Une carte graphique ou carte vidéo (anciennement, par abus de langage, une carte VGA), ou encore un adaptateur graphique, est un périphérique graphique ou carte d'extension d’ordinateur dont le rôle est de produire une image affichable sur un écran.
La carte graphique envoie à l’écran des images stockées dans sa propre mémoire, à une fréquence et dans un format qui dépendent d’une part de l’écran branché et du port sur lequel il est branché (grâce au , PnP) et de sa configuration interne d’autre part..
Historique
Autrefois, avant l'utilisation des écrans, les sorties pouvaient s'effectuer sur imprimantes (print) ou terminal.
Du texte aux graphiques tridimensionnels
Les premières cartes graphiques ne permettaient, au début de l'ère informatique, qu’un affichage en 2D et se connectaient sur un port ISA (Industry Standard Architecture) (ISA) disponible à partir des ordinateurs IBM PC/AT en 1983 ; c'étaient les cartes Monochrome Display Adapter (MDA), le plus souvent une carte « Hercules ». Bien que dénommées « cartes graphiques », elles n'affichaient, en monochrome, que de simples caractères codés sur , dont une partie étaient des caractères semi-graphiques ; complété par les séquences d'échappement, l'adressage direct en mode ASCII permettait de créer une interface semi-graphique, qui était encore utilisée au démarrage par le BIOS de la plupart des ordinateurs en 2012.
Les premières cartes graphiques pouvant adresser un point individuel de l'affichage ne sont apparues qu'en 1981 pour le grand public, avec les cartes CGA (), qui permettaient un adressage de points dans une définition de sur en différentes. Apparaissent alors une succession de cartes destinées au graphisme sur ordinateur poussant de plus en plus loin le nombre de lignes et de colonnes adressables, ainsi que le nombre de couleurs pouvant être affichées (EGA puis VGA) ; ce sont les modes graphiques utilisables.. De plus en plus de fonctions, jusque-là assurées par le microprocesseur, sont petit à petit abandonnées au contrôleur graphique de ces cartes, comme le tracé de lignes, de surfaces pleines, de cercles ; fonctions primitives très utiles pour accompagner la naissance des systèmes d'exploitation basés sur des interfaces graphiques et en accélérer l'affichage, elles annoncent le dessin vectoriel.
Le système des sprites a eu une importance telle dans la programmation de jeux vidéo qu'il a fait l'objet de circuits dédiés sur toutes les consoles de jeux ainsi que sur certains ordinateurs comme l'Atari XL, le C64, l'Amiga, les MSX. Par contre, en leur absence, il fallait par la programmation émuler le fonctionnement de ces circuits notamment sur l'Amstrad CPC, les TO7 et MO5 de Thomson, le ZX Spectrum de Sinclair, l'Oric 1 et l'Oric Atmos, l'Atari ST, ainsi que sur les premiers compatibles PC et l'Apple Macintosh.
De cette époque datent différents standards informatiques qui permettent une interopérabilité (partielle) du matériel et des logiciels dans les cas pris en charge par le Video Electronics Standards Association (VESA), et le VESA BIOS Extensions (VBE), notamment sur les modes vidéo textes et les modes vidéo graphiques les plus courants.
Avec l'évolution des techniques, le port ISA 16 bits est remplacé par le port PCI 32 bits (première application en 1994 sur carte mère pour Intel 80486) pour augmenter la vitesse de transfert entre le processeur et la carte graphique. En plus des cartes graphiques d'affichage en 2D, apparaissent dans les années 1990 des cartes destinées à la gestion et l'affichage d'éléments représentés en 3D, comme les cartes 3DFX. Puis apparurent les cartes graphiques 2D-3D ayant l’avantage de n’occuper qu’un seul connecteur AGP ou PCI au lieu de deux (avant 1998). En effet, jusqu’alors, les cartes 2D étaient proposées séparément des cartes dites accélératrice 3D, chacune ayant un processeur graphique spécifique. Depuis la sortie des premières cartes 2D/3D intégrées par ATI en 1996, toutes les cartes graphiques modernes gèrent la 2D et la 3D au sein d'un seul circuit intégré.
Fonctions
Depuis 1995 : 3D vignette|Exemple de carte graphique Nvidia Quadro destinée à des professionnels. Depuis la fin des années 1995, les cartes graphiques ont fortement évolué. Initialement, la fonction essentielle d’une carte graphique est de transmettre à l’écran les textes puis les images produits. C’est encore sa fonction principale sur beaucoup de machines à vocation bureautique où l’affichage d’images en 3D n’offre que peu d’intérêt. Toutefois, aujourd’hui, même les cartes graphiques les plus simples gèrent aussi le rendu d’images en 3D. C’est une activité très coûteuse en termes de calculs et en termes de bande passante mémoire. Le GPU (pour ) est donc devenu un composant très complexe, très spécialisé et presque imbattable dans sa catégorie (rendu d’images en ). Hormis pour les jeux vidéo ou quelques usages en infographie, les possibilités des cartes graphiques ne sont que très peu exploitées en pratique. Ainsi, ce sont essentiellement les joueurs qui achètent et utilisent des GPU de plus en plus puissants.
Dès 1996, les cartes graphiques commencent à intégrer des fonctions de décompression vidéo, comme pour la Rage-Pro du fabricant ATI qui intègre déjà en 1996 certaines fonctions de décompression des flux MPEG2. Sous des appellations variées, se sont depuis développées des technologies qui permettent de soulager le processeur de la charge incombant à la décompression d'une image 25 (PAL/SECAM) ou 30 (NTSC) fois par seconde dans des définitions toujours plus élevées. La prise en charge partielle, ou totale, par les GPU des flux vidéo permet le visionnage de films en haute définition sur des plateformes matérielles aux ressources processeur relativement modestes ; ce qui serait impossible sans eux au regard du nombre d'informations à traiter presque simultanément.
Depuis 2000 : capacité de calcul Depuis les années 2000, la puissance de calcul des cartes graphiques est devenue tellement importante pour un coût finalement très réduit que les scientifiques sont de plus en plus nombreux à vouloir en exploiter le potentiel dans d’autres domaines. Il peut s’agir de faire tourner des simulations de modèles météo, financiers ou toute opération parallélisable et nécessitant une très grande quantité de calculs. Nvidia et ATI/AMD, les deux principaux fabricants de cartes graphiques haute performance grand public, proposent chacun des solutions propriétaires afin de pouvoir utiliser leur produit pour du calcul scientifique ; pour Nvidia, on peut se référer au projet CUDA et pour AMD au projet ATI Stream. On parle à ce titre de (ou GPGPU).
Tendance récente : cartes pour PC portables et carte son De nos jours, des ont été créés pour être embarqués dans les ordinateurs portables. Ce sont des cartes souvent dérivées de leurs équivalents de bureau avec des unités en moins, une fréquence inférieure, une consommation plus faible.
Les cartes graphiques modernes font parfois office de cartes son grâce à leurs sorties son intégrées aux sorties vidéos classiques, comme pour le HDMI. Les pilotes peuvent alors être adaptés pour gérer le son, via l'onglet audio des pilotes Catalyst par exemple. Cette nouvelle fonction s'est développée grâce à l'ajout de haut-parleurs sur les écrans.
Composants Processeur graphique
thumb|160px|Le processeur graphique NV43 d’une GeForce 6600 GT.
Le processeur graphique (GPU pour , ou encore VPU pour en anglais) sert à libérer le microprocesseur de la carte mère en prenant en charge les calculs spécifiques à l’affichage et la coordination de graphismes 3D ou la conversion d'espaces colorimétriques YCbCr vers RGB ; quand ce ne sont pas des fonctions vectorielles permettant la reconstruction d'images compressées de certains flux vidéo comme le H.264. Cette division des tâches entre les deux processeurs libère le processeur central de l’ordinateur et en augmente d’autant la puissance apparente.
Le processeur graphique est souvent muni de son propre radiateur ou ventilateur pour évacuer la chaleur qu’il produit.
Mémoire vidéo
La mémoire vidéo conserve les données numériques qui doivent être converties en images par le processeur graphique et les images traitées par le processeur graphique avant leur affichage. Toutes les cartes graphiques supportent deux méthodes d’accès à leur mémoire. L’une est utilisée pour recevoir des informations en provenance du reste du système, l’autre est sollicitée pour l’affichage à l’écran. La première méthode est un accès direct conventionnel (RAM) comme pour les mémoires centrales, la deuxième méthode est généralement un accès séquentiel à la zone de mémoire contenant l’information à afficher à l’écran.
La capacité de mémoire de la plupart des cartes vidéo modernes va de 2 Go avec jusqu'à 32 Go au cours des dernières années 2010. Les applications graphiques sont de plus en plus puissantes et répandues, étant donné que la mémoire vidéo doit être accessible par le GPU et les circuits d'affichage, elle utilise souvent une mémoire spéciale haute vitesse ou multi-port, telle que VRAM, WRAM, SGRAM, etc. Vers 2003, la mémoire vidéo était généralement basée sur la technologie DDR. Les fabricants sont passés depuis à la DDR2, GDDR3, GDDR4, GDDR5, puis GDDR6.
RAMDAC
Le RAMDAC () convertit les images stockées dans la mémoire vidéo en signaux analogiques à envoyer à l’écran de l’ordinateur. Il est devenu inutile avec les sorties DVI (numériques).
BIOS vidéo Le BIOS vidéo est à la carte graphique ce que le BIOS est à la carte mère. C’est un petit programme enregistré dans une mémoire morte (ROM, pour ) qui contient certaines informations sur la carte graphique (par exemple, les modes graphiques supportés par la carte) et qui sert au démarrage de la carte graphique.
Connexion à la carte mère La connexion à la carte mère se fait grâce a un port greffé sur un bus. Au cours des années, plusieurs technologies se sont succédé pour satisfaire les besoins de vitesse de transfert sans cesse croissants des cartes graphiques : la première technologie utilisée fut la technologie ISA, utilisée à partir de 1984 pour adjoindre des cartes disposant de plus de mémoire vidéo que les cartes standard fournies par les manufacturiers d’ordinateurs ou des cartes utilisant des jeux d’instructions destinés à accélérer l’affichage des fenêtres ; Le MCA (Micro Channel Architecture) était un bus proposé par IBM en 1987 en amélioration du bus ISA, alias PC/AT. Les cartes ISA n'étaient cependant pas compatibles avec le bus MCA. Le Bus EISA est une évolution du bus ISA (de 16 bits) vers un bus de 32 bit. Ce standard est apparu en . Le NuBus est un bus informatique parallèle 32 bits, initialement développé au MIT, sélectionné par Apple Computer pour être utilisé dans le projet Macintosh II pour l'intégration de cartes graphiques. certains PC à base de 80486 ont utilisé le bus VLB (), mais ce type de bus fut rapidement abandonné en raison de sa trop grande spécificité ; avec l’arrivée des premiers processeurs Pentium en 1994, on utilise ensuite l’interface PCI ; le bus AGP apparu en fut supplanté par le bus série PCI Express, apparu en 2004 ; le PCI Express qui permet d’atteindre le débit de données bi-directionnelles pour le PCI-Express 2.0 de est destiné à remplacer tous les connecteurs d’extension internes d’un PC, dont le PCI et l’AGP ; Il spécifie un bus local série (« bus PCI express »).