۲۲ کارت گرافیکی که آینده بازی های ویدیویی را شکل دادند

کارت‌های گرافیکی مهمترین بخش هر پی‌سیِ مخصوص بازی هستند. همچنین همیشه یکی از گران‌قیمت‌ترین قطعات هم به شمار می‌روند و این دلیلی است که امروزه کاربران اغلب به یکی از دو سوی این رقابت، یعنی انویدیا و اِی‌اِم‌دی وفادار می‌مانند. این دو شرکت در طولِ ۲۰ سال گذشته برای فتحِ قلب (و البته کیفِ پول) کاربران نبرد سختی داشته‌اند. از Crossfire تا CUDA، از Mantle گرفته تا GameWorks و از FidelityFX گرفته تا RTX و DLSS، ماهیتِ مرتبا در حال تغییر تراشه‌های گرافیکی، برای یک نبرد حماسی (و غالبا مبارزه‌های تنگاتنگ) بنیان شده است.

انویدیا و ای‌ام‌دی همیشه هم پیشروانِ این صنعت نبوده‌اند. شرکت‌هایی مثل 3dfx ،Matrox ،Imagination ،Intel و حتی شرکت کمتر شناخته‌شده‌ای مانند S3 که فقط گیمرهای نسل گذشته آن را به خاطر می‌آورند، نقش قابل توجهی در پیشرفت فناوری تراشه‌های گرافیکی داشته‌اند، اما این داستانی است که باید در زمانِ دیگری مفصل به آن پرداخته شود.

با ورود کارت‌های Big Navi از ای‌ام‌دی و GeForce RTX 3090 به میدان نبرد رده حرفه‌ای بازار در آینده‌ی نزدیک، ما تمرکز خود را روی کارت‌های گرافیکی که به دو شرکت پیشروی این صنعت کمک کردند تا به جایی که اکنون در آن قرار دارند برسند، خواهیم گذاشت. خود شما تا امروز چند کارت گرافیکِ ساخته‌ی این دو شرکت داشته‌اید؟

کارت گرافیک TNT با اسم رمز NV با اولین درایور ثبت شده که Detonator نامگذاری شده بود به بازار آمد. Riva هم مخففی برای عبارت Real-Time Interactive Video and Animation Accelerator بود. پسوند TNT یا TwiN Texel هم به توانایی این تراشه برای کار روی دو Texel (اجزا یا پیکسل‌های تشکیل دهنده‌ی بافت) به طور همزمان اشاره داشت. محصول Riva، یکی از اولین کارت‌هایی بود که رنگ ۳۲ بیتی را پشتیبانی می‌کرد و انویدیا را در مقام رقیبی جدی برای پرچمدار آن زمان، یعنی شرکت 3dfx (روحش شاد!) و خط تولید کارت‌های مشهور گرافیکی این شرکت با نام Voodoo قرار داد.

کارت Rage Fury Maxx به عنوان رقیبی برای مبارزه با Riva TNT انویدیا و Voodoo 5 از 3dfx ظهور کرد. این کارت با دو موتور پردازشی مجزا عرضه شد و از تکنیک AFR استفاده می‌کرد که هر فریم را روی پردازنده‌ی گرافیکی مستقلی پردازش می‌کرد تا راندمان را تقریبا دو برابر کند. مدل Fury Maxx از Direct 3D و Open GL پشتیبانی می‌کرد و با میزان عظیم (برای آن زمان) ۶۴ مگابایت حافظه‌ی آنبرد فروخته می‌شد، اما نقطه ضعف آن نداشتن واحد سخت‌افزاری مخصوص تبدیل و نورپردازی بود، مشخصه‌ای که در محصول GeForce 256 انویدیا تعبیه شده بود.

با GeForce 256، انویدیا با یکپارچه‌سازی واحدهای تبدیل (Transform)، نورپردازی، نصب (Setup) و پردازش نهایی (Rendering) روی تک تراشه‌ی گرافیکی، توانست بر رقیبانش پیشی بگیرد. این شرکت در اینجا بود که برای اولین بار تراشه‌ی خود را "اولین GPU یا Graphic Processing Unit در جهان" نامگذاری کرد که تمام واحدهای Lighting ،Triangle Setup و Clipping و موتور رندر نهایی را در یک تراشه‌ی واحد ادغام کرده بود و قادر به پردازش دست کم ۱۰ میلیون چندضلعی در ثانیه بود. قابلیت کلیدی دیگر یعنی Cube Environment Mapping، فناوری جدیدی بود که توسعه‌دهندگان را قادر به ساخت افکت‌های انعکاس و نورپردازی زمان واقع (Real-time) می‌کرد.

کارت Radeon 9700 Pro با فاصله‌ی زیادی نسبت به رقبا، سریع‌ترین کارت در دوران خودش بود و اولین محصولی بود که با پشتیبانی کامل از ویژگی‌های دایرکت ایکس ۹ عرضه شد. در پیاده‌سازی تکنیک‌های FSAA و Anisotropic Filtering زبردست بود و از Pixel Shader 2.0 هم پشتیبانی می‌کرد. تراشه‌ی این کارت ۸ مسیرِ پردازش پیکسلی با توانایی گذاشتن بافت‌های اضافه با استفاده از خطوط پردازشی مجزایی را داشت. این کارت با فرکانس کاری ۳۲۵ مگاهرتز عرضه شد و به مَدد ۱۱۰ میلیون ترانزیستور بکار رفته در آن، یکی از بزرگ‌ترین و پیچیده‌ترین تراشه‌های گرافیکی آن زمان را داشت.

کارت GeForce 6800 Ultra در زمان خود از 3.0 Shader Model پشتیبانی می‌کرد، این در حالی بود که رقبایش هنوز روی Shader Model 2.0 باقی مانده بودند. همچنین این کارت اولین مدلی بود که از فناوری Scalable Link Interface یا همان SLI برخوردار بود که اجازه می‌داد دو کارت سازگار را بتوان برای بدست آوردن راندمانی بالاتر در کنار هم بکار گرفت. با داشتن حداکثر ۵۱۲ مگابایت رم گرافیکی و معماری تراشه‌ی ۱۶ خطی Superscalar و واحدهای ۶۴ بیتی پردازشِ بافت و ترکیب (Blending)، کارت GeForce 6800 یک مدل بی‌همتا بود.

با اسم رمز Fudo، کارت Radeon R520 از ATI، مدعی برخی از اولین عناوین برای این شرکت بود. چرا که اولین تراشه‌ی گرافیکی بود که بر اساس فناوری ساختِ ۹۰ نانومتری تولید شد و معماری رابطِ حافظه‌ی جدیدی را معرفی و بازطراحی کرد. این امر به ATI کمک کرد تا سرعت ساعت کاری حافظه را افزایش داده و در عین حال توان پردازشی کمتری نیاز داشته باشد. مزیت ایجاد شده این بود که راندمان در بازی‌ها در رزولوشن های بالای ۱۶۰۰ در ۱۲۰۰ و جزئیات بالاتر افزایش یافت. همچنین در Shader Model 3.0 بسیار بهینه عمل می‌کرد و R520 سرانجام توانست بر محصولات GeForce 7000 انویدیا پیروز شود و تا مدتی بر رقیبان پیشی بگیرد.

محصول 8800GTX انویدیا، یک میراثِ ماندگار داشت و از آنچنان قدرت با دوامی برخوردار بود که هیچ کارت دیگری در فهرست ما دارای آن نیست. اولین تراشه‌ی گرافیکی که از (CUDA (Compute Unified Device Architecture بهره می‌گرفت، همین کارت بود و سازگاری با دایرکت ایکس ۱۰ را نیز ارائه می‌کرد و جهشِ بزرگی را در راندمان (گاهی اوقات تا دو برابر) نسبت به کارت‌های دایرکت ایکسِ ۹ آن زمان ایجاد کرد. اگرچه با قیمت حدود ۷۴۱ دلار گران بود، دارای ۱۲۸ واحد پردازشی یا هسته‌ی CUDA، میزان ۷۶۸ مگابایت حافظه‌ی گرافیکی GDDR3 و همین‌طور رابط حافظه‌ی ۳۸۴ بیتی بود. اغلب از عناوین Crysis نسخه‌ی اول و Battlefield 3 برای نمایشِ قدرت گرافیکی این کارت استفاده می‌شد.

کارتی که با نام GTX 7900 DUO هم شناخته می‌شد، محصولی بود که بسیار جاه‌طلب و بسیار هم بزرگ بود. این کارت برای ترکیب‌های چند مانیتوری و رزولوشن‌های خیلی بالا مانند ۲۵۶۰ در ۱۶۰۰ (در آن زمان) هدفگذاری شده بود. این محصول اولین مدلی بود که دارای دو کارت گرافیکی به هم چسبیده برای قرار گرفتن در یک شیار دو اسلاته بود و می‌توانست از قابلیت Quad- SLI روی دو اسلات PCI Express 16X پشتیبانی کند. با این حال قرار دادن دو تراشه‌ی گرافیکی روی یک بردِ واحد می‌توانست راه حل بی‌نهایت بهتری برای انجام این کار باشد. کارت 7900GX2 به یک منبع تغذیه‌ی غول ۱۰۰۰ واتی و یک جریان تهویه‌ی هوای بسیار خوب نیاز داشت تا قادر به کار در شرایط مناسب باشد.

کارتی که رقیب جدی 9800GX2 بود که در همان سال عرضه شد. محصول 4870X2 یک نیروگاه عظیم بود و به سرعت به سریع‌ترین کارت بازار در آن زمان بدل شد. مانند کارت قبلی HD 3870 X2، کارت 4870X2 هم دو تراشه‌ی گرافیکی را روی یک بردِ واحد قرار داد و از کراس فایر برای هماهنگی آنها استفاده کرد. این کارت فرکانس کاری ۷۵۰ مگاهرتزی برای تراشه‌ها داشت که در کنار دو حافظه‌ی ۱ گیگابایتی مجزا با فرکانس ۹۰۰ مگاهرتز کار می‌کردند. داغ، گران و به طرز عجیبی سنگین بود، اما این نقطه ضعف‌های آن به سرعت به دست فراموشی سپرده می‌شد، وقتی که توانایی آن در عمل به بوته‌ی آزمایش گذاشته می‌شد.

استفاده از دو تراشه‌ی گرافیکی روی یک کارت می‌تواند به افزایش راندمانِ زیادی منجر شود، اما اگر ۳ تراشه‌ی گرافیکی داشته باشیم چه اتفاقی خواهد افتاد؟ ایسوس درصدد بود که این سوال را با EAH 3850X3 Trinity پاسخ دهد، محصولی که بیشتر به عنوان اثبات فنی یک طرح مفهومی معرفی شد تا چیزی که بتوان آن را خریداری کرد و فقط ۱۰ نمونه از آن تولید شد. کارتی که دارای ۳ تراشه‌ی گرافیکی موبایلی Radeon 3850 بود که به یک برد لحیم شده بودند و ایسوس ادعا می‌کرد که ۱۳۹ درصد از کارت تک تراشه‌ای سریعتر عمل می‌کند. کسانی که آنقدر خوش شانس بودند که به یکی از این نمونه‌ها دسترسی پیدا کنند، اذعان کردند که این کارت یک هیولا است، بسیار داغ کار می‌کند و بخاطر محدودیت‌های مربوط به مقیاس‌پذیری کراس فایر، راندمانی کمتر از حد انتظار دارد. از آن زمان به بعد هیچ‌کس از ایسوس با راه حل ۳ تراشه‌ایش تبعیت نکرد، بنابراین شاید به این خاطر بشود از ایسوس سپاسگزار هم بود.

با داشتنِ توان پردازشی ۴۶۴۰ گیگافلاپس، کارت Radeon 5970 از ATi به عنوان سریع‌ترین کارت گرافیکی دنیا در سال ۲۰۰۹ معرفی شد و جریان را به نفع این شرکت تغییر داد. این محصول سیستم‌های چندمانیتوری و رزولوشن‌های بالا را هدف قرار داده بود. به‌جز پشتیبانی از قابلیت CrossFireX، اولین کارتی بود که از ترکیب Eyefinity برای پشتیبانی از ۳ نمایشگر مستقل برای نمایش همزمان تصاویر با رزولوشن، نرخِ بازسازی تصویر و تنظیمات رنگ و ویدیوی مستقل بهره‌مند بود.

کارت Radeon 7970 اِی‌اِم‌دی از تراشه‌ی گرافیکی Tahiti XT قدرت گرفته که با پروسه‌ی ساختِ ۲۸ نانومتری شرکت TSMC تولید شده است. کارتی که به عنوان رقیب GTX 680 انویدیا عرضه شد و بنچمارک‌ها هم نشان می‌داد که Radeon 7970 می‌تواند آن کارت را در بازی‌هایی مانند Sniper Elite V2 که از تکنیک AA مبتنی بر توان واحدهای Compute استفاده می‌کنند، به میزان چشمگیری پشت سر گذارد. همچنین Radeon 7970 اولین کارت با استاندارد PCI-Express 3.0 بود که برای اولین بار از ۳۰۷۲ مگابایت حافظه‌ی GDDR5 روی رابط حافظه‌ی ۳۸۴ بیتی استفاده می‌کرد.

انویدیا تا ۳ ماه هیچ پاسخی در برابر Radeon 7970 نداشت، بنابراین وقتی سرانجام GeForce GTX 680 را عرضه کرد، احتمال زیادی وجود داشت که نتواند از پسِ کارت رقیب برآید. اما همان‌گونه که بررسی‌های این محصول ثابت کردند، انویدیا تنها منتظر بهترین زمان برای آغازِ یک نبرد جدید بود. کارت پرچمدار جدید که در ماه مارس سال ۲۰۱۲ به عنوان سریع‌ترین تراشه‌ی گرافیکی دنیا عرضه شد، شروعی بالاتر از موفقیت را برای معماریِ جدید کپلر این شرکت رقم زد. ویژگی‌های متعدد آن شامل GPU Boost ،Adaptive Vertical Sync ،Nvidia Surround (برای پشتیبانی تا ۴ مانیتور) و معرفی دو تکنیک جدید AA با نام‌های FXAA و TXAA می‌شد.

کارت‌های گرافیکی تمایل زیادی به داشتن نام‌های عجیب و بی‌ربط دارند، چیزی که کارت تایتانِ انویدیا هم از آن مبرا نیست. به عبارت ساده‌تر، این کارت کاری کرد که هر تراشه‌ی گرافیکی دیگر در آن زمان بچگانه به نظر برسد. اگر حسی وجود داشت از اینکه انویدیا هنوز تمام آن چیزی را که معماری کپلر واقعا قادر به انجام آن است رونمایی نکرده است، پس از معرفی تایتان، کمترین شکی در این مورد باقی ماند. با وجود گرفتن برچسب قیمت ۱۰۰۰ دلاری، به راحتی سریع‌ترین تراشه‌ی گرافیکی تک تراشه‌ای روی زمین بود که ۲۶۸۸ واحد پردازشی CUDA و ۶ گیگابایت رم گرافیکی GDDR5 را در خود جای داده بود. یک محصول آرمانی برای هر کسی که پول زیادی هم دارد و می‌تواند بهترین راندمان ممکن در کلاس کارت‌های دو تراشه‌ای را بدون تمام معایبی که آنها می‌توانند داشته باشند، در بازی‌ها مهیا کند.

کارت GTX 980 اولین کارت گرافیک انویدیا نبود که از معماری مَکسول استفاده می‌کرد (در واقع به طور نامعمول، معماری مکسول ابتدا در محصولات رده پایین GTX 750 و GTX 750 Ti معرفی شد)، اما اولین غول سرکِشی بود که بر اساس آن عرضه می‌شد. این کارت با درنوردیدن صدر نمودارهای گرافیکی، در عین دارا بودن قیمتی که آن را درست در پایین کارت‌های رده بالای نسل کپلر قرار می‌داد، شروعی هیجان‌انگیز داشت. تعداد ۲۰۴۸ هسته‌ی پردازشی CUDA را در خود جای داده بود و ۴ گیگابایت حافظه‌ی گرافیکی از نوع GDDR5 با سرعتِ ۷ گیگابیت بر ثانیه‌ای داشت و هنوز هم روی فناوری ساخت ۲۸ نانومتری باقی مانده بود. برای ابزار VR یا واقعیت مجازی آماده بود و قادر به اجرای آخرین عناوین بازی‌ها در رزولوشن 4K بود. همچنین دارای فناوری جدیدی از انویدیا بود که DSR خوانده می‌شد و کیفیت بازی‌ها را با افزایشِ دقت و رزولوشن آنها در هنگام نمایش روی مانیتورهای معمولی 1080p بالاتر می‌برد.

اینجا محصولی داریم که با نام Project Hydra توسعه داده شد. کارت گرافیک ای ام دی R9 295X2 در یک جعبه‌ی قابل حمل نقره‌ای که توسط یک قفلِ رمزدار محافظت می‌شد، عرضه شد و بهترین توصیف از آن، کارتی بود که یک گیمر با وجود آن، همه چیز دارد. کارتی بسیار قدرتمند با یک قیمت سنگین که توان مصرفی ۵۰۰ واتی دارد و یک خنک کننده‌ی مایع هم بطور پیش فرض برای آن در نظر گرفته شده است. در قلب این کارت نه یک تراشه، بلکه دو تراشه‌ی Hawaii XT که هر یک با ۴ گیگابایت حافظه‌ی گرافیکی GDDR5 جفت شده‌اند، قرار دارند. این غولِ دو سر، توانایی پردازش خوفناک ۱۱.۵ ترافلاپس (رکوردی در آن زمان) را دارد و در رزولوشن‌های Ultra HD بهتر عمل می‌کند.

در اواسط سال ۲۰۱۶ میلادی، ظرفیت و کیفیت تولید کارخانه‌ی TSMC (سازنده‌ی نیمه‌هادی‌ها و تراشه‌های مبتنی بر آن که ساخت سفارشات Nvidia و AMD را در تایوان بر عهده دارد) در پروسه‌ی ساخت ۱۶ نانومتری به حدی بالغ شد که می‌توانست محصولات تجاری جدید را به صورت انبوه و کیفیت مناسب تولید و عرضه کند. فناوری جدید ۱۶ نانومتری با نام FinFET نوعی روش بهینه‌ی تولید برای کاهشِ مصرف توان، کاهش ولتاژ و همین‌طور کاهش نشتی ترانزیستورها در این ابعاد است. انویدیا پس از مدت‌ها به کمک این فناوری توانست به طرز چشمگیری فرکانس کاری تراشه‌های پاسکال را نسبت به مکسول و کپلر افزایش و در عین حال ابعاد تراشه و میزان مصرف آنها را کاهش دهد.

این کارت بر اساس تراشه‌ی GP102 بر مبنای معماری پاسکال ساخته شده و از ۱۲ میلیارد ترانزیستور در ابعاد ۴۷۱ میلی‌متر مربع تشکیل شده است. ۳۵۸۴ واحد پردازشی CUDA در این تراشه مجتمع شد که در زمان عرضه، رکوردی برای انویدیا در کارت‌های رده تجاری جی‌فورس محسوب می‌شد. همچنین برای اولین بار از تراشه‌های پرسرعتِ حافظه‌ی GDDR5X در این محصول استفاده شد که توانست به افزایش راندمان آن در رزولوشن‌های 2K و 4K کمک زیادی بکند. افزایش سرعتِ قابل ملاحظه و تاثیرگذار آن نسبت به پرچمدار نسل قبلی یعنی GTX 980 Ti بود که توانست این محصول را زبانزد گیمرها کرده و استقبال از آن را افزایش دهد. این کارت گرافیک قیمت بسیار مناسب ۷۰۰ دلاری هم داشت که توانست در زمان عرضه به افزایش تقاضا و کمبود موجودی آن در بازار خرده فروشی هم منجر شود.

کارت گرافیک جدید ای‌ام‌دی بعد از معرفی کارت‌های نسل پاسکال به بازار عرضه شد تا گرافیک‌های رده حرفه‌ای انویدیا را به چالش بکشد. تراشه‌ی GPU در این کارت گرافیک، یک غول ۴۰۹۶ هسته‌ای بود که به ۸ گیگابایت حافظه‌ی گرافیکی سریع HBM2 در جوارِ خود رضایت داده بود و با فناوری ۱۴ نانومتری FinFET هم تولید می‌شد. مصرف توان ۲۹۵ واتی کارت باعث شد که بسیاری از سازندگان این مدل را با خنک‌کننده‌ی مایع عرضه کنند. راندمان این محصول در برخی بازی‌ها برابر یا بیشتر از GTX 1070 و در برخی نیز برابر با GTX 1070 Ti یا حتی GTX 1080 بود که با توجه به قیمت رقابتی تعیین شده و تخفیف‌های پیاپی، یکی از انتخاب‌های ارزنده در زمان خود محسوب می‌شد.

انویدیا این بار برخلاف سال‌های قبل، محصولات پرچم‌دار نسل جدید خودش را با پیشوند RTX معرفی کرد. نام اختصاری RTX از فناوری جدید انویدیا برای پردازش گرافیکی با روش Real-Time Ray Tracing (پرتویابی یا رهگیری پرتو در زمان واقع) یا همان Ray Tracing extension گرفته شده که همزمان با افزونه‌ی جدید دایرکت ایکس به نام DirectX Raytracing معرفی شد. مشخصا RTX به‌معنی اضافه شدن عناصر ساخته شده با روش Ray Tracing به گرافیک رایج باز‌ی‌های ویدیویی است که با تکنیک rasterization تولید می‌شوند.

بزرگ‌ترین تراشه‌ی ساخته شده براساس معماری تورینگ، TU102 مساحتی بالغ بر ۷۵۴ میلی‌متر مربع دارد که در قلبِ GeForce RTX 2080 Ti قرار داده شده است. تعدادِ ۱۸.۶ میلیارد ترانزیستور تشکیل‌دهنده‌ی آن با فناوری ساخت ۱۲ نانومتری کارخانه‌ی TSMC که 12nm FinFET نام‌گذاری شده، تولید شده‌اند که یک بهبود تراکمِ آشکار را نسبت به فناوری قبلی ۱۶ نانومتری منعکس می‌کند. در مقام مقایسه با بزرگ‌ترین تراشه‌ی ساخته شده با معماری پاسکال که GP102 و بکار گرفته شده در GTX 1080 Ti بود، تراشه‌ی TU102 به اندازه‌ی ۶۰ درصد بزرگ‌تر است و تعداد ترانزیستورهای آن هم ۵۵ درصد بیشتر است.

درست مانند معماری ولتای انویدیا، معماری تورینگ هم ۸ هسته‌ی Tensor به ازای هر SM در اختیار دارد. در نتیجه GeForce RTX 2080 Ti در کل ۵۴۴ هسته‌ی Tensor دارد که ۹۶ واحد کمتر از ۶۴۰ هسته‌ی کارت Titan V است. اما نکته‌ی مهم این است که هسته‌های Tensor در TU102 به شکلِ متفاوتی از هسته‌های ولتا پیاده‌سازی شده‌اند و عملیاتِ INT4 و INT8 را هم پشتیبانی می‌کنند که البته دلیل موجهی دارد: استفاده در یادگیری ماشینی و از همه مهمتر افزایش کیفیت تصاویر با تکنیک DLSS که روی هسته‌های Tensor اجرا می‌شوند و در رزولوشن پردازشیِ پایین‌تر، خروجی با کیفیت برابر یا بهتری نسبت به خروجی در رزولوشن بالاتر عرضه می‌کند. در مجموع این کارت توانست ۲۰ تا ۳۰ درصد راندمان بهتری نسبت به پرچمدار قبلی یعنی GTX 1080 Ti در پردازش خطی به نمایش بگذارد و از هر آنچه که ای‌ام‌دی در این مدت عرضه کرده هم برتر باشد. این مدل هنوز هم (تا قبل از معرفی و عرضه‌ی نسل آمپر و پرچمدار RTX 3090) برتری بی‌چون و چرا دارد و پرچمدار کارت‌های گرافیکی دنیا محسوب می‌شود.

نظرات، پیشنهادات و تجربیات خود در مورد موضوعِ مقاله را در بخش کامنت‌ها با ما در میان گذارید. شما تجربه‌ی استفاده از کدامیک از این کارت‌های گرافیک را دارید؟

*این مقاله برای اولین بار ۱۷ مرداد ۹۴ منتشر شده و در تاریخ ۶ شهریور ۱۳۹۹ با اطلاعات جدید به‌روزرسانی شده است.