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ビデオカード

びでおかーど

パーソナルコンピュータなどの各種のコンピュータで、映像を信号として出力または入力する機能を、拡張カード(拡張ボード)として独立させたもの。 カードに搭載されているチップやメモリによって描画速度、解像度、3D性能などが異なる。
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概要


IBM PCおよびIBM PC互換機の多くの機種では、ビデオ回路がマザーボード上には実装されておらず、ビデオカードによる拡張が容易である。しかし現在では、ウェブサイト閲覧や電子メールのやり取り、オフィス作業など日常的な作業を行うには支障のない程度の性能を備えた表示回路を組み込んだチップセット(統合チップセット)と、それを搭載したマザーボードが増えており、安価なPCではビデオカードを搭載していないオンボードグラフィック機能を用いるものが一般的である。このため、ビデオカードは高速な3D表示性能やマルチディスプレイ機能を目的として追加される場合が多い。また統合グラフィック機能のUMAによる性能低下を避けるためにビデオカードを追加する場合もある。
ビデオチップカード(チップ)のうち、グラフィック表示を中心としたものをグラフィックカード(チップ)、更にWindowsやOpenGLなど特定の表示環境に最適化したものをグラフィックアクセラレータカード(チップ)と呼ぶ。また「カード」は、「ボード」や「アダプタ」とも呼ばれる。
以上はパーソナルコンピュータ以外のUNIXワークステーションなどでもほぼ同様である。

ビデオカードの構成


ビデオメモリ (VRAM)


VRAM ←詳細はこっち

表示する描画情報を保持するためのフレームバッファとして利用されるメモリ領域。大容量化に伴い、オフスクリーンバッファやシェーディングバッファなどとしても利用されるようになっている。グラフィックチップとは専用バスでポイント・ツー・ポイント接続される。 広帯域で接続したほうが性能的には有利だが、コスト・実装面積・発熱などを優先しグラフィックチップの仕様より狭い帯域幅で接続することもある。
ビデオメモリには高速性と低価格性の両立が求められるため、汎用のDRAMだけでなく専用のRAMが用いられることも多い。かつては専用モジュールによりビデオメモリの増設に対応する製品も存在したが、2000年代以降、ビデオメモリの増設に対応したビデオカードは存在していない。
実装面積を重視するモバイル用途ではグラフィックチップのLSIパッケージにビデオメモリ用RAMを同梱している製品も存在する。

ビデオメモリとして用いられたRAM


EDO DRAM
WRAM
SDRAM
SGRAM
DDR SDRAM
DDR2 SDRAM
DDR3 SDRAM
DDR SGRAM (GDDR)
GDDR2
GDDR3
GDDR4
GDDR5

Unified Memory Architecture (UMA)


Unified Memory Architecture (UMA)とは独立したビデオメモリを持たず、メインメモリと共有するシステムである。シェアメモリ・共有メモリなどとも呼ばれる。
メインメモリは同世代の専用ビデオメモリと比較すると低速であり、システムとメモリ帯域を共有するためシステムパフォーマンスが低下するなどのデメリットがある。反面、実装面積が少なく省スペース性に優れる、部品点数が少なく安価であるなどのメリットがあり、チップセット統合グラフィックス機能で多く採用されている。
メインメモリの高速化に伴い、単体型のグラフィックチップにおいてもNVIDIA社のTurbo Cache、AMD社のHyperMemoryなどメインメモリをビデオメモリ領域として利用する技術が登場している。

内部インターフェイス


ビデオカードとシステムを接続するためのインターフェイス。データ転送用に高速な専用バスを用いることが多い。

主なビデオカード用内部インターフェイス


PCI
PCI Express

レガシー企画(現在ではほとんど使われない)

ISA
MCA
EISA
VLバス
AGP

その他の内部インターフェイス


またHDMIの普及黎明期には、ビデオカード上のHDMI出力端子から音声を出力する為に、基板上にS/PDIF入力インターフェイスを供える製品も登場している。
その他、マルチGPU技術の制御用端子やビデオキャプチャカードとの連携用端子などのオプション機能用の端子が搭載されることも多い。

外部インターフェイス


ビデオカードの出力をディスプレイなど表示デバイスに接続するためのインターフェイス。当初はアナログRGB出力が一般的だったが、04年頃からDVI-I出力も備えマルチディスプレイ機能に対応するものが一般的になってきている。 S-Videoやコンポジットによるビデオ出力の他、コンポーネント出力を搭載する製品や、HDMI出力、DisplayPortを搭載する製品も出現している。

アナログRGB
DVI
HDMI
DisplayPort
S-Video
コンポジット
コンポーネント

ビデオBIOS


ビデオカードに搭載されているBIOS。起動直後などシステムがリアルモードで動作している際にVGA互換モード表示機能を提供するためVGA-BIOSなどと呼ばれることもある。ビデオカード基板上のROMチップに格納されている。PC/ATと異なるアーキテクチャであるPC-9821シリーズなどでは、オンボードでグラフィック機能を持っており、それ専用のビデオBIOSが既に実装されているため、ビデオカード上のビデオBIOSを無効にしておかないと起動阻害が発生する。

冷却機構


ビデオカードはPC内部で最も消費電力や発熱量が大きいパーツの一つであり、特に高性能なハイエンド製品では強力な放熱・冷却が必要となる。隣接する拡張スロット用空間を占有してしまうほど巨大なファンやヒートシンクを備える製品が2003年頃から登場し、現在ではハイエンド製品では一般的となっている。1スロットのみ占有するタイプであっても隣のスロットはなるべく空けておくのが放熱の上では好ましい。
一方、ローエンドな製品では発熱が少なくファンレス仕様の物もある。

補助電源


ビデオカードの登場以来、駆動に必要な電力はデータインターフェースから供給されるのが一般的であったが、2000年代初頭頃からのGPU消費電力の増大に伴い、データインターフェース経由の給電を補うための専用電源インターフェースが登場し、ミドルレンジ以上の製品での搭載が一般化した。
一般に補助電源と呼ばれており、6ピン1つで75W、8ピンが150Wとなっている。

ビデオカードの歴史


以下、IBM PC(とその末裔)のビデオ設計としてのビデオカードについて主に述べる。

IBM PCのビデオカード採用


1981年のIBM PCは、当時のみならず後のパーソナルコンピュータでも普通に見られた、ビデオ回りのハードウェアをオンボードで固定したものにはせず、ビデオカードとして独立させる設計を採用した。
IBM PCはビデオサブシステム(ビデオチップ等)を本体(マザーボード)にではなく、拡張カード(IBMはアダプターと呼ぶ)に搭載した。IBM PCの発売時には2種類のビデオカード(テキストモードのみのMDAと、グラフィックモードを持つCGA)が提供され、用途により選択・交換できた。
この拡張性により、IBM PCファミリーおよびIBM PC互換機では、ユーザーは本体を買い換えなくても、各社から販売される多様なビデオカードに交換(種類によっては追加して共存)し、対応したディスプレイとソフトウェアを使用すれば、より高速・高解像度な表示環境を得られるようになった。中でもHerculesのHGCは広く使われた。日本での東芝のダイナブック(初代J-3100 SS)も、CGAをベースに独自の日本語モード(640x400)を追加したものだった。
一文字テキスト出力(int 10h, ah=0eh)のような、BIOSの提供する機能としては高水準の機能を用意し(この機能を提供するBIOS ROMは本体ではなくビデオカードに載る)、MS-DOSなどはそちらを使うようにすることで、ハードウェアの差異に対するソフトウェアの互換性を確保した

EGAの登場と上位互換


1984年のPC/ATではEGAが標準搭載されたが、これはMDAおよびCGAの上位互換であり、MDAとCGAの主要な表示モードを含んでいた。表示モードはソフトウェアで容易に切替できたため、下位の画面モードにしか対応していないソフトウェアも継続して使用できた。この上位互換は、その後の主要なビデオ規格でも継承され、また複数の画面解像度(走査周波数)に自動対応できるマルチスキャン方式のディスプレイが普及した。
EGAは広く普及し、各社がEGA上位互換のグラフィックチップやカードを製造した。日本でのAX規格のJEGAボードも、EGAをベースに独自の日本語モード(640x480)を追加したものだった。

VGAの登場と事実上の標準


1987年のPS/2ではVGAが搭載された。PS/2ではVGAチップはマザーボード上に搭載された(規格名称もAdapterからArrayになった)が、ビデオカードによる拡張性(置換え可能)は維持された。また従来のPC/AT(および互換機)用にもATバス用のVGA搭載ビデオカードが提供された。EGAの時と同様に上位互換性も維持され、VGAはEGAの画面モードを含み(従ってビデオ規格としてのVGAは、今でもMDAやCGAの各画面モードも含んでいる)、更に独自の画面モード(640x480、16色など)が追加された。
VGAは急速に普及し、PC/AT互換機でもVGAは事実上の標準となった。現在でもOSのインストール画面などはVGA表示を使用しているものが多い。日本IBMのPS/55はPS/2ベースで、前半は日本独自のディスプレイアダプター(1024x768、XGAとは別規格)を搭載していたが、英語モード(英語DOSおよび後のDOS/V)ではマザーボード上のVGAが使用できた。更にPS/55も後半(1990年の5535-S以降)は、徐々にVGA(のみ)や、後述のXGAや各種SVGAに移行した。

SVGAとXGA


各社から多様なVGA上位互換(SVGA)カード(チップ)が提供された。なおSVGAは各社のVGA上位互換カード(チップ)の総称であり、特定の規格や解像度ではない。ただし、各社独自の拡張モード間では互換性は無かったため、VESAがVBEとして共通となるモードを標準化した。この中で有名なのが初期の800x600画面解像度であり、俗に言われる「SVGAの解像度は800x600」の元となった。
1990年代の有名なXGAおよびSVGAのビデオカード(ビデオチップ)には以下があった。
IBMのXGA、XGA-2
Tseng Labs の ET4000 シリーズ(多数の各社ビデオカードに搭載)
ATI の ATI Graphics Ultra シリーズ
Diamond の Diamond Stealth シリーズ(S3 86C911などを搭載)
IBMのXGAは、VGAと8514の上位互換(広義にはSVGAの一種だが、歴史的にSVGAと呼ばない事も多い)で、独自の1024x768 256色などの表示モードが追加され、MCA用とISA用のカードが登場した。XGAはマルチメディアを意識した設計であったが、高価な割には高速ではなかったためにIBM製のPC以外には広く普及せず、IBMはXGAの後には他社のSVGAチップを使用するようになった。
SVGAの中でもS3社の86C911は、ビデオサブシステム回路の複数のLSIをワンチップ化した世界初のグラフィックチップで、従来はCPUが行っていた描画処理のうち使用頻度の高いBitBltなどに対しアクセラレーションを行うことで非常な高速性を実現する画期的な製品となった。これらWindowsに特化したグラフィックアクセラレータはウィンドウアクセラレータとも呼ばれるようになった。
また1990年代は拡張バス規格の移行期でもあり、PC/AT互換機ではISA、VLバス、PCI、AGPなど各種のビデオカードが登場し、多数の組み合わせで競争や比較が行われた。またMacintoshも、Power Macintoshの第二世代から、NuBusからPCIに移行した。

日本の状況


世界の中でも日本だけは、PC-9801シリーズ、FMRシリーズ、マルチステーション5550などや、更にはIBM PC互換機ベースであるダイナブック、AX(JEGA)、PS/55(前半)でも、日本語表示モードでは固定解像度が主流の時代が続いた。
しかし1990年代にはDOS/VやMicrosoft Windowsなどグラフィック中心の使用形態が普及した影響もあり、各社はPC/AT互換機に移行した。この結果、日本でもビデオカードが一般化したが、以上の経緯により国内のPC/AT互換機の大多数は最初からVGA以上を搭載している。
現在では「ビデオカード(チップ)」は「グラフィックカード(チップ)」と呼ばれる場合が増えたが、ビデオカードはグラフィックチップの進化と共に高性能化・多機能化しつつ今日に至っている。

ビデオカードのメリットとデメリット


メリット


描画性能の向上
システム性能の向上(元がUMAであった場合)
マルチディスプレイ機能などの獲得
保守性の向上
CPUの負荷が軽減される(グラフィック描画の処理が、CPUから外れる)

デメリット


消費電力の増加(電気代の経済的負担だけでなく、電源ユニットも比較的高額な高電力タイプが求められる)
接続部位の増加による信頼性の低下
隣接PCI Expressスロットへの圧迫(厚みの大きいビデオカードを挿入する事で隣接スロット挿入必要スペースが侵食され、物理的に使用不可となるケースが多い)
支出の割には性能水準陳腐化のペースが速く、グラフィック処理の高性能さを求められるソフト(例:3DCG作成レンダラー、フライトシミュレーションゲーム、動画加工オーサリングソフトなど)のバージョンアップに合わせ、買い替えが必要となるケースが生じ易い

その他


ノートパソコン


ノートパソコンではビデオチップがオンボード実装されているか統合グラフィック機能を用いている製品が一般的であり、ビデオカードの増設は基本的に不可能である。miniAGPをはじめ、NVIDIAのMXMやATI TechnologiesのAXIOMといった拡張インターフェース規格が策定されているが、これらはPCの製造メーカーが複数ラインナップを揃えやすくすることを目的とした規格であり、エンドユーザーのアップグレード手段として意図されているものではない。この為、対応製品はほぼ出回っておらず、構造もユーザーによる交換を前提としていないことが多い。 なお、マルチディスプレイ機能を提供する為のPCカード接続タイプやUSB接続タイプのグラフィックアダプタが一部で提供されている。

オンボード


マザーボードが持つグラフィックス機能を総括してオンボードグラフィックまたはオンボードビデオと呼ぶことが多い。
これは、単体のグラフィックチップをマザーボードの基板に直接実装したものと、統合チップセットのグラフィックス機能を利用したものに大別される。基板に実装するタイプは高性能ノートパソコンやサーバ向けマザーボードで用いられる。統合チップセットの登場以前は低価格機のグラフィックス機能はこのタイプを用いたものが多く、「オンボード」という呼称はこの形態に由来する。
統合チップセットは1999年に発表されたIntel 810以降、安価かつ省スペース性に優れるため急速に普及し、PCグラフィックス機能の主流となっている。 多くのユーザーが一般的な用途で求める程度の性能に留まるため、高負荷な3D描画能力を求められる用途には向いていない。 Unified Memory Architecture(UMA)によりビデオメモリ用として確保・占有される一部のメインメモリ領域はシステムから使用できなくなり、実効メモリ容量が減少する。
そして最近の主流はCPU内蔵になりつつある。Intelの第2世代Coreとか、AMDのFusion APUとか。IvyBridge世代の内蔵はそれなりに侮れない。

ビデオカードメーカー

かつてビデオカードはダイヤモンド・マルチメディアやELSAなどの各ビデオカードメーカーがベンダーからGPUを購入し、設計・製造を行ったものが販売されていた。しかしこの方式はメーカーごとの製品の品質のばらつきが大きいという問題があった。この為、ベンダーがGPUに対応するビデオカードのリファレンスデザインをメーカーに提供し、メーカーはリファレンスデザインに沿った製品の販売を行うという形態が2000年代頃から主流になった。これに伴い、2000年代後半以降はASUSTeK Computer、GIGABYTE、MSIなどのマザーボードメーカーが手がけるビデオカード製品が多くを占めるようになっている。
一般的なビデオカードメーカーは複数のGPUベンダーのビデオカード製品を取り扱うが、サファイア・テクノロジーのように特定のGPUベンダーのビデオカード製品しか扱わない例もある。 またベンダー自身がビデオカードの販売までを行う例もある。これに該当する例としてはMatrox Graphicsが挙げられる他、かつてはATI Technologies、3Dfx、3DLabsもビデオカードの製造・販売を行っていた。
ビデオカードメーカーがビデオカードの販売時に独自のブランドを用いる場合もある。これらの例としてはInnoVisionのInno3D、AOpenのXiAiなどがある。

国内メーカー


国内メーカーではアイ・オー・データ機器(挑戦者ブランドも展開)・バッファロー(玄人志向ブランドを含む)などの周辺機器メーカーがビデオカードの販売を手がけている。特にカノープスはリファレンスデザインと異なる独自開発の基板およびドライバを採用したビデオカードの製造・販売を行い、マニア層を中心にかつて人気を博していたが、現在はビデオカード事業から撤退している。
またNECも産業向けワークステーション製品のビデオカードを一部製造・販売している。

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