顯卡發(fā)展史__燕山大學(xué)郭培贊.ppt

,顯卡戰(zhàn)爭,燕山大學(xué)虛擬現(xiàn)實實驗室：郭培贊,目錄,工作原理,顯卡處理圖像數(shù)據(jù)的過程1、CPU顯卡CPU將有關(guān)作圖的指令和數(shù)據(jù)通過總線傳送給顯卡。對于現(xiàn)代顯卡，由于需要傳送大量的圖像數(shù)據(jù)，因而顯卡接口在不斷改進，從最早的ISA接口到PCI、過去式的AGP接口，以及正在流行的PCI-Express接口，其數(shù)據(jù)吞吐能力不斷增強。2、顯卡內(nèi)部圖像處理GPU根據(jù)CPU的要求，完成圖像處理過程，并將最終圖像數(shù)據(jù)保存在顯存中。3、最終圖像輸出對于普通顯卡，RAMDAC即DigitalAnalogConverter（隨機讀寫存儲數(shù)模轉(zhuǎn)換器）從顯存中讀取圖像數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成模擬信號傳送給顯示器。對于具有數(shù)字輸出接口的顯卡，則直接將數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)字顯示器。,返回目錄,基本結(jié)構(gòu),每一塊顯示卡基本上都是由“顯示主芯片GPU”，“顯示緩存”（簡稱顯存），“BIOS”，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（RAMDAC），“顯卡的接口”以及卡上的電容、電阻等組成。多功能顯卡還配備了視頻輸出以及輸入，供特殊需要。DVI,VGA.隨著技術(shù)的發(fā)展，目前大多數(shù)顯卡都將RAMDAC集成到了主芯片了。理論上，如果電腦配有兩塊具有雙頭輸出功能且提供PCI-E接口的顯卡，則它能夠支持四臺監(jiān)視器。CRT需要接受模擬信號，LCD接受的則是數(shù)字信號,返回目錄,基本結(jié)構(gòu),DisplayPort支持的寬帶高達10.8GB/s，即使HDMI1.3也有一定差距。色深完全支持到了30及36位,已經(jīng)到了肉眼無法識別的程度了。DisplayPort最大的特色是接口分為內(nèi)置和外置兩種。外置接口外型上很像USB接口，用于鏈接外部現(xiàn)實設(shè)備，而內(nèi)置接口用于計算機內(nèi)部空間有限的地方，比如筆記本和刀板顯卡此外，DisplayPort還加入了DPCP版權(quán)保護系統(tǒng)，它采用了現(xiàn)代的128位AES加密技術(shù)。三星宣布了全球首款DisplayPort接口桌面液晶顯示器，這款顯示器應(yīng)該說相當(dāng)?shù)摹翱植馈保馄聊蛔阌?0寸。,返回目錄,HDMI接口（英文：HighDefinitionMultimediaInterface，HDMI）是一種專用型數(shù)字化接口，其可同時傳送音頻和視頻信號。同時無需在信號傳送前進行數(shù)/?；蛘吣?數(shù)轉(zhuǎn)換。HDMI可搭配寬帶數(shù)字內(nèi)容保護（HDCP），以防止具有著作權(quán)的影音內(nèi)容遭到未經(jīng)授權(quán)的復(fù)制。,基本結(jié)構(gòu),返回目錄,API接口,OpenGLOpenGL是OpenGraphicsLibrary的縮寫，是一套三維圖形處理庫，也是該領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。SGI（SiliconGraphics）硅圖（工作站生產(chǎn)商）在1992年7月發(fā)布1.0版，后成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，由成立于1992年的獨立財團OpenGLArchitectureReviewBoard(ARB)控制。SGI等ARB成員以投票方式產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)，并制成規(guī)范文檔(Specification)公布，各軟硬件廠商據(jù)此開發(fā)自己系統(tǒng)上的實現(xiàn)。只有通過了ARB規(guī)范全部測試的實現(xiàn)才能稱為OpenGL。2011年8月9日在溫哥華舉行的SIGGRAPH2011大會上Khronos發(fā)布了新的OpenGL4.2標(biāo)準(zhǔn)細節(jié),返回目錄,API接口,返回目錄,DirectXDirectX并不是一個單純的圖形API，它包含有DirectGraphics(Direct3D+DirectDraw)、DirectInput、DirectPlay、DirectSound、DirectShow、DirectSetup、DirectMediaObjects等多個組件，它提供了一整套的多媒體接口方案。最新版本為DirectX11。,API接口,DirectX7.0:最大的特色就是支持T&L，中文名稱是“坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和光源”。讓顯卡分擔(dān)了部分CPU需要進行的工作。,返回目錄,Geforce256代號NV10于1999年8月發(fā)布。這是圖形芯片領(lǐng)域開天辟地的產(chǎn)品，也是第一款提出GPU概念的產(chǎn)品。,DX8,返回目錄,DirectX8.0:引發(fā)了一場顯卡革命，它首次引入了“像素渲染”概念，同時具備像素渲染引擎(PixelShader)與頂點渲染引擎(VertexShader)，反映在特效上就是動態(tài)光影效果。同硬件T&L僅僅實現(xiàn)的固定光影轉(zhuǎn)換相比，VS和PS單元的靈活性更大，它使GPU真正成為了可編程的處理器。此時DirectX的權(quán)威地位終于建成。,DX8,頂點生成：位置、顏色、標(biāo)準(zhǔn)向量等頂點處理：確定3D圖形的形狀及位置關(guān)系，建立起3D圖形的骨架。光柵化計算：點和線通過一定的算法轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的像素點。把一個矢量圖形轉(zhuǎn)換為一系列像素點的過程就稱為光柵化。相應(yīng)的片元集合也就隨之產(chǎn)生。,頂點著色單元,像素渲染單元,紋理貼圖單元,VertexShader頂點著色器,PixelShader像素渲染器,返回目錄,Texturemappingunit紋理貼圖單元,紋理帖圖：完成對多邊形表面的帖圖。像素處理：（在對每個像素進行光柵化處理期間）GPU完成對像素的計算和處理，從而確定每個像素的最終屬性。在這個階段PixelShader（像素著色器）從顯存中讀取紋理數(shù)據(jù)對片元上色并渲染。最終輸出：由ROP（光柵化引擎）完成所有像素到幀緩沖區(qū)的輸出，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換輸出到顯示器之后，我們就可以看到繪制完成的圖像。對于快節(jié)奏的游戲，電腦每秒鐘必須執(zhí)行此過程約60次。,返回目錄,DX10,DirectX10.0:引入了統(tǒng)一渲染架構(gòu)Unified-Shader,，也就是說現(xiàn)在每條渲染管線都由流處理器和紋理貼圖單元組成，其中流處理器身兼頂點著色、像素著色和幾何著色三職。ShaderModel4.0另一個重大變化就是在VS和PS之間引入了一個新的可編程圖形層-幾何渲染器(GeometryShader)。原來的VertexShader和PixelShader只是對逐個頂點或像素進行處理，而新的GeometryShader可以批量進行幾何處理，而調(diào)配哪幾組Shader單元負責(zé)處理什么數(shù)據(jù)或者進行什么樣子類型的計算，則由一個被稱為smallsetsofinstructions(SSI)的部分來控制。,返回目錄,DX10,返回目錄,圖形流水線中可編程單元的行為由Shader單元定義，并可以由高級的Shading語言（例如NV的Cg，OpenGL的GLSL，Microsoft的HLSL）編寫。Shader源碼被譯為字節(jié)碼，然后在運行時由驅(qū)動程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為基于特定GPU的二進制程序，具備可移植性好等優(yōu)勢。,API接口,返回目錄,DirectX11:引入最大新技術(shù)特征無疑是硬件Tessellation曲面細分，另外多線程渲染、ComputeShaders也是DirectX11中重要環(huán)節(jié)，引入ShaderModel5.0。,勞拉姐姐,前世今生,五、PCI-E顯卡時代,性能指標(biāo),1顯示芯片（制造工藝、核心頻率、SP單元、渲染管線）2顯存（顯存類型、顯存容量、顯存帶寬（顯存等效工作頻率顯存位寬8）、顯存速度、顯存顆粒、最高分辯率、顯存時鐘周期、顯存封裝模式）3技術(shù)支持（ROPs數(shù)量*核心頻率=像素填充率、紋理填充率、3DAPI、RAMDAC頻率）4顯卡PCB板：PCB層數(shù)、顯卡接口、輸出接口、散熱裝置）,返回目錄,性能指標(biāo),顯卡性能的一個很好的整體衡量標(biāo)準(zhǔn)是它的幀速。影響幀速的因素包括：每秒生成的三角形數(shù)或頂點數(shù)：說明了顯卡能以多快的速度生成線框圖像。像素填充速率：這項指標(biāo)說明了GPU一秒鐘內(nèi)能處理多少個像素，從而也就說明了顯卡能以多快的速度對圖像進行光柵化處理。像素填充率顯卡的顯示核心頻率X像素渲染管線數(shù)量。紋理填充率核心頻率X像素渲染管線數(shù)量X每管線紋理貼圖單元數(shù)量。,開發(fā)代號：顯示芯片制造商可以利用一個基本開發(fā)代號在通過控制渲染管線數(shù)量、流處理器單元數(shù)量、顯存類型、顯存位寬、核心和顯存頻率、所支持的技術(shù)特性等方面來衍生出一系列的顯示芯片,顯存位寬是顯存在一個時鐘周期內(nèi)所能傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)，位數(shù)越大則相同頻率下所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越大。SDRAM在一個時鐘周期內(nèi)只傳輸一次數(shù)據(jù)，它是在時鐘的上升期進行數(shù)據(jù)傳輸；而DDR內(nèi)存則是一個時鐘周期內(nèi)傳輸兩次數(shù)據(jù),顯存速度一般以ns（納秒）為單位。常見的顯存速度有1.2ns、1.0ns、0.8ns、0.4ns等。顯存的理論工作頻率計算公式是：等效工作頻率（Hz）=n/（顯存速度）（n因顯存類型不同而不同，如果是GDDR3顯存則n=2；GDDR5顯存則n=4）習(xí)慣上稱呼的DDR頻率是其等效頻率,返回目錄,體系架構(gòu),GeForceGTX580是Fermi架構(gòu)二代升級版本的GF110核心。其中G代表GPU，F(xiàn)代表Fermi架構(gòu)。包括主接口（HostInterface）、GigaThread引擎、四組圖形處理器集群（GPC）、六個64位GDDR5顯存控制器、六個ROP分區(qū)、768KB二級緩存。每組SM內(nèi)又包含32個流處理器（CUDA核心）32個流處理器構(gòu)成一組SM(StreamingMultiprocessor),返回目錄,體系架構(gòu),光柵引擎以流水線的方式執(zhí)行邊緣/三角形設(shè)定(Edge/TriangleSetup)、光柵化(Rasterization)、Z軸壓縮(Z-Culling)等操作，每個時鐘循環(huán)周期處理8個像素。GF100有四個光柵引擎，每組GPC分配一個，整個核心每周期可處理32個像素。RasterEngine是用于修正,而ROPs則是傳統(tǒng)的運算.,多形體引擎則要負責(zé)頂點拾取(VertexFetch)、細分曲面(Tessellation)、視口轉(zhuǎn)換(ViewportTransform)、屬性設(shè)定(AttributeSetup)、流輸出(StreamOutput)等五個方面的處理工作，DX11中最大的變化之一細分曲面單元(Tessellator)就在這里。,返回目錄,體系架構(gòu),返回目錄,NVIDIA的線程粒度被稱作Warp，一個Warp是32線程；而AMD的線程粒度稱作wavefront，粒度是64線程。,每個CUDACore是一個統(tǒng)一的處理器核心，執(zhí)行頂點，像素，幾何和kernel函數(shù)。一個統(tǒng)一的768KB二級緩存架構(gòu)負責(zé)線程加載、存儲和紋理操作。每組SM里四個紋理單元，共享使用12KB一級紋理緩存，并和整個芯片共享768KB二級緩存。每個紋理單元每周期可計算一個紋理尋址、拾取四個紋理采樣，并支持DX11新的壓縮紋理格式。,CUDA（ComputeUnifiedDeviceArchitecture，統(tǒng)一計算架構(gòu)）是NVIDIA公司對于GPGPU（GeneralPurposeGPU），即通用計算圖形處理器的正式名稱。通過這個技術(shù)，用戶首次可以利用GPU作為C-編譯器的開發(fā)環(huán)境。CUDA架構(gòu)可以兼容OpenCL或者自家的C-編譯器。無論是CUDAC-語言或是OpenCL，指令最終都會被驅(qū)動程序轉(zhuǎn)換成PTX代碼，交由顯示核心計算。要將GPGPU普及化，還要看微軟能否在Windows操作系統(tǒng)中，提供相關(guān)的編程接口。DirectCompute是微軟的通用計算API。CUDA體系結(jié)構(gòu)的組成來說，包含了三個部分：開發(fā)庫、運行期環(huán)境和驅(qū)動。,體系架構(gòu),返回目錄,第一個問題：為什么需要GPU？CPU除了處理游戲的AI，情節(jié)等方面的數(shù)據(jù)外，對于有些圖像方面也是由它完成的。當(dāng)微軟每次發(fā)布新的DirectX時，并不是每款GPU都能支持DirectX新的特性，所以有些圖像方面的任務(wù)還得由CPU來完成。還有有些特性比如重力特性以前是由CPU來完成，現(xiàn)在有些GPU也能支持了，這些任務(wù)就由GPU來完成了。,第二個問題：GPU能否替代CPU？GPU相當(dāng)于專用于圖像處理的CPU，正因為它專，所以它強，在處理圖像時它的工作效率遠高于CPU，但是CPU是通用的數(shù)據(jù)處理器，在處理數(shù)值計算時是它的強項，它能完成的任務(wù)是GPU無法代替的，所以不能用GPU來代替CPU。,體系架構(gòu),返回目錄,SIMD是SingleInstructionMultipleData的縮寫，翻譯過來的意思為單指令多數(shù)據(jù)流。其執(zhí)行方法是讓一個控制器對多個處理器進行控制，將一個指令下發(fā)到每個被控制的處理器上對不同數(shù)據(jù)進行相同的操作。這一技術(shù)在CPU以及GPU上都得到了應(yīng)用，而其中GPU領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛（特指ATI方面）4D設(shè)計的SIMD單元只有一個指令端口，但卻能同時吃進四個通道的數(shù)據(jù)流，這樣就能夠在一個周期內(nèi)完成4D矢量指令的處理。SIMD單元能夠有效提升GPU的矢量處理性能，但缺點是，SIMD在執(zhí)行標(biāo)量指令時效能較為低下，因為它只有一個指令端口，所以在面對標(biāo)量指令時（即1D向量指令的時候），4DSIMD單元一個時鐘周期只能允許一個標(biāo)量進入，也只能處理一個標(biāo)量，其效率就會下降到原來的1/4。,體系架構(gòu),返回目錄,MIMD多指令多數(shù)據(jù)流在并行計算當(dāng)中最為通用。讓NVIDIA的每個流處理器僅處理一個1D指令，而如果遇到4D、3D、2D指令時，則將這些指令打散為多個1D指令，并且通過分配器將這些指令分配到每個流處理器當(dāng)中。從理論上分析，流處理器的執(zhí)行效率幾乎達到了100%。負面效果就是“組長”這一職位過多（反映在顯卡當(dāng)中就會出現(xiàn)過多的分派單元，從而導(dǎo)致晶體管數(shù)量的增加）。并且由于組長數(shù)量過多，因此導(dǎo)致了組員數(shù)量的減少。NVIDIA顯卡基本上都是以大核心甚至“巨核心”的形象出現(xiàn)在消費者面前。也就是從G80開始，NVIDIA徹底拋棄了傳統(tǒng)顯卡的SIMD架構(gòu)，和ATI在顯卡的技術(shù)發(fā)展思路上分道揚鑣。,體系架構(gòu),返回目錄,顯卡分類,集成顯卡的優(yōu)點：是功耗低、發(fā)熱量小集成顯卡的缺點：性能相對略低，固化在主板或CPU上，大部分都集成在主板的北橋芯片中，本身無法更換，不能對顯卡進行硬件升級，但可以通過CMOS調(diào)節(jié)頻率或刷入新BIOS文件實現(xiàn)軟件升級來挖掘顯示芯片的潛能獨立顯卡的優(yōu)點：單獨安裝有顯存，一般不占用系統(tǒng)內(nèi)存，在技術(shù)上也較集成顯卡先進得多，比集成顯卡能夠得到更好的顯示效果和性能，容易進行顯卡的硬件升級。獨立顯卡的缺點：系統(tǒng)功耗有所加大，發(fā)熱量也較大，需額外花費購買顯卡的資金，同時（特別是對筆記本電腦）占用更多空間。核芯顯卡的優(yōu)點：SandyBridge是Intel新一代圖形處理核心，相對于集成顯卡，核芯顯卡把集成顯卡中的“處理器+南橋+北橋（圖形核心+內(nèi)存控制+顯示輸出）”三芯片解決方案精簡為“處理器（處理核心+圖形核心+內(nèi)存控制）+主板芯片（顯示輸出）”的雙芯片模式核芯顯卡的缺點：配置核芯顯卡的CPU通常價格較高，同時其難以勝任大型游戲。,NVIDIA(英偉達)Optimus(優(yōu)馳)技術(shù)該技術(shù)可在NVIDIA(英偉達)顯卡與Intel核心顯卡之間自動切換，切換過程是無縫完成且在后臺進行的，目的就是在實現(xiàn)強勁性能的同時達到超長電池續(xù)航時間。無論是欣賞電影、網(wǎng)上沖浪還是暢玩3D游戲，都能夠享受到該技術(shù)所帶來的好處。,返回目錄,核顯歷程,Tick-Tock是Intel公司發(fā)展微處理器芯片設(shè)計制造業(yè)務(wù)的一種發(fā)展戰(zhàn)略模式，在2007年正式提出。Intel指出，每一次處理器微架構(gòu)的更新和每一次芯片制程的更新，它們的時機應(yīng)該錯開?！癟ick-Tock”的名稱源于時鐘秒針行走時所發(fā)出的聲響。Intel指，每一次“Tick”代表著一代微架構(gòu)的處理器芯片制程的更新，意在處理器性能幾近相同的情況下，縮小芯片面積、減小能耗和發(fā)熱量；而每一次“Tock”代表著在上一次“Tick”的芯片制程的基礎(chǔ)上，更新微處理器架構(gòu)。一般一次“Tick-Tock”的周期為兩年，“Tick”占一年，“Tock”占一年。,返回目錄,核顯歷程,2010年1月份，Intel發(fā)布了全新的SandyBridge架構(gòu)，從45nm進化到32nm,首次將GPU芯片跟CPU融合在一起，內(nèi)置的圖形核心則升級為HDGraphics2000/3000（Intel官方成為核芯顯卡，簡稱核顯），分別擁有6個、12個EU可編程著色器。獨立動態(tài)加速TurboBoost技術(shù)可使顯卡驅(qū)動會控制訪問三級緩存的權(quán)限，甚至可以限制GPU使用多少緩存。如果軟件需要更多CPU資源，那么CPU就會加速、GPU同時減速，反之亦然。它使能夠根據(jù)工作負載，自動以適當(dāng)速度開啟全部核心，或者關(guān)閉部分限制核心、提高剩余核心的速度，2012年初，Intel核芯顯卡在第三代酷睿處理器IvyBridge身上再度迎來蛻變，從32nm進化到22nm,EU可編程著色器將提升至16個，完整支持PCI-E3.0，集成顯示核心再次升格為HDGraphics2500/4000，全面支持DirectX11、OpenGL3.1和OpenCL1.1。,QPI(QuickPathInterconnect)快速通道互聯(lián)，取代前端總線(FSB)的一種點到點連接技術(shù)，20位寬的QPI連接其帶寬可達驚人的每秒25.6GB，用于多處理器之間的互聯(lián)。,返回目錄,核顯歷程,PECI接口規(guī)格由Intel提出，作為新一代的數(shù)字接口，它是存在于處理器與其他芯片或系統(tǒng)穩(wěn)定性監(jiān)控設(shè)備之間的專用單線型總線。PCH(PlatformControllerHub)是一個intel公司的集成南橋（singlewirebus）,顯卡分類,Tegra用于手持移動平臺，GeForce用于提供家庭娛樂；Quadro用于專業(yè)繪圖設(shè)計；Tesla用于大規(guī)模的并聯(lián)電腦運算。,Radeon用于PC平臺，F(xiàn)irePro用于專業(yè)繪圖設(shè)計；Fusion是整合APU,返回目錄,顯卡分類,NVIDIAQuadroPlex1000,針對專業(yè)圖形計算領(lǐng)域，NVIDIA將SLI甚至QuadSLI系統(tǒng)都轉(zhuǎn)移到了這個機箱（稱為圖形子系統(tǒng)）之內(nèi)，配上專用的電源和散熱措施，通過專用的轉(zhuǎn)接卡和高速線纜聯(lián)接電腦主機，從而實現(xiàn)難以想象的圖形計算能力！如果主機有兩條PCI-EX16插槽的話，就能夠接入兩套QuadroPlex系統(tǒng)，最多實現(xiàn)8顆GPUSLI系統(tǒng)，依此類推！,返回目錄,顯卡分類,NVIDIATesla,返回目錄,顯卡分類,Tegra圖睿是一種采用單片機系統(tǒng)設(shè)計（system-on-a-chip）芯片，它集成了ARM架構(gòu)處理器和NVIDIA的Geforce，并內(nèi)置了其它功能，產(chǎn)品主要面向小型設(shè)備。ARM公司本身并不靠自有的設(shè)計來制造或出售CPU，而是將處理ARM器架構(gòu)授權(quán)給有興趣的廠家。ARM提供了多樣的授權(quán)條款，包括售價與散播性等項目。對于授權(quán)方來說，ARM提供了ARM內(nèi)核的整合硬件敘述，包含完整的軟件開發(fā)工具（編譯器、debugger、SDK），以及針對內(nèi)含ARMCPU硅芯片的銷售權(quán)。,返回目錄,顯卡分類,將中央處理器和獨顯核心做在一個晶片上，它同時具有高性能處理器和最新獨立顯卡的處理性能，支持DX11游戲和最新應(yīng)用的“加速運算”，大幅提升了電腦運行效率，實現(xiàn)了CPU與GPU真正的融合。2011年1月，AMD推出了一款革命性的產(chǎn)品AMDAPU，是AMDFusion技術(shù)的首款產(chǎn)品。2011年6月面向主流市場的LlanoAPU正式發(fā)布。第一步是物理整合過程（PhysicalIntegration)，利用高帶寬的內(nèi)部總線通訊，集成高性能的內(nèi)存控制器，借助開放的軟件系統(tǒng)促成異構(gòu)計算。第二步稱為平臺優(yōu)化（OptimizedPlatforms），CPU和GPU之間互連接口進一步增強，并且統(tǒng)一進行雙向電源管理，GPU也支持高級編程語言，這部分才是最關(guān)鍵的。第三步是架構(gòu)整合（ArchitecturalIntegration），實現(xiàn)統(tǒng)一的CPU/GPU尋址空間、GPU使用可分頁系統(tǒng)內(nèi)存、GPU硬件可調(diào)度、CPU/GPU/APU內(nèi)存協(xié)同一致，這已在APU中初步完成。第四步是架構(gòu)和系統(tǒng)整合(Architectural&OSIntegration），主要特點包括GPU計算環(huán)境切換、GPU圖形優(yōu)先計算、獨立顯卡的PCI-E協(xié)同、任務(wù)并行運行實時整合等等，這些需要和微軟、ADOBE等行業(yè)軟件巨頭不停的溝通交流。,返回目錄,顯卡分類,華碩正在開發(fā)第二代XGStation，它將使用新一代PCI-E總線，確保外置顯卡使用全速的PCI-EX16接口；另外還在外部提供了新標(biāo)準(zhǔn)的視頻輸入功能，讓外置顯卡處理過的3D圖像能夠顯示在筆記本電腦的屏幕上！如此一來，華碩第二代XGStation將會是一款非常實用的產(chǎn)品，筆記本電腦用戶想玩3D游戲的話，只要購買一塊普通顯卡，配合XGStation就能讓3D