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Le immagini che si vedono riprodotte sul monitor di un dispositivo informatico (indipendentemente che si tratti di un Pc desktop, di un laptop, di uno smartphone o di un tablet) sono composte da milioni di minuscoli puntini colorati e luminosi chiamati pixel. Dotati di risoluzioni sempre maggiori (FullHD e 4K solo per citare le più conosciute), i monitor e display moderni sono composti da milioni di pixel capaci di assumere milioni di tonalità differenti per proporre al meglio le immagini visualizzate.
Un'operazione possibile a patto che, tra le varie componenti hardware che costituiscono il dispositivo informatico, ci sia una sorta di "traduttore" in grado di interpretare i dati in uscita dal processore centrale (CPU o SoC) e trasformarli in segnali comprensibili per lo schermo (le sfumature di colore dei pixel). E, a meno che la scheda madre non abbia qualche chip grafico integrato, questo compito di "traduzione" spetta alla scheda grafica.
La "catena di montaggio" delle immagini
Per comprendere il funzionamento della GPU (Graphic Processing Unit) è necessario immaginare il computer come a un'azienda all'interno della quale è presente un dipartimento dedicato esclusivamente alla produzione di materiale visivo. In un sistema complesso come un Pc o uno smartphone, il "dipartimento grafico" è rappresentato esattamente dalla scheda video. Questa, infatti, è deputata a creare immagini basandosi su direttive in arrivo dai vertici (processore), interfacciandosi con una serie di "strutture intermedie" (scheda madre e varie interfacce di comunicazione) che le consentono di rispettare gli ordini e produrre l'immagine desiderata.
La scheda video genera le immagini basandosi su informazioni in arrivo dal processore centrale sotto forma di dati binari (gli "0" e gli "1" che costituiscono il linguaggio base dei sistemi informatici). Questi sono trasformati in informazioni visuali e, tramite la motherboard, canali di comunicazione hardware e cavi, inviati allo schermo che a sua volta li traduce in sfumature di colori, luminosità, profondità e altre variabili.
Come la scheda video crea le immagini
Creare un'immagine partendo da dati binari, però, è un'operazione estremamente complessa che richiede un grosso "sforzo" da parte delle componenti hardware impegnate. Per creare un'immagine tridimensionale, ad esempio, la scheda grafica crea una matrice che rappresenta il reticolo di pixel presente sullo schermo. Questa prima bozza di immagine viene poi rasterizzata (ovvero trasformata da immagine vettoriale in immagine "piatta"), così che possa essere successivamente visualizzata a schermo o stampata. Per i giochi di ultima generazione, tanto per fare un esempio, questa operazione è ripetuta tra le 30 e le 60 volte al secondo (dipende dal framerate che si imposta nella fase iniziale, tenendo anche conto dei limiti dell'hardware a disposizione).
La scheda grafica compie questo processo facendo ricorso a quattro componenti principali: un connettore sulla scheda madre, grazie al quale poter comunicare con le altre componenti e ricevere l'alimentazione elettrica necessaria al suo funzionamento; un'unità di calcolo grafica (o GPU) che decide cosa fare con ogni pixel presente sullo schermo; una memoria di lavoro che si occupa di immagazzinare le informazioni relative a ogni singola unità di rappresentazione grafica e conserva, quanto meno per alcuni istanti, le immagini complete già elaborate; un monitor che visualizza il risultato finale.
Va da sé che, all'interno di questo schema, la GPU e la memoria di lavoro (analoga alla RAM) svolgano il ruolo principe.
La GPU
Molto simile a una scheda madre, anche se più "in piccolo", la scheda video è una scheda di circuiti stampati dove trovano spazio della memoria volatile e un'unità di calcolo che si occupa di processare dati e informazioni in arrivo dall'esterno. Il processore della scheda grafica, come già accennato, è chiamato Graphic Processing Unit o GPU (Unità di Elaborazione Grafica in italiano).
Pur svolgendo ruoli più o meno comparabili, GPU e CPU sono estremamente differenti. Mentre la seconda esegue le istruzioni in arrivo dai programmi in maniera sequenziale (una dopo l'altra), la prima è composta da migliaia di core progettati per lavorare in parallelo (quindi lavora contemporaneamente su più dati e istruzioni). Questo comporta che una GPU sia di gran lunga superiore a un processore centrale quanto a mera potenza di calcolo dato che può eseguire più operazioni contemporaneamente.
Il perché di questa differenza si spiega con la diversa natura delle operazioni che CPU e GPU sono chiamate a svolgere: mentre per il processore centrale è fondamentale la coerenza e il controllo delle informazioni in transito nel sistema informatico, cosa più facile da ottenere con un approccio di calcolo sequenziale, per l'unità grafica l'importante è riuscire a produrre più immagini possibili nel più breve tempo possibile, attività che rende preferibile un approccio di calcolo in parallelo. Le immagini tridimensionali, infatti, si compongono di migliaia di poligoni, e devono essere aggiornate decine di volte al secondo: ogni core che compone una GPU è quindi dedicato all'esecuzione di una singola istruzione, così da poter effettuare il rendering (ovvero il calcolo e la "costruzione") delle immagini in tempi brevissimi. Il rendering grafico, però, non è l'unico "settore" in cui la GPU aiuta il computer nelle sue funzioni: ad esempio anche nel data mining è sfruttata la potenza grafica per lavorare al meglio e arrivare al risultato finale.
In aggiunta alla purapotenza di calcolo, la GPU fa uso di programmi, software e algoritmi ad hoc che le permettono di funzionare in maniera più efficiente e dare risposta a istruzioni anche molto differenti l'una dall'altra. Grazie ai driver, ad esempio, l'utente è in grado modificare le impostazioni di funzionamento della propria scheda video e adattarla alle proprie esigenze. Altri algoritmi, come l'anti aliasing e il filtro anisotropico, lavorano invece "sottotraccia" per migliorare la qualità delle immagini visualizzate a schermo, così da renderle più veritiere e realistiche.
La memoria video
In questo processo per creare immagini, la GPU è affiancata e supportata dalla memoria video RAM. I poligoni elaborati partendo dai dati binari della CPU, infatti, devono essere archiviati su di un supporto, così da essere "composti" e successivamente inviati al monitor per la visualizzazione. Per questo motivo, i moduli di memoria volatile montati sulle schede grafiche sono molto particolari: le loro celle di memoria riproducono la disposizione del reticolato di pixel dello schermo, così da poter ricomporre più facilmente ciò che deve essere poi visualizzato. All'interno di ogni cella è conservata l'informazione riguardante la tonalità di colore da mostrare, le "coordinate" sullo schermo e tutte le altre variabili di colore legate alla visualizzazione di ogni singolo pixel.
Come ultimo passaggio per la realizzazione a schermo di una immagine creata dal computer, la RAM video è direttamente collegata a un digital-to-analog converter (detto anche DAC o RAMDAC) che si occupa sostanzialmente di convertire il segnale digitale dei dati binari presenti all'interno della memoria video in un formato analogico visualizzabile su display grafico.
