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TARJETA MADRE O MAINBOARD
La placa base, también conocida como placa madre o tarjeta madre (del
inglésmotherboard o mainboard) es una tarjeta de circuito impreso a la que se conectan los
componentes que constituyen la computadora u ordenador. Es una parte fundamental a la
hora de armar una PC de escritorio o portátil. Tiene instalados una serie de circuitos
integrados, entre los que se encuentra el chipset, que sirve como centro de conexión entre el
microprocesador, la memoria de acceso aleatorio (RAM), las ranuras de expansión y otros
dispositivos.
Va instalada dentro de una caja o gabinete que por lo general está hecha de chapa y tiene un
panel para conectar dispositivos externos y muchos conectores internos y zócalos para
instalar componentes dentro de la caja.
La placa base, además, incluye un firmware llamado BIOS, que le permite realizar las
funcionalidades básicas, como pruebas de los dispositivos, vídeo y manejo del teclado,
reconocimiento de dispositivos y carga del sistema operativo.
Componentes de la placa base
Diagrama de una placa base típica.
Una placa base típica admite los siguientes componentes:
Uno o varios conectores de alimentación: por estos conectores, una alimentación
eléctrica proporciona a la placa base los diferentes voltajes e intensidades necesarios
para su funcionamiento.
El zócalo de CPU es un receptáculo que recibe el microprocesador y lo conecta con
el resto de componentes a través de la placa base.
Las ranuras de memoria RAM, en número de 2 a 6 en las placas base comunes.
El chipset: una serie de circuitos electrónicos, que gestionan las transferencias de
datos entre los diferentes componentes de la computadora (procesador, memoria,
tarjeta gráfica,unidad de almacenamiento secundario, etc.).
Se divide en dos secciones, el puente norte (northbridge) y el puente sur (southbridge). El
primero gestiona la interconexión entre el microprocesador, la memoria RAM y la unidad
de procesamiento gráfico; y el segundo entre los periféricos y los dispositivos de
almacenamiento, como los discos duros o las unidades de disco óptico. Las nuevas líneas
de procesadores de escritorio tienden a integrar el propio controlador de memoria en el
interior del procesador además de que estas tardan en dregadarse aproximadamente de 100
a 200 años.
El reloj: regula la velocidad de ejecución de las instrucciones del microprocesador y
de los periféricos internos.
La CMOS: una pequeña memoria que preserva cierta información importante (como
la configuración del equipo, fecha y hora), mientras el equipo no está alimentado
por electricidad.
La pila de la CMOS: proporciona la electricidad necesaria para operar el circuito
constantemente y que éste último no se apague perdiendo la serie de
configuraciones guardadas.
La BIOS: un programa registrado en una memoria no volátil (antiguamente en
memorias ROM, pero desde hace tiempo se emplean memorias flash). Este
programa es específico de la placa base y se encarga de la interfaz de bajo nivel
entre el microprocesador y algunos periféricos. Recupera, y después ejecuta, las
instrucciones del MBR (Master Boot Record), o registradas en un disco duro o SSD,
cuando arranca el sistema operativo. Actualmente los ordenadores modernos
sustituyen el MBR por el GPT y la BIOS por Extensible Firmware Interface.
El bus (también llamado bus interno o en inglés front-side bus'): conecta el
microprocesador al chipset, está cayendo en desuso frente a HyperTransport y
Quickpath.
El bus de memoria conecta el chipset a la memoria temporal.
El bus de expansión (también llamado bus I/O): une el microprocesador a los
conectores entrada/salida y a las ranuras de expansión.
Los conectores de entrada/salida que cumplen normalmente con la norma PC 99:
estos conectores incluyen:
o Los puertos PS2 para conectar el teclado o el ratón, estas interfaces tienden a
desaparecer a favor del USB
o Los puertos serie, por ejemplo para conectar dispositivos antiguos.
o Los puertos paralelos, por ejemplo para la conexión de antiguas impresoras.
o Los puertos USB (en inglés Universal Serial Bus), por ejemplo para
conectar periféricos recientes.
o Los conectores RJ45, para conectarse a una red informática.
o Los conectores VGA, DVI, HDMI o Displayport para la conexión del
monitor de la computadora.
o Los conectores IDE o Serial ATA, para conectar dispositivos de
almacenamiento, tales como discos duros, unidades de estado sólido y
unidades de disco óptico.
o Los conectores de audio, para conectar dispositivos de audio, tales como
altavoces o micrófonos.
Las ranuras de expansión: se trata de receptáculos que pueden acoger tarjetas de
expansión (estas tarjetas se utilizan para agregar características o aumentar el
rendimiento de un ordenador; por ejemplo, untarjeta gráfica se puede añadir a un
ordenador para mejorar el rendimiento 3D). Estos puertos pueden ser puertos ISA
(interfaz antigua), PCI (en inglés PeripheralComponentInterconnect), AGP (en
inglés AcceleratedGraphics Port) y, los más recientes, PCI Express.
Con la evolución de las computadoras, más y más características se han integrado en la
placa base, tales como circuitos electrónicos para la gestión del vídeo IGP (en inglés
IntegratedGraphicProcessor), de sonido o de redes (10/100 Mbps/1 Gbps), evitando así la
adición de tarjetas de expansión.
Tipos de bus
Los buses son espacios físicos que permiten el transporte de información y energía entre
dos puntos de la computadora.
Los buses generales son los siguientes:
Bus de datos: son las líneas de comunicación por donde circulan los datos externos
e internos del microprocesador.
Bus de dirección: línea de comunicación por donde viaja la información específica
sobre la localización de la dirección de memoria del dato o dispositivo al que se
hace referencia.
Bus de control: línea de comunicación por donde se controla el intercambio de
información con un módulo de la unidad central y los periféricos.
Bus de expansión: conjunto de líneas de comunicación encargado de llevar el bus
de datos, el bus de dirección y el de control a la tarjeta de interfaz (entrada, salida)
que se agrega a la tarjeta principal.
Bus del sistema: todos los componentes de la CPU se vinculan a través del bus de
sistema, mediante distintos tipos de datos el microprocesador y la memoria
principal, que también involucra a la memoria caché de nivel 2. La velocidad de
transferencia del bus de sistema está determinada por la frecuencia del bus y el
ancho del mínimo.
Placa multiprocesador
Una placa con dos procesadores.
Este tipo de placa base puede acoger a varios procesadores (generalmente de 2, 4, 8 o más).
Estas placas base multiprocesador tienen varios zócalos de microprocesador, lo que les
permite conectar varios microprocesadores físicamente distintos (a diferencia de los de
procesador de doble núcleo).
Cuando hay dos procesadores en una placa base, hay dos formas de manejarlos:
El modo asimétrico, donde a cada procesador se le asigna una tarea diferente. Este
método no acelera el tratamiento, pero puede asignar una tarea a una unidad central
de procesamiento, mientras que la otra lleva a cabo a una tarea diferente.
El modo simétrico, llamado multiprocesamiento simétrico, donde cada tarea se
distribuye de forma simétrica entre los dos procesadores.
Linux fue el primer sistema operativo en gestionar la arquitectura de doble procesador en
x86 Sin embargo, la gestión de varios procesadores existía ya antes en otras plataformas y
otros sistemas operativos. Linux 2.6.x maneja multiprocesadores simétricos, y las
arquitecturas de memoria no uniformemente distribuida
Algunos fabricantes proveen placas base que pueden acoger hasta 8 procesadores (en el
caso de socket 939 para procesadores AMD Opteron y sobre socket 604 para procesadores
Intel Xeon).
Tipos
La mayoría de las placas de PC vendidas después de 2001 se pueden clasificar en dos
grupos:
Las placas base para procesadores AMD
o Slot A Duron, Athlon
o Socket A Duron, Athlon, Athlon XP, Sempron
o Socket 754Athlon 64, Mobile Athlon 64, Sempron, Turion
o Socket 939Athlon 64, Athlon FX , Athlon X2, Sempron, Opteron
o Socket 940Opteron y Athlon 64 FX
o Socket AM2Athlon 64, Athlon FX, Athlon X2, Sempron, Phenom
o Socket FOpteron
o Socket AM2 +Athlon 64, Athlon FX, Athlon X2, Sempron, Phenom
o Socket AM3Phenom II X2/X3/X4/x6.
o Socket AM3+Sempron, Athlon II X2/X3/X4, Phenom II X2/X3/X4/X6, FX
X4/X6/X8
Las placas base para procesadores Intel
o Socket 7: Pentium I, Pentium MMX
o Slot 1: Pentium II, Pentium III, Celeron
o Socket 370: Pentium III, Celeron
o Socket 423: Pentium 4
o Socket 478: Pentium 4, Celeron
o Socket 775: Pentium 4, Celeron, Pentium D (doble núcleo), Core 2Duo,
Core 2Quad, Core 2 Extreme, Xeon
o Socket 603Xeon
o Socket 604Xeon
o Socket 771Xeon
o LGA1366Intel Core i7, Xeon (Nehalem)
o LGA 1156Intel Core i3, Intel Core i5, Intel Core i7 (Nehalem)
o LGA 2011Intel Core i7 (Sandy Bridge)
o LGA 1155 Intel Core i7, Intel Core i5 y Intel Core i3 (Sandy Bridge)
Formatos
Las tarjetas madre necesitan tener dimensiones compatibles con las cajas que las contienen,
de manera que desde los primeros computadores personales se han establecido
características mecánicas, llamadas factor de forma. Definen la distribución de diversos
componentes y las dimensiones físicas, como por ejemplo el largo y ancho de la tarjeta, la
posición de agujeros de sujeción y las características de los conectores.
Con los años, varias normas se fueron imponiendo:
XT: es el formato de la placa base del PC de IBM modelo 5160, lanzado en 1983.
En este factor de forma se definió un tamaño exactamente igual al de una hoja de
papel tamaño carta y un único conector externo para el teclado.
1984 AT 305 × 305 mm ( IBM)
o Baby AT: 216 × 330 mm
AT: uno de los formatos más grandes de toda la historia del PC (305 × 279–330
mm), definió un conector de potencia formado por dos partes. Fue usado de manera
extensa de 1985 a 1995.
1995 ATX 305 × 244 mm (Intel)
o MicroATX: 244 × 244 mm
o FlexATX: 229 × 191 mm
o MiniATX: 284 × 208 mm
ATX: creado por un grupo liderado por Intel, en 1995 introdujo las conexiones
exteriores en la forma de un panel I/O y definió un conector de 20 pines para la
energía. Se usa en la actualidad en la forma de algunas variantes, que incluyen
conectores de energía extra o reducciones en el tamaño.
2001 ITX 215 × 195 mm (VIA)
o MiniITX: 170 × 170 mm
o NanoITX: 120 × 120 mm
o PicoITX: 100 × 72 mm
ITX: con rasgos procedentes de las especificaciones microATX y FlexATX de Intel,
el diseño de VIA se centra en la integración en placa base del mayor número posible
de componentes, además de la inclusión del hardware gráfico en el propio chipset
del equipo, siendo innecesaria la instalación de una tarjeta gráfica en la ranura AGP.
2005 [BTX] 325 × 267 mm (Intel)
o Micro bTX: 264 × 267 mm
o PicoBTX: 203 × 267 mm
o RegularBTX: 325 × 267 mm
BTX: retirada en muy poco tiempo por la falta de aceptación, resultó prácticamente
incompatible con ATX, salvo en la fuente de alimentación. Fue creada para intentar
solventar los problemas de ruido y refrigeración, como evolución de la ATX.
2007 DTX 248 × 203 mm ( AMD)
o Mini-DTX: 170 × 203 mm
o Full-DTX: 243 × 203 mm
DTX: destinadas a PCs de pequeño formato. Hacen uso de un conector de energía
de 24 pines y de un conector adicional de 2x2.
Formato propietario: durante la existencia del PC, mucha marcas han intentado
mantener un esquema cerrado de hardware, fabricando tarjetas madre incompatibles
físicamente con los factores de forma con dimensiones, distribución de elementos o
conectores que son atípicos. Entre las marcas más persistentes está Dell, que rara
vez fabrica equipos diseñados con factores de forma de la industria.
Fabricantes
Varios fabricantes se reparten el mercado de placas base, tales como Abit, Albatron,
Aopen, ASUS, ASRock, Biostar, Chaintech, Dell, DFI, ECS EliteGroup, Epox, Foxconn,
Gigabyte Technology, Intel, MSI, QDI, SapphireTechnology, Soltek, Super Micro, Tyan,
VIA, XFX, Pc Chips, Zotac.
Algunos diseñan y fabrican uno o más componentes de la placa base, mientras que otros
ensamblan los componentes que terceros han diseñado y fabricado.
El Procesador
Este es el cerebro del computador. Dependiendo del tipo de procesador y su velocidad se
obtendrá un mejor o peor rendimiento. Hoy en día existen varias marcas y tipos, de
los cuales intentaré darles una idea de sus características principales.
Las familias (tipos) de procesadores compatibles con el PC de IBM usan procesadores x86.
Esto quiere decir que hay procesadores 286, 386, 486, 586 y 686. Ahora, a Intel se le
ocurrió que su procesador 586 no se llamaría así sino "Pentium", por razones de mercadeo.
Existen, hoy en día tres marcas de procesadores: AMD, Cyrix e Intel. Intel tiene varios
como son Pentium, Pentium MMX, Pentium Pro y Pentium II. AMD tiene el AMD586, K5
y el K6. Cyrix tiene el 586, el 686, el 686MX y el 686MXi. Los 586 ya están totalmente
obsoletos y no se deben considerar siquiera. La velocidad de los procesadores se mide en
Megahertz (MHz=Millones de ciclos por segundo). Así que un Pentium es de 166Mhz o de
200Mhz, etc. Este parametro indica el número de ciclos de instrucciones que el procesador
realiza por segundo, pero sólo sirve para compararlo con procesadores del mismo tipo. Por
ejemplo, un 586 de 133Mhz no es más rápido que un Pentium de 100Mhz. Ahora, este tema
es bastante complicado y de gran controversia ya que el rendimiento no depende sólo del
procesador sino de otros componentes y para que se utiliza el procesador. Los expertos
requieren entonces de programas que midan el rendimiento, pero aun así cada programa
entrega sus propios números. Cometeré un pequeñopecado para ayudar a
descomplicarlos a ustedes y trataré de hacer un regla de mano para la velocidad de los
procesadores. No incluyo algunos como el Pentium Pro por ser un procesador cuyo
mercado no es el del hogar.
Cabe anotar que los procesadores de Intel son más caros y tienen un unidad de punto
flotante (FPU) más robusta que AMD y Cyrix. Esto hace que Intel tenga procesadores que
funcionen mejor en 3D (Tercera dimension), AutoCAD, juegos y todo tipo de programas
que utilizan esta característica. Para programas de oficina como Word, Wordperfect,
etcAMD y Cyrix funcionan muy bien.
Pentium-75 ; 5x86-100 (Cyrix y AMD)
AMD 5x86-133
Pentium-90
AMD K5 P100
Pentium-100
Cyrix 686-100 (PR-120)
Pentium-120
Cyrix 686-120 (PR-133) ; AMD K5 P133
Pentium-133
Cyrix 686-133 (PR-150) ; AMD K5 P150
Pentium-150
Pentium-166
Cyrix 686-166 (PR-200)
Pentium-200
Cyrix 686MX (PR-200)
Pentium-166 MMX
Pentium-200 MMX
Cyrix 686MX (PR-233)
AMD K6-233
Pentium II-233
Cyrix 686MX (PR-266); AMD K6-266
Pentium II-266
Pentium II-300
Pentium II-333 (Deschutes)
Pentium II-350
Pentium II-400
etc.
Memoria Cache
La memoria cache forma parte de la tarjeta madre y del procesador (Hay dos tipos) y se
utiliza para acceder rápidamente a la información que utiliza el procesador. Existen cache
primario (L1) y cache secundario (L2). El cache primario esta definido por el procesador y
no lo podemos quitar o poner. En cambio el cache secundario se puede añadir a la tarjeta
madre. La regla de mano es que si se tienen 8 Megabytes (Mb) de memoria RAM se debe
tener 128 Kilobytes (Kb) de cache. Si se tiene 16 Mb son 256 Kb y si se tiene 32 Mb son
512 Kb. Parece que en adelante no se observa mucha mejoría al ir aumentando el tamaño
del cache. Los Pentium II tienen el cache secundario incluido en el procesador y este es
normalmente de 512 Kb.
Memoria ROM:
Los motherboards poseen una pequeña porción de memoria ROM donde se aloja el BIOS
(Basic Input / Output System). Antes eran memorias ROM estándar donde no permitían ser
rescritas, pero actualmente se usan EPROM del tipo flash que permite ser rescrita varias
veces (proceso delicado y lento).
Por medio de este BIOS se definen ciertas características que va a tener el sistema, entre
ellas los clocks que van a tener los diferentes buses y además sería un pequeño sistema
operativo básico. Los Sistemas Operativos se comunican con el sistema a través de la
BIOS.
Por diversas razones o por simples errores en la programación, los fabricantes suelen
ofrecer actualizaciones de la BIOS que son rescritas por medio un software.
Bancos de memoria:
La forma y tipos de memoria son un capítulo aparte por su complejidad. En los mainboards
podremos encontrar básicamente (pero no únicamente) tres tipos de bancos posibles.
Bancos SIMM: Pueden ser de 30 pines (16 bits) o 72 (32 bits).
Bancos DIMM: Son de 168 contactos (64 bits).
Bancos RIMM: Son memoria de arquitectura y diseño propietaria de Rambus, se usan en
muchos Pentium 4.
Tarjeta gráfica
Tarjeta Gráfica PCI-Express
Una tarjeta gráfica, tarjeta de vídeo, placa de vídeo, tarjeta aceleradora de gráficos o
adaptador de pantalla, es una tarjeta de expansión para una computadora u ordenador,
encargada de procesar los datos provenientes de la CPU y transformarlos en información
comprensible y representable en un dispositivo de salida, como un monitor o televisor. Las
tarjetas gráficas más comunes son las disponibles para las computadoras compatibles con la
IBM PC, debido a la enorme popularidad de éstas, pero otras arquitecturas también hacen
uso de este tipo de dispositivos.
Es habitual que se utilice el mismo término tanto a las habituales tarjetas dedicadas y
separadas como a las GPU integradas en la placa base. Algunas tarjetas gráficas han
ofrecido funcionalidades añadidas como captura de vídeo, sintonización de TV,
decodificación MPEG-21 y MPEG-4 o incluso conectores Firewire, de ratón, lápiz óptico o
joystick.
Las tarjetas gráficas no son dominio exclusivo de los PC; contaron o cuentan con ellas
dispositivos como los Commodore Amiga (conectadas mediante las ranuras Zorro II y
Zorro III), Apple II, Apple Macintosh, Spectravideo SVI-328, equipos MSX y, por
supuesto, en las videoconsolas modernas, como la Wii, la Playstation 3 y la Xbox360.
Historia
PCI S3 ViRGE
IBM XGA-2 MCA
Apple DisplayCard 24AC NuBus
Cirrus LogicVESA
AVIEW2E EISA
EGA Paradise Bus ISA
La historia de las tarjetas gráficas da comienzo a finales de los años 1960, cuando se pasa
de usar impresoras como elemento de visualización a utilizar monitores. Las primeras
tarjetas sólo eran capaces de visualizar texto a 40x25 u 80x25, pero la aparición de los
primeros chips gráficos como el Motorola 6845 permiten comenzar a dotar a los equipos
basados en bus S-100 o Eurocard de capacidades gráficas. Junto con las tarjetas que
añadían un modulador de televisión fueron las primeras en recibir el término tarjeta de
video.
El éxito del ordenador doméstico y las primeras videoconsolas hacen que por abaratamiento
de costes (principalmente son diseños cerrados), esos chips vayan integrados en la placa
base. Incluso en los equipos que ya vienen con un chip gráfico se comercializan tarjetas de
80 columnas, que añadían un modo texto de 80x24 u 80x25 caracteres, principalmente para
ejecutar softCP/M (como las de los Apple II y Spectravideo SVI-328).
Curiosamente la tarjeta de vídeo que viene con el IBM PC, que con su diseño abierto
herencia de los Apple II popularizará el concepto de tarjeta gráfica intercambiable, es una
tarjeta de sólo texto. La MDA (MonochromeDisplayAdapter), desarrollada por IBM en
1981, trabajaba en modo texto y era capaz de representar 25 líneas de 80 caracteres en
pantalla. Contaba con una memoria VRAM de 4KB, por lo que sólo podía trabajar con una
página de memoria. Se usaba con monitores monocromo, de tonalidad normalmente verde.2
A partir de ahí se sucedieron diversas controladoras para gráficos, resumidas en la tabla
adjunta.3456
Año Modo texto Modo gráficos Colores Memoria
MDA 1981 80*25 - 1 4 KiB
CGA 1981 80*25 640*200 4 16 KiB
HGC 1982 80*25 720*348 1 64 KiB
EGA 1984 80*25 640*350 16 256 KiB
IBM 8514 1987 80*25 1024*768 256 -
MCGA 1987 80*25 320*200 256 -
VGA 1987 720*400 640*480 256 256 KiB
SVGA 1989 80*25 1024*768 256 1 MiB
XGA 1990 80*25 1024*768 65K 2 MiB
VGA tuvo una aceptación masiva, lo que llevó a compañías como ATI, Cirrus Logic y S3
Graphics, a trabajar sobre dicha tarjeta para mejorar la resolución y el número de colores.
Así nació el estándar SVGA (Super VGA). Con dicho estándar se alcanzaron los 2 MB de
memoria VRAM, así como resoluciones de 1024 x 768 pixels a 256 colores.
La competencia de los PC, Commodore Amiga 2000 y Apple Macintosh reservaron en
cambio esa posibilidad a ampliaciones profesionales, integrando casi siempre la GPU (que
batía en potencia con total tranquilidad a las tarjetas gráficas de los PC del momento) en sus
placas base. Esta situación se perpetúa hasta la aparición del Bus PCI, que sitúa a las
tarjetas de PC al nivel de los buses internos de sus competidores, al eliminar el cuello de
botella que representaba el Bus ISA. Aunque siempre por debajo en eficacia (con la misma
GPUS3 ViRGE, lo que en un PC es una tarjeta gráfica avanzada deviene en acelerador 3D
profesional en los Commodore Amiga con ranura Zorro III), la fabricación masiva (que
abarata sustancialmente los costes) y la adopción por otras plataformas del Bus PCI hace
que los chips gráficos VGA comiencen a salir del mercado del PC.
La evolución de las tarjetas gráficas dio un giro importante en 1995 con la aparición de las
primeras tarjetas 2D/3D, fabricadas por Matrox, Creative, S3 y ATI, entre otros. Dichas
tarjetas cumplían el estándar SVGA, pero incorporaban funciones 3D. En 1997, 3dfx lanzó
el chip gráfico Voodoo, con una gran potencia de cálculo, así como nuevos efectos 3D
(MipMapping, Z-Buffering, Antialiasing...). A partir de ese punto, se suceden una serie de
lanzamientos de tarjetas gráficas como Voodoo2 de 3dfx, TNT y TNT2 de NVIDIA. La
potencia alcanzada por dichas tarjetas fue tal, que el puerto PCI donde se conectaban se
quedó corto de ancho de banda. Intel desarrolló el puerto AGP (AcceleratedGraphics Port)
que solucionaría los cuellos de botella que empezaban a aparecer entre el procesador y la
tarjeta. Desde 1999 hasta 2002, NVIDIA dominó el mercado de las tarjetas gráficas
(comprando incluso la mayoría de bienes de 3dfx)7 con su gama GeForce. En ese período,
las mejoras se orientaron hacia el campo de los algoritmos 3D y la velocidad de los
procesadores gráficos. Sin embargo, las memorias también necesitaban mejorar su
velocidad, por lo que se incorporaron las memorias DDR a las tarjetas gráficas. Las
capacidades de memoria de vídeo en la época pasan de los 32 MB de GeForce, hasta los 64
y 128 MB de GeForce 4.
La mayoría de videoconsolas de sexta generación y sucesivos utilizan chips gráficos
derivados de los más potentes aceleradores 3D de su momento. Los Apple Macintosh
incorporan chips de NVIDIA y ATI desde el primer iMac, y los modelos PowerPC con bus
PCI o AGP pueden usar tarjetas gráficas de PC con BIOS no dependientes de CPU.
En 2006 y en adelante, NVIDIA y ATI (ese mismo año comprada por AMD) se repartían el
liderazgo del mercado con sus series de chips gráficos GeForce y Radeon, respectivamente.
GPU
La GPU, —acrónimo de «graphicsprocessingunit», que significa «unidad de procesamiento
gráfico»— es un procesador (como la CPU) dedicado al procesamiento de gráficos; su
razón de ser es aligerar la carga de trabajo del procesador central y, por ello, está
optimizada para el cálculo en coma flotante, predominante en las funciones 3D. La mayor
parte de la información ofrecida en la especificación de una tarjeta gráfica se refiere a las
características de la GPU, pues constituye la parte más importante de la tarjeta gráfica, así
como la principal determinante del rendimiento. Tres de las más importantes de dichas
características son la frecuencia de reloj del núcleo, que en la actualidad oscila entre 500
MHz en las tarjetas de gama baja y 850 MHz en las de gama alta, el número de
procesadores shaders y el número de pipelines (vertex y fragmentshaders), encargadas de
traducir una imagen 3D compuesta por vértices y líneas en una imagen 2D compuesta por
píxeles. Elementos generales de una GPU:
Shaders: Es elemento más notable de potencia de una GPU, estos shaders unificados reciben el nombre de núcleos CUDA en el caso de nvidia y Procesadores Stream en el caso de AMD. Son una evolución natural de los antiguos pixel shader (encargados de la rasterización de texturas) y vertexshader (encargados de la geometría de los objetos), los cuales anteriormente actuaban de forma independiente. Los shaders unificados son capaces de actuar tanto de vertexshader como de pixel shader según la demanda, aparecieron en el 2007 con los chips G90 de nvidia (Series 8000) y los chips R600 para AMD (Series HD 2000), antigua ATi, incrementando la potencia drásticamente respecto a sus familias anteriores
ROP: Se encargan de representar los datos procesados por la GPU en la pantalla, además también es el encargado de los filtros como Antialiasing.
Memoria gráfica de acceso aleatorio
Son chips de memoria que almacenan y transportan información entre sí, no son
determinantes en el rendimiento máximo de la tarjeta gráfica, pero bien unas
especificaciones reducidas pueden limitar la potencia de la GPU. Existen de dos tipos,
Dedicada cuando, la tarjeta gráfica o la GPU dispone exclusivamente para sí esas
memorias, ésta manera es la más eficiente y la que mejores resultados da; y compartida
cuando se utiliza memoria en detrimento de la memoria RAM, ésta memoria es mucho más
lenta que la dedicada y por tanto rinde mucho peor, es recurrente en campañas de márketing
con mensajes tipo Tarjeta gráfica de "Hasta ~ MB" para engañar al consumidor haciéndole
creer que la potencia de esa tarjeta gráfica reside en su cantidad de memoria.
Las características de memoria gráfica de una tarjeta gráfica se expresan en 3 características:
Capacidad: La capacidad de la memoria determina el número máximo de datos y texturas procesadas, una capacidad insuficiente se traduce en un retardo a espera de que se vacíen esos datos. Sin embargo es un valor muy sobrevalorado como estrategia recurrente de márketing para engañar al consumidor, tratando de hacer creer que el rendimiento de una tarjeta gráfica se mide por la capacidad de su memoria; tal es ésta tendencia, que muchos ensambladores embuten ingentes cantidades de memoria con GPU incompatibles con dicha capacidad, resultando una pérdida notable de la velocidad de dichas memorias, dando como resultado una tarjeta gráfica mucho más lenta que la que contiene una memoria mucho más pequeña y suficiente al sector al que va a pertenecer la tarjeta gráfica y recomendado por el fabricante. Se mide en bytes
Interfaz de Memoria: También denominado Bus de datos, es la multiplicación resultante del de ancho de bits de cada chip por su número de unidades. Es una característica importante y determinante, junto a la velocidad de la memoria, a la cantidad de datos que puede transferir en un tiempo determinado, denominado ancho de banda. Una analogía al ancho de banda se podría asociar al ancho de una autopista o carriles y al número de vehículos que podrían circular a la vez. La interfaz de memoria se mide en bits.
Velocidad de Memoria: Es la velocidad a la que las memorias pueden transportar los datos procesados, por lo que es complemento a la interfaz de memoria para determinar el ancho de banda total de datos en un tiempo determinado. Continuando la analogía de la circulación de los vehículos de la autopista, la velocidad de memoria se traduciría en la velocidad máxima de circulación de los vehículos, dando resultado a un mayor transporte de mercancía en un mismo periodo de tiempo. La velocidad de las memorias se mide en Hertzios (su frecuencia efectiva) y se van diseñando tecnologías con más velocidad, se destacan las adjuntas en la siguiente tabla:
Tecnología Frecuencia efectiva (MHz) Ancho de banda (GB/s)
GDDR 166 - 950 1,2 - 30,4
GDDR2 533 - 1000 8,5 - 16
GDDR3 700 - 1700 5,6 - 54,4
GDDR4 1600 - 1800 64 - 86,4
GDDR5 3200 - 7000 24 - 448
Ancho de banda: Es la tasa de datos que pueden transportarse en una unidad de tiempo. Un ancho de banda insuficiente se traduce en un importante limitador de potencia de la GPU. Habitualmente se mide en "Gigabytes por segundo" (GB/s).
Su fórmula general es el cociente del producto de la interfaz de memoria (expresada en
bits) por la frecuencia efectiva de las memorias (expresada en Gigahertzios), entre 8 para
convertir bits a bytes.
Por ejemplo, tenemos una tarjeta gráfica con 256 bits de interfaz de memoria y 4200 MHz
de frecuencia efectiva y necesitamos hallar su ancho de banda:
Una parte importante de la memoria de un adaptador de vídeo es el Z-Buffer, encargado de
gestionar las coordenadas de profundidad de las imágenes en los gráficos 3D.
RAMDAC
El RAMDAC es un conversor de señal digital a analógico de memoria RAM. Se encarga de
transformar las señales digitales producidas en el ordenador en una señal analógica que sea
interpretable por el monitor. Según el número de bits que maneje a la vez y la velocidad
con que lo haga, el conversor será capaz de dar soporte a diferentes velocidades de refresco
del monitor (se recomienda trabajar a partir de 75 Hz, y nunca inferior a 60).9 Dada la
creciente popularidad de los monitores de señal digital, el RAMDAC está quedando
obsoleto, puesto que no es necesaria la conversión analógica si bien es cierto que muchos
conservan conexión VGA por compatibilidad.
Espacio que ocupan las texturas almacenadas
El espacio que ocupa una imagen representada en el monitor viene dada en función de su
resolución y su profundidad de color, es decir, una imagen sin comprimir en formato
estándar Full HD con 1920x1080 píxeles y 32 bits de profundidad de color ocuparía
66.355.200 bits, es decir, 8,294 MiB
Salidas
Salidas HDMI, D-Sub 15 y DVI de una tarjeta gráfica
Salidas SVGA, S-Video y DVI de una tarjeta gráfica
Los sistemas de conexión más habituales entre la tarjeta gráfica y el dispositivo
visualizador (como un monitor o un televisor) son:
SVGA/Dsub-15: Estándar analógico de los años 1990; diseñado para dispositivos CRT, sufre de ruido eléctrico y distorsión por la conversión de digital a analógico y el error de muestreo al evaluar los píxeles a enviar al monitor. Se conecta mediante pines. Su utilización continúa muy extendida a día de hoy, aunque claramente muestra una reducción frente al DVI en los últimos años.
DVI: Sustituto del anterior, pero digital, fue diseñado para obtener la máxima calidad de visualización en las pantallas digitales o proyectores. Se conecta mediante pines. Evita la distorsión y el ruido al corresponder directamente un píxel a representar con uno del monitor en la resolución nativa del mismo. Cada vez más adoptado, aunque compite con el HDMI, pues el DVI no es capaz de transmitir audio.
HDMI: Tecnología propietaria transmisora de audio y vídeo digital de alta definición cifrado sin compresión en un mismo cable. Se conecta mediante patillas de contacto. No esta pensado inicialmente para monitores, sino para Televisiones, por ello no apaga la pantalla cuando deja de recibir señal y debe hacerse manualmente en caso de monitores.
Otras no tan extendidas por un uso minoritatio, no implementadas u obsoletas son:
DisplayPort: Puerto para tarjetas gráficas creado por VESA y rival del HDMI, transfiere vídeo a alta resolución y audio. Sus ventajas son que está libre de patentes, y por ende de regalías para incorporarlo a los aparatos, también dispone de unas pestañas para anclar el conector impidiendo que se desconecte el cable accidentalmente. Cada vez más tarjetas gráficas van adoptando este sistema, aunque a día de hoy, sigue siendo su uso minoritario, existe una versión reducida de dicho conector llamada Mini DisplayPort, muy usada para tarjetas gráficas con multitud de salidas simultáneas, como pueden ser 5.
S-Video: implementado sobre todo en tarjetas con sintonizador TV y/o chips con soporte de vídeo NTSC/PAL, simplemente se está quedando obsoleto.
Vídeo Compuesto: analógico de muy baja resolución mediante conector RCA. Completamente en desuso para tarjetas gráficas, aunque sigue siendo usado para TV.
Vídeo por componentes: Sistema analógico de transmisión de vídeo de alta definición, utilizado también para proyectores; de calidad comparable a la de SVGA, dispone de tres clavijas (Y, Cb y Cr). Anteriormente usado en PCs y estaciones de trabajo de gama alta, ha quedador relegado a TV y videoconsolas.
DA-15 conector RGB usado mayoritariamente en los antiguos Apple Macintosh. Completamente en desuso.
Digital TTL DE-9 : usado por las primitivas tarjetas de IBM (MDA, CGA y variantes, EGA y muy contadas VGA). Completamente obsoleto
[editar]Interfaces con la placa base
Bus Anchura
(bits)
Frecuencia
(MHz)
Ancho
de banda
(MB/s)
Puerto
ISA XT 8 4,77 8 Paralelo
ISA AT 16 8,33 16 Paralelo
MCA 32 10 20 Paralelo
EISA 32 8,33 32 Paralelo
VESA 32 40 160 Paralelo
PCI 32 - 64 33 - 100 132 - 800 Paralelo
AGP 1x 32 66 264 Paralelo
AGP 2x 32 133 528 Paralelo
AGP 4x 32 266 1000 Paralelo
AGP 8x 32 533 2000 Paralelo
PCIe x1 1*32 25 / 50 100 / 200 Serie
PCIe x4 1*32 25 / 50 400 / 800 Serie
PCIe x8 1*32 25 / 50 800 / 1600 Serie
PCIe x16 1*32 25 / 50 1600 / 3200 Serie
PCIe x16 2.0 1*32 25 / 50 3200 / 6400 Serie
En orden cronológico, los sistemas de conexión entre la tarjeta gráfica y la placa base han
sido, principalmente:
Slot MSX : bus de 8 bits usado en los equipos MSX ISA: arquitectura de bus de 16 bits a 8 MHz, dominante durante los años 1980; fue creada
en 1981 para los IBM PC. Zorro II usado en los Commodore Amiga 2000 y Commodore Amiga 1500. Zorro III usado en los Commodore Amiga 3000 y Commodore Amiga 4000 NuBus usado en los Apple Macintosh ProcessorDirect Slot usado en los Apple Macintosh MCA: intento de sustitución en 1987 de ISA por IBM. Disponía de 32 bits y una velocidad
de 10 MHz, pero era incompatible con los anteriores.
EISA: respuesta en 1988 de la competencia de IBM; de 32 bits, 8.33 MHz y compatible con las placas anteriores.
VESA: extensión de ISA que solucionaba la restricción de los 16 bits, duplicando el tamaño de bus y con una velocidad de 33 MHz.
PCI: bus que desplazó a los anteriores a partir de 1993; con un tamaño de 32 bits y una velocidad de 33 MHz, permitía una configuración dinámica de los dispositivos conectados sin necesidad de ajustar manualmente los jumpers. PCI-X fue una versión que aumentó el tamaño del bus hasta 64 bits y aumentó su velocidad hasta los 133 MHz.
AGP: bus dedicado, de 32 bits como PCI; en 1997 la versión inicial incrementaba la velocidad hasta los 66 MHz.
PCIe: interfaz serie que desde 2004 empezó a competir contra AGP, llegando a doblar en 2006 el ancho de banda de aquel. Sufre de constantes revisiones multiplicando su ancho de banda, ya existiendo la versión 2.0 y pronto, la 3.0. No debe confundirse con PCI-X, versión de PCI.
En la tabla adjunta se muestran las características más relevantes de algunas de dichas
interfaces.
Dispositivos refrigerantes
Conjunto de disipador y ventilador.
Debido a las cargas de trabajo a las que son sometidas, las tarjetas gráficas alcanzan
temperaturas muy altas. Si no es tenido en cuenta, el calor generado puede hacer fallar,
bloquear o incluso averiar el dispositivo. Para evitarlo, se incorporan dispositivos
refrigerantes que eliminen el calor excesivo de la tarjeta. Se distinguen dos tipos:
Disipador: dispositivo pasivo (sin partes móviles y, por tanto, silencioso); compuesto de un metal muy conductor del calor, extrae este de la tarjeta. Su eficiencia va en función de la estructura y la superficie total, por lo que a mayor demanda de refrigeración, mayor debe ser la superficie del disipador
Ventilador: dispositivo activo (con partes móviles); aleja el calor emanado de la tarjeta al mover el aire cercano. Es menos eficiente que un disipador, siempre que nos refiramos al ventilador sólo, y produce ruido al tener partes móviles.
Aunque diferentes, ambos tipos de dispositivo son compatibles entre sí y suelen ser
montados juntos en las tarjetas gráficas; un disipador sobre la GPU (el componente que más
calor genera en la tarjeta, y en muchas ocasiones, de todo el PC) extrae el calor, y un
ventilador sobre él aleja el aire caliente del conjunto.
Alimentación
Hasta ahora la alimentación eléctrica de las tarjetas gráficas no había supuesto un gran
problema, sin embargo, la tendencia actual de las nuevas tarjetas es consumir cada vez más
energía. Aunque las fuentes de alimentación son cada día más potentes, la insuficiencia
energética se encuentra en la que puede proporcionar el puerto PCIe que sólo es capaz de
aportar una potencia por sí sólo de 75 W. Por este motivo, las tarjetas gráficas con un
consumo superior al que puede suministrar PCIe incluyen un conector
(PCIepowerconnector) que permite una conexión directa entre la fuente de alimentación y
la tarjeta, sin tener que pasar por la placa base, y, por tanto, por el puerto PCIe.
Aun así, se pronostica que no dentro de mucho tiempo las tarjetas gráficas podrían necesitar
una fuente de alimentación propia, convirtiéndose dicho conjunto en dispositivos externos.
Tipos antiguos de tarjetas gráficas
Tarjeta MDA
"MonochromeDisplayAdapter" o Adaptador monocromo. Fue lanzada por IBM como una
memoria de 4 KiB de forma exclusiva para monitores TTL (que representaban los clásicos
caracteres en ámbar o verde). No disponía de gráficos y su única resolución era la
presentada en modo texto (80x25) en caracteres de 14x9 puntos, sin ninguna posibilidad de
configuración.
Básicamente esta tarjeta usa el controlador de vídeo para leer de la ROM la matriz de
puntos que se desea visualizar y se envía al monitor como información serie. No debe
sorprender la falta de procesamiento gráfico, ya que, en estos primeros PC no existían
aplicaciones que realmente pudiesen aprovechar un buen sistema de vídeo. Prácticamente
todo se limitaba a información en modo texto.
Este tipo de tarjeta se identifica rápidamente ya que incluye (o incluía en su día) un puerto
de comunicación para la impresora ¡Una asociación más que extraña a día de hoy!
Tarjeta CGA
"Color GraphicsArray" o "Color graphicsadapter" según el texto al que se recurra. Aparece
en el año 1981 también de la mano de IBM y fue muy extendida. Permitía matrices de
caracteres de 8x8 puntos en pantallas de 25 filas y 80 columnas, aunque solo usaba 7x7
puntos para representar los caracteres. Este detalle le imposibilitaba el representar
subrayados, por lo que los sustituía por diferentes intensidades en el carácter en cuestión.En
modo gráfico admitía resoluciones de hasta 640x200. La memoria era de 16 KiB y solo era
compatible con monitores RGB y Compuestos. A pesar de ser superior a la MDA, muchos
usuarios preferían esta última dado que la distancia entre puntos de la rejilla de potencial en
los monitores CGA era mayor. El tratamiento del color, por supuesto de modo digital, se
realizaba con tres bits y uno más para intensidades. Así era posible lograr 8 colores con dos
intensidades cada uno, es decir, un total de 16 tonalidades diferentes pero no reproducibles
en todas las resoluciones tal y como se muestra en el cuadro adjunto.
Esta tarjeta tenía un fallo bastante habitual y era el conocido como "snow". Este problema
era de carácter aleatorio y consistía en la aparición de "nieve" en la pantalla (puntos
brillantes e intermitentes que distorsionaban la imagen). Tanto era así que algunas BIOS de
la época incluían en su SETUP la opción de eliminación de nieve ("No snow").
Tarjeta HGC
"HerculesGraphicsCard" o más popularmente conocida como Hércules (nombre de la
empresa productora), aparece en el año 1982, con gran éxito convirtiéndose en un estándar
de vídeo a pesar de no disponer del soporte de las rutinas de la BIOS por parte de IBM. Su
resolución era de 720x348 puntos en monocromo con 64 KiB de memoria. Al no disponer
de color, la única misión de la memoria es la de referenciar cada uno de los puntos de la
pantalla usando 30,58 KiB para el modo gráfico (1 bit x 720 x 348) y el resto para el modo
texto y otras funciones. Las lecturas se realizaban a una frecuencia de 50 HZ, gestionadas
por el controlador de vídeo 6845. Los caracteres se dibujaban en matrices de 14x9 puntos.
Diseñadores, Fabricantes y ensambladores
En el mercado de las tarjetas gráficas hay que distinguir tres tipos de fabricantes:
Diseñadores de GPU: diseñan y generan exclusivamente la GPU. Los dos más
importantes son:
o AMD, anteriormente conocida como ATi
o nVIDIA
GPU integrado en el chipset de la placa base: también destaca Intel además de los
antes citados nVIDIA y AMD.
Otros fabricantes como Matrox o S3 Graphics tienen una cuota de mercado muy reducida.
Todos ellos contratan y encargan a fabricantes ciertas unidades de chips a partir de un
diseño.
Fabricantes de GPU: Son quienes fabrican y suministran las unidades extraidas de
las obleas de chips a los ensambladores. TSMC y Global Foundities son claros
ejemplos.
Ensambladores: integran las GPUs proporcionadas por los fabricantes con el resto
de la tarjeta, de diseño propio. De ahí que tarjetas con el mismo chip tengan formas
o conexiones diferentes o puedan dar ligeras diferencias de rendimientos, en
especial tarjetas gráficas modificadas u overclokeadas de fábrica.
En la tabla adjunta se muestra una relación de los dos diseñadores de chips y algunos de los
ensambladores de tarjetas con los que trabajan.
Efectos gráficos
Algunas de las técnicas o efectos habitualmente empleados o generados mediante las
tarjetas gráficas pueden ser:
Antialiasing: retoque para evitar el aliasing, efecto que aparece al representar curvas
y rectas inclinadas en un espacio discreto y finito como son los píxeles del monitor.
Shader: procesado de píxeles y vértices para efectos de iluminación, fenómenos
naturales y superficies con varias capas, entre otros.
HDR: técnica novedosa para representar el amplio rango de niveles de intensidad de
las escenas reales (desde luz directa hasta sombras oscuras). Es una evolución del
efecto Bloom, aunque a diferencia de éste, no permite Antialiasing.
Mapeado de texturas: técnica que añade detalles en las superficies de los modelos,
sin aumentar la complejidad de los mismos.
Diseñadores de GPU
ATi/AMD nVIDIA
Ensambladores
de Tarjetas
GECUBE POINT OF
VIEW
CLUB3D CLUB3D
POWERCOLOR EVGA
MSI MSI
XFX GAINWARD
ASUS ASUS
SAPPHIRE ZOTAC
GIGABYTE GIGABYTE
HIS ECS
ELITEGROUP
DIAMOND PNY
HIS SPARKLE
- GALAXY
- PALIT
MotionBlur: efecto de emborronado debido a la velocidad de un objeto en
movimiento.
DepthBlur: efecto de emborronado adquirido por la lejanía de un objeto.
Lens flare: imitación de los destellos producidos por las fuentes de luz sobre las
lentes de la cámara.
Efecto Fresnel (reflejo especular): reflejos sobre un material dependiendo del
ángulo entre la superficie normal y la dirección de observación. A mayor ángulo,
más reflectante.
Teselado: Consiste en multiplicar el número de polígonos para representar ciertas
figuras geométricas y no se vean totalmente planas. Esta característica fue incluida
en la API DirectX 11
Errores comunes
Confundir a la GPU con la tarjeta gráfica. Aunque muy importante, no todas las
GPU y adaptadores de gráficos van en tarjeta ni son el único determinante de su
calidad y rendimiento. Es decir, las GPU sí determinan el rendimiento máximo de la
tarjeta, pero su rendimiento puede ser capado por tener otros elementos que no estén
a su altura, por ejemplo un ancho de banda pequeño.
Considerar el término tarjeta de vídeo como privativo del PC y compatibles. Esas
tarjetas se usan en equipos no PC e incluso sin procesador Intel o AMD y sus chips
en videoconsolas.
Confundir al fabricante de la GPU con la marca de la tarjeta. Actualmente los
mayores fabricantes de chip gráficos de PC en el mercado son NVIDIA y AMD
(anteriormente ATiTecnologies). Esto se debe a que se encargan solamente, de
diseñar los chip gráficos (GPU). Luego, empresas como TSMC o Global Fundities
fabrican las GPU y más tarde son ensambladas en PCBs con memorias por ASUS,
POV, XFX, Gigabyte, Sapphire y demás ensambladoras para su venta al público.
Saliendo del círculo de PCs, para otros dispositivos como Smartphones, la mayoría
de las GPU vienen integradas en "Systemon Chip" junto al procesador y el
controlador de memoria.