显卡发展史

 

1.CGA显卡

  民用显卡的起源可以追溯到上个世纪的八十年代了。在1981年, IBM推出了个人电脑时，它提供了两种显卡，一种是"单色显卡(简称 MDA), 一种是 "彩色绘图卡" (简称 CGA), 从名字上就可以看出，MDA是与单色显示器配合使用的, 它可以显示80行x25列的文数字, CGA则可以用在RGB的显示屏上, 它可以绘制的图形和文数字资料。在当时来讲，计算机的用途主要是文字数据处理，虽然MDA分辨率为宽752点, 高504点，不足以满足多大的显示要求，不过对于文字数据处理还是绰绰有馀的了。而CGA就具有彩色和图形能力，能胜任一般的显示图形数据的需要了，不过其分辨率只有640x350，自然不能与现在的彩色显示同日而语。

  2.MGA/MCGA显卡

  1982年，IBM又推出了MGA（Monochrome Graphic Adapter）, 又称Hercules Card (大力士卡), 除了能显示图形外，还保留了原来 MDA 的功能。当年不少游戏都需要这款卡才能显示动画效果。而当时风行市场的还有Genoa 公司做的EGA（Enhanced Graphics Adapter），即加强型绘图卡, 可以模拟MDA和CGA，而且可以在单色屏幕上一点一点画成的图形。EGA分辨率为640x350，可以产生16色的图形和文字。不过这些显卡都是采用数字方式的，直到MCGA（Multi-Color Graphics Array）的出现，才揭开了采用模拟方式的显卡的序幕。MCGA是整合在 PS/2 Model 25和30上的影像系统。它采用了Analog RGA影像信号, 分辨率可高达640x480, 数位RGB和类比RGB不同的地方就像是ON-OFF式切换和微调式切换之间的差别。用类比RGB讯号的显示屏, 会将每一个讯号的电压值转换成符合色彩明暗的范围。只有类比显示屏可以和MCGA一起使用，才可以提供最多的256种颜色, 另外IBM尚提供了一个类比单色显示屏, 在此显示屏上可以显示出64种明暗度。

  3.VGA接口显卡

  VGA（Video Graphic Array）即显示绘图阵列，它IBM是在其 PS/2 的Model 50, 60和80内建的影像系统。它的数字模式可以达到720x400色, 绘图模式则可以达到640x480x16色, 以及320x200x256色, 这是显卡首次可以同时最高显示256种色彩。而这些模式更成为其后所有显卡的共同标准。VGA显卡的盛行把电脑带进了2D显卡显示的辉煌时代。在以后一段时期里，许多VGA显卡设计的公司不断推陈出新, 追求更高的分辨率和位色。与此同时，IBM 推出了8514/A的Monitor显示屏规格, 主要用来支持1024x 768的分辨率。

  在2D时代向3D时代推进的过程中，有一款不能忽略的显卡就是Trident 8900/9000显卡，它第一次使显卡成为一个独立的配件出现在电脑里，而不再是集成的一块芯片。而后其推出的Trident 9685更是第一代3D显卡的代表。不过真正称得上开启3D显卡大门的却应该是GLINT 300SX，虽然其3D功能极其简单，但却具有里程碑的意义。

  4. 3D AGP接口显卡时代

  3DFX的光荣

  时间推移到1995年，对于显卡来说，绝对是里程碑的一年，3D图形加速卡正式走入玩家的视野。那个时候游戏刚刚步入3D时代，大量的3D游戏的出现，也迫使显卡发展到真正的3D加速卡。而这一年也成就了一家公司，不用说大家也知道，没错，就是3Dfx。 1995年，3Dfx还是一家小公司，不过作为一家老资格的3D技术公司，他推出了业界的第一块真正意义的3D图形加速卡：Voodoo。在当时最为流行的游戏摩托英豪里，Voodoo在速度以及色彩方面的表现都让喜欢游戏的用户为之疯狂，不少游戏狂热份子都有过拿一千多块大洋到电脑城买上一块杂牌的Voodoo显卡的经历。3Dfx的专利技术Glide引擎接口一度称霸了整个3D世界，直至D3D和OpenGL的出现才改变了这种局面。Voodoo标配为4Mb显存，能够提供在640×480分辨率下3D显示速度和最华丽的画面，当然，Voodoo也有硬伤，它只是一块具有3D加速功能的子卡，使用时需搭配一块具有2D功能的显卡，相信不少老 EDO资格的玩家都还记得S3 765+Voodoo这个为人津津乐道的黄金组合。讲到S3 765，就不得不提到昔日王者S3显卡了。

  S3 765显卡是当时兼容机的标准配置，最高支持2MB EDO显存，能够实现高分辨率显示，这在当时属于高端显卡的功效，这一芯片真正将SVGA发扬光大。能够支持1024×768的分辨率，并且在低分辨率下支持最高32Bit真彩色，而且性价比也较强。因此，S3 765实际上为S3显卡带来了第一次的辉煌。

  而后在96年又推出了S3 Virge，它是一块融合了3D加速的显卡，支援 DirectX，并包含的许多先进的3D加速功能，如Z-buffering、Doubling buffering、Shading、Atmospheric effect、Lighting，实际成为3D显卡的开路先锋，成就了S3显卡的第二次辉煌，可惜后来在3Dfx的追赶下，S3的Virge系列没有再继辉煌，被市场最终抛弃。

  此后，为了修复Voodoo没有2D显示这个硬伤，3Dfx继而推出了VoodooRush，在其中加入了Z-Buffer技术，可惜相对于Voodoo，VoodooRush的3D性能却没有任何提升，更可怕的是带来不少兼容性的问题，而且价格居高不下的因素也制约了VoodooRush显卡的推广。

  当然，当时的3D图形加速卡市场也不是3Dfx一手遮天，高高在上的价格给其他厂商留下了不少生存空间，像勘称当时性价比之王的Trident 9750/9850，以及提供提供了Mpeg-II硬件解码技术的SIS6326，还有在显卡发展史上第一次出场的nVidia推出的Riva128/128zx，都得到不少玩家的宠爱，这也促进了显卡技术的发展和市场的成熟。 1997年是3D显卡初露头脚的一年，而1998年则是3D显卡如雨后春笋激烈竞争的一年。九八年的3D游戏市场风起去涌，大量更加精美的3D游戏集体上市，从而让用户和厂商都期待出现更快更强的显卡。

  在Voodoo带来的巨大荣誉和耀眼的光环下，3Dfx以高屋建瓶之势推出了又一划时代的产品：Voodoo2。Voodoo2自带8Mb/12Mb EDO显存，PCI接口，卡上有双芯片，可以做到单周期多纹理运算。当然Voodoo2也有缺点，它的卡身很长，并且芯片发热量非常大，也成为一个烦恼，而且Voodoo2依然作为一块3D加速子卡，需要一块2D显卡的支持。但是不可否认，Voodoo2的推出已经使得3D加速又到达了一个新的里程碑，凭借Voodoo2的效果、画面和速度，征服了不少当时盛行一时的3D游戏，比如Fifa98，NBA98，Quake2等等。也许不少用户还不知道，今年最为流行的SLI技术也是当时Voodoo2的一个新技术，Voodoo2第一次支持双显卡技术，让两块Voodoo2并联协同工作获得双倍的性能。

  98年虽然是Voodoo2大放异彩的一年，但其他厂商也有一些经典之作。Matrox MGA G200在继承了自己超一流的2D水准以外，3D方面有了革命性的提高，不但可以提供和Voodoo2差不多的处理速度和特技效果，另外还支持DVD硬解码和视频输出，并且独一无二的首创了128位独立双重总线技术，大大提高了性能，配合当时相当走红的AGP总线技术，G200也赢得了不少用户的喜爱。

  Intel的I740是搭配Intel当时的440BX芯片组推出的，它支持的AGP 2X技术，标配8Mb显存，可惜I740的性能并不好，2D性能只能和S3 Virge看齐，而3D方面也只有Riva128的水平，不过价格方面就有明显优势，让它在低端市场站住了脚。

  Riva TNT是nVidia推出的意在阻击Voodoo2的产品，它标配16Mb的大显存，完全支持AGP技术，首次支持的32位色彩渲染、还有快于Voodoo2的D3D性能和低于Voodoo2的价格，让其成为不少玩家的新宠。而一直在苹果世界闯荡的ATI也出品了一款名为Rage Pro的显卡，速度比Voodoo稍快。

  而98年的一个悲剧英雄是来自王者S3的野人系列Savage系列显卡，Savage3D采用128位总线结构及单周期三线性多重贴图技术，最大像素填充率达到了125M Pixels/s，三角形生成速率也达到了每秒500万个。通过S3新设计的AGP引擎和S3TC纹理压缩技术，支持Direct3D与OpenGL，最大显存容量可达8MB SGRAM或SDRAM，支持AGP 4×规范。同时也支持当时流行的如反射和散射、Alpha混合、多重纹理、衬底纹理、边缘抗锯齿、16/24位Z-buffering、Tri-linear Filtering（三线性过滤技术）、S3TC纹理压缩技术等技术。可惜就是受到驱动程序不兼容的严重影响，最终在99年时惨淡收场。

  2000年8月，Intel推出AGP3.0规范，工作电压降到0.8V,并增加了8X模式，这样它的数据传输带宽达到了2133MB/sec，数据传输能力相对于AGP 4X成倍增长，能较好的满足当前显示设备的带宽需求。其发展已经经历了AGP 1×，AGP 2×，AGP 4×，AGP 8×几个阶段。关于AGP，是当前已经淘汰的图形系统接口。

  5.PCI Express显卡接口

  2001年春季的IDF上Intel正式公布PCI Express，是取代PCI总线的第三代I/O技术，也称为3GIO。该总线的规范由Intel支持的AWG（Arapahoe Working Group）负责制定。2002 年4月17日，AWG正式宣布3GIO 1.0规范草稿制定完毕，并移交PCI-SIG进行审核。开始的时候大家都以为它会被命名为Serial PCI（受到串行ATA的影响），但最后却被正式命名为PCI Express。2006年正式推出Spec2.0（2.0规范）。

  PCI Express总线技术的演进过程，实际上是计算系统I/O接口速率演进的过程。PCI总线是一种33MHz@32bit或者66MHz@64bit的并行总线，总线带宽为133MB/s到最大533MB/s，连接在PCI总线上的所有设备共享133MB/s～533MB/s带宽。这种总线用来应付声卡、10/100M网卡以及USB 1.1等接口基本不成问题。随着计算机和通信技术的进一步发展，新一代的I/O接口大量涌现，比如千兆（GE）、万兆（10GE）的以太网技术、4G/8G的FC技术，使得PCI总线的带宽已经无力应付计算系统内部大量高带宽并行读写的要求，PCI总线也成为系统性能提升的瓶颈，于是就出现了PCI Express总线。PCI Express总线技术在当今新一代的存储系统已经普遍的应用。PCI Express总线能够提供极高的带宽，来满足系统的需求。

  目前，PCI-E 3.0规范也已经确定，其编码数据速率，比同等情况下的PCI-E 2.0规范提高了一倍，X32端口的双向速率高达320Gbps。

  PCI Express总线的技术优势

  PCI总线的最大优点是总线结构简单、成本低、设计简单，但是缺点也比较明显：

  1) 并行总线无法连接太多设备，总线扩展性比较差，线间干扰将导致系统无法正常工作；

  2) 当连接多个设备时，总线有效带宽将大幅降低，传输速率变慢；

  3) 为了降低成本和尽可能减少相互间的干扰，需要减少总线带宽，或者地址总线和数据总线采用复用方式设计，这样降低了带宽利用率。 PCI Express总线是为将来的计算机和通讯平台定义的一种高性能，通用I/O互连总线。

  与PCI总线相比，PCI Express总线主要有下面的技术优势：

  1) 是串行总线，进行点对点传输，每个传输通道独享带宽。

  2) PCI Express总线支持双向传输模式和数据分通道传输模式。其中数据分通道传输模式即PCI Express总线的x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32多通道连接，x1单向传输带宽即可达到250MB/s，双向传输带宽更能够达到500MB/s，这个已经不是普通PCI总线所能够相比的了。

  3) PCI Express总线充分利用先进的点到点互连、基于交换的技术、基于包的协议来实现新的总线性能和特征。电源管理、服务质量（QoS）、热插拔支持、数据完整性、错误处理机制等也是PCI Express总线所支持的高级特征。

  4) 与PCI总线良好的继承性，可以保持软件的继承和可靠性。PCI Express总线关键的PCI特征，比如应用模型、存储结构、软件接口等与传统PCI总线保持一致，但是并行的PCI总线被一种具有高度扩展性的、完全串行的总线所替代。

  5) PCI Express总线充分利用先进的点到点互连，降低了系统硬件平台设计的复杂性和难度，从而大大降低了系统的开发制造设计成本，极大地提高系统的性价比和健壮性。从下面表格可以看出，系统总线带宽提高同时，减少了硬件PIN的数量，硬件的成本直接下降。

  至2008年，PCI-E接口仍然在显卡中使用。

  NVIDIA的崛起

  1999年，世纪末的显卡市场出现了百花齐开的局面，而且这一年也让市场摆脱了3Dfx的一家独霸局面，由于战略的失误，让3Dfx失去了市场，它推出了Voodoo3，配备了16Mb显存，支持16色渲染。虽然在画质上无可挑剔，但是高昂的价格以及与市场格格不入的标准让它难掩颓势。世纪末的这一年，显卡的辉煌留给了nVidia。

  在99年，nVidia挟TNT之馀威推出TNT2 Ultra、TNT2和TNT2 M64三个版本的芯片，后来又有PRO和VANTA两个版本。这种分类方式也促使后来各个生产厂家对同一芯片进行高中低端的划分，以满足不同层次的消费需要。TNT系列配备了8Mb到32Mb的显存，支持AGP2X/4X，支持32位渲染等等众多技术，虽然16位色下画面大大逊色于Voodoo3，但是在32位色下，表现却可圈可点，还有在16位色下，TNT2的性能已经略微超过Voodoo3了，不过客观的说，在32位色下，TNT系列显卡性能损失相当多，速度上跟不上Voodoo3了。当然，nVidia能战胜Voodoo3，与3Dfx公司推行的策略迫使许多厂商投奔nVidia也不无关系，促进了TNT系列的推广。显卡市场上出现了nVidia与3Dfx两家争霸的局面。

  99年的显卡市场不可遗忘的还有来自Matrox MGA G400，它拥有16Mb/32Mb的显存容量，支持AGP 2X/4X，还有支持大纹理以及32位渲染等等，都是当时业界非常流行和肯定的技术，除此之外，独特、漂亮的EMBM硬件凹凸贴图技术，营造出的完美凹凸感并能实现动态光影效果的技术确实让无数游戏玩家为了疯狂，在3D方面，其速度和画面基本都是介于Voodoo3和TNT2之间，并且G400拥有优秀的DVD回放能力，不过由于价格以及它注重于OEM和专业市场，因此，在民用显卡市场所占的比例并不大！

  从99年到2000年，nVidia终于爆发了。它在99年末推出了一款革命性的显卡---Geforce 256，彻底打败了3Dfx。代号NV10的GeForce 256支持Cube-Environment Mapping，完全的硬件T&L（Transform & Lighting），把原来有CPU计算的数据直接交给显示芯片处理，大大解放了CPU，也提高了芯片的使用效率。GeForce256拥有4条图形纹理信道，单周期每条信道处理两个象素纹理，工作频率120MHz，全速可以达到480Mpixels/Sec，支持SDRAM和DDR RAM，使用DDR的产品能更好的发挥GeForce256的性能。其不足之处就在于采用了0.22微米的工艺技术，发热量比较高。

  2000年，nVidia开发出了第五代的3D图形加速卡---Geforce 2，采用了0.18微米的工艺技术，不仅大大降低了发热量，而且使得GeForce2的工作频率可以提高到200MHz。Geforce 2拥有四条图形纹理信道，单周期每条信道处理两个象素纹理，并且使用DDR RAM解决显存带宽不足的问题。在Geforce 256的基础上，GeForce2还拥有的NSR（NVIDIA Shading Rasterizer），支持Per－Pixel Shading技术，同时支持S3TC、FSAA、Dot-3 Bump Mapping以及硬件MPEG-2动态补偿功能，完全支持微软的DirectX 7。而面对不同的市场分级，它相继推出了低端的GF2 MX系列以及面向高端市场的GF2 Pro和GF GTS，全线的产品线让nVidia当之无愧地成为显卡的霸主。

  3Dfx在被nVidia收购之前还推出了Voodoo4/5,VooDoo4 4500使用一颗VSA－100芯片，VooDoo5 5500使用两颗VSA－100芯片，而VooDoo5 6000使用四颗VSA－100芯片，可惜由于各方面的原因，Voodoo4/5并不能让没落的3Dfx有一丝丝起色，最终难逃被nVidia收购的命运。

  而现在作为nVidia主要竞争对手的ATI，也在两千年凭借T&L技术打开市场。在经历“曙光女神”的失败后，ATI也推出了自己的T&L芯片RADEON 256，RADEON也和NVIDIA一样具有高低端的版本，完全硬件T&L，Dot3和环境映射凹凸贴图，还有两条纹理流水线，可以同时处理三种纹理。但最出彩的是HYPER-Z技术，大大提高了RADEON显卡的3D速度，拉近了与GEFORCE 2系列的距离，ATI的显卡也开始在市场占据主导地位。

  两千年的低端市场还有来自Trident的这款Blade T64，Blade XP核心属于Trident第一款256位的绘图处理器，采用0.18微米的制造工艺，核心时钟频率为200 MHz，像素填充率达到1.6G，与Geforce2GTS处于同一等级，支持Direct X7.0等等。可惜由于驱动程序以及性能等方面的原因，得不到用户的支持。

  NV/ATI上演铁面双雄

  踏入2001年以后，如同桌面处理器市场的Intel和AMD一样，显卡市场演变为nVidia与ATI两雄争霸的局势。nVidia方面，凭借刚刚推出的Geforce 3系列占据了不少市场，Geforce 3 Ti 500，Geforce 2 Ti和Geforce 3Ti，Geforce MX分别定位于高中低三线市场。与GeForce 2系列显卡相比，GeForce 3显卡最主要的改进之处就是增加了可编程T&L功能，能够对几乎所有的画面效果提供硬件支持。GeForce 3总共具有4条像素管道，填充速率最高可以达到每秒钟800 Mpixels。Geforce 3系列还拥有nfiniteFX顶点处理器、nfiniteFX像素处理器以及Quincunx抗锯齿系统等技术。

  而作为与之相抗衡的ATI Radeon 8500/7500系列，采用0.15微米工艺制造，包括6000万个晶体管，采用了不少新技术(如Truform、Smartshader等)。并根据显卡的核心/显存工作频率分成不同的档次——核心/显存分别为275/550MHz的标准版，核心/显存为250/500MHz的RADEON 8500LE，生产核心/显存频率分别为300/600MHz的Ultra版，以及中端的Radeon 7500，低端的Radeon 7200，7000等产品。值得一提的是Radeon 8500还支持双头显示技术。

  2002年，nVidia与ATI的竞争更加白热化。为巩固其图形芯片市场霸主地位，nVidia推出了Geforce 4系列，分别为GeForce4 Ti4800，GeForce4 Ti 4600, GeForce4 Ti4400, GeForce4 Ti4200，GeForce4 MX 460, GeForce4 MX 440 和 GeForce4 MX 420。GeForce4 Ti系列无疑是最具性价比的，其代号是NV25，它主要针对当时的高端图形市场，是DirectX 8时代下最强劲的GPU图形处理器。芯片内部包含的晶体管数量高达6千3百万，使用0.15微米工艺生产，采用了新的PBGA封装，运行频率达到了300MHz，配合频率为650MHz DDR显存，可以实现每秒49亿次的采样。GeForce4 Ti核心内建4条渲染流水线，每条流水线包含2个TMU（材质贴图单元）。Geforce 4系列从高到低，横扫了整个显卡市场。

  作为反击，ATI出品了R9700/9000/9500系列，首次支持DirectX 9，使其在与NVidia的竞争中抢得先机。而R9700更是在速度与性能方面首次超越NVidia。R9700支持AGP 8X、DirectX 9，核心频率是300MHz，显存时钟是550MHz。RADEON 9700，实现了可程序化的革命性硬件架构。符合绘图回事商品AGP 8X最新标准，配有8个平等处理的彩绘管线，每秒可处理25亿个像素，4个并列的几何处理引擎更能处理每秒3亿个形迹及光效多边形。而R9000是面向低端的产品，R9500则直挑Ti4200。

  同年，SiS发布了Xabre系列。它是第一款AGP 8×显卡，全面支持DirectX 8.1，在发布之时是相当抢眼的。Xabre系列图形芯片采用0.15微米工艺，具备4条像素渲染流水线，并且每条流水线拥有两个贴图单元。理论上可提供高达1200M Pixels/s的像素填充率和2400M Texels/s的材质填充率。随后发布的Xabre600，采用0.13微米工艺，主频和显存频率都提高了不少，性能与GeForce4 Ti4200差不多。

  2003年的显卡市场依旧为N系与A系所统治。nVidia的Gf FX 5800（NV30）系列拥有32位着色，颜色画面有质的提高，在基础上推出的GeForce FX 5900，提高了晶体管数，降低了核心频率与显存频率，改用了256B99v DDR以提高了显存带宽。后半年还推出了GF FX 5950/5700系列，以取代GF FX 5900/5600。而ATI推出了RADEON 9800/pro/SE/XT，凭借其超强的性能以及较价的售价，再次打败GF GX 5800。这一年市场上的主流产品还有GF FX5600，GF FX5200和RADEON 9600和RADEON 9200。

  2004年也是ATI大放异彩的一年，不过其最大的功臣却是来自于面向中低端的Radeon 9550。这款2004年最具性价比的显卡，让ATI在低端市场呼风唤雨。R9550基于RV350核心，采用0.13微米制程，核心频率为250MHz，显存频率为400MHz，4条渲染管道，1个纹理单元，同时兼容64bit和128bit。这款产品是9600的降频版，但是通过改造，都可以变成R9600，性价比极强。而老对手的N卡方面，却只推出了一款新品GF FX 5900XT/SE，而与R9550处于同一竞争线的5200，5500与5700LE系列，虽然性能不错，可惜价格却没有优势，被R9550彻底打败。2004年让nVidia郁闷了一整年。

  ATi从05年开始就一直被Nvidia压制，无论是1950XTX对抗7900GTX，2900XT对抗8800GTX,3870X2对抗9800GX2，在旗舰产品上，ATi一直属于劣势，但在2008年6月发生了转机，ATi发布了RV770，无论是从市场定价还是从性能上都是十分让人满意的，特别是改善了A卡在AA上的性能不足，RV770的中端4850的价格更是让Nvidia措手不及，无奈在一周内9800GTX降价1000元，但无论是性能还是价格依旧挡不住4850的攻势，4870紧接着发布，采用DDR5显存的RV770浮点运算能力更是达到了1TB/S，Nvidia发布的新核心GT200的旗舰版本GTX280虽然在性能上暂时取得了暂时的领先，但是和4870相比只有10%的性能差距，而且由于工艺较落后，导致成本过高，没有性价比，就在人们以为ATi放弃旗舰，准备走性价比路线时，ATi推出了R700，也就是4870X2，并且大幅度改良了桥接芯片的性能，领先GTX280高达50-80%，而GTX280的核心面积已经大的恐怖，不可能衍生出单卡双芯，所以ATi依靠单卡双芯重新夺得了性能之王。但是在2009年初，Nvidia凭借其新推出的GTX295，重新夺回显卡性能之王宝座。