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圖形處理器

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GeForce 6600GT (NV43) 繪圖晶片

圖形處理器英语Graphics Processing Unit縮寫GPU),又稱顯示核心視覺處理器顯示晶片,是一種專門在個人電腦工作站遊戲機和一些行動裝置(如平板電腦智慧型手機等)上影像運算工作的微處理器

圖形處理器是輝達公司在发布精視 256繪圖處理晶片时首先提出的概念,在此之前,電腦中處理影像輸出的顯示晶片,通常很少被視為是一個獨立的運算單元。而對手冶天科技亦提出視覺處理器(Visual Processing Unit)概念。圖形處理器使顯示卡减少了对中央處理器的依赖,並分擔了部分原本是由中央處理器所擔當的工作,尤其是在進行三維图形处理时,功效更加明顯。圖形處理器所采用的核心技术有硬體座標轉換與光源、立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等。

圖形處理器可單獨與專用電路板以及附屬組件組成顯示卡,或單獨一片晶片直接集成到主機板上,或者內建於主機板的北橋晶片中,現在也有內建於CPU上組成SoC的。個人電腦領域中,在2007年,90%以上的新型桌上型電腦和筆記型電腦擁有集成繪圖晶片,但是在效能上往往低於不少獨立顯示卡。[1]但2009年以後,AMD和英特爾都各自大力發展內建於中央處理器內的高效能整合式圖形處理核心,它們的效能在2012年時已經勝於那些低階獨立顯示卡,[2]這使得不少低階的獨立顯示卡逐漸失去市場需求,兩大個人電腦圖形處理器研發巨頭中,AMD以AMD APU產品線取代旗下大部分的低階獨立顯示核心產品線,NVIDIA更是超過3年沒有更新低階獨立顯示核心的架構。[3]而在手持設備領域上,隨著一些像是平板電腦等裝置對圖形處理能力的需求越來越高,不少廠商像是高通PowerVRARM、NVIDIA等,也在這個領域裏紛紛「大展拳腳」。

歷史[编辑]

1970年代[编辑]

ANTICCTIA晶片為Atari-8位元電腦提供硬體控制的圖形和文字混合模式,以及其他視訊效果的支援。ANTIC晶片是一個特殊用途的處理器,用於映射文字和圖形數據到視訊輸出。ANTIC晶片的設計師,Jay Miner隨後為Amiga設計繪圖晶片。

1980年代[编辑]

Commodore Amiga是第一個於市場上包含映像顯示功能在其視訊硬體上的電腦,而IBM 8514圖形系統是第一個植入2D顯示功能的PC顯示卡。

Amiga是獨一無二的,因為它是一個完整的圖形加速器,擁有幾乎所有的影像產生功能,包括線段繪畫,區域填充,塊圖像傳輸,以及擁有自己一套指令集(雖然原始)的輔助繪圖處理器。而在先前(和之後一段時間在大多數系統上),一般用途的中央處理器是要處理各個方面的繪圖顯示的。

1990年代[编辑]

S3 Graphics ViRGE 顯示卡

1990年代初期,Microsoft Windows的崛起引發人們對高性能、高解析度二維點陣圖運算(UNIX工作站和蘋果公司的Macintosh原本是此領域的領導者)的興趣。在個人電腦市場上,Windows的優勢地位意味著桌上電腦圖形廠商可以集中精力發展單一的編程介面,图形设备接口

1991年,S3 Graphics推出了第一款單晶片的2D圖像加速器,名為S3 86C911(設計師借保時捷911的名字來命名,以表示它的高性能)。其後,86C911催生了大量的仿效者:到1995年,所有主要的PC繪圖晶片製造商都於他們的晶片內增加2D加速的支援。到這個時候,固定功能的Windows 加速器的性能已超過昂貴的通用圖形輔助處理器,令這些輔助處理器續漸消失於PC市場。

在整個1990年代,2D圖形繼續加速發展。隨著製造能力的改善,繪圖晶片的集成水準也同樣提高。加上應用程序接口(API)的出現有助執行多樣工作,如供微軟Windows 3.x使用的WinG圖像程式庫,和他們後來的DirectDraw介面,提供Windows 95和更高版本的2D遊戲硬體加速運算。

在1990年代初期和中期,中央處理器輔助的即時三維圖像越來越常見於電腦和電視遊戲上,從而導致大眾對由硬體加速的3D圖像要求增加。早期於大眾市場出現的3D圖像硬體的例子有第五代視訊遊戲機,如PlayStation任天堂64。在電腦範疇,顯著的失敗首先嘗試低成本的3D繪圖晶片為S3 ViRGEATI3D Rage,和Matrox的Mystique。這些晶片主要是在上一代的2D加速器上加入三維功能,有些晶片為了便於製造和花費最低成本,甚至使用與前代兼容的針腳。起初,高性能3D圖像只可經設有3D加速功能(和完全缺乏2D GUI加速功能)的獨立繪圖處理卡上運算,如3dfx的Voodoo。然而,由於製造技術再次取得進展,影像、2D GUI加速和3D功能都集成到一塊晶片上。Rendition的Verite是第一個能做到這樣的晶片組。

OpenGL是出現於90年代初的專業圖像API,並成為了在個人電腦領域上圖像發展的主導力量,和硬體發展的動力。雖然在OpenGL的影響下,帶起了廣泛的硬體支持,但在當時用軟體實現的OpenGL仍然普遍。隨著時間的推移,DirectX在90年代末開始受到Windows遊戲開發商的歡迎。不同於OpenGL,微軟堅持提供嚴格的一對一硬體支持。這種做法使到DirectX身為單一的圖形API方案並不得人心,因為許多的圖形處理器也提供自己獨特的功能,而當時的OpenGL應用程序已經能滿足它們,導致DirectX往往落後於OpenGL一代。

隨著時間的推移,微軟開始與硬體開發商有更緊密的合作,並開始針對DirectX的發佈與圖形硬體的支持。Direct3D 5.0是第一個增長迅速的API版本,而且在遊戲市場中獲得迅速普及,並直接與一些專有圖形庫競爭,而OpenGL仍保持重要的地位。Direct3D 7.0支持硬體加速座標轉換和光源(T&L)。此時,3D加速器由原本只是簡單的柵格器發展到另一個重要的階段,並加入3D渲染流水線NVIDIAGeForce 256(也稱為NV10)是第一個在市場上有這種能力的顯示卡。硬件座標轉換和光源(兩者已經是OpenGL擁有的功能)於90年代在硬體出現,為往後更為靈活和可編程的像素着色引擎頂點着色引擎設置先例。

2000年到現在[编辑]

隨著OpenGL API和DirectX類似功能的出現,圖形處理器增加了可編程着色的能力。現在,每個像素可以經由獨立的小程序處理,當中可以包含額外的圖像紋理輸入,而每個幾何頂點同樣可以在投影到屏幕上之前被獨立的小程序處理。NVIDIA是首家能生產支援可編程著色晶片的公司,即GeForce 3(代號為NV20)。2002年10月,ATI發表了Radeon 9700(代號為R300)。它是世界上首個Direct3D 9.0加速器,而像素和頂點著色引擎可以執行循環和長時間的浮點運算,就如中央處理器般靈活,和達到更快的圖像陣列運算。像素著色通常被用於凸凹紋理映射,使物件透過增加紋理令它們看起來更明亮、陰暗、粗糙、或是偏圓及被擠壓。[4]

隨著繪圖處理器的處理能力增加,所以他們的電力需求也增加。高性能繪圖處理器往往比目前的中央處理器消耗更多的電源。[5]

繪圖處理器公司[编辑]

現時有許多公司生產繪圖晶片,如英特爾AMDNVIDIA都是目前市場的領導者,分別擁有54.4%、24.8%和20.%的市場佔有率。然而,這些數字包括英特爾的低成本,低效能集成圖像處理器。扣除這些數字,NVIDIAAMD控制將近100%的市場佔有率。另外,威盛電子/S3 GraphicsMatrox也生產圖像晶片。[6]

類型[编辑]

獨立顯示卡[编辑]

Nvidia GeForce GTX 260 獨立顯示卡

效能最高的一類繪圖處理器是透過PCI-ExpressPCIAGP等擴展槽界面與主機板連接的,而通常它們可以相對容易地被取代或升級(假設主機板能支援升級)。現在,仍然有少數顯示卡採用頻寬有限的PCI插槽作連接,但它們通常只會在主機板沒有提供PCI-ExpressAGP插槽的情況下才會使用。

在現今的定義裡,獨立繪圖處理器不一定需要,是可以被移除的,也不一定要直接與主機板連接。所謂的“專用”即是指獨立顯示卡(或稱專用顯示卡)內的RAM只會被該卡專用,而不是指顯示卡是否可從主機板上獨立移除。基於體積和重量的限制,供筆記本電腦使用的獨立繪圖處理器通常會透過非標準或獨特的介面作連接。然而,由於邏輯介面相同,這些端口仍會被視為PCI-ExpressAGP,即使它們在物理上是不可與其他顯示卡互換的。

一些特別的技術,如NVIDIASLIATICrossFire允許多個繪圖處理器共同處理一個單一的影像輸出,可令電腦的圖像處理能力增加。

集成繪圖處理器[编辑]

Intel GMA X3000 集成繪圖晶片 (被散熱片覆蓋)

集成繪圖處理器(或稱內建顯示核心)是設在主機板CPU上的繪圖處理器,運作時會借用電腦內部分的系統記憶體,而沒有自己獨立的圖形記憶體。裝設集成顯示的個人電腦約佔總出貨量的90%[7],相比起使用獨立顯示卡的方案,這種方案較為便宜,但效能相對較低。從前,集成繪圖處理器往往會被認為是不適合於執行3D遊戲或精密的圖形型運算。然而,今天的集成繪圖顯示方案,如Intel GMA X3000Intel G965 晶片組)、AMD的Radeon HD 4290(AMD 890GX 晶片組)和NVIDIA的GeForce 8200(NVIDIA nForce 730a 晶片組)已有能力處理對系統需求不是太高的3D圖像[8]。因為較舊的集成繪圖晶片組缺乏如硬體T&L等功能,只有較新型號才會包含。[9]

集成繪圖處理器的效能較低,其中一個原因是由於內建顯示核心的運算速度較低。同時,圖形處理器在運作時會消耗一定數量的記憶體,但自己本身卻沒有獨立的繪圖記憶體,而要與中央處理器共同分享原本已經緩慢的系統記憶體。可是,系統記憶體的速度比獨立繪圖記憶體來得慢,系統記憶體的傳送速度可能是10GB/s至20GB/s左右,獨立繪圖記憶體則至少有50GB/s,甚至超過150GB/s,取決於型號而定。這不單令集成繪圖處理器的效能降低,甚至減慢整台電腦速度,因為原本由中央處理器獨自使用的記憶體寬帶,要分享給中央處理器和圖形處理器使用。

由於現時多數CPU集成了繪圖處理器,多數現售的主機板在支援集成繪圖處理器的同時,提供額外的顯示卡擴展槽,以方便日後升級。

參考資料[编辑]

参见[编辑]