La carte graphique, souvent appelée GPU (Graphics Processing Unit), est un composant spécialisé dans le traitement graphique. Elle participe notamment à la création des images affichées sur l'écran : interface du système d'exploitation, photographies, vidéos, animations, jeux vidéo, modèles en trois dimensions et représentations scientifiques.

Le terme GPU désigne plus précisément le processeur graphique. Une carte graphique dédiée contient également de la mémoire vidéo, un système d'alimentation, un système de refroidissement et différents circuits permettant de communiquer avec l'ordinateur et les écrans.

Le rôle du GPU

Le CPU et le GPU travaillent ensemble, mais ils n'effectuent pas exactement les mêmes tâches. Le processeur central exécute le programme qui commande le rendu, prépare les données et organise les opérations, tandis que le GPU est particulièrement efficace pour effectuer en parallèle les nombreux calculs nécessaires à la production des images.

Dans un jeu vidéo en trois dimensions, le programme peut par exemple fournir au GPU les informations concernant les objets, leur position, leur géométrie, leurs textures, les sources lumineuses et la caméra. Le GPU transforme ensuite ces données en une image composée de pixels.

Le rendu d'une image

Pour produire une image en trois dimensions, le GPU doit effectuer plusieurs étapes de calcul. Il traite notamment la géométrie des objets, leur position dans la scène et la manière dont ils sont vus depuis la caméra virtuelle.

Les surfaces des objets sont ensuite recouvertes de textures et soumises à différents calculs permettant de déterminer leur couleur et leur apparence.

Le GPU calcule également l'influence des sources lumineuses, les ombres, les réflexions et d'autres effets graphiques. Une fois le traitement terminé, le résultat final est transformé en une image constituée de millions de pixels.

Le parallélisme du GPU

La grande particularité du GPU est sa capacité à réaliser un très grand nombre de calculs en parallèle.

Un CPU possède généralement relativement peu de cœurs très polyvalents et complexes. Un GPU possède quant à lui un très grand nombre d'unités de calcul conçues pour traiter efficacement de nombreuses opérations similaires en parallèle.

Cette architecture est particulièrement adaptée aux images, car une grande quantité de calculs peut être effectuée simultanément pour les différents sommets, pixels ou éléments d'une scène.

Les unités de calcul

Un GPU moderne contient de nombreuses unités de calcul. Leur organisation varie selon l'architecture utilisée par le fabricant, mais elles sont regroupées en ensembles permettant d'exécuter efficacement des calculs parallèles.

Ces unités peuvent effectuer des opérations mathématiques sur de grandes quantités de données. Elles sont notamment utilisées pour transformer les coordonnées des objets, calculer les couleurs des pixels ou réaliser différents effets graphiques.

La mémoire vidéo (VRAM)

Une carte graphique dédiée possède généralement sa propre mémoire appelée VRAM (Video Random Access Memory).

Elle contient notamment les textures, les données géométriques, les images intermédiaires et les informations nécessaires au rendu. Le GPU peut ainsi accéder directement à ces données sans devoir transférer en permanence les informations depuis la RAM principale.

La quantité de VRAM est exprimée en Go. Une quantité importante peut être nécessaire pour les jeux utilisant de très grandes textures, les hautes résolutions, la modélisation 3D, le montage vidéo ou certains calculs scientifiques.

La bande passante mémoire

La capacité de la VRAM n'est pas le seul élément important. Le GPU doit également pouvoir y lire et y écrire de grandes quantités de données rapidement.

La bande passante mémoire correspond à la quantité de données pouvant être transférée entre le GPU et sa mémoire pendant une seconde. Elle dépend notamment de la vitesse de la mémoire et de la largeur du bus mémoire.

Une carte graphique disposant de davantage de VRAM n'est donc pas nécessairement plus rapide qu'une autre. Les performances dépendent de l'ensemble de l'architecture du GPU et de sa mémoire.

Les GPU intégrés

Un GPU intégré est directement intégré au processeur ou, selon les architectures, au même ensemble électronique que le processeur.

Il ne possède généralement pas de mémoire vidéo dédiée importante. Il utilise une partie de la RAM principale de l'ordinateur pour stocker les données graphiques.

Cette solution consomme généralement moins d'énergie et occupe moins de place qu'une carte graphique dédiée. Elle convient notamment à la bureautique, à la navigation Internet, à la lecture vidéo et à de nombreux usages courants.

Les cartes graphiques dédiées

Une carte graphique dédiée est un composant distinct installé dans l'ordinateur. Elle possède son propre GPU, sa propre mémoire vidéo et ses propres circuits d'alimentation.

Elle est généralement connectée à la carte mère par un emplacement PCI Express. Elle peut ainsi bénéficier d'une alimentation et d'une bande passante adaptées à ses besoins.

Les cartes graphiques dédiées haut de gamme sont utilisées pour les jeux vidéo exigeants, la création 3D, le montage vidéo, les effets spéciaux, les simulations scientifiques et de nombreux autres calculs nécessitant une grande puissance parallèle.

Les sorties vidéo

Une carte graphique doit finalement transmettre l'image calculée vers un ou plusieurs écrans. Elle possède donc des sorties vidéo.

Les interfaces courantes comprennent notamment HDMI et DisplayPort. Elles permettent de transmettre l'image numérique et, selon la configuration, le son vers un écran ou un autre équipement compatible.

Une carte graphique peut gérer plusieurs écrans simultanément, à condition que son GPU, ses sorties vidéo et ses pilotes prennent en charge cette configuration.

La résolution et la fréquence d'affichage

L'image affichée sur un écran est constituée de pixels. La résolution indique le nombre de pixels présents horizontalement et verticalement.

Une image en 1920 × 1080 contient par exemple plus de deux millions de pixels. Une résolution plus élevée demande donc au GPU de traiter davantage de pixels pour chaque image.

La fréquence d'affichage, exprimée en hertz, indique combien d'images l'écran peut afficher chaque seconde. Un écran à 60 Hz peut afficher jusqu'à 60 images par seconde, tandis qu'un écran à 144 Hz peut en afficher jusqu'à 144.

Pour profiter d'une fréquence d'affichage élevée dans un jeu, le GPU doit être capable de produire suffisamment d'images par seconde. La puissance nécessaire augmente généralement avec la résolution et la complexité graphique.

Les images par seconde

Le nombre d'images produites par le GPU chaque seconde est souvent exprimé en FPS (frames per second).

Un jeu fonctionnant à 120 FPS produit environ deux fois plus d'images par seconde qu'un jeu fonctionnant à 60 FPS. Cela peut rendre les mouvements plus fluides, à condition que l'écran soit également capable d'afficher ces images à une fréquence suffisamment élevée.

Le nombre de FPS dépend notamment de la puissance du GPU, du CPU, de la résolution utilisée, de la complexité de la scène et des réglages graphiques.

Les shaders

Une grande partie du rendu graphique est réalisée par des programmes spécialisés appelés shaders. Ils indiquent au GPU comment traiter les différents éléments d'une scène.

Certains shaders travaillent sur les sommets des modèles 3D, d'autres déterminent l'apparence des pixels. Ils permettent de calculer des effets comme les éclairages, les ombres, les textures, les reflets ou différents effets de post-traitement.

Le ray tracing

Certaines cartes graphiques modernes disposent d'unités spécialisées pour accélérer le ray tracing, ou lancer de rayons.

Cette technique simule le parcours des rayons lumineux afin de calculer plus précisément certains phénomènes comme les réflexions, les ombres ou les interactions de la lumière avec les surfaces.

Le ray tracing peut produire des images très réalistes, mais ces calculs sont particulièrement lourds. Les GPU modernes peuvent donc utiliser des unités spécialisées et différentes techniques d'optimisation pour accélérer leur réalisation.

L'intelligence artificielle et le GPU

Les capacités de calcul parallèle des GPU sont également utiles dans des domaines qui ne concernent pas directement les images.

Ils peuvent effectuer efficacement certains calculs matriciels et numériques utilisés dans l'intelligence artificielle, les simulations scientifiques, l'analyse de données, la recherche médicale ou encore certains calculs techniques.

Des unités spécialisées peuvent également être intégrées aux GPU pour accélérer certains calculs liés à l'intelligence artificielle.

Les performances d'une carte graphique

Les performances d'une carte graphique dépendent de nombreux paramètres. On peut notamment prendre en compte l'architecture du GPU, le nombre et le type de ses unités de calcul, sa fréquence, sa mémoire vidéo, sa bande passante mémoire et les unités spécialisées qu'il possède.

La quantité de VRAM ne suffit donc pas à déterminer la puissance d'une carte graphique. Une carte disposant de davantage de mémoire peut être moins performante qu'une autre possédant moins de VRAM mais un GPU plus puissant.

La consommation et le refroidissement

Les GPU puissants effectuent un très grand nombre de calculs et peuvent donc consommer une quantité importante d'énergie.

Cette énergie est en grande partie transformée en chaleur. Les cartes graphiques dédiées possèdent donc généralement un radiateur associé à un ou plusieurs ventilateurs.

Les modèles très puissants peuvent utiliser des systèmes de refroidissement plus importants, voire un refroidissement liquide. Le système de refroidissement doit maintenir le GPU et sa mémoire dans des conditions de température compatibles avec leur fonctionnement.

Le GPU et les pilotes

Le système d'exploitation doit disposer d'un pilote graphique pour communiquer correctement avec le GPU.

Le pilote traduit notamment les demandes des logiciels et du système d'exploitation en opérations compréhensibles par le matériel graphique. Il permet également d'exploiter les différentes fonctions du GPU et d'assurer sa compatibilité avec les applications.

Les jeux et les logiciels professionnels peuvent utiliser différentes interfaces de programmation graphique, comme Direct3D, Vulkan ou OpenGL, afin de communiquer avec le matériel graphique par l'intermédiaire du système et de ses pilotes.