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假设世界上没有NVIDIA和AMD,如何设计显卡?

2023-11-04数码

NVIDIA和AMD都不是显卡的发明者,NVIDIA顶多算发明了「GPU」这一名词,AMD更是在收购ATI之前都未曾涉足图形芯片领域。

显卡从问世到今天,不看性能提升只看功能演变,也已经历了多达四代的发展。初代目PC显卡诞生于1981年,是来自IBM的CGA和MGA——MGA只能显示一种颜色,分辨率720*350;CGA支持最多16种颜色同屏显示,最大分辨率640*200,但此时只支持2种颜色的同屏显示。

对比现在自带庞大散热器的RTX 4090、RX 7900 XTX还有Arc A770,CGA还真的更像是一张「卡」,现在那几位尤其前俩都不如叫显「砖」。此外当年也没有GPU(Graphics Processing Unit)这名字,就是很朴素的Display Card,直译显示卡——原因是它确实没有图形计算能力,同期负责图形计算的仍是CPU,它就单纯负责把CPU算出的数字信号,转换为视频信号并输出在显示器上。

初代目显卡因此也可以被称作「2D显示卡」。而AMD图形部门的前身ATI,就是在2D显示卡的时期成立的,它以替IBM制造EGA/VGA(从名字能看出来是CDA/MDA的继任者)起家,1992年开始推出自己的Mach 64VT2——当时恰逢电脑由生产力工具往家庭娱乐设备转变,而ATI的2D显示卡有优秀的视频播放性能,这帮助它在市场上站稳了脚跟。

后来随着3D游戏的诞生,CPU的压力剧增。像发售于1996年的【雷神之锤】,倘若纯靠CPU硬算,需要晚一年的Pentium II(即奔腾2)主频266MHz+的版本方能胜任——而后者首发价格是599美元起步,即便不考虑通货膨胀,也要比今天的i9-14900K(589美元)略贵,这还只是入门配置哦。

于是有了二代目显卡即「3D加速卡」,代表产品是3dfx的Voodoo,花奔腾2一半的价格买到手,即可在更早的486电脑上流畅游玩【雷神之锤】。实际上初代Voodoo虽然具备图形计算能力,却不具备输出能力——因此原先电脑上的2D显示卡还不能扔掉,需要2D显示卡+3D加速卡一同才能实现这种效果,可见此时3D加速卡在游戏里还是处于辅助地位的,是CPU的「帮手」。

而NVIDIA恰好也就是在这个时期成立的(严格说要稍早点,1993年;3dfx和Voodoo分别诞生于1994和1995年),它的初代产品NV1甚至就试图整合2D显示卡和3D加速卡,并成功落地了,遗憾因为成本的原因败给了Voodoo。3D加速卡的潜力吸引了众多厂商加入,除去前面提到的ATI还包括英特尔、PowerVR(摩尔线程的技术就是来源于它)、SiS、Trident等等等等。

在这场群雄逐鹿中,NVIDIA最终率先迈出了更往前的一步,推出了和Voodoo一样里程碑意义的GeForce 256。在GeForce 256出现前,3D游戏需要频繁进行的坐标转换+光照计算(Transform & Lighting,略写T&L)等任务,都是靠CPU去完成的;GeForce 256则把这些内容全部硬件化,完全由自身实现,CPU资源因此得到大量解放,「低U高显」玩游戏从此成为可能。

GeForce 256标志着三代目显卡的诞生,显卡从此在3D游戏里不再是CPU帮手,而成为了主导。NVIDIA也基于「支持硬件T&L」这一特性,提出了「图形处理器」即GPU的概念,GeForce 256便是第一款以GPU命名的产品——随后市面上各家图形芯片也都开始往GPU方向转型,NVIDIA从此成为高性能图形芯片行业的引领者,直至今天。

进入新千年以后,3dfx、PowerVR们逐渐因为种种原因没落,NVIDIA在这块行业的对手一度只剩下后来被AMD收购的ATI,直到去年英特尔方携带Arc回归。而在与ATI的「红绿大战」中,NVIDIA不断寻求破局手段推陈出新,最终在2006年发布了里程碑级别的G80核心,搭载它的GPU包括GeForce 8800 Ultra/GTX/GTS(Ultra实际发布于2007年)。

G80核心抛弃了传统的渲染管线,显卡中原本各自为战的顶点管线(负责建模)和像素管线(负责渲染)被统一成了流处理器,这个设计同样被AMD/ATI跟进并一直持续到今天。由于流处理器的可编程特性,CUDA应运而生,第四代目显卡从此不再是单纯的游戏硬件,而是可以像CPU一样做科学计算的全能芯片——今天大热的AI(人工智能),同样是建立在它之上的。

从一开始只负责输出的2D显示卡,到有计算能力的3D加速卡,到可以主导3D游戏的图形处理器,再到今天能负责视频渲染AI运算的可编程图形处理器,显卡的发展是一个非常漫长的,包含了诸多人类智慧和惨烈竞争的过程。

NVIDIA、AMD和英特尔是这一系列竞争的胜利者(或者说存活者),也因此掌握着话语权,但不应武断认为「没有它们就没有显卡」。人类历史是由人民群众创造的,而不是由写在史册里的英雄们。

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