GPU发展之路

NVIDIA/ATI命运转折GPU十年发展回顾中关村在线[硬件频道][选购指导][评测试用][行情快报][新闻新品][知识技巧][攒机推荐][论坛]作者：中关村在线濮元恺第1页：计算机图形学诞生具有重要意义前言：当今半导体领域，只有一种芯片能以3倍于摩尔定律的速度发展，只有一种芯片能够在PC领域挑战甚至超越同时期生产的CPU产品，只有一种芯片让图形业界的创作者和无数游戏玩家为之疯狂，这就是GPU（GraphicProcessingUnit），中文译名：图形处理器。NVIDIA公司在1999年发布GeForce256图形处理芯片时首先提出GPU的概念，随后大量复杂的应用需求促使整个产业蓬勃发展至今。今天笔者将用最精炼的文字，为各位读者讲述这10年的GPU发展的主要路径，读者可以跟随下面的文字将自己置于当时的市场背景下，体会各种经典产品和先进技术带给我们的震撼。计算机图形学诞生具有重要意义利用计算机实现图形生成，或者说地通俗一些实现图像的绘制，是科学家们长期的梦想。我们无法追溯最初这个想法的提出者和具体细节，但是我们还是查阅到了一个人和一门学科。这个人是著名科学家——伊凡•苏泽兰先生，这门学科则是当今计算机领域最热门的专业——计算机图形学（ComputerGraphics，简称CG）。图注：IvanSutherland博士1962年在演示中最初的“画板”程序。1962年，麻省理工学院的一位青年博士研究生提交了论文并发言，他就是伊凡•苏泽兰（IvanSutherland）。苏泽兰用幻灯向与会者展示了画板程序，苏泽兰和他所展示的程序最终成为计算机图形学的奠基。而今他已72岁高龄，仍然奋斗在图形业界最前沿，现为Sun公司研究员和副总裁。计算机图形学，是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。简单地说，计算机图形学的主要研究内容就是研究如何在计算机中表示图形、以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理与算法。图形学处理需要计算机天然具备大量并行运算能力，并且对精度和运算强度有很高要求，但是这给当时的计算机提出了巨大的难题，由于硬件发展的严重滞后，计算机图形学在提出后的20年内一直艰难前行。图注：最初的pong街机，将电子娱乐从概念推向实际在1972年，计算机图形学的发展直接促成了一个让普通用户感兴趣的游戏产品——Pong街机，这是第一款家庭电视游戏产品，也是首款真正取得成功并影响深远的视频游戏，实际上这就是一个简单的乒乓撞球游戏，但它几乎成为电子娱乐领域的始祖。当Pong成为遍布街头巷尾的街机时，越来越多的厂商也开始关注并设计自己的电子娱乐产品。同样对计算机图形学提出需求的，还有一些工业设计领域，如计算机辅助设计（ComputerAidedDesign），通称CAD。CAD的出现使情况发生根本性的改变，1974年美国波音飞机制造公司第一架音747客机试飞成功，这架客机的设计图纸全部重量竟有几十吨重，如果没有CAD设计技术，这么浩大的制图工程量，用人工来做是无法想象的。在20世纪80年代，逐渐出现了专门进行图形计算的硬件，它们是GPU的前生，这极大的加速了计算机图形学的发展进程。八十年代以前主要在军事领域研究发展，其应用目标是各类军用运输工具仿真模拟器的视景生成系统。八十年代早期，斯坦福大学教授JimClark产生了用专用集成电路技术实现3D图形绘制处理器的设想，然后与其学生创立了SGI公司，并于1984年开发出了世界上第一个通用图形工作站IRIS1400。图注：SGI公司，是技术计算和可视化计算无可争议的领军者第二代高端通用图形工作站的功能特征包括三角形的Gouraud明暗处理、Phong光照模型和硬件Z-Buffer算法。图象的真实感显著改善，几何变换及扫描转换性能大幅提高。第三代出现于1992年下半年，代表产品是SGI的RealityEngine。它增加了纹理映射及全屏幕反走样，为通用图形工作站用于户外视景模拟打开了大门。简单来说最初的硬件支持的3D图形绘制可以划分成几何处理和光栅化处理两个阶段。几何处理阶段包括了坐标变换、裁剪、光照计算等，光栅化处理则包含了扫描转换、采用Z-Buffer算法的隐藏面移去、纹理映射等。显然，要使系统的性能最佳就必须使这两个处理阶段具有相匹配的处理能力。3D图形生成的计算量非常巨大，即使最快的通用CPU也难以胜任。3184第2页：GPU概念提出之前经典的图形硬件GPU概念提出之前经典的图形硬件●图形处理芯片出现，市场呈现群雄逐鹿在GPU概念没有提出之前，图形处理芯片是显卡的心脏，可以说，一款显卡使用的图形处理芯片基本决定了这块显卡的性能和档次。当时有能力生产图形芯片的公司主要有ATI、NVIDIA、3DFX、S3、MATROX、SIS、TRIDENT、STM等几家公司。而经过了显卡市场这几年激烈的竞争之后，不少原先的老牌如S3，3DFX等公司都倒下去了，Matrox、Trident等公司也是日渐衰落，如今只有NVIDIA和ATI可以说是春风得意，把持着民用市场的绝大部分份额和大部分专用市场。在2D图形时代，ATI曾与OEM客户建立起了亲密的合作关系，同时ATI优质多媒体卡的声誉也在消费者之间广为流传。但进入90年代之后，电脑游戏的发展要求显卡拥有强劲的3D效能，这直接成就了3DFX和NVIDIA，ATI也没有放弃任何机会，Rage128等产品成就了ATI在图形芯片市场上的活跃度。图注：在图形芯片市场创造过辉煌过的部分厂商，你能回忆当时的岁月吗……回过头来看这些年公司在GPU概念之前推出的图形芯片，大致上可以分为四代。第一代图形芯片的代表S3Virge系列、ATI的第一款3D芯片3DRage、NVIDIA的第一代产品NV1和MATROXMystique系列充斥了整个市场。但是，这四个系列的产品性能都不能令人满意，在配备了高端处理器的电脑中，有时软件加速的效果甚至比硬件加速的效果还要好。其中值得注意的是ATI的3DRage输在兼容性方面，而NVIDIA的NV1采用的正方形成像技术虽然不错，没有获得微软在Windows95中就制订的Direct3D多边形立体标准，最后走向失败。第二代图形芯片的代表是3DFXVoodoo和NVIDIARIVA128。从第二代起，图形芯片才进入了高速发展的黄金时期，图形芯片领域的发展速度是电脑界权威的摩尔定律的三倍——每六个月产品更新换代一次，性能提高一倍。当默默无闻的3DFX推出划时代的图形加速卡——Voodoo之后，图形芯片的性能不能令人满意的现象才得到彻底改变。但是Voodoo早期的天价，为它和3DFX带来许多麻烦。Voodoo拥有每秒4500万的像素填充率，每秒100万个多边形的生成能力，支持双线过滤，板载4MB显示内存，这一切价值300美元。而且Voodoo还是一块纯3D加速卡，也就是说它必须和普通的2D显示卡配合使用。但是对于使用低像素填充率，没有过滤功能，2D和3D应用都共享可怜的1MB显存的低端显示卡的游戏玩家来说，高端的Voodoo芯片的出现无疑是个福音。图注：挽救了NVIDIA的RIVA128显卡在竞争对手的打击下，NVIDIA为世嘉游戏机重新设计的NV-2芯片在没有开发完成就被世嘉放弃，加之NV-1并没有得到市场认可，NVIDIA顿时陷入崩溃边缘。但值得注意的是此时NVIDIA启用了极具天才的DavidKirk（现为美国工程院院士、NVIDIA首席科学家），开始重新研制NV-3。NV-3的目标是成为当时最先进的图形芯片，并准备在一个芯片中集成优秀的2D和3D性能。在1997年快要结束的时候，NVIDIA终于发布了NV-3，也就是大家所熟悉的RIVA128，RIVA128主张128位的内存总线，在全速运行的时候可以达到100Mpixel/Sec，在非GLIDEAPI游戏性能中超过了当时风靡全球的3DfxVoodoo。零售市场上，Diamond、STB、ASUS、ELSA和Canopus等等都相继推出了基于此芯片的产品，加上当时不少经典的GLIDE游戏转向微软的D3D阵营，这些都促使RIVA128终于获得了市场的认可。此时ATI也经历了一个痛苦的阶段，在同样比较失败的3DRage之后，ATI真正意义上的第一款3D芯片3DRageII诞生。此芯片支持双线性、三线性过滤、Z-buffer和一些Direct3D材质混和模式。但是像素过滤只是比S3的Virge略好，在当时来说是只能算一般。1997年2月，ATI发布了3DRageII+DVD，这是第一块提供了硬件运动补偿的图形芯片，把CPU从软件播放DVD的繁重的工作中解放了出来，使ATI成为DVD加速领域的先行者。同年发布的3DRagePro芯片开始，ATI已经采用了当时业界领先的AGP总线。大批的OEM订单使ATI公司在1998年的收入也提高了一倍。图注：多媒体显卡的开山之作ATIRage128第3页：NVIDIA、3DFX、ATI三强争霸NVIDIA率先崛起，3DFX大势已去，ATI等待良机第三代图形芯片的代表是3DFXVoodoo2、NVIDIATNT、ATIRage128、MATROXG200、S3Savage3D；应该说，时至今日，使用前三代图形芯片的显卡产品已经绝迹，只能在收藏爱好者的仓库里看到它们的身影。其中TNT的推出向世人证实了强劲的3D性能不仅仅是3dfx的专利，在性能上RIVATNT已经具备了挑战当时显卡之王Voodoo2的实力。著名的“雷管”（Detonator）驱动也在RIVATNT时代诞生，这表明NVIDIA注意到优良的驱动程序对充分发挥显示芯片性能的重要性。ATI开发的Rage128虽然不是当时顶尖的，不过RAGE128胜在各项性能指标都非常平均。多媒体方面，RAGE128不仅在DVD动态插值补偿方面依然占据优势，更有支持VIVO和ALL-IN-WONDER的显卡版本。在当时看来，这已经算是功能非常强大的多媒体显卡，ATI逐渐做出了自己的特色。第四代图形芯片的代表是3DFXVoodoo3、NVIDIATNT2、MATROXG400、S3Savage4。经过这两次换代后，优秀的TNT2使得3DFX在图形加速市场上所占的比重下降了，影响也大不如前。到1999年底，采用TNT2系列芯片的显卡几乎抢占了近80%的显卡市场，NVIDIA第一次在市场份额以及性能上超过了对手3DFX。RIVATNT2采用了0.25um工艺制造，标准版本运行于125MHz频率，支持32MB显存，支持32bit帧缓冲，支持DVI输出接口，峰值速度250Mpixels/Sec，更重要的是它代表了新一代显卡的特色：128位核心、支持AGP4X、支持32M显存。图注：TNT2显卡使得NVIDIA首次坐上了市场占有率第一的王座从TNT2开始NVIDIA对产品进行了市场化细分，在高中低端，面向多种不同的用户，TNT2芯片衍生出TNT2Vanta、TNT2M64、TNT2、TNT2Pro、TNT2Ultra等不同的型号产品，搭配不同显存的容量，产品线覆盖了大部分的市场。其中TNT2Ultra是系列最高端产品，也是NVIDIA第一次使用Ultra后缀命名高端产品，TNT2Ultra只是从NV6核心中挑选出的品质优秀的芯片，并搭配了速度最快的显存，其核心/显存频率高达150/183MHz，后期更是提高到175/200MHz，性能上超过了3DFX的Voodoo3500以及MATROX的G400Max。图注：3DFX的绝唱——疯狂设计的Voodoo56000显卡TNT2的出现，使得NVIDIA和3DFX之间的霸主之争天平发生了倾斜，Direct3D和OpenGL的广泛使用也使3DFX的Glide摇摇欲坠，3DFX的一意孤行终究得到了市场的抛弃。NVIDIA却凭借自身的努力和TNT系列产品的巨大成功登上了“图形加速芯片之王”的宝座。ATI则靠着ATIRage128一直将传统优势和市场份额延续下来。第4页：Geforc