20 let vývoje grafických karet: od CGA až po konec 3Dfx (díl II.)

• 20 let vývoje grafických karet: od CGA až po konec 3Dfx (díl I.)

…jsme prošli ty úplně první grafické karty standardů MDA a CGA, seznámili se s milníkem v podobě IBM PC a podívali se i na karty Hercules, EGA či TIGA. Pro skok přímo do jedné z kapitol prvního dílu můžete použít následující rozcestník.

1. Kdo byl první? MDA, či CGA?
2. Hercules, aneb zlaté thajské ručičky…
3. EGA – evoluce CGA
4. PGC a TIGA – první profi karty

VGA – poslední úspěch IBM

2. dubna 1987 uvedla IBM na trh novou řadu svých PC kompatibilních počítačů nazvanou PS/2 (Personal System/2). Ta obsahovala mnoho novinek a zavedla několik standardů používaných dodnes. Nejvýkonnější IBM PS/2 model 80 měl tuto konfiguraci:

• CPU: Intel 80386 (16 MHz)
• RAM: 2 MB
• Grafická karta: VGA (256 kB)
• Sloty: 8× MCA
• Pevný disk: 71 MB

Novinkou bylo použití konektorů PS/2 pro klávesnici i myš, 3,5" disketová mechanika s kapacitou 1,44 MB, 72pinové paměti SIMM, sloty MCA a grafická karta VGA. Tato na svou dobu nadupaná mašina s DOSem 3.3 stála 8 495 USD, ale bez monitoru.

Grafická karta nového standardu VGA (Video Graphics Array) byla integrována na základní desce spolu s 256 kB paměti. Mezi novinky lze počítat i využití patnáctipinového konektoru D-Sub pro připojení monitoru. Ten se používá dodnes.

Pro přídavné karty byla určena další novinka – sběrnice MCA (Micro Channel Architecture). MCA je výrazně modernější a rychlejší než ISA, ale v IBM se poučili a zavedli na její použití vysoké licenční poplatky. Tím efektivně zlikvidovali konkurenci vyrábějící klony jejích počítačů. Negativem byl značně snížený zájem o výrobu rozšiřujících karet pro tuto sběrnici. To by nebyl problém, kdyby řada PS/2 měla i starší sloty ISA. Ty byly ale jen v nejnižších levných modelech a highendové řady se proto příliš neujaly. Nikomu se nechtělo měnit nakoupené karty ISA za varianty MCA (pokud vůbec byly k dispozici).

Kdo vyrobil první kartu VGA vám neřeknu, protože IBM zavedlo další novinku v podobě integrace grafické karty na základní desky. Konkurence ovšem rychle zapracovala a v roce 1988 už na byla na trhu široká nabídka karet VGA do 8bitových slotů ISA. Často šlo navíc o kombo verze umožňující připojení monitoru EGA i VGA.

Standard VGA je evolucí EGA a je s ním částečně kompatibilní stejně jako s CGA i MDA. Ovšem jen po softwarové stránce. Konektor D-Sub i změněné signály vylučují použití starších monitorů. Kromě podpory starých režimů umí VGA v textovém režimu rozlišení 720 × 400 px při podstatně ergonomičtější obnovovací frekvenci 70 Hz. V grafický režimech je novinkou rozlišení 640 × 480 px v 16 barvách používané zejména v profi sféře (CAD apod.) a 320 × 240 v 256 barvách využívané zejména hrami. Barevná paleta se výrazně rozšířila na 262 144 barev. Všechny dnešní grafické karty jsou stále kompatibilní s VGA. Režim VGA se používá například při bootování počítače, v SETUPu (BIOS) a taktéž v příkazové řádce DOSu.

 

 

VGA – poslední úspěch IBM

MCGA, 8514/A, XGA – série neúspěchů IBM

MCGA, 8514/A, XGA – série neúspěchů IBM

MCGA (MultiColor Graphics Array) je stejně jako VGA grafický standard určený pro řadu IBM PS/2. Dá se popsat jako ořezané VGA. Vyskytoval se v nejlevnějších modelech 30 a 25 z roku 1987 a má nahrazovat v té době již zastaralý standard CGA. Stejně jako VGA je karta kompletně integrována na základní desce, pro připojení k monitoru používá konektor D-Sub a umí 320 × 240 v 256 barvách z celkem 262 144 barev. Velikost paměti je ale zmenšena na 64 kB, chybí také kompatibilita s EGA. Kvůli menší paměti umí zobrazit maximálně dvě barvy v rozlišení 640 × 480 a i textové horizontální rozlišení je omezeno na 640 pixelů. To snižuje čitelnost textu.

Standard VGA je mnohem lepší, a proto se nikdo ani nepokoušel vyrobit kartu standardu MCGA. K vidění tak byly pouze integrované varianty od IBM. MCGA tedy vlastně ani nepatří do tohoto článku, jelikož nikdy neexistovala grafická karta MCGA.

IBM neunikla ani zastaralost akcelerátoru PGC a rozmach karet TIGA. Pro novou řadu PS/2 tedy nabídla v roce 1987 i náhradu za PGC. Karta dostala jen číselné označení 8514/A a byla logicky určena pro sběrnici MCA (nic jiného ve vyšším modelech ani nebylo). 8514 má 0,5 MB paměti a umožňuje její rozšíření na 1,5 MB pomocí přídavného PCB. Neumí vůbec žádné textové režimy a pro zobrazování textu kanibalizuje textové režimy karty VGA přes sběrnici MCA. Je to tedy přídavný akcelerátor.

8514 podporuje jen dvě rozlišení – 640 × 480 neprokládaně (60 Hz) nebo pak 1024 × 768 v prokládaném režimu a bídné obnovovací frekvenci 43,5 Hz. Počet zobrazitelných barev závisel na velikosti paměti: 0,5 MB = 16 barev, 1,5 MB = 256 barev. 8514/A je určena pro segment CAD jako levnější alternativa extrémně drahých karet TIGA.

Procesor karty je stejně jako u TIGA optimalizovaný pro grafické operace a umí kromě akcelerace vektorové grafiky a vykreslování základních geometrických tvarů i rastrové operace (např. vyplňování části obrazu barvou). Standard 8514/A si získal dobrou podporu v mnoha programech, ale karty od IBM nebyly moc rozšířené kvůli svázanosti se sběrnicí MCA a omezení na značkové počítače IBM.

Největšího rozšíření se tento standard dočkal začátkem devadesátých let. S rozvojem tvrdé konkurence na trhu se mnoho výrobců začalo orientovat i na poloprofesionální uživatele. Své čipy kompatibilní s 8514/A uvedly firmy Chips and Technologies, Western Digital a ATI (Mach 8 a 32). Standart 8514/A se tak dostal i na 16bitovou sběrnici ISA a VL-Bus.

XGA (Extended Graphics Array) je posledním pokusem IBM o vytvoření vlastního standardu. Nahrazuje akcelerátor 8514/A a je určen také do profesionálního segmentu trhu. Je samozřejmě zpětně kompatibilní s VGA i 8514/A a narozdíl od 8514/A nepotřebuje další grafiku pro zobrazování textu.

XGA bylo uvedeno v roce 1990 s cenovkou 1095 USD. Ale opět jen pro sběrnici MCA. XGA se standardně prodávala s 512 kB paměti VRAM a maximální rozlišení se zastavilo na 1024 × 768 px při 16 barvách. Pamět mohla být rozšířena až na 1 MB a karta poté zvládala 1024 × 768 v 256 barvách nebo 640 × 480 v 16bitových barvách. Barevná paleta měla 262 144 barev.

O rok později IBM začala prodávat vylepšenou verzi XGA-2. Ta kromě zrychlení grafických operací a detekce typu monitoru dostala rovnou 1 MB VRAM a barevná paleta se zvětšila na 16,7 milionů barev. Obnovovací frekvence se zvedla oproti 8514/A na přijatelných 75 Hz, ale karty uměly jen prokládaný režim. XGA se stejně jako její přechůdci příliš nerozšířila. A opět to bylo kvůli tomu, že existovala pouze pro sběrnici MCA.

 

SVGA – neoficiální standard

SVGA – neoficiální standard

Už v roce uvedení standardu VGA (1987) začali někteří výrobci dodávat vylepšené karty s 512 kB paměti. Ty podporovaly i vyšší rozlišení než 640 × 480. Tyto karty jsou zpětně plně kompatibilní s VGA, ale každý výrobce si zvolil vlastní metodu přístupu k paměti a nastavování rozlišení. Výsledkem byla noční můra všech programátorů. Pro každého výrobce bylo nutné programovat jiným způsobem.

Tato situace se nelíbíla NECu a proto v roce 1988 ohlásil založení organizace VESA a stejnojmeného standardu. NEC potřeboval standard pro svůj nový monitor podporující rozlišení 800 × 600, a domluvil se proto na založení organizace a standardu VESA se sedmi výrobci grafických karet. Byly to firmy Genoa, Orchid, Paradise, Renaisance GRX, STB, Tecmar a Video Seven.

Standard byl oficiálně uveden v roce 1989 a brzy se k němu připojili prakticky všichni výrobci grafických karet. V tomto roce také došlo k raketovému nárustu dostupných karet SVGA (Super Video Graphics Array). SVGA se nikdy nestal oficiálním standardem, ale začal se používat jako souhrnné označení všech karet kompatibilních s VGA, které ovšem umí vyšší rozlišení a mají alespoň 512 kB paměti. Standard VESA sjednotil programování těchto karet a umožnil i softwarovou detekci vlastností jednotlivých karet (velikost paměti, výrobce, dostupná rozlišení a obnovovací frekvence).

Podpora VESA byla většinou zabudována přímo v BIOSu karty. Některé levnější a starší karty podporu ovšem neměly. U těch bylo možno použit rezidentní ovladač. Ten byl hojně používán i v 90. letech, po vydání aktualizované verze VESA 2.0, pro karty podporující pouze starší standard 1.1. VESA byla vyžadována zejména hrami – například ve hře Quake bez VESA 2.0 nelze použít rozlišení 640 × 480 a vyšší. Ovladač dodávali výrobci grafických čipů, ale existovala i placená univerzální řešení – nejznámější je UniVBE od SciTech Software.

 

 

S nárustem velikosti paměti a podporou vyšších rozlišení se ovšem začala projevovat zastaralost sběrnice ISA. Ani 16bitová ISA už neměla dostatečnou propustnost pro vysoká rozlišení. Standardem sice bylo jen 512 kB paměti a bohatší uživatelé si mohli dopřát až 1 MB,profesionální však karty měly často i 2 MB. ISA má maximální propustnost jen 5,3 MB/s a sběrnice MCA zatížená vysokými poplatky pro IBM se příliš nerozšířila. Proto byla v roce 1988 ohlášena nová 32bitová sběrnice EISA (Extended Industry Standard Architecture).

EISA je koncipována jako konkurence MCA a teoretická propustnost se zvýšila až na 32MB/s. Je to vylepšená ISA (karty mají další řadu pinů) a ve slotech EISA bylo možno použít i karty ISA. Tento standard vytvořilo devět výrobců klonů IBM PC: AST Research, Compaq, Epson, HP, NEC, Olivetti, Tandy, WYSE a Zenith Data Systems. Ti dostali přezdívku „Gang of Nine“. Ani EISA se nijak významně nerozšířila – tato sběrnice se používala pro počítače s vysokými datovými toky a objevovala se převážně u serverů a pracovních stanic.

 

Masového rozšíření se dočkalo až další dílko sdružení VESA – sběrnice VL-Bus (VESA Local Bus). VL-Bus byla uvedena v roce 1992 a podržela si zpětnou kompatibilitu s kartami ISA stejně jako EISA. Jen místo zdvojnásobení výšky konektoru se spolehla na prodloužení ISA slotů. Sběrnice je 32bitová, teoretická maximální propustnost vzrostla na 133 MB/s a mimo grafických karet byla hojně využívana i pro řadiče.

Propustnost sběrnice přestala být limitující, ale VL-Bus má i mnoho nevýhod. Kvůli přímému napojení na paměťovou sběrnici procesoru 486 je možné použít maximálně tři karty (často s problémy), při použití více karet zaráz hrozí problémy s kompatibilitou a je obtížné přizpůsobit tuto sběrnici pro nástupce architektury 486.

Karty pro VL-Bus se objevují už v roce 1992, ale jsou určeny spíše pro highend část trhu – v té době hojně propagované „Windows akcelerátory“ (akcelerace kurzoru, vykreslování oken, práce v 16bitových barvách). Na chudší kupující se dostává až v roce 1994, kdy je k dostání také největší výběr karet od různých výrobců.

VL-Bus ale už o rok později prakticky mizí z trhu kvůli konkurenci v podobě sběrnice PCI a nemožnosti ji efektivně využít pro Pentia. Karty vydané v roce 1995 mají většinou už nové čipy (S3 Trio, ATI Mach) určené hlavně pro PCI sběrnici a sloužily jako upgrade pro konzervativní uživatele. Dnes jsou vyhledávanou komoditou mezi sběrately snažícími se postavit nejrychlejší počítače s procesory 486.

 

 

 

PCI – zkáza mnohých

PCI – zkáza mnohých

Sběrnici PCI (Peripheral Component Interconnect) uvedl Intel oficiálně v roce 1993. Na jejím návrhu ale pracoval už od roku 1990. PCI byla vyvinuta jako náhrada VL-Bus a ze začátku určena pro první procesory Pentium. VL-Bus se totiž s novými CPU Intelu velmi špatně propojovala.

PCI má stejnou propustnost jako VL-Bus, ale jsou u ní vychytány její špatné vlastnosti. Neplatí pro ni už omezení na tři karty a problémy s kompatibilitou mezi kartami. PCI se zpočátku používala u drahých počítačů s Pentii, později se ale dostala i na desky pro 486. První grafické karty se začaly objevovat už roce vydání (1993), ale jednalo se převážně o highend.

První vydanou kartu pro PCI jsem opět nedokázal objevit, ale mezi jedněmi z prvních byl Diamond Viper PCI s čipem Weitek 9000. Tento čip byl ovšem starší než PCI a nepodporoval ji. Proto Diamond použil převodníkový čip Weitek 9001 na sběrnici PCI a problém byl vyřešen podobně jako o desetiletí později při přechodu grafických karet ze sběrnice AGP na PCI Express.

 

 

Příchodu sběrnice PCI využil i dříve mnohem známější Matrox. Uvedl na profesionální trh svou novou řadu karet Ultima a začal experimentovat s prodejem koncovým uživatelům. Do té doby jste karty od Matroxu běžně v obchodu koupit nemohli. Rozmach grafických karet PCI nastal o rok později – nastal doslova boom čipů vyvíjených pro novou sběrnici.

Mladá a dynamická S3 uvedla nejprve profesionální řadu Vision (čipy 864/868/964/968) a poté i Trio 32/64, kterými efektivně zlikvidovala konkurenci v levnějších segmentech trhu. ATI se nenechala zahanbit a zabrala si pro sebe trhy OEM pomocí karet Mach64. Matrox se stále soustředil na profesionály s inovovanou kartou Impression Plus.

I méně známí výrobci vydali své varianty PCI. Velmi plodní byli zejména Trident a Cirrus Logic. Kdo chtěl být konkurenceschopný, ten musel nabídnout už 64bitový čip. Standartem se stal 1 MB paměti rozšiřitelný na 2 MB. Profesionálové si mohli dovolit i 4 MB paměti a pro drtivou většinu nedosažitelné maximum bylo 8 MB.

V roce 1995 je „must have“ vlastností i podpora přehrávání videa v MPEG. I zde vládne S3 a její čipy s obrovským výkonem ve 2D spolu s velkou konkurencí na trhu likvidují mnoho menších výrobců včetně těch zaměřených na profesionály. Jejich drahá řešení se stala velmi rychle zastaralá a výkonem jim lehce konkurovaly běžné a levné karty Trio.

Výrobci zaměření na levné karty ISA nedokázali konkurovat rychlým a levným grafikám PCI a byli buď zkoupeni konkurencí, nebo se zaměřili na jinou část trhu. Takto skončily také firmy Realtek, Avance Logic, HMC, OAK, Western Digital, Macronix, Ark Logic, Alliance Semiconductor a Tseng. Ostatním nastaly zlé časy; na trhu zaplněném výkonnými a levnými kartami se těžko prosazovalo. I dříve úspěšné firmy začaly postupně zkomírat. Příchod 3D akcelerace tento trend ještě umocnil. Většina se ještě pár let držela díky zaměření na čipy pro notebooky, ale i odsud je postupně vytlačila ATI. Tento osud potkal Cirrus Logic, Trident a Chips&Technologies.

 

 

1996 – rok 3D a začátek éry 3Dfx

1996 – rok 3D

3D akcelerace samozřejmě nebyla objevena až v roce 1996. První otevřený a široce uznávaný standard OpenGL vznikl díky firmě Silicon Graphics už v roce 1992 a 3D grafika v různých podobách byla známa už v 80. letech. Ovšem týkalo se to pouze profesionálů a počítačů v cenách miliónů korun, či spíše jejich desítek a stovek. OpenGL navíc nepodporovalo vykreslování textur nutné pro výrazně lepší vzhled her. Pro hry ani nebylo určené. První herní karty jej tedy nepodporovaly a každý výrobce si razil cestu pro vlastní programovací rozhraní.

Neexistence všeobecně uznávaného standardu se projevila na malém počtu podporovaných her. Výrobci grafik museli přesvědčit vývojáře, aby upravili hru na jejich karty. Obvykle jste ke kartě dostali jednu upravenou plnou hru a nějaké ty demoverze dalších her a museli jste se modlit, aby vývojáři nových her na vaši grafiku nezapomněli.

První herní grafickou kartou byl Creative 3D Blaster sběrnici pro VL-Bus. Prodával se od vánoc roku 1995 a úspěch moc neměl. Byl drahý, fungoval jen na 486kách (kvůli VL-Bus) a rychlostí také zrovna neoplýval. Neúspěch dorazil nezájem vývojářů a po první vlně nasmlouvaných her už žádná další nedorazila.

Tou dobou byl k sehnání i Diamond Edge 3D s prvním čipem NV1 od čerstvě založené společnosti Nvidia. Diamond Edge 3D dopadl stejně neslavně jako 3D Blaster. Karta sice už měla sběrnici PCI, ale i naprostý nedostatek her – většinu tvořily konverze z konzole Sega Saturn.

Obě karty byly rychle zapomenuty po vydání DirectX 3 v září 1996. Tato verze obsahovala komponentu Direct3D umožňující akceleraci 3D grafiky. Microsoft se inspiroval u techniky renderování prověřeného OpenGL a Creative i Diamond nebyli schopni nabídnout kompatibilní ovladače. Stejně dopadly i méně známé karty: Artist Graphics 3GA a Tasmania 3D s čipem od Yamahy.

Na jaře a v létě roku 1996 se začaly objevovat i karty od ostatních výrobců. ATI uvedla 3D Rage a na podzim i 3D Rage II, S3 vydala ViRGE a „profi“ ViRGE/VX (na podzim přidali i DX a GX variantu), Matrox to zkusil s Mystique a Rendition dodal Vérité 1000.

Všechny tyto karty už zvládly i Direct3D, ale primárně se spoléhaly na podporu vývojářů pro jejich vlastní API. Direct3D v době jejich vydání nebyl ještě k dispozici a stále se hodně hrálo v DOSu. Windows 95 musely bojovat o přízeň hráčů a ani vývojáři nebyli z Direct3D moc nadšení. Dalším společným prvkem byl i naprostý nedostatek výkonu. Hry sice vypadaly lépe (hlavně díky bilineárnímu filtrování), ale plynule se daly hrát většinou jen v rozlišení 320 × 240. Oblíbenosti nepřidal ani vysoký počet různých bugů – velká část karet nepodporovala některé efekty, popřípadě je zobrazovala špatně.

Názor na 3D akceleraci změnil až další nováček na trhu - 3Dfx se svým prvním čipsetem Voodoo 1. Ten byl hotový už v roce 1995, ale firma nedokázala zaujmout žádného výrobce grafických karet. Voodoo 1 vyžadovala ve své době příliš mnoho (4 MB) drahých pamětí a cena by vystoupala až k 500 USD. Na trh se tedy karty dostaly až po cenovém pádu paměťových modulů a nástupu dalších 3D akcelerátorů na trh. Prodej začal v říjnu 1996 s cenovkou 299 USD.

Voodoo 1 se nejvíce proslavilo díky výraznému zlepšení vzhledu nového 3D hitu Tomb Raider. Následovala podpora pro Quake 1 a Voodoo se rychle stalo synonymem pro 3D akceleraci. Karta měla výrazně vyšší výkon než veškerá konkurence, žádné problémy s ovladači a zvládala i akceleraci v rozlišení 640 × 480 při použitelném počtu snímků za sekundu. Bonusem navíc bylo vlastní jednoduché API Glide a bezproblémová podpora Direct 3D. OpenGL sice k dispozici nebylo, ale hry založené na Quake enginu byly podporovány přes ovladač MiniGL.

Úspěch Tomb Raideru a Voodoo přesvědčil i ostatní vývojáře a brzy bylo nemyslitelné nepodporovat Voodoo v jakékoliv 3D hře. Jedinou nevýhodou byla absence jádra VGA – Voodoo 1 je pouze přídavný akcelerátor propojovaný kabelem VGA s grafickou kartou.

 

Tuto slabinu měla vyřešit na jaře 1997 vydaná Voodoo Rush. Je to upravená verze Voodoo 1 na jednom PCB společně s 2D čipem. Tento počin nebyl bohužel plně kompatibilní s Voodoo 1 a mnoho starších her na Rush prostě nefungovalo. Na vině byli sice programátoři her a vše se vyřešilo vydáváním patchů (sehnat v té době patch nebylo zas tak jednoduché – internet ještě nebyl tak rozšířený), ale i tak byla Rush hodně kritizována. Používala navíc 2D čipy od různých výrobců a ne všechny byly bezproblémové. Rush si tak nezískala dobrou pověst, ale stále se jednalo o kartu výrazně výkonnější než cokoliv od konkurence.

 

Další rok s Voodoo v hlavní roli

Rok 1997 se nesl opět ve znamení 3Dfx – Voodoo zcela ovládlo trh a nic lepšího ani koupit nešlo. Konkurence začala vystrkovat růžky až na podzim. V září se začíná prodávat Vérité V2200 od Renditionu už s 8 MB paměti a výkonem občas i vyšším než Voodoo 1. Už v květnu byla ohlášena i Permedia 2 od 3DLabs také s 8 MB paměti. Ta byla ale spíše určena poloprofesionálním uživatelům a nesoustředila se tolik na hry.

Voodoo jednoznačně překonala až Riva 128 od Nvidie prodávaná od srpna 1997. Ta byla ovšem limitována jen 4 MB paměti a rychlejší byla jen v Direct3D. 3Dfx mělo ovšem širokou podporu u vývojářů díky vlastnímu API Glide a v něm naopak často vedly karty Voodoo. Někteří další výrobci sice uvedli nové či vylepšené varianty svých čipů, ale výkonem se stále nedostali na úroveň Voodoo 1 (ATI 3D Rage Pro, Chromatic Mpact 2, Cirrus Logic Laguna3D, Trident 3DImage, SiS 6326).

V květnu 1998 se začala prodávat vylepšená verze Rivy 128 – 128ZX, ale ta měla jen podporu AGP 2×, 8 MB paměti a vylepšený RAMDAC. Karty tudíž sice zvládaly vyšší rozlišení, ale na herním výkonu se to nijak pozitivně neprojevilo.

 

V poslední části seriálu projdeme zlatou érou 3Dfx, snahu o konkurenci ze strany S3, ATI, sílení Nvidie s Rivou TNT a především první GeForce 256. Tím se přeneseme až do roku 2001, který v podstatě znamenal konec té skutečně zajímavé historie grafických karet. Současný nudný stav s velmi podobnými dedikovanými grafickými kartami dvou společností už součástí seriálu nebude.

Přečtěte si také:

• 25 nejpovedenějších grafik všech dob podle EHW
• 25 největších propadáků mezi grafickými kartami
• Historie počítačů I. – počítačový pravěk
• Historie počítačů IX. – konec hardwaru
• Budoucnost počítačů X. – laserové, kvantové a DNA
• Seriál: Historie procesorů x86 – 1. díl
• Seriál: Historie procesorů x86 – 4. díl