|
圖形處理器(英語：Graphics Processing Unit，縮寫：gpu)，又稱顯示核心、視覺處理器、顯示芯片，是一種專門在個人電腦、工作站、游戲機和一些移動設備(如平板電腦、智能手機等)上圖像運算工作的微處理器。 用途是將計算機系統所需要的顯示信息進行轉換驅動，并向顯示器提供行掃描信號，控制顯示器的正確顯示，是連接顯示器和個人電腦主板的重要元件，也是“人機對話”的重要設備之一。顯卡作為電腦主機里的一個重要組成部分，承擔輸出顯示圖形的任務，對于從事專業圖形設計的人來說顯卡非常重要。 gpu由于歷史原因，是為了視頻游戲而產生的(至今其主要驅動力還是不斷增長的視頻游戲市場)，在三維游戲中常常出現的一類操作是對海量數據進行相同的操作，如：對每一個頂點進行同樣的坐標變換，對每一個頂點按照同樣的光照模型計算顏色值。 gpu的眾核架構非常適合把同樣的指令流并行發送到眾核上，采用不同的輸入數據執行。在 2003-2004年左右，圖形學之外的領域專家開始注意到gpu與眾不同的計算能力，開始嘗試把gpu用于通用計算(即GPgpu)。之后NVIDIA發布了CUDA，amd和等公司也發布了OpenCL，gpu開始在通用計算領域得到廣泛應用，包括：數值分析，海量數據處理(排序，Map- Reduce等)，金融分析等等。 簡而言之，當程序員為cpu編寫程序時，他們傾向于利用復雜的邏輯結構優化算法從而減少計算任務的運行時間，即Latency。當程序員為gpu編寫程序時，則利用其處理海量數據的優勢，通過提高總的數據吞吐量(Throughput)來掩蓋 Lantency。目前，cpu和gpu的區別正在逐漸縮小，因為gpu也在處理不規則任務和線程間通信方面有了長足的進步。另外，功耗問題對于gpu比cpu更嚴重。 gpu是顯示卡的“心臟”，也就相當于cpu在電腦中的作用，它決定了該顯卡的檔次和大部分性能，同時也是2D顯示卡和3D顯示卡的區別依據。 2D顯示芯片在處理3D圖像和特效時主要依賴cpu的處理能力，稱為“軟加速”。3D顯示芯片是將三維圖像和特效處理功能集中在顯示芯片內，也即所謂的“硬件加速”功能。顯示芯片通常是顯示卡上最大的芯片(也是引腳最多的)。gpu使顯卡減少了對cpu的依賴，并進行部分原本cpu的工作，尤其是在3D圖形處理時。gpu所采用的核心技術有硬體T&L、立方環境材質貼圖和頂點混合、紋理壓縮和凹凸映射貼圖、雙重紋理四像素256位渲染引擎等，而硬體T&L技術可以說是gpu的標志。 gpu工作原理-工作原理 簡單的說gpu就是能夠從硬件上支持T&L(Transform and LighTIng，多邊形轉換與光源處理)的顯示芯片，因為T&L是3D渲染中的一個重要部分，其作用是計算多邊形的3D位置和處理動態光線效果，也可以稱為“幾何處理”。一個好的T&L單元，可以提供細致的3D物體和高級的光線特效;只不過大多數PC中，T&L的大部分運算是交由cpu處理的(這就也就是所謂的軟件T&L)，由于cpu的任務繁多，除了T&L之外，還要做內存管理、輸入響應等非3D圖形處理工作，因此在實際運算的時候性能會大打折扣，常常出現顯卡等待cpu數據的情況，其運算速度遠跟不上今天復雜三維游戲的要求。即使cpu的工作頻率超過 1GHz或更高，對它的幫助也不大，由于這是PC本身設計造成的問題，與cpu的速度無太大關系。 gpu圖形處理，可以大致分成 5 個步驟，如下圖箭頭的部分。分別為 vertex shader、primiTIve processing、rasterisaTIon、fragment shader、tesTIng and blending。 第一步，vertex shader。是將三維空間中數個(x，y，z)頂點放進 gpu 中。在這一步驟中，電腦會在內部模擬出一個三維空間，并將這些頂點放置在這一空間內部。接著，投影在同一平面上，也是我們將看到的畫面。同時，存下各點距離投影面的垂直距離，以便做后續的處理。 這個過程就像是本地球觀看星星一般。地球的天空，就像是一個投影面，所有的星星，不管遠近皆投影在同一面上。本地球的我們，抬起頭來觀看星星，分不出星星的遠近，只能分辨出亮度。gpu 所投影出的結果，和這個情況類似。 從地球所看到的星空，星星就像是投影到一球面上，除非使用特別的儀器，不然分不出星星和地球的距離 第二步，primitive processing。是將相關的點鏈接在一起，以形成圖形。在一開始輸入數個頂點進入 gpu 時，程序會特別注記哪些點是需要組合在一起，以形成一線或面。就像是看星座的時候一樣，將相關連的星星連起來，形成特定的圖案。 第三步，rasterisation。因為電腦的屏幕是由一個又一個的像素組成，因此，需要將一條連續的直線，使用繪圖的演算法，以方格繪出該直線。圖形也是以此方式，先標出邊線，再用方格填滿整個平面。 第四步，fragment shader。將格點化后的圖形著上顏色。所需著上的顏色也是于輸入時便被注記。在游玩游戲時，這一步相當耗費 gpu 的計算資源，因為光影的效果、物體表面材質皆是在這一步進行，這些計算決定著游戲畫面的精細程度。因此在游玩游戲時，調高游戲畫面品質大幅增加這一步的計算負擔，降低游戲品質。 將一個三角形，用方格呈現近似原始圖案，并著上顏色。一塊又一塊的方格，就是顯示器上的像素 最后一步，testing and blending。便是將第一步所獲得的投影垂直距離取出，和第四步的結果一同做最后處理。在去除被會被其他較近距離的物體擋住的物體后，讓剩下的圖形放進 gpu 的輸出內存。之后，結果便會被送到電腦屏幕顯示。 gpu工作原理-主要供應商 gpu有非常多的廠商都生產，和cpu一樣，生產的廠商比較多，但大家熟悉的卻只有INA，以至于大家以為gpu只有三大廠商。 英特爾 英特爾的gpu基本為集成顯卡芯片，用于英特爾的主板和英特爾的cpu。可能你想不到，要是只按市場占有率計算，英特爾隨著他主板及cpu發售的集成gpu占據了整個gpu市場的60%以上。 他的gpu主要有：唯一一款獨立顯卡芯片Intel 740(i740)。Extreme Graphics系列、GMA系列(集成于芯片組中)。現在的HD Graphics系列[1] 、Iris? Graphics系列[2] 、Iris? Pro Graphics[2] 系列等(集成于cpu中)。 NVIDIA NVIDIA是現在最大的獨立顯卡芯片生產銷售商。他的gpu包括大家熟悉的Geforce系列 ，包括GTX、GTS、GT等。專業工作站的Quadro系列 ，超級計算的Tesla系列 ，多顯示器商用的NVS系列 ，移動設備的Tegra系列 。 以前也銷售集成在主板上的集成顯卡芯片，這些隨著主板芯片組一起發售，但是由于amd收購ATI后自身主板芯片組gpu能力提高，NVIDIA芯片組如日中天的景象已經消失了。曾經為游戲機Xbox、PS3供應gpu。 amd(ATI) amd是世界上第二大的獨立顯卡芯片生產銷售商，他的前身就是ATI，2006年amd以54億美元收購ATI。他的gpu主要是大家熟悉的Radeon系列，包括以前的X、HD系列，近幾年的R9、R7、R5、R3，現在的RX系列等。專業工作站的FireGL系列，超級計算的FireStream系列，多顯示器商用的FireMV系列，現在前三者已合并為FirePro系列 。 早期ATI還生產過Wonder系列、Mach系列、Rage系列芯片。除了獨立顯卡之外amd還擁有集成顯卡芯片，集成于芯片組、APU中。由于amd收購ATI后，其主板市場迅速擴大，已經奪取了NVIDIA在amd處理器主板芯片組的半壁江山。就現在的發售量和發售盈利方面，amd的gpu市場占有率方面仍然略輸于NVIDIA。amd也是游戲機Xbox 360、Wii、Wii U、PS4、Xbox One的gpu供應商。 3dfx 是一家于1994年成立的生產3D gpu及顯卡的公司。曾經生產了Voodoo系列顯卡，并且研發了SLI技術。由于經營不善等問題于2002年被NVIDIA收購。 Matrox Matrox當年和NVIDIA，ATI一起爭奪獨立顯卡芯片市場份額的一家公司，在曾經的一個時期Matrox的顯卡和NVIDIA，ATI曾經在性能上比肩過。但由于后來其開發能力日漸衰退，在GF5時期，也就是ATI的9000系列時期，Matrox由于性能上整整落后了GF5900和Raden9800一個世代而逐漸被淘汰，淡出了民用獨立顯卡市場。但時下Matrox仍然在工程用專業顯卡方面有自己的地位。 這些顯卡用于工程主圖和多頭輸出仍然很強力。與NVIDIA和amd的專業顯卡不同，NVIDIA，ATI的專業顯卡涉足的是3D領域，而Matrox得專業顯卡涉足的是2D領域，也就是CAD。但由于OpenCL、CUDA的日漸普及，DX10以上顯卡將在所有支持CUDA的程序上表現出驚人的性能，也就是說當CUDA在各種運用軟件普及的那天，Matrox也必將退出2D專業卡的市場。 SiS和VIA 矽統和威盛時下是對孿生兄弟，但他們曾經也是分開的兩家公司，并且都生產自己主板的集成顯卡芯片。但這可憐的兩兄弟已經逐步在淡出主板市場了，也就必定將淡出gpu市場。 |
