Cartes 3d : historique

Aujourd'hui, la 3D est le domaine à la mode dans le monde informatique. L'essor actuel de la 3D se manifeste dans de nombreux domaines et en particulier dans les logiciels de jeu. A travers ces jeux, nous sommes amenés à manipuler des objets et des personnages virtuels qui évoluent dans des décors ou des paysages fictifs. Cela ressemble à la réalité, et pourtant chaque image de ces séquences animées est calculée en temps réel par l'ordinateur. Les technologies utilisées pour créer cette impression de réalisme des décors, des objets, des personnages sont en fait très élaborées. Le PC doit effectuer une masse énorme de calculs pour produire ces images en 3D à une cadence suffisante de 25 images par seconde (fluidité d'image de la télévision). Mais pour soutenir ce rythme, le processeur de l'ordinateur ne suffit pas. Il doit être aidé par un calculateur spécialisé, appelé accélérateur graphique (chipset de la carte graphique).

Cartes de première génération

Série 1

Avec l'arrivée de jeux nécessitant de plus en plus de puissance, les constructeurs ont été dans l'obligation de créer des cartes dédiées à l'accélération 3D, afin de soulager le processeur. Ces cartes ont pour mission d'alléger le processeur en calculant à sa place le grand nombre de polygones demandés. Certaines de ses cartes permettent même de filtrer des scènes, c'est-à-dire de lisser les pixels indésirables. Ces cartes possèdent un unique moteur de rendu (1 pipeline).

3Dfx sort la Voodoo et reste largement seul en tête. Ses concurrents directs, Matrox (avec la Mystique 220), S3 (avec la S3 Virge), et ATI avec le Rage PRO ne peuvent rivaliser: la Voodoo est rapide, le rendu est sublime, et surtout ses performances dépendent très peu de la configuration.

Série 2

Ce sont les 3Dfx Voodoo 2 (qui feront aussi de la 2D avec la Banshee). La 3Dfx 2 n'est qu'une 3Dfx 1 à qui on a rajouté de la mémoire et doublé le nombre de pipelines (il y en a 2). Ce sont les premières cartes à disposer de deux pipelines de rendu en parallèle, mais ils fonctionnent en couple (pas possible que deux pixels différents soient traités en même temps).

La 3Dfx 2 possède encore une astuce : Le mode SLI qui permet de mettre deux 3Dfx 2 dans un même ordinateur pour doubler les performances.

Malgré peu de nouveautés, avec la 3Dfx 2 les performances sont au rendez-vous face à la concurrence et 3Dfx ressort largement gagnant du combat. Matrox sort le PowerVR, un chip développé par lui qui fait un véritable flop Nvidia arrive à sortir avec, hélas plus de 6 mois de retard sa carte TNT (NV4), dont les performances, proches des 3Dfx, restent inférieures.

Série 3

3dfx contre-attaque avec le Voodoo 3, Nvidia avec le TNT2, et les autres concurrents comme ATI, Permedia ne peuvent rivaliser. Ces cartes n'ont rien de révolutionnaire: Le Voodoo 3 est en fait un chip condensant les 6 chips du Voodoo 2 SLI. Il s'agit donc simplement de 2 Voodoo 2 en parallèles. Le TNT 2(NV5) est une version accélérée du TNT, gérant entre autre, plus de mémoire, des textures plus grandes, un RAMDAC accéléré, ...

Dès lors 3Dfx partage la tête avec ses concurrents et perd son avance.

Leurs FillRate sont proche de 300 Mpixel/s ce qui est tout de même considérable.

Les jeux sont évidemment de plus en plus beaux et les effets de plus en plus nombreux.

Structure des cartes de première génération

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Cartes de seconde génération

Le GeForce (NV10)

Nvidia annonce et sort un tout nouveau concept de chip : le NV10 ou GeForce256. Il s'agit cette fois d'un véritable processeur : le GPU (Graphic Processor Unit). Sa structure du GeForce256 est révolutionnaire, il contient 23 Millions de transistors (Contre 10 Millions pour le Pentium II) et il intègre un Moteur Transform & Lightning (T&L).

Lors de la transformation (Transforming) d'une scène 3D, les nombreuses tâches et effets sont très lourds et demandent au processeur, et plus particulièrement à la partie du processeur s'occupant des calculs à virgule flottante (FPU), énormément de ressources. De même, les effets de lumières (Lightening map) sont très gourmands en ressources.

Avec les accélérateurs 3D de plus en plus puissants, la vitesse d'affichage est limitée par le processeur, qui est sans cesse attendu. Les développeurs de jeux doivent donc se limiter dans la complexité des scènes pour ne pas saturer le processeur de polygones trop complexes à traiter. Le processeur devient donc le facteur limitant. Et c'est précisément ici que le NV10 intervient.

Le NV10 est un processeur spécialement dédié au calcul de scènes et il remplace intégralement le processeur. Il prend donc totalement en charge le Pipeline 3D et évite sa saturation. Les scènes que l'on peut calculer avec le GeForce peuvent donc être beaucoup plus détaillées, l'Intelligence Artificielle plus complexe, et l'ensemble beaucoup plus réaliste. Le FillRate du GeForce n'est pas très élevé (tout de même 480 Mpixels/s !), mais il permet de calculer des scènes d'une complexité inégalée.

Le GeForce a une puissance de 15M de triangles /secondes contre 4M pour un Pentium III 550MHz (une scène optimisée pour le moteur T&L est ainsi 600% plus rapide). Il est composé de 4 pipelines de rendu en parallèle, avec un noyau (core) à 120MHz (seulement ?) qui gère l'AGP 4x "Fast-Write" et permet d'écrire directement en mémoire vidéo sans passer par la mémoire système.

Nvidia a aussi construit une version très rapide du GeForce: Le GeForce DDR utilisant de la mémoire DDR.

Remarque: Comme le GeForce est capable de produire beaucoup de polygones par seconde, on peut créer de vraies vagues sur l'eau sans passer par l'effet moins réaliste du Bump Mapping.

Voodoo 4 & 5

3Dfx ne peut rivaliser. Ils perdent beaucoup de parts de marché. Beaucoup leur reprochent leur manque d'innovation. Les 3Dfx Voodoo 1, 2 et 3 ne fonctionnent qu'en couleur 16bits (65536 couleurs), alors que tous ses concurrents travaillent en 32bits (Nvidia dès le TNT, ATI avec le 128GL puis le Radeon). Même si les couleurs sont d'une vivacité rare sur les 3Dfx, les dégradés ne sont pas aussi nuancés, surtout en haute résolution.

3Dfx tente de contre-attaquer avec ses Voodoo 4 & 5, qui sont composés de plusieurs processeurs de Voodoo 3 assemblés ensemble (le chip s'appelle ici le VSA 100). Ces cartes nécessitent une alimentation parallèle et sont basées sur l'architecture Voodoo 1. 3Dfx annonce que son chip ne gère pas le T&L, mais compense par le FSAA (Full Screen Anti-Aliasing) qui permet de gommer TOUS les pixels d'une image en 640x480. D'où il n'y aurait pas d'intérêt de jouer en haute résolution. De plus, le FSAA fonctionne avec toutes les API. Hélas, peu de joueurs semblent convaincus. Le Voodoo 5 5500 AGP est sorti bien après le GeForce et n'est pas aussi performant. Nvidia tente de développer une sorte de FSAA pour le GeForce, mais les résultats ne sont pas concluants.

GeForce 2 GTS (NV15)

Peut de temps après, alors que le GeForce est quasiment sans concurrence, Nvidia annonce ... le GeForce 2 GTS alias le NV15. GTS signifie Giga Texel Shader. Il s'agit d'un GeForce amélioré, il fonctionne à 200MHz au lieu de 120Mhz. Une fois de plus, les performances sont au rendez-vous : il est entre 40% & 80% plus rapide que le GeForce.

Le GeForce dispose d'un moteur de rendu (Texel Engine) avec 4 pipelines (Pixel Engine) alors que le GeForce 2 GTS dispose quand à lui de 2 Texel Engine de 4 pipelines chacun; le FillRate du GeForce 2 GTS est donc de 800M pixels/s !

Le seul problème du GeForce 2 GTS est que la mémoire vidéo (DDR-SDRAM) n'a pas été améliorée et constitue le facteur limitant de ce chip. Il est difficile et coûteux de trouver de la mémoire capable de gérer aussi vite autant de données ! En réalité, il n'existe encore aucune mémoire possédant une bande passante assez importante pour suivre le GeForce 2 GTS. Nvidia aurait pu compenser ce problème en utilisant simplement un BUS 256bits au lieu de 128bits, mais justement, la carte aurait été beaucoup plus coûteuse.

Le GeForce 2 GTS gère également un nouvel effet: le Light Shader qui permet de calculer l´intensité et la direction de la lumière au pixel près en temps réel. Grâce au Light Shader, on peut créer un Bump Mapping amélioré (appelé Bump Mapping Dot Product 3).

Il faut cependant noter que le GeForce 2 GTS est très coûteux. Pour atteindre tout le marché, Nvidia produit le GeForce 2 MX, une version "light" du GeForce 2 GTS. Il fonctionne à 175MHz, chacun des 2 moteurs de rendu ne possède que 2 pipelines au lieu de 4. Et la mémoire n'est plus de la DDR, mais de la SDR (SDRAM).

Résumé des Chips Nvidia:

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Structure des cartes de seconde génération

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Et après ...

Ensuite ?? Les cartes 3d ont connu, dès l'arrivée du GeForce 3 (NV20), une révolution.
En effet, l'arrivée des pipelines programmables a intimement lié l'évolution des cartes graphiques avec celles d'une fonctionnalité de l'API de Microsoft (Direct3d) : Les shaders.
C'est pour quoi cet historique sera poursuivi dans une page leur est réservée, accessible par le menu.



Source World-informatique : La carte graphique