Placa de vídeo

Depois do processador, memória e HD, a placa de vídeo é provavelmente o componente mais importante do PC. Originalmente, as placas de vídeo eram dispositivos simples, que se limitavam a mostrar o conteúdo da memória de vídeo no monitor. A memória de vídeo continha um simples bitmap da imagem atual, atualizada pelo processador, e o RAMDAC (um conversor digital-analógico que faz parte da placa de vídeo) lia a imagem periodicamente e a enviava ao monitor.

A resolução máxima suportada pela placa de vídeo era limitada pela quantidade de memória de vídeo. Na época, memória era um artigo caro, de forma que as placas vinham com apenas 1 ou 2 MB. As placas com 1 MB permitiam usar no máximo 800×600 com 16 bits de cor, ou 1024×768 com 256 cores, limitadas ao que cabia na memória de vídeo.

Esta da foto a seguir é uma Trident 9440, uma placa de vídeo muito comum no início dos anos 90. Uma curiosidade é que ela foi uma das poucas placas de vídeo “atualizáveis” da história. Ela vinha com apenas dois chips de memória, totalizando 1 MB, mas era possível instalar mais dois, completando 2 MB. Hoje em dia, atualizar a memória da placa de vídeo é impossível, já que as placas utilizam módulos BGA, que podem ser instalados apenas em fábrica.

Trident 9440

Em seguida, as placas passaram a suportar recursos de aceleração, que permitem fazer coisas como mover janelas ou processar arquivos de vídeo de forma a aliviar o processador principal. Esses recursos melhoram bastante a velocidade de atualização da tela (em 2D), tornando o sistema bem mais responsivo.

Finalmente, as placas deram o passo final, passando a suportar recursos 3D. Imagens em três dimensões são formadas por polígonos, formas geométricas como triângulos e retângulos em diversos formatos. Qualquer objeto em um jogo 3D é formado por um grande número destes polígonos. Cada polígono tem sua posição na imagem, um tamanho e cor específicos. O “processador” incluído na placa, responsável por todas estas funções é chamado de GPU (Graphics Processing Unit, ou Unidade de Processamento Gráfico).

Quase todo o processamento da imagem em games 3D é feito pela placa 3D

Para tornar a imagem mais real, são também aplicadas texturas sobre os polígonos. Uma textura nada mais é do que uma imagem 2D comum, aplicada sobre um conjunto de polígonos. O uso de texturas permite que um muro realmente tenha o aspecto de um muro de pedras, por exemplo, já que podemos usar a imagem de um muro real sobre os polígonos. Quanto maior o número de polígonos usados e melhor a qualidade das texturas aplicadas sobre eles, melhor será a qualidade final da imagem. Este demo da nVidia mostra um exemplo de aplicação de texturas sobre uma estrutura de polígonos:

Polígonos e imagem finalizada

O processo de criação de uma imagem tridimensional é dividido em três etapas, chamadas de desenho, geometria e renderização. Na primeira etapa, é criada uma descrição dos objetos que compõem a imagem, ou seja: quais polígonos fazem parte da imagem, qual é a forma e tamanho de cada um, qual é a posição de cada polígono na imagem, quais serão as cores usadas e, finalmente, quais texturas e quais efeitos 3D serão aplicados. Depois de feito o “projeto” entramos na fase de geometria, onde a imagem é efetivamente criada e armazenada na memória da placa 3D.

Ao final da etapa de geometria, todos os elementos que compõem a imagem estão prontos. O problema é que eles estão armazenados na memória da placa de vídeo na forma de um conjunto de operações matemáticas, coordenadas e texturas, que ainda precisam ser transformadas na imagem que será exibida no monitor. É nessa fase que chegamos à parte mais complexa e demorada do trabalho, que é a renderização da imagem.

Essa última etapa consiste em transformar as informações armazenadas na memória em uma imagem bidimensional que será mostrada no monitor. O processo de renderização é muito mais complicado do que parece; é necessário determinar (a partir do ponto de vista do espectador) quais polígonos estão visíveis, aplicar os efeitos de iluminação adequados, etc.

Apesar de o processador também ser capaz de criar imagens tridimensionais (o que é feito ao usar algoritmos de renderização que trabalham via software), ele não é muito rápido na tarefa. A placa 3D por sua vez é capaz de gerar imagens e aplicar efeitos a uma grande velocidade, o que torna possível rodar jogos 3D complexos com um bom FPS, com a placa 3D se encarregando do processamento 3D e o processador cuidando das demais tarefas.

A grande diferença é que o processador utiliza uma arquitetura serializada, otimizada para o processamento de sequências de instruções (como as usadas por aplicativos) e não para o brutal volume de cálculos necessários para renderizar uma imagem 3D. As placas 3D por sua vez utilizam uma arquitetura paralela, com vários processadores simples trabalhando em conjunto.

Em um exemplo simplista, o processador seria um matemático capaz de executar cálculos complexos, porém um de cada vez, enquanto a placa 3D seria um batalhão de alunos de primeiro grau trabalhando em conjunto, que conseguem resolver apenas cálculos simples, porém a uma grande velocidade.

Com a evolução das placas 3D, os jogos passaram a utilizar gráficos cada vez mais elaborados, explorando os recursos das placas recentes. Isso criou um círculo vicioso, que faz com que você precise de uma placa razoavelmente recente para jogar qualquer jogo atual.

As placas 3D atuais são praticamente um computador à parte. Além da quantidade generosa de memória RAM, acessada através de um barramento muito mais rápido que a memória do sistema, o chipset de vídeo é bem mais complexo e absurdamente mais rápido que o processador principal no processamento de gráficos. O chipset AMD Cypress que equipa a Radeon 5870, por exemplo, possui 2.15 bilhões de transistores, bem mais do que qualquer processador da geração atual.

As placas 3D dedicadas também incluem uma quantidade generosa de memória de vídeo (1 GB ou mais nos modelos mais recentes), acessada através de um barramento muito rápido. A GPU (o chipset da placa) é também muito poderosa, de forma que as duas coisas se combinam para oferecer um desempenho monstruoso em 3D.

Com a introdução do PCI Express, surgiu também a possibilidade de instalar duas, três ou até mesmo quatro placas, ligadas em SLI (no caso das placas nVidia) ou CrossFire (no caso das placas AMD/ATI), uma solução cara mas que permite obter um desempenho bem superior ao oferecido por apenas uma placa.

3-Way SLI, com três placas GeForce 8800 Ultra

Longe do mundo brilhante das placas de alto desempenho, temos os chipsets de vídeo integrados, que são de longe os mais comuns. Eles são soluções bem mais simples, onde a GPU é integrada ao próprio chipset da placa-mãe e, em vez de utilizar memória dedicada, como nas placas dedicadas, utiliza parte da memória RAM principal, que é “roubada” do sistema.

Mesmo uma placa muito antiga como a GeForce 4 Ti4600, tem 10.4 GB/s de barramento com a memória de vídeo, enquanto ao usar um módulo de memória DDR2-800 temos apenas 6.4 GB/s de barramento na memória principal, que ainda por cima precisa ser compartilhado entre o vídeo e o processador principal. O processador lida bem com isso, graças aos caches L1 e L2, mas a placa de vídeo realmente não tem para onde correr. É por isso que os chipsets de vídeo integrados são normalmente bem mais simples: mesmo um chip caro e complexo não ofereceria um desempenho muito melhor, pois o grande limitante é o acesso à memória.

De uma forma geral, os chipsets 3D integrados atuais atendem bem às tarefas do dia a dia, com a grande vantagem do custo. Eles também permitem rodar jogos mais antigos, apesar de, naturalmente, ficarem devendo nos lançamentos recentes. As placas mais caras são reservadas a quem realmente faz questão de rodar os jogos recentes com uma boa qualidade e em altas resoluções.

Como nos monitores LCD é preciso rodar os jogos na resolução nativa do monitor para ter uma boa qualidade de imagem e o FPS oferecido pela placa 3D está diretamente relacionado à resolução usada, o desempenho necessário para a placa 3D está cada vez mais relacionado ao tamanho do monitor.

Quem usa um monitor menor, com resolução de 1280×800 ou menos, pode passar muito bem com uma placa 3D mediana, enquanto quem faz questão de usar um monitor full-HD (1920×1080) vai precisar de uma placa bem mais parruda (já que com mais pixels por quadro, a placa precisa “suar” muito mais para manter o FPS desejado).

Concluindo, existem ainda modelos de placas 3D específicos para uso profissional, como as nVidia Quadro, que compartilham da mesma arquitetura das placas domésticas, mas incluem drivers otimizados para o mercado profissional.