Carte graphique d'ordinateur : rôle, composants et connectique

La carte graphique, appelée aussi carte vidéo ou accélérateur graphique, convertit les données numériques d'une image en signal exploitable par un écran. C'est elle qui transforme un calcul en pixels affichés, et la façon dont elle le fait a radicalement changé depuis les premières cartes 2D.

À l'origine, son travail se limitait à quelques opérations simples : envoyer des pixels à l'écran, déplacer un bloc (le curseur de la souris, par exemple), tracer une ligne ou un polygone. Les cartes récentes embarquent désormais des processeurs spécialisés capables de calculer des scènes 3D complexes en temps réel, un métier qui n'a plus grand-chose à voir avec l'affichage d'origine.

Les cartes accélératrices 2D

Une carte graphique s'organise autour de quelques composants dont le rôle est bien délimité.

• Le processeur graphique (GPU, pour Graphical Processing Unit) est le cœur de la carte. Il traite les images selon la résolution et la profondeur de codage choisies, avec des instructions évoluées pour la 3D. Il chauffe suffisamment pour qu'on lui adjoigne presque toujours un radiateur et un ventilateur.
• La mémoire vidéo conserve les images traitées par le GPU avant leur affichage. Plus elle est abondante, plus la carte gère de textures en 3D. La partie de cette mémoire qui stocke l'image juste avant affichage porte un nom précis, le frame buffer ; son type et sa quantité déterminent en grande partie la vitesse d'affichage.
• Le RAMDAC (random access memory digital-analog converter) convertit les images numériques du frame buffer en signal analogique pour le moniteur. Sa fréquence fixe le taux de rafraîchissement maximal que la carte peut fournir, en images par seconde (Hz).
• Le BIOS vidéo stocke les paramètres de la carte, dont les modes graphiques qu'elle sait produire.
• L'interface désigne le bus qui relie la carte à la carte mère. Le bus AGP a été conçu pour encaisser les débits nécessaires à la vidéo ou à la 3D ; le bus PCI Express, plus performant, l'a depuis remplacé sur les cartes actuelles.

La connectique

Trois types de sorties vidéo se sont succédé sur les cartes graphiques, et on les croise encore selon l'âge du matériel.

L'interface VGA équipe la plupart des cartes plus anciennes : un connecteur 15 broches (Mini Sub-D, en trois rangées de cinq), généralement bleu, qui permet de brancher un écran à tube cathodique. Elle envoie à l'écran trois signaux analogiques correspondant aux composantes rouge, verte et bleue de l'image.

L'interface DVI (Digital Video Interface), présente sur certaines cartes, transmet des données numériques directement aux écrans qui la prennent en charge. Elle évite ainsi les conversions numérique-analogique puis analogique-numérique qu'impose la VGA, et la perte de qualité qui va avec.

L'interface S-Video, de plus en plus répandue à l'époque, permet de brancher la carte sur un téléviseur. On l'appelle couramment « prise télé », ou TV-out.

Les cartes accélératrices 3D

Le calcul 3D est un domaine plus récent que la 2D, et donc plus actif : les puissances de calcul atteintes sur un simple PC dépassent aujourd'hui celles de certaines stations de travail professionnelles d'une génération antérieure.

Ce calcul d'une scène en 3D se décompose grossièrement en quatre étapes : le script, qui met en place les éléments de la scène ; la geometry, qui crée les objets simples ; le setup, qui découpe ces objets en triangles 2D ; et le rendering, le rendu proprement dit, où les textures sont plaquées sur ces triangles.

Plus une carte accélératrice prend elle-même en charge ces étapes, plus l'affichage final est rapide. Les premières puces 3D ne géraient que le rendering, laissant le processeur central s'occuper du reste. Les cartes suivantes ont intégré un « setup engine » qui prend en charge les deux dernières étapes. À titre d'exemple historique, un processeur Pentium II à 266 MHz chargé de calculer les trois premières étapes traitait environ 350 000 polygones par seconde ; en lui retirant une étape, il en traitait 750 000. La différence montre à quel point ces cartes déchargent réellement le processeur.

Le type de bus reste déterminant, même s'il n'apporte rien en 2D pure : une carte reliée en AGP se montre nettement plus performante qu'une carte reliée en PCI, parce que le bus AGP est connecté directement à la mémoire vive et bénéficie d'une bande passante bien supérieure à celle du bus PCI. Le même principe de calcul équipe aussi les consoles de salon : la carte graphique de la PS5 doit fournir une puissance comparable dans un boîtier bien plus compact qu'un PC de bureau.

Ces composants demandent une qualité de fabrication comparable à celle des processeurs, avec des finesses de gravure qui sont passées, sur cette génération de cartes, de 0,35 micromètre à 0,25 micromètre.

Glossaire des fonctions accélératrices 2D et 3D

Ce lexique reprend les termes techniques qu'on croise en lisant une fiche technique de carte graphique ou une documentation de pilote.

Terme	Définition
2D Graphics	Affiche une représentation d'une scène selon deux axes de référence (x et y).
3D Graphics	Affiche une représentation d'une scène selon trois axes de référence (x, y et z).
Alpha blending	Le monde est composé d'objets opaques, translucides et transparents. L'alpha blending ajoute une information de transparence aux objets translucides, en réalisant un rendu des polygones à travers des masques dont la densité est proportionnelle à leur transparence. La couleur du pixel final combine la couleur du premier plan et celle de l'arrière-plan, selon un facteur alpha compris entre 0 et 1 : nouveau pixel = (alpha) × (couleur du premier pixel) + (1 - alpha) × (couleur du second pixel).
Alpha buffer	Canal supplémentaire qui stocke l'information de transparence, en plus des trois canaux rouge, vert et bleu.
Anti-aliasing (ou anti-crénelage)	Technique qui fait apparaître les pixels de façon moins crénelée, en adoucissant les contours.
Effets atmosphériques	Effets comme le brouillard ou l'effet de distance, qui améliorent le rendu d'un environnement.
Bitmap	Image codée pixel par pixel.
Bilinear filtering	Fluidifie le passage d'un pixel d'un endroit à un autre, par exemple lors d'une rotation.
BitBLT	L'une des fonctions d'accélération les plus importantes : elle simplifie le déplacement d'un bloc de données en tenant compte des particularités de la mémoire vidéo. On l'utilise par exemple lors du déplacement d'une fenêtre à l'écran.
Blending	Combinaison de deux images en les ajoutant bit à bit.
Bus Mastering	Fonction du bus PCI qui permet de recevoir directement des informations de la mémoire, sans transiter par le processeur.
Correction de perspective	Méthode de plaquage de textures (texture mapping) qui tient compte de la profondeur (valeur de Z) pour mapper les polygones. Quand un objet s'éloigne, il paraît plus petit ; la correction de perspective fait varier le taux de changement des pixels de la texture proportionnellement à cette profondeur.
Depth Cueing	Baisse l'intensité des objets à mesure qu'ils s'éloignent de l'objectif.
Dithering	Permet de stocker des images de qualité 24 bits dans des tampons plus petits, de 8 ou 16 bits, en combinant deux couleurs pour en simuler une troisième.
Double buffering	Méthode qui utilise deux tampons, l'un pour l'affichage et l'autre pour le calcul du rendu en cours ; une fois le rendu terminé, les deux tampons sont échangés.
Flat shading (ou Constant shading)	Attribue une couleur uniforme à chaque polygone. L'objet rendu apparaît alors facettisé.
Fog	Utilise la fonction de blending pour teinter un objet d'une couleur fixe, de façon plus marquée à mesure qu'il s'éloigne de l'objectif.
Gamma	Les phosphores d'un affichage réagissent de façon non linéaire à la tension appliquée : un même écart de tension ne produit pas le même écart de luminosité selon le niveau de départ. Le gamma désigne la différence entre le résultat attendu et le résultat mesuré.
Gamma Correction	Correction appliquée aux données avant affichage pour compenser cet écart de gamma.
Gouraud Shading (lissage de Gouraud)	Algorithme, du nom du mathématicien français qui l'a mis au point, qui lisse les couleurs par interpolation : il attribue une couleur à chaque pixel d'un polygone à partir d'une interpolation de ses arêtes, pour simuler l'apparence d'une surface plastique ou métallique.
Interpolation	Méthode mathématique pour régénérer une information manquante ou endommagée ; en agrandissant une image, par exemple, les pixels manquants sont recréés par interpolation.
Line Buffer	Tampon dédié à la mémorisation d'une ligne vidéo.
Lissage de Phong	Algorithme, nommé d'après son inventeur Bui Tuong Phong, qui lisse les couleurs en calculant le taux de lumière en de nombreux points d'une surface, puis en ajustant la couleur des pixels selon cette valeur. Plus gourmand en ressources que le lissage de Gouraud.
MIP Mapping	Du latin multum in parvum (« beaucoup en peu »), cette méthode applique des textures de résolutions différentes selon la taille et la distance des objets dans l'image, avec une texture plus fine quand on s'en rapproche.
Projection	Transformation qui réduit un espace en trois dimensions en un espace en deux dimensions.
Rasterisation	Transforme une image vectorielle en pixels.
Rendu (Rendering)	Création d'une image réaliste à l'écran à partir de modèles mathématiques pour le lissage, les couleurs et les textures.
Rendering engine	Partie matérielle ou logicielle chargée de calculer les primitives 3D, le plus souvent des triangles.
Tessellation (ou facettisation)	Le calcul d'une image 3D se divise en trois parties : la facettisation, la géométrie et le rendu. La facettisation consiste à découper une surface en formes plus petites, le plus souvent des triangles ou des quadrilatères.
Texture Mapping	Stocke des images composées de pixels de texture (texels), puis les applique sur des objets 3D pour en obtenir une représentation plus réaliste.
Tri-linear filtering	Basé sur le filtrage bilinéaire, le filtrage trilinéaire fait la moyenne de deux niveaux de filtrage bilinéaire successifs.
Z-buffer	Zone de mémoire qui stocke la distance de chaque pixel par rapport à l'objectif ; le rendering engine s'en sert pour supprimer les surfaces cachées lors du rendu.
Z-buffering	Opération qui supprime les faces cachées d'une scène en utilisant les valeurs stockées dans le Z-buffer.

Ce qu'il faut retenir avant de choisir une carte

Le GPU, la mémoire vidéo, le bus et la connectique restent les quatre critères qui déterminent ce qu'une carte graphique peut réellement faire : afficher un bureau classique n'a jamais demandé grand-chose, mais calculer une scène 3D complexe sollicite les quatre à la fois. Comprendre le rôle de chaque composant aide à lire une fiche technique sans se laisser impressionner par des sigles, et à repérer ce qui compte vraiment pour un usage donné, du simple affichage bureautique au rendu 3D en temps réel.