自電腦有了顯示功能以後，其功能就愈來愈複雜。從最簡單的文字陣列顯示，進一步能顯示圖形，接著能處理平面2D的繪圖指令。發展到了今天，就算最入門的陽春機種，都會搭配能處理3D繪圖指令的顯示卡。大家對於nVidia、ATi等研發繪圖晶片大廠的名字耳熟能詳，但對於繪圖晶片中的功能、架構和發展過程，也許就有些陌生了。藉這個機會，我們來好好談談繪圖晶片吧。

顯示晶片和繪圖晶片

這兩個名詞，過去到現在都沒有一個很明確的定義，只是習慣性的稱過去顯示卡上的晶片為「顯示晶片」。現在的顯示卡不僅能顯示影像，也有了繪圖的功能，所以也被稱做「繪圖卡」。卡上所使用的晶片也被稱為「繪圖晶片」，或結合以上兩項功能，叫做「繪圖顯示晶片」。

繪圖和顯示到底有什麼差別？過去的顯示卡所用晶片，並不能叫做「繪圖晶片」，充其量只能叫做「顯示晶片」。因為其功能只是單純地把顯示記憶體中的資料，轉換成顯示器的訊號，讓顯示器可以顯示出來而已。使用這類顯示卡在做影像或圖形處理工作時，圖形或影像的內容都要由CPU處理完成，再把處理後的資料放到顯示記憶體中，讓顯示晶片上的RAMDAC（Random Access Memory Digital-to-Analog Converter）對顯示記憶體做一次由上到下的掃描，把這些數位資料一行一行的轉換成顯示器的類比訊號。

繪圖晶片除了有上述顯示晶片的功能外，本身就有能力可以處理圖形和影像。換言之，CPU可以不用費神在處理圖型和影像上，只需要指揮繪圖晶片做事，繪圖晶片便會把這些事情處理好，把結果放到顯示記憶體上。剩下的動作和一般顯示晶片並無二致，由RAMDAC把圖形資料輸出給顯示器便完成了。那些工作是可以由繪圖晶片代理，不需要CPU親自處理呢？這些工作包括了影像處理、解壓縮、影像資料搬移及2D的繪圖指令等。當然，現在最重要的就是要能處理3D的繪圖指令，如(圖一)所示。

《圖一　顯示卡和繪圖卡》

因為CPU不需要處理這些繁雜，運算量又大的工作。大可以多花點時間去處理磁碟存取、使用者介面（User Interface；UI）上，將現今多媒體的系統效能大幅的提高。

更強大的影像處理功能

影像處理是現在繪圖晶片必備的功能，但因為每家廠商做出來的功能皆大同小異，一般人很少特別去注意。現在的繪圖晶片都能進行MPEG的即時解壓縮，用最簡單的話來說，就是能放映電影、動畫、VCD及DVD等等。這些影像資料都是以壓縮的方式存放在磁碟或光碟當中，當我們想要放映時就要做一個解壓縮的運算，還原壓縮前的影像才能放映出來。演算大量的影像資料當然不是輕鬆的工作，以前的CPU運算速度不夠，無法順暢的播放，所以那時會外接一張解壓縮卡來做這工作。現在則是把這個工作內建在繪圖晶片中。另外，有的繪圖晶片還能對顯示出來的畫面做反鋸齒（Anti Aliasing）、清晰（Sharp）、模糊（Blur）及色調的處理等，讓顯示出來的結果可以更加的美觀，符合顯示器及觀眾的需要。

3D處理能力

3D資料我們可以概略的分成兩個部份，一是圖形資料，另一個是材質資料。一張3D顯示卡處理的不外乎就是這些資料，所以一張3D顯示卡的性能如何，就看處理這些資料的能力了。

圖形資料

3D的圖形資料就是許多不同的立體幾何形狀。實際上在處理時，會被拆解成許多的三角形。繪圖晶片要做的事，用講的很簡單。把這些三角形按光線情況和角度等資料一一上色，轉換成我們螢幕的平面座標，就可以顯示出來了。這些工作又可以簡單的分成兩個部份，座標轉換（Transform）及上色（Lighting）。座標轉換及上色通常被合稱為T&L。因為T&L運算量龐大，需要大量電路來完成，所以早期的3D繪圖晶片並不實做這個部份，仍舊交給CPU來處理。但隨著現今對此運算速度的要求愈來愈高，於是大部份的繪圖卡都將此功能由硬體電路實做，內建在繪圖晶片中，如(圖二)所示。

《圖二　繪圖資料處理流程簡圖》

座標轉換

想像你的手中有一片三角形的紙板，試著轉動它並觀察每一個角度的變化。我們可以發現隨著三角形面向的位置不同，投影到我們眼中的形狀也不一樣。在電腦的3D處理中，也有類似的動作。因為螢幕是平面的，3D的世界就要透過投影（Project）的動作，才能顯示在螢幕上。就像我們用眼睛觀察真實世界，最後投影在我們的視網膜上成像一樣。只不過眼睛看東西可以靠光投影的物理法則自然完成，但電腦在處理這些座標轉換的動作時，卻要使用著大量的數學運算。此外，3D虛擬世界中的物體在移動或轉彎時，也需要對應的數學運算來處理。一顆3D繪圖晶片每秒鐘要能處理數以千萬計的三角形，才能讓3D遊戲動作順暢。每秒鐘能畫多少三角形便成了繪圖晶片的性能指標之一。請參照(圖三)。

《圖三　三角型角度和投影的關係》

上色

一張色紙在一般情況下，怎麼轉動都會是同一種顏色。但若考慮燈光的效果時，就複雜得多了。例如色紙面光的角度不同，色紙的顏色就會有明暗的變化；如果還要考慮燈光的顏色不同，那就更複雜了。在3D虛擬世界中，電腦透過一連串模擬光學的公式，來運算出最後的顏色。

在螢幕上我們最後畫出的三角形，也是由一個一個的點構成。這些點依其所在位置不同，顏色也有可能會不一樣。座標轉換後的三角形，繪圖晶片會把上面每個點的顏色再一一計算出來，構成螢幕上最後色彩繽紛的圖案。

材質資料

很多時候運算出來的顏色並不能很好的表現真實的世界。很多真實世界的物體有其獨特的花紋。以一隻黑白相間的斑馬為例，若只用全黑或全白的三角形去拚組牠，都不會有很好的效果。當然，若這些全黑或全白的三角形十分細小，那麼可以拚組出我們想要的圖，卻會造成運算量的大幅增加。最理想的辦法，是把斑馬全身上下的斑紋全部照像拍下來，然後再貼到我們用三角形拚組出來的馬身上，就可以做出逼真的斑馬了。這些照片，就是我們所稱的材質（Texture）。

使用材質最大的問題就出在於這些材質影像體積都不小，每次要繪圖時再存取相當耗時間，所以都儘可能存在繪圖卡上的記憶體中，以便隨時存取。以前繪圖卡上的記憶體不大，若是要使用的材質不在繪圖卡的記憶體中，就要想辦法把原先佔用繪圖卡記憶體中不重要的材質先移出去，清出空間來放現在要用的材質。這些搬過來移過去的動作，佔用了大量記憶體的頻寬，令繪圖效能大打折扣。為了處理這個問題，AGP（Accelerated Graphics Port）這個規格便誕生了。AGP可以讓繪圖晶片用很快的速度直接讀取系統記憶體上的材質，而不需要經由原來PCI的方式搬移材質，讓繪圖的速度變快。這個規格現在有了2x、4x、8x等等版本，一代比一代快。現今新的繪圖卡幾乎都支援AGP 8x，解決讀寫材質時的頻寬問題。

在記憶體便宜了以後，稍微好一點的繪圖卡都配有128MB其至更高的記憶體，從根本解決材質記憶體不夠的問題，對3D遊戲來說，實在是綽綽有餘了。

除了材質的移動外，繪圖晶片每畫一個點，都要到材質記憶體中存取對應的材質像素（Texel）。所以就算沒有材質搬來搬去，在繪圖的過程中，還是需要不斷地存取材質記憶體。解決的方法就是換用更好更快的記憶體，及加大記憶體的頻寬。有時同樣的繪圖晶片規格，卻有著相當大的價格差異時，多留意一下記憶體的規格，相信會有些線索。

《圖四　材質資料圖示》

繪圖晶片革命性功能 － 著色器

在Microsoft推出了DirectX 8.0以後，繪圖晶片可以說是跨入了另一個紀元。因為從那以後，繪圖晶片除了固定的繪圖管線（Rendering Pipeline）外，也可以用自訂的程式取代這些繪圖管線，做出以往很難達成的效果。這些自訂的程式，稱做著色器（Shader），請參考(圖五)。

《圖五　著色器與繪圖管線》

著色器依其在繪圖管線的位置和功能，又分為頂點著色器（Vertex Shader）及像素著色器（Pixel Shader）。頂點著色器可以取代原先T&L部份的功能，影響3D物體的形狀、位置及顏色；而像素著色器則可以針對三角上的每個點做運算，改變每個點繪出的效果。這兩個技術已經廣泛的被運用，而且已經有遊戲的廠商使用這些技術設計遊戲特效，畫面效果亦遠比以往的遊戲更精緻；同樣的技術也已經應用在電影特效上，做出更逼真的特效片段。

因為繪圖晶片日新月異的強大功能，著色器也延伸出了另類的用法，反客為主地搶了CPU的工作，進行一些大量的數據分析運算，應用在天氣預報等等需要龐大複雜運算的事情上。

除了DirectX 8以外，3D繪圖介面的另一大老OpenGL也有對應的動作，推出了Vertex Program及Fragment Program分別對應DirectX的頂點著色器及像素著色器，收錄在1.5版的規格文件中。OpenGL在Fragment Program的要求較Pixel Shader來得高，於是支援DirectX 8 Pixel Shader的繪圖晶片未必支援OpenGL的Fragment Program。

在Vertex Program及Fragment Program之後，繪圖晶片的元老之一3DLabs又訂定了一套新的Shader語言，稱為GLSL（GL Shading Language）。本來要用在OpenGL 2.0上，但目前已經提前納入了1.5版的規格書中。GLSL的要求更高，幾乎可以把繪圖晶片拿來當CPU使用。目前除了3DLabs自家的頂級卡之外，還沒有發現有其他廠商支援。

展望未來

繪圖卡的未來並不難預見，因為很多規格已經是擺在眼前的事實，以下列舉幾項。

高階著色器

目前著色器的寫作語法，還是類似組合語言一般。但在nVidia提出的CG及3DLabs提出的GLSL等，都有偏向高階語言的趨勢。也就是說，將來我們可以用像C甚至C++的語言來寫作著色器。繪圖晶片的資源及功能也將更豐富，才能執行這樣高階的著色器。

PCI Express

AGP已經到了8x的規格，已經快到了極限的邊緣，而且一台主機只能有一個AGP更是麻煩。為了因應將來更廣泛的需求，更龐大的資料量，肯定需要一個更快的匯流排來承載這些資料。現今PC上的卡的界面，幾乎都是以PCI Bus來做溝通。大家也都很明白，PCI的頻寬已經不敷現在的要求，更別提將來更龐大的資料量。所以Intel提出了PCI Express做為將來的改善方向。

PCI Express在速度上有比AGP更大的發展潛力，也不需要在主機板上拉出密密麻麻的資料線，甚至連結的對象不必在同一張機板上。這表示以後繪圖晶片可能直接內建在顯示器上，而且可以連接超過一台以上的顯示器及繪圖晶片。同時這也代表了顯示器的廠商可以直接為繪圖晶片做最佳化，以後繪圖晶片的設定會更為簡單方便。

整合型繪圖晶片

許多的繪圖晶片是設計給獨立型的繪圖卡（Standalone Graphics Card），講求速度快，功能齊全，不太在乎耗電及高熱的問題。但辦公型及可攜式的電腦就不能這樣做，省電、省錢及低發熱都是重點問題；前面也提到繪圖晶片有著大量存取記憶體的需要，所以把繪圖晶片和控制記憶體的北橋晶片（North Bridge）做在一起，顯然是個不錯的主意。所以Intel、威盛、SiS、nVidia等等都推出了這樣的產品，既可以壓低成本，又能兼顧不錯的效能表現。

IA家電

Microsoft急於發展Xbox，入軍遊戲機的市場，引用了PC上成功的經驗來發展遊戲機，其中很重要一點就是使用和個人電腦相近的繪圖晶片。PC的遊戲市場早已不輸給電視遊樂器，功能更是有過之而無不及。但不能馬上開機就馬上玩這點，直到今天還是PC的痛。但PC的技術成熟也是無庸置疑的，所以把PC發展成功的部份移往家電，是可行的方式。遊戲機只是一個開始，筆者相信將來還會有內建繪圖晶片的數位電視，或3D圖型操作界面的冰箱、微波爐等等。

結語

繪圖晶片在電腦中是個異數，古早的電腦中並沒有它的存在，現在卻幾乎成了電腦的第二顆心臟。在其發展史中，有一點很特別地是沒有能常久獨佔市場的廠商出現，執牛耳的廠商一直不斷輪替或併購，其原因主要也是在於繪圖晶片發展的未來動向不好掌握，一個決策上的小失誤，就可能失去市場先機。

這兩年來情況有了改變，主要還是因為Microsoft介入，統合了軟體業者及相關規格，讓所有人有可以依循的方向，未來發展的方向不再難以捉摸。但繪圖晶片的應用方向和範圍已經展開了，以往在PC上的主戰場現在被分散到各個層面，成為另一個變數。跳出現有的範圍再想想，也許還有很多繪圖晶片的應用方向，是現今還沒想到的呢。

＜作者為電子產業研發工程師＞

延 伸 閱 讀

Shader技術提供了繪圖系統或遊戲廠商一個標準，按這樣的標準就可以設計出一個繪圖系 統的「機器語言」。在不同的繪圖卡上執行時，就不需要考慮相容的問題，也能更貼近硬體層面，徹 底的利用GPU的每一分效能，相關介紹請見「繪圖晶片的指令集」一文。 從NVIDIA 所推出的一系列產品當中，我們可以知道其產品開發是根據應用產品的效能需求 來做相應的產品規劃，從傳統PC類產品所需的繪圖晶片開始，到以包含大量圖形處理運算的非PC類應 用產品，如Xbox等電視遊樂器所需的繪圖處理器（Graphic Processor Unit；簡稱為GPU）產品；透 過更完備的圖形處理功能的提升，來大幅增加產品本身的附加價值，你可在「繪圖卡產業之概況」一文中得到進一步的介紹。 繪圖處理器GPU的技術性定義為：整合了轉換、光效、三角構圖與著色引擎的單晶片處理器 ，每秒可處理高1千萬個多邊形。簡單地說，GPU改變了您在電腦上所見過或是經驗過的所有事物。這 篇文章帶讀者進入3D的幻想世界，在「第二代繪圖處理器顛覆傳統3D效能」一文為你做了相關的評析。

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