这些年，GPU已经成为全球热点。但GPU从哪里来？对此，当然存在争议，也并非不可能追溯到NEC的“μPD7220”、富士通的ARTC（HD63484）、TI的“TMS34010”、Intel的“82786”等，但我给出的答案是一个“配备独立 GPU 的显卡”。
　　然而，即使我只谈论IBM-PC及其兼容机，谈论IBM-PC的MDA和CGA也太长了。所以，，我认为使用 DirectX 是可以的，即使是在 DirectX 7 之前。这就是发生的事情。嗯，既然叫GPU，我感觉这是一个门槛。
　　因此，我想首先谈谈图形仅限于 2D 的时代。
　　PC市场启动的时代（1982-1989）
　　初，具有显示功能的显卡（MDA、CGA、EGA、VGA、XGA、ATI的Small Wonder、Mach 8）没有配备任何加速功能）。
　　此时，争论的焦点仍然是“可以显示什么屏幕尺寸”和“可以同时显示多少种颜色”，而不是性能。
　　2D绘图性能争夺战开始的时代（1989~）
　　一旦游戏开始在 DOS 上运行，自然就会有竞争来让它们运行得尽可能快。这里脱颖而出的是 Tseng Labs 的“ET4000”，它在 BitBlt 上速度极快。当时大多数游戏都是以BitBlt格式绘制到VRAM上，因此ET4000价格便宜且速度快，因此销量非常好，其他厂商纷纷效仿。
　　这种追逐者的一个典型例子是 S3，即 1990 年发布的“86C911”，它在 DOS 上运行缓慢（以及后来发布的 Windows 3），但由于游戏速度异常快而受到欢迎。顺便说一句，DOS 很慢，因为 DOS/V 机械上很慢，但英文版本并没有那么慢。
　　后来，以前担任摄影师、近成为生成式 AI 程序员的Kazuhisa Nishikawa发布了一个名为“DISPS3”的驱动程序，该驱动程序在 S3 芯片上高速运行，我记得这个问题得到了很大程度的缓解。是。在此之后，WDC、ATI等BitBlt都发布了高速图形芯片，几乎每周都有新产品上市。
　　然后，在1996年，Matrox推出了Millenium，再次改变了市场原则。BitBlt 并不是真的很快（后来发现了一个让它看起来很快的技巧，并受到了轻微的批评，但仅此而已），但 Windows 环境变得令人难以置信的快。
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　　Windows 屏幕（现在称为桌面）实际上使用了大量的“线条绘制”。对于基于 BitBlt 的显卡，这会无休止地填充一个像素，因此它的速度是有限的（CPU 和图形芯片都加载），但 Millennium 已经先进了“直线绘制”、“圆弧绘制”、“区域填充”等2D绘图功能，所以在绘制直线时，CPU只要发出命令，然后图形芯片就会自动从起点到终点填充像素处理速度非常快。
　　这被证明是一种性能差异，特别是在拖动和摇动窗口时的反应速度方面，这导致了向 Millennium 的转变，尤其是在 Windows 用户中。
　　竞争对手是Weitek的P9000（1992年发布），但P9000本身是通用2D图形加速芯片，所以它具有VGA兼容性，很难使用。卡制造商试图通过在同一张卡上放置名为“OAK 087X”或 Wektek 的“W5186”的引导芯片来解决此问题，但这些芯片速度慢得不合理，尽管其在 DOS 环境中的性能是灾难性的），也是一种受欢迎的产品。
　　无硬件T&L的3D时代（1996-1999）
　　1996年，3Dfx发布了第一款产品Voodoo。配备此功能的显卡很快就流行起来。3D 对于当时的 PC 来说是一个相当新的概念。
　　3D 在工作站上流行已经有一段时间了（Silicon Graphics 在 1985 年发布了“Iris 2400”），但在此之前，众所周知 3D 仅适用于 PC。不过，微软在 1996 年随 DirectX 3 提供了第一个 3D 绘图 API Direct 3D，1996 年 3Dfx 提供了 Voodoo 和专用 API Glide。起初，Direct 3D 并不是很流行（嗯，在当时的水平上，这是可以理解的），很多游戏终都跳上了 Glide。
　　随后，3Dfx发布了Vodoo 2。它变得非常流行，因为它可以通过使用 SLI（扫描线交错）操作两张 Voodoo 2 卡来显着提高性能。然而，3Dfx（近将公司名称更改为 3dfx）在随后的Voodoo 3中遭遇了战略变化，导致该公司被其 OEM 合作伙伴彻底拒绝，并且由于Voodoo 3、4、5的延迟推出，其市场份额迅速下降。
　　另一方面，DirectX 3 在很多方面都有所欠缺，但随着 1997 年发布的 DirectX 5 和 1998 年发布的 DirectX 6，3D 功能得到了显着增强，许多供应商现在都在使用与 DirectX 兼容的硬件和软件版本。
　　除了新兴的 NVIDIA 和历史悠久的 ATI 之外，还有多家厂商进入该市场，包括 Imagination Technology、Rendition 和 Number Nine。英特尔也将在此时与C&T和Real3D合作推出“Intel 740”。当然，S3和Matrox也推出了产品，低价产品市场占有一定份额的Cirrus Logic也推出了产品。
　　然而，支持Direct 3D似乎比预想的更困难，大多数制造商都无法在这里展示足够的3D性能。幸存下来并进入下一代的公司是 ATI、NVIDIA、S3 和 Matrox。我认为 Imagination 取得了不错的进展，但 Kryo 3 在改变业务并转向为移动设备提供 GPU IP 后却成为了一个幻影，有点遗憾。
　　硬件传输的3D时代（2000-2001）
　　1999 年 7 月，微软发布 DirectX 7。这里新安装的是硬件T&L（Transform & Lighting）功能。简而言之，顶点计算和光照计算都是在GPU端进行的。
　　NVIDIA 是第一个实现这一点的公司，于 1999 年发布了 GeForce 256，它是 RIVA TNT 和硬件 T&L 引擎的组合。该产品相比RIVA TNT提升了绘图性能，并且还配备了硬件T&L，使其成为非常受欢迎的产品。
　　虽然ATI的开发有点晚，但还是推出了基于Tseng Labs的ET6300的“RADEON”。从此，与NVIDIA合作的漫长的性能大战历史开始了。
　　S3实际上未能实现硬件T&L，被迫几乎退出GPU业务，导致其图形业务被VIA Technologies收购。Matrox通过发布Parhelia 512来挽回面子，但其发布被推迟到了2002年，而与此同时，NVIDIA和ATI发布了更先进的产品，无论是在功能上还是在性能上都无法再与之竞争。质量（和价格）。
　　毕竟从此时开始，市面上的显卡大部分都是由NVIDIA和ATI主导，并且这种情况一直延续到了今天。尽管S3在威盛旗下做了一些出色的工作，但该公司终将业务重点转向芯片组集成GPU，并于2011年出售给威盛集团子公司HTC时结束了其业务。
　　可编程着色器的 DirectX 8 时代 (2001-2003)
　　随着 2001 年 DirectX 8 的出现，GPU 进入了一个新时代。这是一种称为“着色器”的新处理器的引入。
　　在DirectX 7之前，绘图引擎和T&L函数都是固定函数，游戏程序员无法修改它们。DirectX 8改为着色器，允许程序员自己改变处理内容。
　　ATI的“RADEON 8000”系列和NVIDIA的“GeForce3”和“GeForce4”系列对应DirectX 8。GeForce 4系列有高性能Ti和低价MX两种，我记得MX系列由于价格低廉而被广泛使用，但MX系列不兼容DirectX 8。
　　在 DirectX 8 中，着色器分为两种类型：执行顶点计算的顶点着色器和执行绘图的像素着色器，根据应用程序的不同，可能存在顶点着色器性能不足或性能下降的情况。像素着色器不足会有这种情况（尽管实际上，像素着色器更有可能出现性能不佳的情况）。
　　DirectX 9时代（2003-2007）Shader Model进化到2.0和3.0
　　微软在2002年宣布了一个新模型“Shader Model 2.0”。它现在已经能够运行更长的着色器程序，并通过更多类型的指令进行了增强。
　　NVIDIA的“GeForce FX”系列兼容DirectX 9，第一款产品“GeForce FX 5800”（根据一种理论，是由被NVIDIA收购的前3dfx设计团队设计的，但真相未知） ，而且风扇声音太大，以至于NVIDIA自嘲地形容它是吹风机（实际上它产生的热量太大，不得不配备这么吵的风扇），所以自然不受欢迎了。
　　在此之前发布的“RADEON 9700”系列更安静，性能也相同。但是NVIDIA在六个月后开始实施更合理的散热设计（大约从这个时候，ATI和NVIDIA都开始提倡风扇的安静性。原因之所以会发生这种情况，可能是因为 GeForce FX 5800 太令人痛苦了。
　　2004年，GeForce FX的内部结构被完全抛弃，取而代之的是类似ATI的结构，并且它还兼容Shader Model 3.0，它融合了32位算术精度、条件循环/分支、几何实例化、动态流控制等推出“GeForce 6”系列。
　　此后，两家公司将继续致力于提高速度和性能，同时缩小流程，但同时会对界面进行更改。简而言之，它是从AGP到PCI Express的更新。不过，随着当时的150-130nm工艺，PCI Express接口已经变得相当大。
　　NVIDIA现在已经发布了一款在基于AGP的芯片上带有AGP/PCI Express桥接器的产品，虽然ATI批评它“不是原生的” ，但ATI也在一些SKU的基于AGP的芯片上添加了AGP/PCI Express桥接器人们发现有些产品将 Express Bridge 集成在一个软件包中，因此它是两者兼而有之。终，通过将小型化推进到 110 纳米左右的工艺，两家公司将能够原生支持 PCI Express。
　　顺便说一句，在此期间，威盛旗下的S3也在改进其核心，或者更确切地说是创建一个新的核心。它初于 2002 年开发，代号 AlphaChrome，但由于兼容 DirectX 8/AGP 而没有商业化。2003年发布的“ DeltaChrome S8 ”与基于AlphaChrome的DirectX 9兼容，而2005年发布的“ DeltaChrome S18 ”则与PCI Express兼容。
　　DirectX 9代方面，从SiS图形部门分离出来的XGI于2003年发布了Volari，这是SiS一直在开发的Xaber核心。另外，XGI在成立时收购了Trident Microsystems，并将该公司开发的XP8核心添加到其产品阵容中，但该XP系列具有“着色器”配置，因此它具有相同的性能，而电路尺寸却只有一半。尽管该公司声称能够提供高性能，但实际投入运营时，效果只有一半，到2006年底，该公司几乎消失了，无法占领任何市场份额。
　　2006年，NVIDIA和ATI都将其产品过渡到90-80nm工艺。此外，着色器的数量将会增加，并且将会发布更高工作频率的产品。还有，虽然与GPU架构没有直接关系，但ATI在2006年7月被AMD收购，从此成为AMD的GPU。
　　这次收购在收购后几乎没有什么协同效应，但 ATI 无疑支持了该公司，从 2011 年 AMD 推出带有 Bulldozer 核心的 AMD FX 失去了 CPU 市场，到 2017 年凭借 Zen 核心复活了。事后看来，这次收购的用处与原来的 GPU 不同。
　　DirectX 第 10 代（2007-2009），成为统一着色器
　　如前所述，很难确定应组合的顶点着色器和像素着色器的比例。2007 年的 DirectX 10 引入了统一着色器结构，将两者统一起来。程序员现在可以根据自己的喜好将可用的着色器分配给顶点计算和视频处理。
　　然而，关于 DirectX 10，NVIDIA 和 ATI 的意见并不一致。NVIDIA在2006年的GeForce 8000系列上就支持了DirectX 10，但推迟了对DirectX 10.1的支持，直到2009年的“GeForce 200M”系列，并且只有部分型号支持（GeForce GTS/GTX 200系列），仍然兼容DirectX 10 ）。
　　另一方面，ATI在2007年使DirectX 10与“Radeon HD 2000”系列兼容，并在2008年使DirectX 10.1与次年发布的“Radeon HD 3000”系列兼容。本文详细介绍了与此相关的情况，但由于缺乏同步，应用程序在支持 DirectX 10（特别是 10.1）方面确实没有取得太大进展。
　　然而，DirectX 10 的主要变化是对 WDDM（Windows 显示驱动程序模型）的支持和几何着色器的实现，这增加了编程自由度，但并没有提高性能。
　　另外，由于兼容操作系统是臭名昭著的Windows Vista或更高版本，用户的迁移速度很慢，因此DirectX 9兼容应用程序继续占据主导地位，因此这可能不是问题。制造工艺已向小型化发展至65nm/55nm，趋势是进一步提高性能。
　　顺便说一下，这代DirectX 10代也是显卡TDP超过150W的产品出现的时代。对于 PCI Express，供电初设置为 150W，卡边缘为 75W，辅助电源连接器（6 针）为 75W，但这将超过此值。为此，PCI-SIG决定在2008年增加“PCI Express 225W/300W高功率CEM”。
　　另外，NVIDIA将结合 DirectX 10 推出CUDA 。初，在GeForce FX一代中，CineFX引入了使用GPU进行视频处理的机制，但由于GeForce FX本身的故障而变得模糊，因此引入了类似GPGPU的扩展“Cg”，该扩展可以用于更多用途。一般方式。
　　AMD突破DirectX第11代（2009-2014）
　　微软将于 2009 年发布 DirectX 11。这个 DirectX 11 可以说是传统 3D 管线结构的巅峰版本，从某种意义上说，它也是当前版本，仍然有相当多的应用程序与 DirectX 11 兼容（好吧，如果你这么说吧，DirectX 9 也是如此）。
　　针对此，AMD发布了Radeon HD 5000系列，NVIDIA发布了GeForce 400系列，但是这款GeForce 400的首款产品GeForce GTX 480却因为过于激进而无法正常生产而引起了很大争议。我决定这么做。故事也讲到这里，但是当电路规模变大，为了节省双过孔的面积，将尺寸缩小到极，过孔失效的情况频发，生产出大量无法发挥功能的芯片。
　　AMD的Radeon HD 5870，同样采用台积电的40nm，没有这样的问题，所以这纯粹是NVIDIA的设计问题，重新设计的GeForce GTX 580解决了这个问题，但结果是产品的推出被不必要地推迟了大约半年。
　　然而，到了这一代的后半段，人们越来越清楚地看到，即使GPU性能提升，DirectX渲染管线的结构也成为瓶颈，性能无法提升。
　　作为对策，AMD 提供了自己的 API，称为“Mantle”。它自 2013 年推出以来，已有多款游戏开始使用它。Kronos Group 还将在 2016 年发布与 Mantle 类似（但不兼容）的 Vulkan API，但在此之前，微软将在 2014 年发布与 Mantle 类似但开销较小的 DirectX 12。Mantle 终被 DirectX 12 取代。
　　这个DirectX 11时代持续了大约5年，NVIDIA有3代：“GeForce 400/500”→“GeForce 600”→“GeForce 700”，而AMD有“Radeon HD 5000”→“Radeon HD 6000”→虽然有四代推出的产品中，从“Radeon HD 7000”到“Radeon RX 200”，工艺仅从40nm转向28nm，而架构方面，NVIDIA从Fermi到Kepler再到Maxwell，AMD也只有3代。：TeraScale2 → TeraScale3 → GCN。
　　此外，为了扩大产品线，他们还混合了上一代产品的重新编号，值得注意的是，无论是高端产品还是中端产品，两家公司都没有显着提高中端产品的性能。这可能就是为什么在后面出现的图表中，2014年左右变化非常大的原因（尤其是下半部分与2010年左右差别不大）。
　　DirectX 第 12 代仍在使用（2014-2020）
　　随着DirectX 12的推出，两家公司都会推出与其兼容的新产品（NVIDIA的“GeForce 900”系列，AMD的“Radeon RX 200”系列），但虽然GPU架构发生了变化，但工艺仍然是28nm一代。初，性能没有太大差异。
　　然而，2016 年，工艺转向 14-16nm 一代。这显着提高了性能。然而，当然，竞争对手也以同样的方式迁移了流程，因此在这里很难看到性能差异。至此，AMD和NVIDIA的策略明显分开。
　　NVIDIA以高端性能为目标，将Die做得尽可能大，因此针对消费市场推出了Die超过600平方毫米的产品。通过将GV100重新用于服务器而配备了815平方毫米的怪物骰子的“TITAN V”可能是一个例外。
　　另一方面，AMD采取了将尺寸控制在500平方毫米以下的策略，不包括“Radeon R9 Fury/Nano”，它可以称为配备HBM的实验产品，其尺寸巨大，达到596平方毫米。当然，这对于高端市场来说有些不尽如人意，但高端市场虽然可以获得较高的产品价格，但却很难批量生产。如果是这样，策略就是以低于该分数的成绩为目标。由于这是挖矿和一代AI的热潮，如果不是高端显卡首先热销本来是正确的，但结果却成为AMD GPU销量下滑的一个因素毫无疑问，确实如此。
　　顺便说一句，AMD从2019年开始将制造工艺转移到7nm一代，但NVIDIA已经转移到2020年，并且工艺仅限于GeForce RTX系列，因此GeForce GTX系列将使用12nm工艺直到。
　　迈向光线追踪时代（2018~）
　　一个大趋势是光线追踪的加入。这项技术于 2018 年 10 月宣布为 DXR（DirectX Ray Tracing），由微软和 NVIDIA 联合开发。
　　另一方面，AMD则推迟到2020年推出Radeon RX 6000系列。这种延迟仍然存在，AMD 在 DXR 性能方面仍然远远落后于 NVIDIA。
　　虽然与 DXR 没有直接关系，但 NVIDIA 除了 DXR 相关的东西外，还配备了 GPU 内部用于 AI 处理的 Tensor 核心，并且在 2018 年，NVIDIA 推出了一种使用“DLSS”执行基于 AI 的超分辨率的方法（。深度学习超级采样）”。AMD 还将在 2021 年将其命名为“FSR（FidelityFX 超级分辨率）”，尽管会晚一些。
　　此外，2018 年加入英特尔的 Raja Koduri 开发的基于 Intel Arc 的 GPU 现在可以使用名为“XeSS（Xe Super Sampling）”的超分辨率技术，该技术也使用了 AI。然而这三者却有着完全不同的实施政策：
　　DLSS：基于人工智能。仅适用于 NVIDIA Tensor Core
　　FSR：基于算法。该代码以开源格式发布，并且与任何设备兼容，因此可以与 NVIDIA 或 Intel GPU 一起使用。Arm 近成为热门话题，因为它基于此 FSR 代码向其 GPU提供了名为 ASR（精度超分辨率）的超级采样功能。
　　XeSS：虽然基于AI且代码未公开，但它是使用DirectX 12支持的Shader Model 6.4功能实现的，因此它不仅适用于Intel Arc，也适用于Radeon RX 6000及更高版本。
　　一种有些令人困惑的情况仍然存在。
　　回到芯片，我们终于进入了5nm一代。这里引人注目的是AMD，它是第一个使用chiplet配置的消费级GPU（NVIDIA继续采用单片配置）。
　　那么，30 年来 GPU 的速度到底有多快呢？
　　因此，我简要总结了 PC 图形的趋势。我确信还有很多缺失的故事，但如果我把它们全部捡起来，它终会成为一本针叶林小说，所以请耐心等待。因此，我尝试收集一些有关配备3D功能的图形芯片/GPU的统计数据。
　　首先，如何衡量GPU性能，游戏的帧率才是终的应用性能，它包含了GPU以外的很多因素。首先，不可能用这个作为指标，因为没有任何游戏可以在早期的“3D Rage”和当前的“GeForce RTX 4090”上运行并测量帧速率。因此，我决定使用可以与单独GPU进行比较的元素来计算它。
　　图1是“像素填充率”的比较。这表明生成图像的速度有多快，是 GPU 的基本性能特征之一。我认为 NVIDIA 的像素填充率往往略高，但大致相同。使用 NVIDIA 趋势曲线的值，在过去 30 年中性能提高了约 2,100 倍。换句话说，这是每年约29%的增幅。
　　增长率出乎意料的低，可能是由于内存带宽的影响。所以图2是内存带宽的比较。这个数字甚至更低，NVIDIA 30 年来的增长率为 717 倍，而 AMD 仅为 240 倍。按年计算，NVIDIA 的年增长率仅为 24.5%，AMD 的年增长率仅为 20.1%，这被认为是阻碍他们发展的因素。因此，像素填充率和内存带宽增长之间的差距是通过缓存和架构（内存带宽压缩技术等）来补偿的。
　　是“纹理填充率”的比较，它是纹理粘贴速度的指标。它不是 2D，但在 3D 中却很重要。NVIDIA 和 AMD 的近似值大致相同，在 30 年内大约增长了 6,400 倍。换句话说，它正以每年约34%的速度增长。之所以比Pixel Fill Rate略高，可能是因为很多情况下会在一个多边形上粘贴多个纹理。
　　FP32的计算性能比较。与 GPU 相比，它具有更多的 GPGPU 元素，但它是在忽略内存带宽限制并仅运行 GPU 的情况下可以获得多少性能的比较。这里，AMD的增长率高于NVIDIA，NVIDIA在30年间增长了514,000倍，AMD增长了1,539,000倍。年增长率分别为 55% 和 60.7%。
　　NVIDIA的增长之所以低一些，是因为它使用了相当数量的晶体管用于Tensor核心等。如果考虑到这个Tensor核心，我认为数字可能会增长得更快，但另一方面，它着色器的计算性能似乎很慢（由于 Tensor 核心消耗了晶体管）。我认为就 GPU 性能而言，图 4 可能是接近实际情况的。
　　50年间CPU性能提升了7000万倍，即每年约44.5%，这意味着GPU性能提升速度超过了CPU。虽然与CPU相比，由于并行度高，性能更容易提升，但很难说未来性能提升的空间有多大，感觉事情要变得更艰难了。
　　，虽然与性能没有直接关系，但图 5 显示了晶体管数量的比较。NVIDIA的增长也稍快一些，30年增长了19200倍，AMD约为6400倍。年增长率分别为38.9%和33.9%。
　　提高 GPU 性能的障碍是功耗和芯片尺寸。特别是，裸片尺寸具有严格的掩模版限制，虽然在结构上将着色器和其他部分制成chiplet相对容易，但将着色器部分分离成多个chiplet是困难的。如果类似 NUMA 的架构能够应用于 GPU，我们将能够克服这个问题。顺便说一句，这对于 GPGPU 来说是可以实现的，并且 Chiplet 已经投入实际使用，但是对于 GPU 来说却很难做到。