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Storia della memoria delle schede video

Dalla VRAM per arrivare alla HBM2 e alla GDDR6, ripercorriamo l'evoluzione della RAM dedicata alle scheda video.

Storia della memoria delle schede video

RAM della scheda video, fra mito e necessità

Prima di addentrarci nella storia della RAM dedicata alle schede video è bene fare un po' di chiarezza su cosa sia la RAM e a cosa serve nelle schede video. Se avete letto l'articolo "Storia della RAM" pubblicato qualche giorno fa, potete andare avanti senza nessun problema. Se però ve lo siete lasciato sfuggire, vi consiglio di prendervi una decina di minuti e leggerlo perché ci sono alcune nozioni che vi serviranno.

Passando alla seconda questione, ovvero a cosa serva la RAM per le schede video, la risposta richiede la comprensione di alcuni principi. Quando usiamo un qualsiasi apparecchio elettronico dotato di monitor, le immagini che ci vengono mostrate sono elaborate prima dal processore (CPU) e poi dalla GPU (Graphic Processing Unit). Cosa fanno l'uno e l'altro dipende dal tipo di carico: con i carichi bidimensionali (2D, come il desktop del vostro sistema operativo) il processore svolge gran parte del lavoro mentre la GPU si limita ad applicare i colori; tuttavia, quando abbiamo a che fare con immagini tridimensionali, il processore disegna nello spazio tridimensionale i vertici dei poligoni che compongono la scena, mentre spetta alla GPU assegnare a ogni poligono colore, sfumature, ombre e così via fino agli effetti più pesanti (anti-aliasing, Motion Blur, etc.).

sapphire
Il circuito stampato di una Sapphire AMD R9 Fury - si noti che la RAM HBM1 non risiede sul circuito stampato, come era stato per anni, ma proprio accanto alla GPU

Per fare tutto questo la GPU necessita di una grande quantità di dati, dal framebuffer alle texture, dati che vengono memorizzati proprio nella RAM. Con il passare del tempo, le scene sono diventate sempre più complesse, il numero di poligono è aumentato insieme alla qualità delle texture e, in ultimo, anche la quantità di frame al secondo che i monitor sono capaci di visualizzare. Tutto questo è stato possibile anche grazie all'evoluzione della RAM che è diventata più capiente, veloce ed efficiente.

Per capire l'importanza che ha la RAM, è utile calcolare la necessità di in termini di banda per gestire alcuni flussi video oggi comuni:

Risoluzione (pixel) [A] Frequenza [B] Milioni di Pixel al secondo [C=A x B] Profondità Colore [D] Miliardi di Bit al secondo [E=C x D]
HD (1280 x 720) 60 Hz 55,3 MPixel/s 24 bit per Pixel (16,7 milioni di colori) 1,33 Gbps
FullHD (1920 x 1080) 124,4 MPixel/s 2,99 Gbps
Ultra HD (3840 x 2160) 497,7 MPixel/s 11,9 Gbps

Se questi vi sembrano numeri elevati, pensate che Dell ha presentato un monitor con risoluzione 8K, ovvero quattro volte l'Ultra HD...

Volendo semplificare il discorso per renderlo comprensibile a tutti, pensate alla RAM della scheda video come al serbatoio di un'automobile: più è potente il motore, maggiore è la quantità di carburante di cui necessita. Quindi il serbatoio dovrà essere capiente ed il flusso di carburante dovrà essere garantito da tubi sufficientemente grandi o con una sufficiente pressione.

Per la RAM, la capienza è facilmente misurabile in termini di GigaByte (GB), mentre la velocità di trasferimento è il prodotto dell'ampiezza del bus (il diametro dei tubi di cui sopra) per la frequenza (clock).

Quindi, una scheda video ha bisogno di tanta RAM molto veloce; al contrario, se una scheda video è poco potente, avere tanta RAM non ne migliora le prestazioni così come montare il serbatoio di una Ferrari su un'utilitaria non la farà andare a 300 Km/h.

Quest'ultima considerazione può sembrare banale ma ci sono almeno due motivi per cui dovreste tenerla ben presente valutando un acquisto.

Il primo è che spesso e volentieri produttori e/o distributori realizzano e pubblicizzano schede video (desktop o mobili) puntando sulla quantità di RAM presente, ma questa è un'indicazione fuorviante perché la quantità di RAM non vi dirà quanto è potente la scheda video. Quindi, se state valutando una scheda video dedicata, a parità di GPU è preferibile un modello che ha meno memoria ma più performante (ad esempio 1GB di GDDR5 invece di 2GB di GDDR3).

In seconda battuta, i modelli di fascia media spesso vengono venduti in versioni che utilizzano la stessa memoria ma in diversa quantità. In tal caso, se non cambiate spesso hardware, qualche GB in più di memoria potrebbe garantirvi una maggiore longevità. Per farvi comprendere cosa intendo, vi invito a leggere la seconda pagina dell'articolo Battlefield 1 in DirectX 12: 29 schede video alla prova in cui sono confrontate schede video di diversa generazione. Come vedrete, la quantità di RAM a disposizione può influire (e molto) sulle prestazioni complessive.

VRAM, le origini della memoria video

Nella storia dell'informatica è praticamente impossibile affrontare un qualsiasi argomento senza tirare in ballo la International Business Machine Corporation, più nota con il suo acronimo: IBM. Già, perché anche questa volta il cammino che ci porta dalla Dual_Ported RAM alle HBM2 inizia fra le mura del colosso di Armonk (NY) e, più precisamente, nella divisione IBM Research.

Poco prima del 1980 i ricercatori Dill, Ling e Matick iniziarono a lavorare a qualcosa che fosse in grado di sostituire la Dual-Ported RAM (DPRAM), una versione di RAM molto costosa che permetteva l'accesso contemporaneo in lettura e scrittura, caratteristica essenziale per permettere al processore di disegnare l'immagine mentre l'hardware grafico mostrava l'output sullo schermo.

La soluzione fu trovata nella Video RAM, una versione Dual-Ported della Dynamic RAM (DRAM) di cui ho parlato nell'articolo Storia della RAM. Per trovare questo tipo di memorie su prodotti "commerciali", bisogna però aspettare la metà degli anni '80 con prodotti come la ATI Graphics Solution Rev 3.

ati
ATI Graphics Solution Rev 3 - si noti il numero 8639 stampato sulla GPU (il grande chip al centro) che indica anno (86) e settimana (39) di produzione.

Oltre alla possibilità di accesso simultaneo in lettura e scrittura, la maggiore differenza fra Video RAM e DRAM stava nella logica interna di funzionamento. Ogni volta che la DRAM (così come l'attuale DDR4) necessita di leggere un dato, magari composto da pochi bit, è costretta a leggere l'intera stringa in cui è contenuto; questo non sarebbe un grave problema se non fosse che la lettura dei dati ne provoca la cancellazione con la conseguenza che i dati letti ma non necessari devono essere riscritti o andranno persi. Al contrario, la VRAM integra un row-buffer in cui i dati letti ma non usati possono essere depositati in attesa di essere inviati all'uscita video.

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