (POV), assim todos os elementos que estão dentro do POV terão prioridade de renderização.

Para visualizar, esse vídeo mostra o cone de renderização do Horizon Zero Dawn funcionando na prática – Créditos: Cole/YouTube

A partir disso, os elementos são mapeados através das coordenadas espaciais X, Y e Z, estipuladas por seus pontos no eixo do espaço, chamados de vértices, que formam triângulos/polígonos que darão forma ao objeto em si. As coordenadas desses vértices são então multiplicados entre si para resultar no que será exibido na tela de visualização do usuário, concluindo a etapa do vertex shading.

Importante destacar que um pequeno objeto em um jogo com gráficos mais aprimorados, pode ter entre 10 a 20 mil vértices. Agora pensem que esse mesmo jogo, em uma única cena, pode conter centenas ou milhares de objetos sendo renderizados através dos TRILHÕES de cálculos que a GPU faz por segundo.

Rasterização

Na rasterização a GPU terá a função de mapear todos os polígonos do jogo e enquadrá-los na tela do usuário, determinando quais pixels irão cobrir cada polígono e sombreando/tonalizando qual será a cor e textura devida para aquela área. E essa tarefa é repetida bilhões de vezes para os bilhões de polígonos existentes.

Como o processo de rasterização é realizado – Créditos: Steve Mittens

Fragment shading (sombreamento de fragmento)

O fragment shading vai ser o processo de renderizar os efeitos de iluminação, sua intensidade, coloração e sombreamentos gerais sobre os objetos de uma cena, a partir da POV do jogador. E em quando citamos “objetos”, nos referimos a cada polígono individualmente tendo seus efeitos de calculados pela GPU.

Para isso, tais cálculos são feitos a partir da relação entre a posição de um polígono qualquer e da posição de uma fonte de luz, sendo levado em conta o quão direcionado, perpendicularmente, a superfície do objeto estiver ao foco de luz. Se o polígono estiver direcionado diretamente para a luz, o valor de intensidade é 1.0 indicando que ele está totalmente iluminado e, se estiver oposto ou perpendicular, o valor será 0.0, indicando que ele está completamente escurecido.

Ilustração do funcionamento do shading – Créditos: Branch Education/YouTube

Mas para impedir que o objeto fique completamente nas sombras quando ele ainda está em um ambiente com reflexos luminosos, é adicionado aos cálculos o valor da intensidade de luz ambiente, fazendo com que o objeto nunca chegue a zero mas permaneça visível em cena.

Importante salientar que, caso exista mais de um foco de luz, este também entrará para o cálculo de luzes sobre os objetos no cenário, o que aumenta significativamente o uso da GPU. E sim, são uma quantidade de somas e multiplicações colossais sendo feitas simultaneamente para iluminar um simples item dentro de um jogo.

E qual a diferença entre placas de vídeo de marcas diferentes?

Uma das perguntas que mais aparecem para quem está começando no mundo do hardware, é saber a diferença entre as principais fabricantes de placas de vídeo, AMD, NVIDIA e Intel.

Primeiro é entender que os objetivos de cada fabricante com esses produtos, são um pouco diferentes. Enquanto a AMD traz um produto focado em custo benefício aos consumidores de base, a NVIDIA já produz peças de altíssima capacidade para atender público que buscam os números mais altos em performance – que é facilmente observável nos preços desses produtos e nas diversas benchmarks disponíveis por aí.

Além de que a NVIDIA teve seu crescimento exponencial depois que entrou no mercado das IAs, já que suas placas de vídeo se tornaram as principais ferramentas para o processamento desse campo econômico. Enquanto isso, a AMD permaneceu focada no consumidor de base, mas já apontou que suas GPUs são capazes de serem ótimas opções para esse mercado, além de estarem se encaminhando para se tornarem as principais competidoras da NVIDIA na corrida das IAs.

A Intel, por sua vez, ficou mais conhecida por seu mercado de gráficos integrados por longos anos. Hoje em dia, ela mantém um perfil de produtos bastante equilibrado, tendo produtos que atendam um o público mais empresarial, outros que procuram uma GPU para desenvolvimento com IAs e suas mais recentes GPUs, Intel ARC A e B, focam em quem procura um bom desempenho para jogatina ou edição.

Tirando as diferenças de programa econômico, de pesquisa & desenvolvimento e das aparências estéticas das placas de vídeo, o que muda de uma placa para outra acaba se concentrando fortemente em suas GPUs. Os nomes de algumas das divisões e subdivisões, como cada uma se comporta e, principalmente, suas capacidades de processamento, são o que vão trazer o diferencial fatual entre os produtos.

Quais as melhores placas de vídeo?

Por mais óbvio que isso possa parecer, escolher uma placa de vídeo é uma tarefa que requer muita atenção e reflexão, ainda mais se você é um comprador que não possui conhecimentos extensos em hardware. Importante considerar o tipo de uso que será dado ao computador, o desempenho necessário, a quantidade de memória, a compatibilidade com o sistema e o orçamento disponível.

No começo da produção deste artigo, as melhores placas de vídeo do mercado incluem modelos da série GeForce RTX 4000 e as AMD Radeon RX 7000, que oferecem desempenho de altíssima capacidade e possuem as tecnologias de ponta em aplicações gráficas. E por serem placas de última geração, seus preços também serão os mais elevados do mercado, podendo passar de R$14 mil reais.

Agora, com a linha RTX 5000 anunciada, o novo boss das placas de vídeo é a NVIDIA GeForce RTX 5090, a GPU mais rápida da atualidade!

Abaixo, você encontra nossa série de guia anual de placas de vídeo, onde abordamos os principais produtos do mercado, analisamos preços, performances e damos nossa recomendação de qual peça adquirir. Temos um vídeo e um artigo para cada semestre, sempre com muitos dados gráficos comparativos para facilitar a sua vida na hora de decidir qual placa gráfica escolher, confira!

Guia de placas de vídeo do primeiro semestre de 2024

Guia de Placa de Vídeo 2024 – primeiro semestre – Artigo

Guia de placas de vídeo do segundo semestre de 2024

Guia de Placa de Vídeo 2024 – segundo semestre – Artigo

Como verificar minha placa de vídeo?

Já temos um guia completo das diversas formas de como verificar qual modelo de placa de vídeo seu dispositivo possui, além de averiguar demais características de funcionamento e atualização dos drivers. Confira qual placa de vídeo você possui e como descobrir a GPU do seu PC ou notebook!

E temos vídeo no canal sobre o quanto tempo as placas de vídeo aguentam, confere aí!

Conclusão

Com tantas complexidades estruturais e de funcionamento, é fácil para qualquer um entender a importância que as empresas colocam em cima das placas de vídeo dentro do mercado de hardware. Elas tomaram os holofotes junto das CPUS quando a indústria de jogos despontou há uns bons anos atrás, hoje em dia, qualquer rumor de um horizonte de desenvolvimento de uma nova GPU é motivo alvoroço para os entusiastas de tecnologia.

Atualmente, é visível que esse mercado está em uma fase de mudança para além daquele tradicional de jogos, alçando os interesses comerciais especulativos das criptomoedas e dando grandes impulsos ao campo da IAs. Essa última, tem sido uma das principais apostas das Big Techs, com investimentos bilionários para a implementação de centro de processamentos neurais com capacidades cada vez mais poderosas.

O futuro das placas de vídeo tem se mostrado bastante vertiginoso, graças a sua essencialidade para a propulsão de um mercado tecnológico gigantesco cada vez mais exigente por performance. Caberá a indústria cuidar se essa estratosférica empreitada, não ajudará a resultar em uma catastrófica bolha econômica, como a que tivemos 25 anos atrás.

Nos resta torcer para que ainda haja espaço para os consumidores de entrada aproveitarem das maravilhas que as futuras placas de vídeo tem a oferecer, já que no final do dia, tudo o que se quer é uma boa gameplay.

Créditos: Placa gráfica / How do Graphics Cards Work? Exploring GPU Architecture / THE ULTIMATE HISTORY OF GRAPHICS CARDS! / How do Video Game Graphics Works? / GPU Glossary