圖形處理器(GPU)的發(fā)展歷史簡介
更新時間：2010-1-20 10:48:34 編輯：溫情 文章來源:中國視聽網(wǎng) 調(diào)整文字大小:【
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20 世紀(jì)六、七十年代，受硬件條件的限制，圖形顯示器只是計(jì)算機(jī)輸出的一種工具。限于硬件發(fā)展水平，人們只是純粹從軟件實(shí)現(xiàn)的角度來考慮圖形用戶界面的規(guī)范問題。圖形用戶界面國際標(biāo)準(zhǔn)GKS(GKS3D)，PHIGS就是其中的典型代表。
20世紀(jì)80年代初期，出現(xiàn)GE(Geometry Engine)為標(biāo)志的圖形處理器。GE芯片的出現(xiàn)使得計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展進(jìn)入圖形處理器引導(dǎo)其發(fā)展的年代。GE的核心是四位向量的浮點(diǎn)運(yùn)算。它可由一個寄存器定制碼定制出不同功能，分別用于圖形渲染流水線中，實(shí)現(xiàn)矩陣，裁剪，投影等運(yùn)算。12個這樣的GE單元可以完整地實(shí)現(xiàn)三維圖形流水線的功能。芯片設(shè)計(jì)者James Clark以此為核心技術(shù)建立的SGI公司，基于SGI圖形處理器功能的圖形界面GL及其后的OpenGL，成為圖形用戶界面事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
20世紀(jì)80年代和90年代，GE及其圖形處理器功能不斷增強(qiáng)和完善，使得圖形處理功能逐漸從CPU向GPU轉(zhuǎn)移�，F(xiàn)代圖形處理的流水線主要功能分為順序處理的兩個部分：第一部分對圖元實(shí)施幾何變化以及對圖元屬性進(jìn)行處理(含部分光照計(jì)算)；第二部分則是掃描轉(zhuǎn)換進(jìn)行光柵化以后完成一系列的圖形繪制處理，包含各種光照效果和合成、紋理映射、遮擋處理、反混淆處理等。
20世紀(jì)90年代，NVIDIA進(jìn)入個人電腦3D市場，并于1999年推出具有標(biāo)志意義的圖形處理器——GeForce 256，第一次在圖形芯片上實(shí)現(xiàn)了3D幾何變換和光照計(jì)算。此后GPU進(jìn)入高速發(fā)展時期，平均每隔6個月就出現(xiàn)性能翻番的新的GPU。
從SGI的GE到NVIDIA的GeForce，GPU經(jīng)歷了20年，芯片的線寬從3μm縮小到90nm(2007年的GeForce 8800集成了6.81億晶體管)，集成電路的邏輯設(shè)計(jì)能力提高幾千倍，但處理器數(shù)據(jù)通道接口帶寬僅提高十幾倍。同時對圖形處理器計(jì)算能力的需求不斷增長，出現(xiàn)了可編程的圖形處理器，以NVIDIA和ATI為代表的GPU技術(shù)正是適應(yīng)這種趨勢。
而到目前為止，GPU已經(jīng)過了六代的發(fā)展，每一代都擁有比前一代更強(qiáng)的性能和更完善的可編程架構(gòu)。
第一代GPU(到1998為止)包括NVIDIA的TNT2，ATI的Rage和3dfx的Voodoo3。這些GPU擁有硬件三角形處理引擎，能處理具有1或2個紋理的像素，能夠大大提高CPU處理3D圖形的速度。但這一代圖形硬件沒有硬件T&L引擎，更多只是起到3D加速的作用，而且沒有被冠以“GPU”的名字。
第二代GPU(1999-2000)包括NVIDIA的Geforce256和Geforce2，ATI的Radeon7500，S3的Savage3D。它們將T&L功能從CPU分離出來，實(shí)現(xiàn)了高速的頂點(diǎn)變換。相應(yīng)的圖形API即OpenGL和DirectX7都開始支持硬件頂點(diǎn)變換功能。這一代GPU的可配置性得到了加強(qiáng)，但不具備真正的可編程能力。
第三代GPU(2001)包括NVIDIA的Geforce3和Geforce4 Ti，微軟的Xbox，及ATI的Radeon8500。這一代GPU首次引入了可編程性，即頂點(diǎn)級操作的可操作性，允許應(yīng)用程序調(diào)用一組自定義指令序列來處理頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，并可以將圖形硬件的流水線作為流處理器來解釋。也正是這個時候，基于GPU的通用計(jì)算開始出現(xiàn)。但是片段操作階段仍然不具備可編程架構(gòu)，只提供了更多的配置選項(xiàng)。開發(fā)人員可以利用DirectX8以及OpenGL擴(kuò)展(ARB-vertex-program，NV-texture-shader 和 NV-register-combiner)來開發(fā)簡單的頂點(diǎn)及片段著色程序。
第四代GPU(2003)包括NVIDIA的GeforceFX(具有CineFX架構(gòu))，ATI的Radeon9700。相比上一代GPU，它們的象素級和頂點(diǎn)級操作的可編程性得到了大大的擴(kuò)展，可以包含上千條指令，訪問紋理的方式更為靈活，可以用做索引查找。最重要的是具備了對浮點(diǎn)格式的紋理的支持，不在限制在[0，1]范圍內(nèi)，從而可以做任意數(shù)組，這對于通用計(jì)算而言是一個重要突破。DirectX9和各種OpenGL擴(kuò)展(ARB-vertex-program、ARB-fragment-program、NV-vertex-program2、NV-fragment-program)可以幫助開發(fā)人員利用這種特性來完成原本只能在GPU上進(jìn)行的復(fù)雜頂點(diǎn)像素操作；Cg語言等其他高級語言在這一代GPU開始得到應(yīng)用。
第五代GPU(2004)主要以NVIDIA GeForce6800為代表。NVIDIA GeForce 6800集成了2億2千2百萬晶體管，具有超標(biāo)量的16條管線架構(gòu)。功能相對以前更加豐富、靈活。頂點(diǎn)程序可以直接訪問紋理，支持動態(tài)分支；象素著色器開始支持分支操作，包括循環(huán)和子函數(shù)調(diào)用，TMU支持64位浮點(diǎn)紋理的過濾和混合，ROP(象素輸出單元)支持MRT(多目標(biāo)渲染)等。
第六代GPU(2006)主要以NVIDIA GeForce 7800為代表。GPU內(nèi)建的CineFX 4.0引擎，做了許多架構(gòu)上的改良，提高許多常見可視化運(yùn)算作業(yè)的速度，藉此支持更復(fù)雜的著色效果，且仍能維持最高的影像質(zhì)量。新方案在每個管線層面運(yùn)用許多創(chuàng)新技術(shù)：
· 重新設(shè)計(jì)的頂點(diǎn)著色單元，縮短幾何坐標(biāo)處理的設(shè)定與執(zhí)行流程；
· 新開發(fā)的像素著色單元提供高出兩倍的浮點(diǎn)運(yùn)算效率，大幅提升其它數(shù)學(xué)運(yùn)算的速度，提高處理流量；
· 先進(jìn)的材質(zhì)運(yùn)算單元結(jié)合許多新型硬件算法以及更優(yōu)異的快取機(jī)制，加快過濾與混色等運(yùn)算作業(yè)。
NVIDIA CineFX 4.0引擎將許多突破性繪圖技術(shù)融入頂點(diǎn)著色器、像素著色器、以及材質(zhì)引擎的核心。藉由加快三角模型元素設(shè)定、像素著色器的關(guān)鍵數(shù)學(xué)元素、以及材質(zhì)處理等方面的作業(yè)，最新引擎讓3D繪圖研發(fā)業(yè)者能達(dá)到更上一層樓效能與視覺質(zhì)量。
而今年初NVIDIA發(fā)布的GeForce 8800正在引領(lǐng)下一代GPU的疾速風(fēng)暴，G80核心擁有空前規(guī)模的6.81億晶體管，是G71的2.5倍，而且依然采用90nm工藝制造，再加上高頻率的12顆顯存，使8800GTX擁有超強(qiáng)的性能。
上圖就是NVIDIA為GeForce 8所設(shè)計(jì)的三大演示Demo之一的Water World，必須在Vista系統(tǒng)DX10模式下才能運(yùn)行，通過這個Demo主要展示了G80完美的紋理渲染效果。巖石表面采用了多種變幻莫測的高精度紋理貼圖，這些貼圖還可以被流水潤濕，即便是將鏡頭放大N倍，層次感強(qiáng)烈的貼圖也不會出現(xiàn)失真的情況。這個Demo結(jié)合了G80強(qiáng)大的紋理渲染能力以及高效的全新各項(xiàng)異性過濾技術(shù)。
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