虽然GPU(Graphics Processing Unit)一词是在1999年8月,Nvidia在发表GeForce 256显示芯片时所一同提出,此词创的用意是期望众人能将显示芯片与Intel力倡的CPU(Central Processing Unit)等量齐观,而别再是PC系统内独尊CPU,不过到了今日GPU一词已成为普遍通行的称法,甚至已比过去的「显示芯片」、「绘图芯片」等更常称用。
此外,今日GPU的运用领域可说是愈来愈广,除了信息领域的个人计算机(包括主流桌面计算机、低价计算机、笔记本电脑)、专业绘图工作站、服务器之外,在消费性电子的领域也颇多斩获,例如STB视讯机顶盒、HDTV高清晰数字电视、Media Center媒体中心、Game Console电视游乐器等也都需要GPU,此外热门的手持装置也一样愈来愈倚重GPU,包括智能型手机、PDA、GPS电子地图与导航、PMP可携式媒体播放器、掌上型电玩等,甚至股票机、电子字典等,这些也都需要GPU来强化绘图效果。
由此可知,GPU的应用层面已愈来愈大,且规格与技术仍持续在强劲变革中,本文以下将针对最早发端的信息领域,来了解近年来GPU的技术发展与演进。
![《图一 Nvidia的GeForce3 Ti200的绘图处理器。》](/art/2006/11/011421567476/p1.gif)
《图一 Nvidia的GeForce3 Ti200的绘图处理器。》 |
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主流桌面计算机
近年来主流桌面计算机所用的GPU有几项新发展趋势:
- (1)2002年开始,PCI Express取代自1996年以来的AGP,原因在于AGP的技术作法已难再提升传输效能,如此一路走来为AGP 1X、2X、4X、8X、PCIe 16X;
- (2)随着PCI Express的普及,过去(1998年)仅适合在PCI、不适合于AGP的SLI组态技术于2004年开始再度被起用;
- (3)由于GPU的平行浮点运算效能已达高度充沛,自2005年ATI提出GPGPU(Genera Purpose GPU;一般性用途的GPU)的概念,期望GPU的浮点运算也能用于娱乐3D绘图之外的应用,特别是科学、工程方面的应用,如核磁共振、流体仿真。此外Nvidia也提出「物理SLI」,以及AGEIA提出PhysX,使物理引擎与绘图引擎更互近与交跨发展。
- SLI(Scan-Line Interleave)技术是于1998年时,由3dfx所提出,2000年Nvidia并购3dfx,2004年NVIDIA再次提出过往的SLI技术,但全写含意已有所变,改成:Scalable Link Interface,然技术本质不变,此外ATI于2005年提出的CrossFire技术也属相同性质。
- 除此之外,其他相关的技术还有DirectX函式库、视频存储器、平面显示与串流媒体。在娱乐3D函式库(Library;或称「API」应用程序编程接口)上,自1995年以来年年大改版本数字的DirectX,在近4年都仅有小幅更动,即持续停留在DirectX 9.0的层次,预计Windows Vista问世后,附带的DirectX 10才可能带来更大的变革。
其次是视频存储器(Frame Buffer),主流桌上系统一向实行独立、特用的视频存储器,从最早的VRAM,到之后的SGRAM,以及更后续的GDDR2,及今日的GDDR3,其他短暂特用的也包括WRAM(Matrox的Millenium IS-STORM R2)、MDRAM(Tseng Labs的ET6000/ET6100)及RDRAM(Cirrus Logic的GD546x)等。
同时,视频存储器的容量、传输宽度、频率等都在提升,容量从最初的2、4MB水平,一路倍增至今日256MB,宽度也从32bit、64bit、128bit,到今日的256bit。另一方面频率也持续飙升,无论GPU处理核心、视频存储器总线、RAMDAC等皆是,核心已至430MHz、470MHz之高,视频存储器接口方面更是达525MHz、600MHz。
再者,自1999、2000年起,计算机监视(显示)器逐渐从CRT转换成LCD,如此在显示驱动上也必须因应改变,例如Nvidia的Pure Video技术、ATI的AVIVO技术,皆是为此而设,此外也针对近年来开始盛行的串流媒体格式:MPEG-4、H.264等进行硬件式的优化清晰播放。
至于从1997年由Microsoft发起的TV Output功效,多年来并没获得太大回响,且多半以独立封装芯片(或模块子卡)型态来提供,而非内建整合到GPU中,到了2003年Microsoft另行推展Media Center理念,将主流桌上PC再行包装,具备TV Tuner、TV Output功效的GPU/显示适配器则转往此领域发展,如此已属CE消费性电子领域,在本次文章中暂且略提。
低价桌面计算机
低价桌面计算机(Low Cost PC)是自1997年2月开始,Intel起初不以为意,但经过一年观察后才正式承认低价市场的存在,并在1998年4月推出针对此领域的处理器:Celeron,不过1996~1998正是3D显示适配器起飞的数年,当时除积极提升3D效能外,尚无人顾及低价需求,一直到1999年由各芯片组业者提出整合型芯片组(Integrated Graphics Processor;IGP),才算正式对这块市场有所回应。
IGP作法是将GPU与芯片组(主要是北桥芯片)进行整合,较高阶的IGP仍具有自属独立的视频存储器,如Intel推行的动态视频存储器技术(Dynamic Video Memory Technology;DVMT),不过也有实行与系统主存储器合一的更经济作法,此种作法一般称为一体性内存架构(Unified Memory Architecture;UMA),UMA最早是来自于工作站,为了让工作站单价更低而提出的架构性精省构想。如Nvidia的TurboCache技术,以及ATI的HyperMemory技术,此种技术今日也经常用在诉求平价的笔记本电脑中。
IGP发展的初期,必须在制造阶段就决定是否要设置独立配置的视频存储器,出厂之后就无从再变更,此外用户也只能使用IGP内建的GPU,无法再行扩充选择,或只能选择传输带宽更有限的PCI,不过近年来这些限制都逐渐去除,不仅可以关闭内建的GPU功效而选择外接方式的升级扩充,甚至也支持SLI、CrossFire等并列加速的组态,如此使得低价用GPU的规格及功效愈来愈与主流水平拉近。
专业绘图工作站
专业绘图工作站对GPU的需求比PC更早,不过在1996年Windows工作站出现后,与原有市场中的UNIX工作站进行了数年的价格战,直到1999年工作站市场萎缩,价格战的结果迫使过去特有接口纷纷走入历史,例如Apple从NuBus改用PCI/AGP,Sun也从UPA改用PCI/AGP,甚至是用64bit PCI与PCI-X。Sun方面仍有部分在使用旧的UPA接口,此外也有新的接替接口:Fireplane,以及更后续的J-Bus。
同样也因为PC阵营的强势成长,过去仅经营工作站市场的GPU业者也逐渐退缩,包括SGI将绘图部门卖给Nvidia,Creative Labs买下3DLabs等。虽然如此,但工作站依然是众领域中对视讯规格要求最高的,以顶级的专业绘图卡而言,最高已可配属达1GB的容量,由此可看出专业绘图对资源的苛求性。
工作站用的GPU不仅各项表现都要达最高标,在功效设计上也有几项与主流桌上PC不同,一是针对专业3D绘图所需的API:OpenGL进行更佳的支持,虽然主流PC用的GPU也支持OpenGL,但支持性仍会低于娱乐3D绘图所用的DirectX,主流PC用的GPU之所以会支持OpenGL,主要也在于部分3D游戏有支持OpenGL,然游戏软件与游戏GPU绝非对此专精诉求。
另一是多视讯输出,许多专业工作者早已实行多屏幕的工作环境,如此可提升专业工作的效率,所以工作站的GPU通常还要搭配特属的设计,使其能够同时执行及处理多个画面的输出。
![《图五 比Intel Centrino更早实现CPU、GPU、North Bridge三种芯片整合成一体的,是Cyrix的MediaGX处理器,今日笔记本电脑用的GPU愈来愈讲究整合精缩与省电性。》](/art/2006/11/011421567476/p5.gif)
《图五 比Intel Centrino更早实现CPU、GPU、North Bridge三种芯片整合成一体的,是Cyrix的MediaGX处理器,今日笔记本电脑用的GPU愈来愈讲究整合精缩与省电性。》 |
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笔记本电脑
笔记本电脑用的GPU首重省电性、次讲究体积精缩性、再次才会考虑效能、价格等因素。为了省电,除了在半导体制程上提升外,GPU业者也额外设计了多种省电机制,例如ATI的Powerplay技术,能侦测笔记本电脑在进行简报性的双画面同步输出时,会主动将近端自有的显示部分减少用电,因为简报讲者多以大投影画面为主盯,仅会有几次回神到自有的笔记型画面中。
又如在一般操作或DVD-Video播放时,GPU也会自动将3D方面的功效电路加以关闭,以精省用电。类似的也有Nvidia的PowerMizer技术,这些都属于动态因应、调适性的省电技术。
值得注意的是,由于笔记本电脑愈来愈普及,甚至有凌驾桌上型之势,过往笔记本电脑用的GPU有了更多的发展路线,除了高价位采独立GPU、独立视频存储器外,平价的笔记本电脑则实行整合性的IGP,并尽可能精省内存而使用共享式的UMA,但除这两者如今又有两种,一种是讲究更精缩与省电的Intel Centrino(迅驰),将CPU、GPU、Chipset(北桥)三合一设计,以求更整合的体积与更统合的电源管控。另一则是更强效的偏执发展,将过往仅在桌上才具备的强悍效能也转移到笔记型,因此也开拓出「行动用工作站」的新顶级路线。
![《图六 苹果计算机(Apple Computer)于2003年以后推出的Xserve服务器,连GPU芯片都加以精省,足见服务器、伺服应用机(也包含家用网关Home Gateay、常驻网关Residential Gateway)的领域相当不重视GPU。》](/art/2006/11/011421567476/p6.gif)
《图六 苹果计算机(Apple Computer)于2003年以后推出的Xserve服务器,连GPU芯片都加以精省,足见服务器、伺服应用机(也包含家用网关Home Gateay、常驻网关Residential Gateway)的领域相当不重视GPU。》 |
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服务器
最后是服务器(也包含伺服应用机;Server Appliance),老实说这是最不需要GPU的一块,过去许多服务器皆直接配属一张出货前市场上最低阶的显示适配器,如此即可交差,后来IGP兴起后也多半直接使用内建的视讯功效。
更有甚者如Apple,Apple在2003年推出的第二代Xserve服务器中直接弃舍GPU,任何近端的本机操作都是透过联机,直接读取机内存储器中的视讯内容,以此解决。此外许多Server Appliance也都实行类似方式,或提供Web接口以供简易设定。
当然,也有业者试图以更大的规模用量来争取服务器/伺服应用机的GPU市场,由于不重视绘图效能与3D效果的嵌入式应用也相当多,包括POS(收款机)、ATM(提款机、自动柜员机)、KIOSK(服务亭/信息亭)、Thin Client(精简型计算机/瘦身型客户端)等,GPU业者可用单一种GPU,并透过大量量产的单价均摊效益,让上述各种嵌入应用获得更低廉、合用的视讯功效功能,这也是另一种可行的出路。