图形处理器史话:GPU的诞生与发展历程

分享到:

当漫威超级英雄大片《死侍》热潮横扫全球,GPU渲染在电影制作与动画领域的应用正在不断走向成熟。正是在《死侍》的制作中,国际知名的Blur Studios借助GPU渲染,高效率地打造了极为接近最终成品的电影预演短片。本来《死侍》并未得到电影投资方的青睐,但短片流出之后却受到了网民的热情追捧,这让制片方最终决定投资并拍摄这部电影。这只是GPU渲染应用的一个小小例子,却能让我们推断出GPU渲染在商用渲染市场中将大有作为。

  GPU

  GPU的诞生与发展历程

  为什么要有GPU?在我们论及GPU渲染的种种之前,这是一个无法绕过的问题。真正的GPU,也就是Graphic Processing Unit(图形处理器),其概念最早由NVIDIA在1999年发布GeForce 256图形处理芯片时首先提出,核心技术有硬体T&L、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。

  NVIDIA GeForce 256

  NVIDIA GeForce 256

  此前,所谓的显卡,虽然从20世纪80年代就已出现,却指的是显示适配器(Display Adapter),仅能用于简单的文字和图形输出,在处理3D图像和特效时主要还是依赖CPU。GPU的出现,使得显卡减少了对CPU的依赖,尤其是在3D图形处理时取代了部分原本CPU的工作。显而易见,GPU的诞生及此后不断革新的技术演进,是为了应对日益复杂的图形计算需求,达成更加逼真、更加生动的实时感官体验。

  初期GPU标识:硬件T&L功能

  简单来讲,GPU的主要工作就是完成3D图形的生成,将图像映射到相应的像素点上,并且对每个像素进行计算确定最终颜色,最后完成输出。

  初期GPU的标识是硬件T&L(Transform & lighting,坐标转换和光源)功能。GPU通过硬件T&L实现大量的坐标和光源转换,CPU不必再计算大量的光照数据,直接通过显卡就能获得更好的效能,同时3D模型可以用更多的多边形来描绘,得到更加细腻的效果。

  GPU的空前发展:Shader出现

  GPU的空前发展:Shader出现

  随着更加复杂多变的图形效果的出现,图形处理生成多边形的过程中需要加上许多附加运算,比如纹理信息、散光和映射光源下的颜色表现等等。这就对GPU提出了更高的要求。2001年微软发布的DirectX 8带出了Shader Model(渲染单元模式),Shader(渲染器/着色器)由此诞生。这是一种基于GPU图形流水线的具有更高效率和灵活性的方案。

  Shader架构

  Shader架构

 Shader从本质上说是一段能够针对3D图像进行操作并被GPU所执行的图形渲染指令集,其中最主要的就是Vertex Shader(顶点着色器/顶点单元,VS)和Pixel Shader(像素着色器/像素单元,PS)。通过这些指令集,开发人员就能获得大部分想要的3D图形效果。相比T&L实现的固定的坐标和光影转换,VS和PS拥有更大的灵活性,使得GPU在硬件上实现了顶点和像素的可编程,反映在图形特效上就是出现了动态的光影效果。

  A家与N家的竞争:统一渲染架构大发展

  Shader出现后,为进一步提高效率,先后诞生了支持多条渲染管线并行处理的SIMD(Single Instruction Multiple Data,)单指令多数据流架构,负载更加均衡的混合型SIMD设计,并最终促成了统一渲染架构(Unified Shader Architecture)的出现。在这个过程中,两家厂商扮演着重要的角色,分别是ATI(以下简称A家)和NVIDIA(以下简称N家)。

  ATI VS NVIDIA

  ATI VS NVIDIA

  2005年, A家与微软合作发布的XBOX 360游戏主机采用了Xenos图形处理器。Xenos是A家第一代统一渲染架构。

  2006年,N家发布G80核心的GeForce 8800 GTX显卡,掀开了桌面统一渲染GPU架构的序幕。G80采用全标量设计,其革命性的多指令多数据架构(MIMD),完全区别于传统GPU的SIMD架构,影响了日后的数代显卡。

       G80流处理器(SP)架构'

  G80流处理器(SP)架构

  2007年,AMD(此时A家已被AMD收购)正式发布基于桌面统一渲染架构R600的Radeon HD 2900 XT(以及其他低端型号的HD 2000系列),采用5D超标量架构。R600相对G80保守一些,因为在它身上仍能看到传统GPU采用SIMD架构的影子,但与传统的GPU架构相比也是脱胎换骨的改变。

    R600超标量架构

  R600超标量架构

  从G80和R600,我们就可以看到A家和N家在面对统一渲染架构时做出了不同的选择。随后两家虽然在技术和工艺上不断革新,但基本没有脱离G80和R600就已经决定的发展方向。至于A卡和N卡到底哪家强,则不在本文的讨论范围内,有兴趣的网友可以自行探索。

 

 

更多Atmel及科技资讯请关注:  
Atmel中文官网:https://www.atmel.com/zh/cn/
Atmel技术论坛:https://atmel.eefocus.com/
Atmel中文博客:https://blog.sina.com.cn/u/2253031744
Atmel新浪微博:https://www.weibo.com/atmelcn

继续阅读
AMD和Intel合作打造处理器?先来看看细节吧

  Intel与AMD都承认了他们在合作打造一款Intel CPU+AMD GPU的移动版处理器,CPU部分来自Intel第八代酷睿处理器,GPU部分由AMD的Vega,并且会使用HBM2显存节省空间,具体细节之前是不清楚的,不过近日有人找到了些蛛丝马迹。

VR应用GPU负担太大怎么办?DPU来帮忙

安谋(Arm)日前推出了Mali-D71、CoreLink MMU-600及Assertive Display 5这三项全新的显示解决方案。 其中,Mali-D71是安谋推出的新概念方案,称为显示处理器(DPU),定位为绘图处理器(GPU)的协处理器。 该处理器可支持4K 120FPS画面输出,有助于降低GPU工作量,对运算任务吃重的VR应用而言,将是一大福音。

显卡涨价幅度超50%,NVIDIA压货不出?

从今年4月开始,受挖矿潮的影响,无论是A卡还是N卡都一卡难求,即使能买到也是涨价50%以上幅度的型号了。在矿潮还未结束、显卡价位还未跌回之前,又一波涨价潮要来了。

授权GPU给Intel?AMD:可能性不大

带有集成显卡的PC处理芯片组是AMD和英特尔针锋相对的必争之地,所以这绝非AMD“目前未有产品销售”的市场。而且AMD作为唯一同时具备自有高端中央处理芯片和高端显卡芯片产品线的大型芯片厂商,与英特尔签订技术授权协议无疑会削弱其独一无二的市场竞争优势。

CPU的时代一去不复返 AI“芯”机会是留给它们的

CPU的坠落就像童谣中的蛋头先生摔下墙头变成碎片那样,英特尔的兵马再怎么努力也无法将它复原了。

©2019 Microchip Corporation
facebook google plus twitter linkedin youku weibo rss