论文部分内容阅读
显卡究竟是什么？
一提到显卡，现在的概念，要么是渲染、编码，要么是游戏，但是你知道显卡最初的模样吗？早期的“显卡”是字面意义上负责显示的板卡，只是将CPU希望显示出来的信息转换为显示器需要的格式并输出给显示器，而今的显卡一般都带有3D画面运算和图形加速功能，所以实际应该叫做“图形加速卡”或“3D加速卡”。电脑上最早的显卡是IBM在1981年推出的5150个人电脑上所搭载的MDA和CGA两款2D加速卡。
纯字符界面的DOS时代其实对显卡的要求极低，功能也极为简单，就是单纯为了能够“显示”而已，显存更是只有16KB。
直到上世纪90年代。在Windows普及的推动下，显示芯片才开始拥有了“图形运算功能”，以减轻CPU的负担。到了90年代中期，多数显卡已经具备加速图形处理的能力，并开始配备较高容量的显存，性能进一步提升，名称也从图形适配器改成了图形加速卡（Graphics Card）。比如当年著名的Tseng（曾氏）ET6000——号称最快的2D图形加速卡。
而今的显卡，则是在2D图形加速的基础上，“结合”了3D图形加速GPU的产物。具体来说，现在的显卡是由GPU、显存、电路板，还有BIOS固件组成的，所以GPU不等于显卡。GPU只是显卡上的一个核心处理芯片，是显卡的心脏，不能单独作为外接扩展卡使用。
下面我们就走入正题，看一看如今我们熟悉的“显卡”类型到底经历了怎样的变迁。在这里笔者以各个厂商的视角来梳理这段历史，如果希望用时间线来了解的话，可以参考本刊2020年第20期的《无限光辉GPU诞生20周年回顾》一文。
显卡界的天王竟然是它！
谁才是显卡市场的第一名？很多玩家朋友会认为答案多半在英伟达和AMD之间，然而实际上，现在显卡界的“天王”是英特尔！统计机构Jon Peddie Research（JPR）2020年四季度GPU市场的分析报告显示，英特尔核显出货量大幅增加33.2%（卖CPU送显卡），使得份额提升到69%！也就是说，实际所有能够显示的电脑中，10台中有7台使用了英特尔的核显，只是这些用户大部分也是不关注显卡的，而玩家关注的游戏独显，确实是英伟达和AMD的天下。
也许一提到英特尔显卡，稍有资历的电脑用户都会说是i740，其实不然，这只是英特尔第一个独立3D显卡。作为个人电脑处理器开创者之一，英特尔的显卡，或者说是具有显示功能的显示模块早就出现了，生产于1977年的C8275 CRT Controller，它的功能也只是输出画面而已，显存更是只有4KB，但在英特尔显卡的历史上占据着重要地位。
时间来到1986年，英特尔推出了82786，这是首款独立显卡协处理器，它集成了一个图形处理器、一个可以控制CRT（阴极射线管）显示器的显示处理器，并且具备了4MB的显存，最高可以显示256色。这在当时已经是非常了不起的设计，尽管今天看起来不值一提。
1997年，英特尔收购了C&T（Chips & Technoigies）公司，获得了2D显示核心技术。经过了一年多的调整和对外合作，到了1998年年初，英特尔正式推出了本公司旗下第一代独立式显卡i740。这是与Real 3D配合下研发的一款3D加速芯片，从而标志者英特尔的产品首次进入3D图形市场。而后，英特尔还将i740集成在i810芯片组内，随着810芯片组的热销，i740占领了更大的市场份额。
2002年，英特爾发布了配合Pentium 4处理器配套的i845G芯片组，推出了英特尔Extreme Graphics。到了2004年，英特尔又推出了显示核心产品——集成在北桥中的GMA显卡（Graphics Media Accelerator），这一时期，集成显卡主要放在目前已经消失的北桥芯片中。
真正让英特尔成为显卡领域领头羊的，还是2010年，英特尔率先推出的CPU与GPU封装在同一块基板上的处理器产品，即第一代酷睿处理器，核心代号Clarkdale，内置GPU则被称为“核芯显卡”（以下简称核显），第一代核显被官方命名为英特尔HD Graphics，也就是我们习惯上喜欢叫的HD系列核显，2011年推出的第二代酷睿处理器则实现了CPU+GPU封装在同一芯片中。之后它一直沿用到如今的第十一代酷睿处理器，并且演化出了目前更多见于移动版中的Iris锐炬型号。 至此，英特尔实现了显卡领域的“制霸”，成为了当之无愧的显卡之王。而今英特尔又再一次推出了Xe显卡，再次进入独立显卡市场，让我们拭目以待英特尔的独显之路吧！
上下半场 AMD显卡之路
AMD的显卡之路，或者说是“A”卡的发展可以分为上下两部分，第一部分是ATI冶天科技，第二部分才是被收购后的AMD显卡史，它们恰好都可以被称为A卡。以时间节点去观察，则以2006年为分水岭。1985年，ATI公司在加拿大成立，早先是一间原始设备制造商，为大型个人电脑制造商制造显示芯片，例如IBM。从1987年7月开始，ATI自立成为显卡零售商，销售ATI EGA Wonder和VGA Wonder显卡。
它的第一款产品是1986年发布的ATI Graphics Solution Rev 3，其最重要的功能是以CGA（彩色图形适配器标准）和Hercules（大力神图形卡，同为彩色图形分辨率标准）模式重现图形。这款显卡最大的特色就在于此——兼容性好，它可以让用户不再拘泥于某一个图形适配标准来选择显示设备。
到了3D时代，ATI在1996年1月正式发布了3D Raqe显卡系列，代表了ATI正式进入3D时代，这个系列一共有三款产品，分别是3D Rage（1）、3D Rage Ⅱ（ⅡC，Ⅱ+，Ⅱ+DVD）、3D Rage Pro。在同一时期，Raqe Pro的性能与英伟达的RIVA 128和3DFX的Voodoo加速卡近似，但是因为缺少了对OpenGL API的支持，所以实际性能体验并不出色（注：DirectX在当时并非主流API，另一主流是3DFX的Glide API）。
在1997年，ATI成功收购当时它的最大竞争对手Tseng Labs（注：就是前文提到的那个曾经拥有最快2D图形加速卡的公司）。在2000年，ATI收购ArtX，一间制造Flipper顯示芯片的公司，而Flipper芯片是任天堂GameCube的核心。
AMD在1999年发布的Rage 128显卡主要是针对Voodoo显卡。在Voodoo 2的对手中，Rage 128的性能表现并不是最好的那个，但它却是最均衡的那个（例如英伟达RIVA TNT系列速度更快，但画质差一些），尤其是多媒体性能非常出色。之后ATI还推出了FURY MAXX显卡，它是第一款实现双GPU协同工作的ATI显卡，这使ATI可以在一张显卡中放置两个Rage 128芯片的产品，是不是有点眼熟？没错，最终这一技术演变成了Crossfire多卡互联技术。
今天的Radeon最早出现在2000年，当时桌面图形卡市场只剩下ATI和英伟达两家公司，英伟达发布GeForce 256和GeForce 2。面对着英伟达的攻势，ATI发布Radeon R100显示核心，首款采用此核心的是Radeon 256显卡。Radeon R100首次支持DirectX 7。它支持T&L，硬件几何变形，光照效果，和图象剪切。它亦首次使用DDR作为显存。这些功能使Radeon在性能上可与GeForce 2一决高下。ATI Radeon 7000系列显卡是ATI最成功的一款显卡之一，而现今AMD显卡还在继续使用Radeon这个名字。
在2006年被AMD收购之前，ATI的辉煌时刻是2002年8月发布ATI Radeon 9000系列显卡，采用Radeon“R300”架构显示核心，它是全球第一个完全支持DirectX 9的绘图核心，让ATI在1999年的GeForce 256以来，在性能上首次胜过英伟达。R300和其派生产品构成ATI的消费级和专业级产品线的生命周期足有3年之久——英伟达在同一时期的GeForce FX遭遇了重大挫折。
时间来到2006年，AMD以54亿美元的天价收购了21岁的ATI——用以完善自己的产品布局，经过十几年的发展证明，当初这一收购举动无比正确。2007年，AMD发布了自己的“第一款”显卡产品——R600核心的Radeon HD 2900 XT，自此进入了“HD”命名时代，这个名称命名方式一直延续到了Radeon HD 7000系列，此时其商标仍沿用ATI。
2012年，AMD励精图治后终于发布了时隔4年的新架构升级：GCN架构，这种架构一直延续了4代。RadeonHD 7000系列是当年首款28nm制造工艺的显示芯片，代号“南方群岛”。它不仅保留了GPU的图形计算性能，同时提高了GPU的通用计算能力，Radeon HD 7970堪称当时的性能王者，而且从这一时期开始，显卡驱动优化的神奇正式上演——经过优化，Radeon HD 7970甚至可以反超后出现的英伟达GTX 680。
2015年，AMD发布了Radeon R9 Fury X，这款产品也为业界带来了两个首次：第一次使用HBM显存，第一次标配水冷散热的公版显卡。然而它的缺点也十分明显，功耗巨大，成本奇高。当然，从这一代显卡也能看出，AMD对显卡的设计理念也发生了些许变化。
2020年，Radeon RX 5000系列发布，这是RDNA1架构的首次出现，功耗问题得到了很大改善，性能表现也颇为突出，只不过显卡价格攀升让用户唯有持币观望的份。
异军突起 终成一级的英伟达
英伟达最初是个名不见经传的小公司，在同一时期，Trident、Matrox、3D labs、S3 Graphics甚至PowerVR都可与之竞争一二，更遑论当时如日中天的3DFX、ATI了。1993年英伟达诞生，初期发布的NV1、NV2并不成功。直到1997发布了RIVA 128系列显卡产品，才真正展露头角，当然，那个时候的游戏市场依旧是3DFX Voodoo的天下。
本着小步快跑、灵活应对的原则，英伟达以Direct X和OpenGL API为核心研发芯片，在1998年推出了新产品RIVA TNT产品，这款产品真正“站得住、叫得响”，成為了市场热销的显卡产品，也威胁到了3DFX的市场垄断地位。RIVA TNT最初的设计目的是达到3DFX Voodoo 2的两倍性能，但是受限于0.35微米制程工艺，它的频率不及预期，以至于没有达到最初的设想目标。但是，RIVA TNT依旧是当时市场上性能最好的显卡产品之一。并且，英伟达意识到驱动程序的重要性，开始为RIVA TNT编写全新的驱动程序，这就是著名的“雷管”（Detonator）。
快速迭代的故事还没有结束，英伟达很快又在1999年发布了RIVA TNT2，TNT2比上代TNT有长足进步，使用了第二代单一周期多重贴图运算，硬件设计合乎Direct X 7.0的需要。其后，RIVA TNT2 Ultra更采用0.22微米制程工艺，时钟频率进一步提升，亦完全击败Voodoo 3。至此，性能王者的宝座来到了英伟达手中，并且长期保持。
英伟达之所以能成功登顶，和它的快速迭代及设计能力密不可分，1999年8月，英伟达发布了跨时代的GPU产品GeForce 256，这也是业界首款GPU产品，GeForce 256与RIVA TNT2相比增加了Pixel Shader流水线的数目，支持硬体T&L引擎（以往T&L由CPU负责计算），还支持MPEG-2硬件解码。凭着GeForce 256的功能和速度，英伟达稳固了自己显卡市场霸主的地位，而且使3DFX，Matrox和S3 Graphics都变成牺牲品。
2000年4月，英伟达再接再厉，发布了GeForce 2系列，也正是这个系列，给了3DFX最后一击，最终导致同年12月25日被英伟达收购的大结局。而且从GeForce 2开始，“砍性能、降价格”的策略正式“发扬光大”，其精简版GeForce 2 MX的3D架构和功能与GeForce 2 GTS相同，但移除了两条像素流水线，存储器带宽只有GTS的一半。无论从销售量，或从产品的多元化而论，从来没有显卡核心可与GeForce 2 MX匹敌。
在此之后，英伟达几乎长期把持着显卡王者地位，与AMD厮杀缠斗至今，GeForce的命名法则一直持续至今，可谓深入人心。
故步自封的3DFX
3DFX是一家专门制造3D加速设备的公司，成立于1994年，并且仅仅两年就成为此领域的领头者。其Voodoo系列就是3DFX的开山之作。Voodoo是3DFX第一款纯3D加速芯片，它并非显示芯片，只负责3D图像的处理，因此需要配合2D显示适配器使用。Voodoo加速卡的性能远高于同时期的RIVA 128、i740等带有3D功能的显卡，因此虽然价格更高昂，但一经发布便在市场上广受欢迎。其招牌的游戏专用加速API——Glide也得到了大量游戏软件商支持，在Direct X未成王者前，是不少游戏的首选支持API。Voodoo系列在当时可谓风头可谓是一时无两。之后，3DFX也尝试集成2D显示核心，推出了完全体的显卡Voodoo Rush（2D核心为Alliance的AT3D），不过这款产品的风评并不好，兼容性问题颇多，2D性能表现差强人意，3D性能也较Voodoo来得差一些。而且，它的价格可不便宜，毕竟多了一个2D显示核心，成本也贵了不少。
时间来到了1998年，3DFX发布了Voodoo 2，这款产品可谓红极一时，几乎成为了每一个游戏玩家梦寐以求的产品。而且它创新性的支持了SLI功能——你没看错，英伟达的SU其实就来自于3DFX。Voodoo2无论是单卡性能、画质表现，还是多卡互联，在当时可谓无出其右。而且，3DFX的Glide API在这一时期起着至关重要的作用，因为在很多游戏中，它的效率、画质仍然比Direct X或OpenGL更具有优势。而后3DFX又尝试推出了Voodoo Banshee显卡，也是一个以2D+3D核心的显卡，但表现仍然不够优秀，存在兼容性、稳定性、功能缺失等问题。
1998年底，3DFX再接再厉发布了Voodoo 3显卡，这是一款真正全新设计的2D+3D芯片，也是3DFX最后的辉煌，因为危机也在这个时期爆发了。在1998年12月14日3DFX收购STB Systems公司后，开始由自家独揽板卡的生产销售，不再授权芯片给予第三方厂商生产，导致其成本过高，且其后期产品的设计循规蹈矩，创新力大减。
Voodoo 4/5系列在2000年发布，但实际几乎没有正式上市，市场颓势尽显。别忘了，1999年英伟达已经发布了GeForce GPU，3DFX无论如何也无法与之抗衡。最终，3DFX将自己的专利技术全部出售给了对手英伟达，并且仅仅过了2年，3DFX宣布破产并结束营业。3DFX的失败原因无须赘述，它如流星一般光芒万丈，但转瞬即逝。对市场的判断失误、技术的故步自封，生产销售的贪婪，共同造成了3DFX的失败。
SVGA王者Trident
Trident（Trident Microsystems，泰鼎微系統）成立于1987年，早期生产电脑使用的显示与声音芯片，后期则转移制造数字电视与液晶屏幕的图像处理器（Video Processor）。在分辨率只有800×600的SVGA时代，Trident的市场占有率颇丰，它和S3 Graphics瓜分了当时显卡的绝大部分市场份额。
1990年代的Trident 8900/9000显卡既是ISA/16色显卡的代名词，也是显卡的真鼻祖——第一次使显卡独立于电脑，而不再是集成的一块芯片，为以后独立显卡的巨大发展提供了可能性。在那个2D统治的年代，业界真正的巨人是Trident和S3Graphics。
到了1996年，显卡进入3D硬件加速时代，它依靠着PCI与AGP 2X界面的3D Image 9850与3D Image 9750与S3竞争，但在真彩还原表现上不如主要对手S3 Graphics的产品，因而逐渐退出显示适配器市场。1990年代晚期，Trident终于推出了一颗具竞争性的3D绘图加速芯片——TGUI9880（Blade 3D），但是无奈“技不如人”，最终还是逐渐消失在视野之外。
2003年Trident正式退出显卡市场，将该公司的显示芯片部门与SIS的多媒体事业部合并，成立了XGI图诚科技。2006年，ATI并购XGI在上海的联盟公司远弘科技（Macro Synergy），同时接收XGI位于美国加州的圣克拉拉分部和工作人员。ATI，也就是现在的AMD显示芯片中，或许还保留当年Trident的血液。此后Trident专注于数字电视的显示处理器，直到2012年1月4日正式申请破产保护。
2D霸主S3 Graphics
S3 Graphics的早期产品可从1992年的805（P86C805）与1994年的Trio 32说起，1990年代初期，ATI正在主打高端市场，英伟达尚未出现，这给了S3Graphics很好的崛起时机。而代表着它真正崛起的产品则是1994年Trio 64V的后继版本Trio 64V+，其优异的2D表现搭配Pentium MMX几乎是当时热门的装机组合，风光一时无两。
然而，S3 Graphics在进入3D时代后表现不佳，尤其是驱动兼容性问题始终困扰着用户。Savage 4固然规格出色，但是驱动程序的BUG已经严重到无法使用的地步，而后期1999年推出的Savage2000也有同样的问题。从规格看，Savage 2000拥有者与英伟达GeForce 256同等级别的性能构架，但是驱动兼容性制约了它，无法为S3 Graphics扭转局势，也让这2D时代的霸主淹没在3D的浪潮当中。
2001年，S3 Graphics被VIA威盛电子收购，这也让VIA一举成为继英特尔之后，同时可制造X86架构CPU、芯片组、显示芯片的第二家厂商，第三家则是SiS（Silicon Integrated Systems Corp硅统科技），而第四家具备此能力的才是AMD。而到了2011年，HTC為了与苹果公司进行专利诉讼，出资3亿美元收购了VIA手中的S3 Graphics，获得了约235项图形技术方面的专利，并且给于VIA授权可以继续使用这些专利。时至今日，S3 Graphics依旧是HTC旗下成员。
最强2D画质Matrox
Matrox（Matrox Electronic Systems），中文名为迈创。在相当长的一段时间内，Matrox显卡几乎就是2D最好画质的代名词（诸如Matrox Millennium G200、G400、G450），甚至于在著名的专业测试软件ZD Davis中，被当做2D显示性能的测试基准，以Matrox的性能表现为100分计，用以测试其它显卡产品的2D显示性能品质。
之前我们谈及到Trident和S3 Graphics，论产品数量、市场占有率，确实是这二者领先，但是要谈到专业级表现，Matrox当仁不让。至于为何它的市场普及率不高，原因恐怕还是在于Matrox的经营策略——Matrox不开放芯片授权，一手包办了显示芯片设计和显卡的生产及销售。
Matrox的2D画质和性能究竟有多好？著名的显卡测试软件3Dmark 2000中，最后一项环境凹凸贴图当时几乎就是为Matrox显卡专门设计的，这就足够说明一切了。除此之外，当时多显示设备几乎凤毛麟角，Matrox在这一方面的能力也是无出其右的存在，这在今天看毫无新意，但是在1990年代至2000年代之间，Matrox的多显示输出功能是诸多专业领域近乎唯一的选择。
不过在3D显卡方面，Matrox的性能、市占都逐渐落后于其他业者，虽然该公司曾努力维持自身在产业界的地位。不过因为它更专注于一些高端视频需求，导致了整体显卡市场中仅剩不足1%的占有率，从而逐渐淡出人们的视野。2002年，Matrox推出了自己的最后一款民用级3D显卡Parhelia（幻日），尽管拥有当年最先进的512bit架构、10bit真彩，以及业界第一个支持三显示输出的产品，但无奈3D性能始终与英伟达、ATI有较大差距，最终只能完全转向专业市场领域。
生不逢时SIS（XGI）
SIS（Silicon Integrated Systems）矽统科技于1987年成立，是一家具有X86架构CPU、芯片组、显示芯片设计能力的公司，它的显示芯片着重于影音播放效果，诸如硬解码DVD播放等，而且售价低廉，很多机构批量采购的电脑中，都是使用SIS的显卡。
其实SIS凭着低廉的价格，不错的性能发展良好，很有机会在业界占一席之地的，然而当时英伟达和AMD已经把持了市场，即使最后推出的Xabre400能够击败英伟达GeForce MX 440也无济于事，在市场竞争的高压之下，SIS的显卡最终被扼杀在摇篮之中，真可谓生不逢时。
2003年SIS多媒体事业部和Trident显示芯片部门合并成立了XGI（EXtreme Graphics Innovation）图诚科技，之后推出了Volari系列显示芯片（基于Xabre芯片设计），无奈性能依旧表现不佳，最终于2006年被ATI收购。
專业领域的先行者3D labs
除了这些，还有一个专业公司3D labs曾经染指民用显卡市场，3D Labs成立于1984年，主要开发Wildcat与Oxygen系列的专业级显卡，例如1995年发布了当时世界最快的OpenGL显示芯片GLINT 300SX，值得注意的是，3D labs曾经是OpenGL架构评估委员会的成员，也是这个原因，3D labs推出的显卡OpenGL性能表现出色，但是DirectX表现却差强人意，而主流游戏多以DirectX为API设计，这也导致了3D labs显卡的游戏性能表现不佳。
最后，1998发布的入门级Permedia 3显卡以3000余元的天价推出，着力于专业应用，而游戏性能甚至不如英伟达TNT2显卡，所以难与市场对手竞争也就毫不意外了。
在此之后英伟达的Quadro等专业显卡上市，进一步蚕食了3D labs的市场份额，最终在2002年被创新科技收购成为旗下子公司，泯然众人矣。
电脑不行去手机！PowerVR
PowerVR这个名字是不是非常眼熟？苹果在使用自研GPU之前就是使用Imagination旗下的PowerVR GPU，在当时它的性能表现非常抢眼，谁能想到，在1990年代PowerVR还是桌面电脑领域的主要显卡厂商之一呢？PowerVR是Imagination Technologies的影像处理软硬件开发部门，在1990年代后期，它的主要竞争对手是3DFX的Voodoo系列显卡。其后在ATI和英伟达的激烈竞争中没落。
1997年，PowerVR发布了自己的PCX2显卡芯片，它的性能异常强大，而且对各种API都持开放态度，比如OpenGL、DirectX等等。但是，它也有两个缺点，第一是驱动程序兼容性不佳，第二是特别依赖CPU性能（在GPU出现之前，大量顶点运算是由CPU负责的）。即便如此，在3DFX Voodoo2上市前PCX2芯片的显卡市场占有率达到了第二名！
在此之后，PowerVR开始了自己的技术授权之路，尤其是授权给STMicroelectronics（意法半导体）后推出的PowerVR Kyro、Kyro2，对显卡市场冲击非常大。如Kyro推出后，其性能堪于GeForce 2对比，非常出色。但是，无论Kyro还是Kyro2，依旧败在了兼容性上，它们容易出现渲染错误，还有性能突降的问题。最终，PowerVR也淡出了桌面显卡市场，专注于技术授权的SOC领域。
从1980年代显卡这个概念普及以来，经过40余年的发展，早期显卡市场的激烈厮杀已经彻底落幕，电脑市场中只剩下英特尔、AMD、英伟达三个企业还在竞争。而且同CPU一样，GPU领域的技术壁垒、技术难度都越来越高，我们当然期望能有新鲜血液进入这个领域，但后进者的障碍非常难以逾越。未来用户是否能拥有更多的选择，还是让我们拭目以待吧！
