综述：显卡25年历史变迁

 

　　现在，提到显卡，人们就会想到游戏和电影中精美的3D图形。实际上，早期的显卡不但不能处理3D图形，甚至连2D图形都无法处理，仅仅具备显示的能力。

　　时至今日，显卡不但能够处理复杂的3D图形，甚至还可以作为协处理器，运用在通用计算之中。

　　实际上，显卡只是一个概括的统称。从图形适配器到图形加速器，再到GPU，显卡的名称一变再变，其功能也在不断变化。未来，显卡将承担起更多计算任务。那时候，也许它就不能再叫做显卡了。　　

　　从显示适配器到图形加速卡

　　从显示适配器到图形加速卡的转变是显卡历史上一个重要的转折点。从那时开始，显卡开始承担计算机中的一部分计算任务，这奠定了其日后与CPU分庭抗礼的基础。

　　追根溯源，早在1962年，在麻省理工学院就出现了计算机图形学的雏形。青年博士生Ivan Sutherland在一次会议中展示了利用计算机模拟的画板程序，打开了一扇通往未来的窗户。此后，计算机图形学开始不断发展。

　　然而，进行图形处理需要计算机具备较强的并行计算能力，并对精度和运行强度有很高的要求，这对当时的计算机来说，是一项困难的任务。直到上世纪80年代末，计算机图形学一直受限于硬件，发展相对缓慢。

　　当时，显卡的作用仅仅是将CPU计算生成的图形“翻译”成显示设备可以识别的信号，实现图形的显示，并不具备计算能力，被称作图形适配器(VGA Card)。

　　上世纪80年代早期出现的Commodore Amiga创造性地将图像产生功能，包括线段绘画、区域填充、块图像传输加入显卡。它还拥有自己的一套指令集。但之后很多年，图形处理依然未被普遍加入显卡中。直到上世纪90年代初，在Windows系统的推动下，显示芯片厂商才开始在产品中加入一定的图形运算功能，以减轻CPU的负担。到了1993年，大部分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)。

　　3D图形芯片的诞生

　　到了上世纪90年代中期，传统的2D显示技术已经不能满足人们的需求了。当时，PS等游戏机上已经出现了3D游戏，并吸引了大量用户。于是，众多图形厂商纷纷推出3D显示卡，例如NVIDIA的NV1、Matrox的Mlennium、Mystique、PowerVR的PCX1以及S3的Virge3D等。从这个时候开始，为了解决3D图形处理中的难题，“渲染管线”的概念开始出现，多边形转换与光源处理等功能开始被加入到显卡中。

　　当时，每家显卡厂商都有各自不同的图形应用程序接口(API)，给3D程序开发者带来了困难。其后不久，微软的Direct3D和OpenGL等通用API开始被普遍采用，解决了这一难题。

　　GPU与GPGPU概念的提出

　　到了1999年，显卡的处理能力已经大大提升，开始成为计算机不可或缺的一部分。于是，NVIDIA在推出GeForce 256芯片时提出了GPU的概念，将显示核心与CPU并列，成为计算机内两大运算核心。

　　早期GPU具备的核心技术有硬件T&L、立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等。其后，顶点着色器和像素着色器的引入让GPU的可编程性大大提升了。

　　到了2002年，GPU的可编程性已经达到了一定水平。随之，一场革命到来的时机已经成熟。SIGGRAPH 2003大会上，许多业界泰斗开始共同探讨利用GPU进行各种通用运算的设想和实验模型，奠定了GPGPU的发展基础。其后3年，用统一的流处理器取代GPU中原有的不同着色单元的设计大大释放了GPU的计算能力，为今天的异构计算打下了基础。

　　图形领域的两位华人英雄

　　1950年，何国源在中国广东省出生。12岁的时候，他离开广东来到香港。由于家庭贫困，他在20岁的时候只身到学费和生活费都较低的台湾就读大学，这成为他人生的第一个转折点。1984年，已经在电脑领域有了丰富工作经验的何国源移居加拿大。由于创建电脑公司需要较多的资本，他与另两位香港移民Benny Lau和Lee Lau最终决定进入创业成本较低的计算机图形领域，这一决定成为ATI传奇的开始。

　　1963年，黄仁勋出生于中国台湾省。他在幼年时就跟随父母和哥哥移居美国。从小，黄仁勋就展现出了他的冒险精神，他曾经往游泳池水面上倒上汽油并点燃，再跃入表面燃着一层火焰的水中。

　　20岁的时候，黄仁勋结识了现在的妻子Lori。他对Lori承诺会在30岁的时候拥有一家自己的公司。1993年，刚好在30岁的时候，黄仁勋创建了NVIDIA，兑现了这一诺言，也迎来了人生的转折点。

　　3D图形芯片的诞生

　　到了上世纪90年代中期，传统的2D显示技术已经不能满足人们的需求了。当时，PS等游戏机上已经出现了3D游戏，并吸引了大量用户。于是，众多图形厂商纷纷推出3D显示卡，例如NVIDIA的NV1、Matrox的Mlennium、Mystique、PowerVR的PCX1以及S3的Virge3D等。从这个时候开始，为了解决3D图形处理中的难题，“渲染管线”的概念开始出现，多边形转换与光源处理等功能开始被加入到显卡中。

　　当时，每家显卡厂商都有各自不同的图形应用程序接口(API)，给3D程序开发者带来了困难。其后不久，微软的Direct3D和OpenGL等通用API开始被普遍采用，解决了这一难题。

　　GPU与GPGPU概念的提出

　　到了1999年，显卡的处理能力已经大大提升，开始成为计算机不可或缺的一部分。于是，NVIDIA在推出GeForce 256芯片时提出了GPU的概念，将显示核心与CPU并列，成为计算机内两大运算核心。

　　早期GPU具备的核心技术有硬件T&L、立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等。其后，顶点着色器和像素着色器的引入让GPU的可编程性大大提升了。

　　到了2002年，GPU的可编程性已经达到了一定水平。随之，一场革命到来的时机已经成熟。SIGGRAPH 2003大会上，许多业界泰斗开始共同探讨利用GPU进行各种通用运算的设想和实验模型，奠定了GPGPU的发展基础。其后3年，用统一的流处理器取代GPU中原有的不同着色单元的设计大大释放了GPU的计算能力，为今天的异构计算打下了基础。

　　图形领域的两位华人英雄

　　1950年，何国源在中国广东省出生。12岁的时候，他离开广东来到香港。由于家庭贫困，他在20岁的时候只身到学费和生活费都较低的台湾就读大学，这成为他人生的第一个转折点。1984年，已经在电脑领域有了丰富工作经验的何国源移居加拿大。由于创建电脑公司需要较多的资本，他与另两位香港移民Benny Lau和Lee Lau最终决定进入创业成本较低的计算机图形领域，这一决定成为ATI传奇的开始。

　　1963年，黄仁勋出生于中国台湾省。他在幼年时就跟随父母和哥哥移居美国。从小，黄仁勋就展现出了他的冒险精神，他曾经往游泳池水面上倒上汽油并点燃，再跃入表面燃着一层火焰的水中。

　　20岁的时候，黄仁勋结识了现在的妻子Lori。他对Lori承诺会在30岁的时候拥有一家自己的公司。1993年，刚好在30岁的时候，黄仁勋创建了NVIDIA，兑现了这一诺言，也迎来了人生的转折点。

　　历史上的几款经典显示卡

　　在2D时代，S3是显卡领域当之无愧的王者。S3 Virge是S3推出的第一款融合3D加速技术的显卡，也是第一款同时拥有2D和3D图形处理能力的显卡(之前3dfx推出的Voodoo不具备2D输出能力，仅能作为子卡使用)。这款显卡支持微软DirectX和Atmospheric effect、Z-buffering、Lighting、Shading等众多先进的加速功能。可惜的是，过分注重2D效果使得它的3D性能并不突出，在3D潮流下它很快被市场抛弃了。

　　1998年2月12日，英特尔发布了和Real 3D合作设计的i740图形芯片。这是迄今为止英特尔推出过的唯一一款独立显卡。i740支持2X AGP规格，核心频率80MHz，像素填充率为55MT/s，支持DVD解压、平行资讯处理、精准像素描插补等技术。i740的2D效果不太令人满意，但它的3D性能在当时还算不错。它做工精美，并且首次在民用级显卡中采用散热风扇，也取得了不错的成绩。后来，英特尔将i740改进后集成进了810芯片组。

　　3dfx在被NVIDIA收购前推出的Voodoo5 6000显卡就像一颗流星，虽然生命短暂但却光彩夺目。将其视作最后的赌注的3dfx为其采用了4颗VSA-100核心的豪华配置。这款显卡的像素填充率达到了1464MT/s，不考虑对新版本DirectX的支持的话，这款显卡的实测性能甚至与4年后的主流产品不相上下。可惜的是，它巨大的功耗和高昂的价格注定它无法挽救3dfx。值得一提的是，3dfx不仅在处理技术上领先，在理念上也非常超前。Voodoo5 6000的多核心并行的架构是NVIDIA SLI技术的前身。