圖形處理器

 　　用途是將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所需要的顯示信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)，并向顯示器提供行掃描信號(hào)，控制顯示器的正確顯示，是連接顯示器和個(gè)人電腦主板的重要元件，也是“人機(jī)對(duì)話(huà)”的重要設(shè)備之一。顯卡作為電腦主機(jī)里的一個(gè)重要組成部分，承擔(dān)輸出顯示圖形的任務(wù)，對(duì)于從事專(zhuān)業(yè)圖形設(shè)計(jì)的人來(lái)說(shuō)顯卡非常重要。

　　功能作用

　　顯卡的處理器稱(chēng)為圖形處理器（GPU），它是顯卡的“心臟”，與CPU類(lèi)似，只不過(guò)GPU是專(zhuān)為執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)和幾何計(jì)算而設(shè)計(jì)的，這些計(jì)算是圖形渲染所必需的。某些最快速的GPU集成的晶體管數(shù)甚至超過(guò)了普通CPU。

　　時(shí)下的GPU多數(shù)擁有2D或3D圖形加速功能。如果CPU想畫(huà)一個(gè)二維圖形，只需要發(fā)個(gè)指令給GPU，如“在坐標(biāo)位置（x,y）處畫(huà)個(gè)長(zhǎng)和寬為a×b大小的長(zhǎng)方形”，GPU就可以迅速計(jì)算出該圖形的所有像素，并在顯示器上指定位置畫(huà)出相應(yīng)的圖形，畫(huà)完后就通知CPU“我畫(huà)完了”，然后等待CPU發(fā)出下一條圖形指令。

　　有了GPU，CPU就從圖形處理的任務(wù)中解放出來(lái)，可以執(zhí)行其他更多的系統(tǒng)任務(wù)，這樣可以大大提高計(jì)算機(jī)的整體性能。

　　GPU會(huì)產(chǎn)生大量熱量，所以它的上方通常安裝有散熱器或風(fēng)扇。

　　GPU是顯示卡的“大腦”，GPU決定了該顯卡的檔次和大部分性能，同時(shí)GPU也是2D顯示卡和3D顯示卡的區(qū)別依據(jù)。2D顯示芯片在處理3D圖像與特效時(shí)主要依賴(lài)CPU的處理能力，稱(chēng)為軟加速。3D顯示芯片是把三維圖像和特效處理功能集中在顯示芯片內(nèi)，也就是所謂的“硬件加速”功能。顯示芯片一般是顯示卡上最大的芯片（也是引腳最多的）。時(shí)下市場(chǎng)上的顯卡大多采用NVIDIA和AMD-ATI兩家公司的圖形處理芯片。

　　GPU已經(jīng)不再局限于3D圖形處理了，GPU通用計(jì)算技術(shù)發(fā)展已經(jīng)引起業(yè)界不少的關(guān)注，事實(shí)也證明在浮點(diǎn)運(yùn)算、并行計(jì)算等部分計(jì)算方面，GPU可以提供數(shù)十倍乃至于上百倍于CPU的性能，如此強(qiáng)悍的“新星”難免會(huì)讓CPU廠商老大英特爾為未來(lái)而緊張，NVIDIA和英特爾也經(jīng)常為CPU和GPU誰(shuí)更重要而展開(kāi)口水戰(zhàn)。GPU通用計(jì)算方面的標(biāo)準(zhǔn)目前有OpenCL、CUDA、ATISTREAM。其中，OpenCL(全稱(chēng)OpenComputingLanguage，開(kāi)放運(yùn)算語(yǔ)言)是第一個(gè)面向異構(gòu)系統(tǒng)通用目的并行編程的開(kāi)放式、免費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，也是一個(gè)統(tǒng)一的編程環(huán)境，便于軟件開(kāi)發(fā)人員為高性能計(jì)算服務(wù)器、桌面計(jì)算系統(tǒng)、手持設(shè)備編寫(xiě)高效輕便的代碼，而且廣泛適用于多核心處理器(CPU)、圖形處理器(GPU)、Cell類(lèi)型架構(gòu)以及數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)等其他并行處理器，在游戲、娛樂(lè)、科研、醫(yī)療等各種領(lǐng)域都有廣闊的發(fā)展前景，AMD-ATI、NVIDIA時(shí)下的產(chǎn)品都支持OPENCL。

　　1985年8月20日ATi公司成立，同年10月ATi使用ASIC技術(shù)開(kāi)發(fā)出了第一款圖形芯片和圖形卡，1992年4月ATi發(fā)布了Mach32圖形卡集成了圖形加速功能，1998年4月ATi被IDC評(píng)選為圖形芯片工業(yè)的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，但那時(shí)候這種芯片還沒(méi)有GPU的稱(chēng)號(hào)，很長(zhǎng)的一段時(shí)間ATI都是把圖形處理器稱(chēng)為VPU，直到AMD收購(gòu)ATI之后其圖形芯片才正式采用GPU的名字。

　　NVIDIA公司在1999年發(fā)布GeForce256圖形處理芯片時(shí)首先提出GPU的概念。從此NV顯卡的芯就用這個(gè)新名字GPU來(lái)稱(chēng)呼。GPU使顯卡削減了對(duì)CPU的依賴(lài)，并實(shí)行部分原本CPU的工作，更加是在3D圖形處理時(shí)。GPU所采用的核心技術(shù)有硬體T&L、立方環(huán)境材質(zhì)貼圖與頂點(diǎn)混合、紋理壓縮及凹凸映射貼圖、雙重紋理四像素256位渲染引擎等，而硬體T&L技術(shù)能夠說(shuō)是GPU的標(biāo)志。

　　工作原理

　　簡(jiǎn)單說(shuō)GPU就是能夠從硬件上支持T&L（TransformandLighting，多邊形轉(zhuǎn)換和光源處理）的顯示芯片，由于T&L是3D渲染中的一個(gè)重要部分，其作用是計(jì)算多邊形的3D位置與處理動(dòng)態(tài)光線效果，也能稱(chēng)為“幾何處理”。一個(gè)好的T&L單元，能提供細(xì)致的3D物體和高級(jí)的光線特效；只不過(guò)大多數(shù)PC中，T&L的大部分運(yùn)算是交由CPU處理的(這就也就是所謂軟件T&L)，因?yàn)镃PU的任務(wù)繁多，除了T&L之外，還要做內(nèi)存管理和輸入響應(yīng)等非3D圖形處理工作，所以在實(shí)際運(yùn)算的時(shí)候性能會(huì)大打折扣，一般出現(xiàn)顯卡等待CPU數(shù)據(jù)的情況，CPU運(yùn)算速度遠(yuǎn)跟不上時(shí)下復(fù)雜三維游戲的要求。即使CPU的工作頻率超出1GHz或更高，對(duì)它的幫助也不大，因?yàn)檫@是PC本身設(shè)計(jì)造成的問(wèn)題，與CPU的速度無(wú)太大關(guān)系。

　　產(chǎn)品區(qū)別

　　GPU在幾個(gè)主要方面有別于DSP(Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱(chēng)DSP，數(shù)字信號(hào)處理)架構(gòu)。其所有計(jì)算均使用浮點(diǎn)算法，而且此刻還沒(méi)有位或整數(shù)運(yùn)算指令。此外，由于GPU專(zhuān)為圖像處理設(shè)計(jì)，因此存儲(chǔ)系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)二維的分段存儲(chǔ)空間，包括一個(gè)區(qū)段號(hào)（從中讀取圖像）和二維地址（圖像中的X、Y坐標(biāo)）。此外，沒(méi)有任何間接寫(xiě)指令。輸出寫(xiě)地址由光柵處理器確定，而且不能由程序改變。這對(duì)于自然分布在存儲(chǔ)器之中的算法而言是極大的挑戰(zhàn)。最后一點(diǎn)，不同碎片的處理過(guò)程間不允許通信。實(shí)際上，碎片處理器是一個(gè)SIMD數(shù)據(jù)并行執(zhí)行單元，在所有碎片中獨(dú)立執(zhí)行代碼。

　　盡管有上述約束，但是GPU還是可以有效地執(zhí)行多種運(yùn)算，從線性代數(shù)和信號(hào)處理到數(shù)值仿真。雖然概念簡(jiǎn)單，但新用戶(hù)在使用GPU計(jì)算時(shí)還是會(huì)感到迷惑，因?yàn)镚PU需要專(zhuān)有的圖形知識(shí)。這種情況下，一些軟件工具可以提供幫助。兩種高級(jí)描影語(yǔ)言CG和HLSL能夠讓用戶(hù)編寫(xiě)類(lèi)似C的代碼，隨后編譯成碎片程序匯編語(yǔ)言。Brook是專(zhuān)為GPU計(jì)算設(shè)計(jì)，且不需要圖形知識(shí)的高級(jí)語(yǔ)言。因此對(duì)第一次使用GPU進(jìn)行開(kāi)發(fā)的工作人員而言，它可以算是一個(gè)很好的起點(diǎn)。Brook是C語(yǔ)言的延伸，整合了可以直接映射到GPU的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)并行編程構(gòu)造。經(jīng)GPU存儲(chǔ)和操作的數(shù)據(jù)被形象地比喻成“流”（stream），類(lèi)似于標(biāo)準(zhǔn)C中的數(shù)組。核心（Kernel）是在流上操作的函數(shù)。在一系列輸入流上調(diào)用一個(gè)核心函數(shù)意味著在流元素上實(shí)施了隱含的循環(huán)，即對(duì)每一個(gè)流元素調(diào)用核心體。Brook還提供了約簡(jiǎn)機(jī)制，例如對(duì)一個(gè)流中所有的元素進(jìn)行和、最大值或乘積計(jì)算。Brook還完全隱藏了圖形API的所有細(xì)節(jié)，并把GPU中類(lèi)似二維存儲(chǔ)器系統(tǒng)這樣許多用戶(hù)不熟悉的部分進(jìn)行了虛擬化處理。用Brook編寫(xiě)的應(yīng)用程序包括線性代數(shù)子程序、快速傅立葉轉(zhuǎn)換、光線追蹤和圖像處理。利用ATI的X800XT和Nvidia的GeForce6800Ultra型GPU，在相同高速緩存、SSE匯編優(yōu)化Pentium4執(zhí)行條件下，許多此類(lèi)應(yīng)用的速度提升高達(dá)7倍之多。

　　對(duì)GPU計(jì)算感興趣的用戶(hù)努力將算法映射到圖形基本元素。類(lèi)似Brook這樣的高級(jí)編程語(yǔ)言的問(wèn)世使編程新手也能夠很容易就掌握GPU的性能優(yōu)勢(shì)。訪問(wèn)GPU計(jì)算功能的便利性也使得GPU的演變將繼續(xù)下去，不僅僅作為繪制引擎，而是會(huì)成為個(gè)人電腦的主要計(jì)算引擎。

　　識(shí)別軟件

　　說(shuō)起處理器識(shí)別工具CPU-Z，其知名度和必備度無(wú)需贅言。硬件網(wǎng)站時(shí)下又給我們提供了一個(gè)類(lèi)似的工具，用于顯卡識(shí)別的“GPU-Z”。這是TechPowerUp發(fā)布的專(zhuān)業(yè)顯卡識(shí)別工具。

　　供應(yīng)商

　　GPU有非常多的廠商都生產(chǎn)，和CPU一樣，生產(chǎn)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?？赡苣阆氩坏剑侵话词袌?chǎng)占有率計(jì)算，英特爾隨著他主板及CPU發(fā)售的集成GPU占據(jù)了整個(gè)GPU市場(chǎng)的60%以上。

　　他的GPU主要有：唯一一款獨(dú)立顯卡芯片Intel740（i740）。ExtremeGraphics系列、GMA系列（集成于芯片組中）?，F(xiàn)在的HDGraphics系列[1]、Iris?Graphics系列[2]、Iris?ProGraphics[2]系列等（集成于CPU中）。

　　NVIDIA

　　NVIDIA是現(xiàn)在最大的獨(dú)立顯卡芯片生產(chǎn)銷(xiāo)售商。

　　他的GPU包括大家熟悉的Geforce系列[3]，包括GTX、GTS、GT等。專(zhuān)業(yè)工作站的Quadro系列[4]，超級(jí)計(jì)算的Tesla系列[5]，多顯示器商用的NVS系列[6]，移動(dòng)設(shè)備的Tegra系列[7]。

　　以前也銷(xiāo)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(fā)售，但是由于AMD收購(gòu)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(jīng)消失了。

　　曾經(jīng)為游戲機(jī)Xbox、PS3供應(yīng)GPU。

　　AMD(ATI)

　　AMD是世界上第二大的獨(dú)立顯卡芯片生產(chǎn)銷(xiāo)售商，他的前身就是ATI，2006年AMD以54億美元收購(gòu)ATI。

　　他的GPU主要是大家熟悉的Radeon系列[8]，包括以前的X、HD系列，近幾年的R9、R7、R5、R3，現(xiàn)在的RX系列等。專(zhuān)業(yè)工作站的FireGL系列，超級(jí)計(jì)算的FireStream系列，多顯示器商用的FireMV系列，現(xiàn)在前三者已合并為FirePro系列[9]。

　　早期ATI還生產(chǎn)過(guò)Wonder系列、Mach系列、Rage系列芯片。

　　除了獨(dú)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(gòu)ATI后，其主板市場(chǎng)迅速擴(kuò)大，已經(jīng)奪取了NVIDIA在AMD處理器主板芯片組的半壁江山。

　　就現(xiàn)在的發(fā)售量和發(fā)售盈利方面，AMD的GPU市場(chǎng)占有率方面仍然略輸于NVIDIA。

　　AMD也是游戲機(jī)Xbox360、Wii、WiiU、PS4、XboxOne的GPU供應(yīng)商。

　　3dfx

　　3dfx是一家于1994年成立的生產(chǎn)3DGPU及顯卡的公司。

　　曾經(jīng)生產(chǎn)了Voodoo系列顯卡，并且研發(fā)了SLI技術(shù)。

　　由于經(jīng)營(yíng)不善等問(wèn)題于2002年被NVIDIA收購(gòu)。

　　Matrox

　　Matrox當(dāng)年和NVIDIA，ATI一起爭(zhēng)奪獨(dú)立顯卡芯片市場(chǎng)份額的一家公司，在曾經(jīng)的一個(gè)時(shí)期Matrox的顯卡和NVIDIA，ATI曾經(jīng)在性能上比肩過(guò)。但由于后來(lái)其開(kāi)發(fā)能力日漸衰退，在GF5時(shí)期，也就是ATI的9000系列時(shí)期，Matrox由于性能上整整落后了GF5900和Raden9800一個(gè)世代而逐漸被淘汰，淡出了民用獨(dú)立顯卡市場(chǎng)。

　　但時(shí)下Matrox仍然在工程用專(zhuān)業(yè)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(qiáng)力。與NVIDIA和AMD的專(zhuān)業(yè)顯卡不同，NVIDIA，ATI的專(zhuān)業(yè)顯卡涉足的是3D領(lǐng)域，而Matrox得專(zhuān)業(yè)顯卡涉足的是2D領(lǐng)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(xiàn)出驚人的性能，也就是說(shuō)當(dāng)CUDA在各種運(yùn)用軟件普及的那天，Matrox也必將退出2D專(zhuān)業(yè)卡的市場(chǎng)。

　　SiS和VIA

　　矽統(tǒng)和威盛時(shí)下是對(duì)孿生兄弟，但他們?cè)?jīng)也是分開(kāi)的兩家公司，并且都生產(chǎn)自己主板的集成顯卡芯片。但這可憐的兩兄弟已經(jīng)逐步在淡出主板市場(chǎng)了，也就必定將淡出GPU市場(chǎng)。