顯卡發(fā)展史__燕山大學郭培贊ppt課件

1、顯卡戰(zhàn)爭燕山大學虛擬現(xiàn)實實驗室：郭培贊目錄1任務(wù)原理2根本構(gòu)造5性能目的3接口和相關(guān)技術(shù)4體系架構(gòu)6顯卡分類及市場調(diào)查任務(wù)原理顯卡處置圖像數(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)經(jīng)過總線傳送給顯卡。對于現(xiàn)代顯卡，由于需求傳送大量的圖像數(shù)據(jù)，因此顯卡接口在不斷改良，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)吞吐才干不斷加強。 2、 顯卡內(nèi)部圖像處置 GPU根據(jù)CPU的要求，完成圖像處置過程，并將最終圖像數(shù)據(jù)保管在顯存中。 3、 最終圖像輸出 對于普通顯卡 ，RAMDAC 即Digital Analog Converter 隨

2、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，那么直接將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)字顯示器。前往目錄根本構(gòu)造每一塊顯示卡根本上都是由“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，供特殊需求。DVI,VGA.隨著技術(shù)的開展，目前大多數(shù)顯卡都將RAMDAC集成到了主芯片了。實際上，假設(shè)電腦配有兩塊具有雙頭輸出功能且提供PCI-E接口的顯卡，那么它可以支持四臺監(jiān)視器。CRT需求接受模擬信號，LCD接受的那么是數(shù)字信號前往目錄根本構(gòu)造DisplayPor

3、t支持的寬帶高達10.8GB/s，即使HDMI 1.3也有一定差距。色深完全支持到了30及36位,曾經(jīng)到了肉眼無法識別的程度了。DisplayPort最大的特征是接口分為內(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還參與了DPCP版權(quán)維護系統(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?shù)摹翱謶郑馄聊蛔阌?0寸。前往目錄HDMI接口英文：High Definition Multimedia Interface

4、，HDMI是一種公用型數(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展數(shù)/?；蛘吣?數(shù)轉(zhuǎn)換。HDMI可搭配寬帶數(shù)字內(nèi)容維護HDCP，以防止具有著作權(quán)的影音內(nèi)容遭到未經(jīng)授權(quán)的復制。根本構(gòu)造前往目錄API接口OpenGLOpenGL是OpenGraphicsLibrary的縮寫，是一套三維圖形處置庫，也是該領(lǐng)域的工業(yè)規(guī)范。SGISilicon Graphics 硅圖任務(wù)站消費商在1992年7月發(fā)布1.0版，后成為工業(yè)規(guī)范，由成立于1992年的獨立財團OpenGL Architecture Review Board (ARB)控制。SGI等ARB成員以投票方式產(chǎn)生規(guī)范，并制成規(guī)范文檔

5、(Specification)公布，各軟硬件廠商據(jù)此開發(fā)本人系統(tǒng)上的實現(xiàn)。只需經(jīng)過了ARB規(guī)范全部測試的實現(xiàn)才干稱為OpenGL。2021年8月9日在溫哥華舉行的SIGGRAPH 2021大會上Khronos發(fā)布了新的OpenGL 4.2規(guī)范細節(jié)前往目錄API接口前往目錄DirectXDirectX并不是一個單純的圖形API，它包含有Direct Graphics(Direct 3D+Direct Draw)、Direct Input、Direct Play、Direct Sound、Direct Show、Direct Setup、Direct Media Objects等多個組件，它提供了

6、一整套的多媒體接口方案。最新版本為DirectX 11。API接口DirectX 7.0:最大的特征就是支持T&L，中文稱號是“坐標轉(zhuǎn)換和光源。讓顯卡分擔了部分CPU需求進展的任務(wù)。前往目錄Geforce 256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前往目錄DirectX 8.0:引發(fā)了一場顯卡革命，它初次引入了“像素渲染概念，同時具備像素渲染引擎(Pixel Shader)與頂點渲染引擎(Vertex Shader)，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單元的靈敏性更大，它使GPU真

7、正成為了可編程的處置器。此時DirectX的權(quán)威位置終于建成。DX8頂點生成：位置、顏色、規(guī)范向量等頂點處置：確定3D圖形的外形及位置關(guān)系，建立起3D圖形的骨架。光柵化計算：點和線經(jīng)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Vertex Shader頂點著色器Pixel Shader像素渲染器前往目錄Texture mapping unit紋理貼圖單元紋理帖圖：完成對多邊形外表的帖圖。 像素處置：在對每個像素進展光柵化處置期間GPU完成對像素的計算和處置，從而確定每個像素的最終屬性。在這個

8、階段Pixel Shader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光柵化引擎完成一切像素到幀緩沖區(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)拍的游戲，電腦每秒鐘必需執(zhí)行此過程約60次。前往目錄DX10DirectX 10.0:引入了一致渲染架構(gòu)Unified-Shader,，也就是說如今每條渲染管線都由流處置器和紋理貼圖單元組成，其中流處置器身兼頂點著色、像素著色和幾何著色三職。Shader Model 4.0另一個艱苦變化就是在VS和PS之間引入了一個新的可編程圖形層-幾何渲染器(Geometry Shader)。原來的Ver

9、tex Shader和Pixel Shader只是對逐個頂點或像素進展處置，而新的Geometry Shader可以批量進展幾何處置，而調(diào)配哪幾組Shader單元擔任處置什么數(shù)據(jù)或者進展什么樣子類型的計算，那么由一個被稱為small sets of instructions(SSI)的部分來控制。前往目錄DX10前往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言語例如NV的Cg，OpenGL的GLSL，Microsoft 的HLSL編寫。Shader源碼被譯為字節(jié)碼，然后在運轉(zhuǎn)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

10、接口前往目錄DirectX 11: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、Compute Shaders也是DirectX 11中重要環(huán)節(jié)，引入Shader Model 5.0。勞拉姐姐前世今生五、PCI-E顯卡時代性能目的1顯示芯片制造工藝、中心頻率、SP單元、渲染管線2顯存顯存類型、顯存容量、顯存帶寬顯存等效任務(wù)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、顯存封裝方式3技術(shù)支持ROPs數(shù)量*中心頻率=像素填充率 、紋理填充率、 3D API、RAMDAC頻率4顯卡PCB板：PCB層數(shù)、顯卡接口、輸出接口、散熱安裝前往目錄性能目的顯卡

11、性能的一個很好的整體衡量規(guī)范是它的幀速。影響幀速的要素包括： 每秒生成的三角形數(shù)或頂點數(shù)：闡明了顯卡能以多快的速度生成線框圖像。 像素填充速率：這項目的闡明了GPU一秒鐘內(nèi)能處置多少個像素， 從而也就闡明了顯卡能以多快的速度對圖像進展光柵化處置。像素填充率顯卡的顯示中心頻率X像素渲染管線數(shù)量。 紋理填充率中心頻率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根本開發(fā)代號在經(jīng)過控制渲染管線數(shù)量、流處置器單元數(shù)量、顯存類型、顯存位寬、中心和顯存頻率、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)越大那么一樣頻率

12、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展數(shù)據(jù)傳輸；而DDR內(nèi)存那么是一個時鐘周期內(nèi)傳輸兩次數(shù)據(jù)顯存速度普通以ns納秒為單位。常見的顯存速度有1.2ns、1.0ns、0.8ns、0.4ns等。顯存的實際任務(wù)頻率計算公式是：等效任務(wù)頻率Hz=n/顯存速度n因顯存類型不同而不同，假設(shè)是GDDR3顯存那么n=2；GDDR5顯存那么n=4習慣上稱謂的DDR頻率是其等效頻率前往目錄體系架構(gòu)GeForce GTX 580 是Fermi架構(gòu)二代晉級版本的GF110中心。其中G代表GPU，F(xiàn)代表Fermi架構(gòu)。包括主接口Host Interface、GigaThr

13、ead引擎、四組圖形處置器集群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個流處置器CUDA中心32個流處置器構(gòu)成一組SM(Streaming Multiprocessor)前往目錄體系架構(gòu)光柵引擎以流水線的方式執(zhí)行邊緣/三角形設(shè)定(Edge/Triangle Setup)、光柵化(Rasterization)、Z軸緊縮(Z-Culling)等操作，每個時鐘循環(huán)周期處置8個像素。GF100有四個光柵引擎，每組GPC分配一個，整個中心每周期可處置32個像素。Raster Engine是用于修正,而ROPs那么是傳統(tǒng)的運算.多形體引擎那么要擔任頂

14、點拾取(Vertex Fetch)、細分曲面(Tessellation)、視口轉(zhuǎn)換(Viewport Transform)、屬性設(shè)定(Attribute Setup)、流輸出(Stream Output)等五個方面的處置任務(wù)，DX11中最大的變化之一細分曲面單元(Tessellator)就在這里。前往目錄體系架構(gòu)前往目錄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CUDA Core是一個一致的處置器中心，執(zhí)行頂點，像素，幾何和kernel函數(shù)。一個一致的768KB二級緩存架構(gòu)擔任線程加載、存儲和紋理操作。

15、每組SM里四個紋理單元，共享運用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新的緊縮紋理格式。CUDAComputeUnifiedDeviceArchitecture，一致計算架構(gòu)是NVIDIA公司對于GPGPUGeneral Purpose GPU，即通用計算圖形處置器的正式稱號。經(jīng)過這個技術(shù)，用戶初次可以利用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CUDA C-言語或是OpenCL，指令最終都會被驅(qū)動程序轉(zhuǎn)換成PTX代碼，交由顯示中心計算。要將GPGPU普

16、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。Direct Compute是微軟的通用計算API。CUDA體系構(gòu)造的組成來說，包含了三個部分：開發(fā)庫、運轉(zhuǎn)期環(huán)境和驅(qū)動。體系架構(gòu)前往目錄第一個問題：為什么需求GPU？CPU除了處置游戲的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義務(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，如今有些GPU也能支持了，這些義務(wù)就由GPU來完成了。第二個問題：GPU能否替代CPU？GPU相當于公用于圖像處置

17、的CPU，正由于它專，所以它強，在處置圖像時它的任務(wù)效率遠高于CPU，但是CPU是通用的數(shù)據(jù)處置器，在處置數(shù)值計算時是它的強項，它能完成的義務(wù)是GPU無法替代的，所以不能用GPU來替代CPU。體系架構(gòu)前往目錄SIMD是Single Instruction Multiple Data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置器進展控制，將一個指令下發(fā)到每個被控制的處置器上對不同數(shù)據(jù)進展一樣的操作。這一技術(shù)在CPU以及GPU上都得到了運用，而其中GPU領(lǐng)域運用更為廣泛特指ATI方面 4D設(shè)計的SIMD單元只需一個指令端口，但卻能同時吃進四個通道的數(shù)據(jù)流，這樣就可以在

18、一個周期內(nèi)完成4D矢量指令的處置。 SIMD單元可以有效提升GPU的矢量處置性能，但缺陷是，SIMD在執(zhí)行標量指令時效能較為低下，由于它只需一個指令端口，所以在面對標量指令時即1D向量指令的時候，4D SIMD單元一個時鐘周期只能允許一個標量進入，也只能處置一個標量，其效率就會下降到原來的1/4。體系架構(gòu)前往目錄MIMD多指令多數(shù)據(jù)流在并行計算當中最為通用。讓NVIDIA的每個流處置器僅處置一個1D指令，而假設(shè)遇到4D、3D、2D指令時，那么將這些指令打散為多個1D指令，并且經(jīng)過分配器將這些指令分配到每個流處置器當中。從實際上分析，流處置器的執(zhí)行效率幾乎到達了100%。負面效果就是“組長這一職

19、位過多反映在顯卡當中就會出現(xiàn)過多的分派單元，從而導致晶體管數(shù)量的添加。并且由于組長數(shù)量過多，因此導致了組員數(shù)量的減少。NVIDIA顯卡根本上都是以大中心甚至“巨中心的籠統(tǒng)出如今消費者面前。也就是從G80開場，NVIDIA徹底丟棄了傳統(tǒng)顯卡的SIMD架構(gòu)，和ATI在顯卡的技術(shù)開展思緒上分道揚鑣。體系架構(gòu)前往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陷：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，本身無法改換，不能對顯卡進展硬件晉級，但可以經(jīng)過CMOS調(diào)理頻率或刷入新BIOS文件實現(xiàn)軟件晉級來發(fā)掘顯示芯片的潛能獨立顯卡的優(yōu)點：單獨安裝有顯存，普通不占用系統(tǒng)內(nèi)

20、存，在技術(shù)上也較集成顯卡先進得多，比集成顯卡可以得到更好的顯示效果和性能，容易進展顯卡的硬件晉級。獨立顯卡的缺陷：系統(tǒng)功耗有所加大，發(fā)熱量也較大，需額外破費購買顯卡的資金，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新一代圖形處置中心，相對于集成顯卡，核芯顯卡把集成顯卡中的 “處置器+南橋+北橋圖形中心+內(nèi)存控制+顯示輸 出三芯片處理方案精簡為 “處置器處置中心+圖形中心+內(nèi)存控制+主板芯片顯示輸出的雙芯片方式核芯顯卡的缺陷：配置核芯顯卡的CPU通常價錢較高，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NV

21、IDIA (英偉達) 顯卡與Intel中心顯卡之間自動切換，切換過程是無縫完成且在后臺進展的，目的就是在實現(xiàn)強勁性能的同時到達超長電池續(xù)航時間。無論是欣賞電影、網(wǎng)上沖浪還是暢玩3D游戲，都可以享遭到該技術(shù)所帶來的益處。前往目錄核顯歷程Tick-Tock是Intel公司開展微處置器芯片設(shè)計制造業(yè)務(wù)的一種開展戰(zhàn)略方式，在2007年正式提出。Intel指出，每一次處置器微架構(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的稱號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)的處置器芯片制程的更新，意在處置器性能幾近一樣的情況下，減少芯片面積、減小

22、能耗和發(fā)熱量；而每一次“Tock代表著在上一次“Tick的芯片制程的根底上，更新微處置器架構(gòu)。普通一次“Tick-Tock的周期為兩年，“Tick占一年，“Tock占一年。前往目錄核顯歷程2021年1月份，Intel發(fā)布了全新的Sandy Bridge架構(gòu)，從45nm進化到32nm,初次將GPU芯片跟CPU交融在一同，內(nèi)置的圖形中心那么晉級為HD Graphics 2000/3000Intel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Turbo Boost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運用多少緩存。假設(shè)軟件需求更多CPU資源，那

23、么CPU就會加速、GPU同時減速，反之亦然。它使可以根據(jù)任務(wù)負載，自動以適當速度開啟全部中心，或者封鎖部分限制中心、提高剩余中心的速度，2021年初，Intel核芯顯卡在第三代酷睿處置器Ivy Bridge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，完好支持PCI-E3.0，集成顯示中心再次升格為HD Graphics 2500/4000 ，全面支持DirectX11、OpenGL3.1和OpenCL1.1。QPI(Quick Path Interconnect)快速通道互聯(lián)，取代前端總線(FSB)的一種點到點銜接技術(shù)，20位寬的QPI銜接其帶寬可達驚人的每秒2

24、5.6GB，用于多處置器之間的互聯(lián)。前往目錄核顯歷程PECI接口規(guī)格由Intel提出，作為新一代的數(shù)字接口，它是存在于處置器與其他芯片或系統(tǒng)穩(wěn)定性監(jiān)控設(shè)備之間的公用單線型總線。PCH(Platform Controller Hub)是一個intel公司的集成南橋single wire bus顯卡分類Tegra用于手持挪動平臺，GeForce用于提供家庭文娛；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前往目錄顯卡分類NVIDIA Quadro Plex 1000針對專業(yè)圖形計算領(lǐng)域，NVID

25、IA將SLI甚至Quad SLI系統(tǒng)都轉(zhuǎn)移到了這個機箱稱為圖形子系統(tǒng)之內(nèi)，配上公用的電源和散熱措施，經(jīng)過公用的轉(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才干！假設(shè)主機有兩條PCI-E X16插槽的話，就可以接入兩套Quadro Plex系統(tǒng)，最多實現(xiàn)8顆GPU SLI系統(tǒng)，依此類推！前往目錄顯卡分類NVIDIA Tesla前往目錄顯卡分類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)處置器和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)計來制造或出賣CPU，而是將處置 ARM器架

26、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工程。對于授權(quán)方來說，ARM 提供了ARM 內(nèi)核的整合硬件表達，包含完好的軟件開發(fā)工具編譯器、debugger、SDK，以及針對內(nèi)含ARM CPU 硅芯片的銷售權(quán)。前往目錄顯卡分類將中央處置器和獨顯中心做在一個晶片上，它同時具有高性能處置器和最新獨立顯卡的處置性能，支持DX11游戲和最新運用的“加速運算，大幅提升了電腦運轉(zhuǎn)效率，實現(xiàn)了CPU與GPU真正的交融。2021年1月，AMD推出了一款革命性的產(chǎn)品AMD APU，是AMD Fusion 技術(shù)的首款產(chǎn)品。2021年6月面向主流市場的Llano APU正式發(fā)布。 第一步是物

27、理整合過程Physical Integration)，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Optimized Platforms，CPU和GPU之間互銜接口進一步加強，并且一致進展雙向電源管理，GPU也支持高級編程言語，這部分才是最關(guān)鍵的。第三步是架構(gòu)整合Architectural Integration，實現(xiàn)一致的CPU/GPU尋址空間、GPU運用可分頁系統(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 & OS Integration，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、義務(wù)并行運轉(zhuǎn)實時整合等等，這些需求和微軟、ADOBE等行業(yè)軟件巨頭不停的溝通交流。前往目錄顯卡分類華碩正在開發(fā)第二代XG Station，它將運用新一代PCI-E總線，確保外置顯卡運用全速的PCI-E X16接口；另外還在外部提供了新規(guī)范的視頻輸入功能，讓外置顯卡處置過的3D圖像可以顯示在筆記本電腦的屏幕上！ 如此一來，華碩第二代XG Station將會是一款非常適用的產(chǎn)品，筆記本電腦用戶想玩3D游戲的話，只需購買一塊普通顯卡，