圖形處理器的歷史(四)——通用GPU的到來（2006-2013）

半導體產業縱橫 2022-04-17 18:00

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第一個使用DirectX10架構的GPU是英偉達標志性的G80。

編譯來源：techspot

（在之前的文章圖形處理器的歷史（一）中主要介紹了消費級3D圖形卡的早期發展、在GPU的歷史（二）中具體介紹了3Dfx Voodoo是怎么改變游戲規則的、在圖形處理器的歷史（三）中對3Dfx的衰落與英偉達、ATI兩大巨頭的崛起做了說明，感興趣的讀者可點擊鏈接進行查看。）

在DirectX 10問世之前，沒有必要通過擴大裸片面積來增加不必要的復雜性，這增加了頂點著色器的功能，為了滿足頂點操作的要求，還將像素著色器的浮點精度從24位提高到32位。隨著DX10的到來，頂點和像素著色器很大程度上保持了通用功能，因此移動到統一的著色器拱門消除了大量不必要的重復處理塊。第一個使用這種架構的GPU是英偉達標志性的G80。

經過4年的研發和4.75億美元的投入，終于在11月8日生產出了一款擁有6.81億晶體管、484mm2的龐然大物——首次成為8800GTX旗艦產品，并于11月8日成為8800GTS 640MB。超頻GTX 8800Ultra代表了G80的巔峰，發布時間夾在兩個較小產品之間：2月推出的320MB GTS和2007年11月19日推出限量生產的GTS 640MB/112 Core。

在新的Coverage Sample抗鋸齒（CSAA）算法的幫助下，英偉達滿意地看到其高性能GTX擊敗了每一個單顯卡和雙顯卡競爭對手。盡管取得了成功，該公司在第四季度的獨立顯卡市場份額卻下降了3個百分點——而AMD憑借OEM合同的優勢獲得了增長。

MSI的GeForce 8800 GTX版本

英偉達關于G80的商業戰略的其余部分分別在2007年2月和6月成為現實。為了支持利用GPU高度并行特性的生態系統，基于C語言的CUDA平臺SDK（軟件開發工具包）以測試版形式發布。英偉達的PhysX物理引擎及其分布式計算項目、專業虛擬化和OptiX（英偉達的光線跟蹤引擎）是使用CUDA的更受關注的應用程序。

英偉達和ATI（現在的AMD）都將不斷增長的計算功能集成到圖形管道中。ATI/AMD會選擇依賴開發人員和委員會來實現OpenCL路徑，而英偉達則有更直接的CUDA和高性能計算計劃。

為此，英偉達在6月推出了Tesla系列數學協處理器，最初基于已為GeForce和Quadro FX 4600/5600提供動力的相同G80內核，并且經過長時間的開發，其中至少包括兩個主要調試練習，AMD在5月份發布了R600。

媒體大肆炒作這是AMD對8800 GTX的回應，使得該發布備受期待，但最終推出的HD 2900 XT卻令人失望。它是一款中高端顯卡，與發燒友板的功耗相結合，比任何其他當代解決方案都消耗更多的電量。

R600的失誤在ATI內部產生了深遠的影響，為了趕在最后期限內有最大限度的發布機會，促使ATI進行戰略改變。RV770 （Evergreen）以及南北群島系列的執行情況有所改善。

R600不僅是迄今為止最大的ATI/AMD GPU，面積為420mm2，還擁有多項GPU第一。這是AMD的第一款DirectX 10芯片，它也是唯一一款帶有512位內存總線的GPU，第一款帶有tessellator單元的供應商臺式芯片（由于缺乏游戲開發者和DirectX的支持，該芯片基本上沒有被使用），第一款支持HDMI集成音頻的GPU，以及第一款使用VLIW的GPU，這種架構一直沿用到現在的8000系列。這也是自Radeon 7500以來，ATI/AMD首次在價格和性能方面沒有推出頂級顯卡。

AMD將R600升級為RV670，將GPU從臺積電的80nm制程縮減為55nm節點，并將512位雙向內存環總線替換為更標準的256位。這使得R600的裸片面積減少了一半，同時封裝了幾乎相同數量的晶體管（6.66億個，而R600為7億個）。AMD還更新了DX10.1的GPU，并增加了對PCI Express 2.0的支持，所有這些都足以讓HD 2000系列與主流的GeForce 8800 GT和其他較小的顯卡競爭。

在缺乏高端GPU的情況下，AMD于2008年1月推出了兩款雙GPU顯卡，以及滿足較低預算的rv620 /635顯卡。HD 3850 X2在4月份上市，最后一張All-In-Wonder品牌顯卡HD 3650在6月份上市。雙GPU顯卡在發布時附帶經過優化的驅動程序包立即引起了評論家和消費者的注意。HD 3870 X2輕松地成為最快的單顯卡，而HD 3850 X2也沒有慢多少。與英偉達的SLI解決方案不同，AMD采用通用ASIC來支持Crossfire 卡。

Radeon HD 3870 X2將兩個GPU放在一張卡中?

繼G80的成功后，英偉達于10月29日推出了8800 GT的G92，受到科技網站的廣泛好評，這主要是由于其極具競爭力的價格。512MB顯卡的價格介于199美元到249美元之間，性能優于基于G80的8800 GTS。它基本上超過了HD 2900xt和HD 3870。HD 2900xt和HD 3870比GT晚發布三周，總體上與GTX的差距在80%以內。不出所料，這導致了幾周內8800 GTS短缺。對英偉達的新競爭者及其8600 GS/GT同款的強勁需求，幫助該公司在年底前獲得了71%的獨立市場份額。

繼GT之后，英偉達于12月11日推出了基于G92的8800 GTS 512MB。雖然GTS在性能上普遍落后于GT，但它的可取之處是使用了更好的內置GPU，在超頻時基本上可以與GTX和價格不菲的8800 Ultra相當。

GeForce 8系列還有后續，不幸的是，在某些G86, G84, G73, G72/72M圖形處理器、以及C51和MCP67圖形芯片組的BGA中使用了高鉛焊料，這與低溫度的底填充，不充分的冷卻和密集的熱/冷循環制度導致了過多的顯卡故障。

2008年年中，英偉達改用了AMD使用的日立共晶（高錫）焊料，并顯著改變了8800 GT冷卻器的單槽參考設計，增加了更多風扇葉片，并調整了護罩，以促進更高的氣流。G92也被懷疑受到底部填充不足問題的影響，盡管8800 GTS 512M的雙槽設計和非參考冷卻卡似乎沒有受到太大的影響。

英偉達公司在此次事件中收取了4.759億美元的費用，這導致英偉達筆記本電腦OEM廠商遭到了消費者的強烈反對。在這件事被公開之前，這兩家廠商已經知道這件事有一段時間了。英偉達在行業內的地位將永遠與它的歷史最低點聯系在一起。

如果說8系列是英偉達的技術勝利，那么9系列則帶來了停滯期。該系列的亮點還在于 2008年2月推出的第一款機型。9600 GT基于“新”G94，它只不過是基于相同65nm臺積電工藝制造的前一年G92的縮減版。

AMD在HD 3870和HD 3850上的降價，以及英偉達8800 GS和GT的降價，使得9系的其余產品幾乎完全處于品牌重塑的旗幟之下。

最初的9800 GT是8800 GT的重新定位，而8800 GTs （G92）演變為9800 GTX。過渡到臺積電的55nm工藝后使G92的面積減少了20%，時鐘頻率也有了小幅度的提升，生產出9800 GTX+，同樣的OEM GTS 150，以及在8系列卡推出15個月后進入零售渠道的GTS 250。

由于姍姍來遲的的旗艦產品GT200，以及AMD的HD 3870 X2在單卡競賽中處于領先地位，英偉達采取了將兩個9800 GX2夾在一起的傳統方法，將GPU數量增加了一倍，從而生產出了9800 GX2。盡管它贏得了基準比賽，但多數觀察人士很快就注意到，以3個單獨9800 GT的價格出售一個雙9800 GT，充其量也只能吸引有限的人。

GTX 260板上的英偉達G200 GPU

截至6月，英偉達發布了GT200 GPU的GTX 260和GTX 280，這是一個576mm2的部件，代表了迄今為止最大的生產GPU芯片（英特爾的Larrabee估計在600-700mm2），也是臺積電制造的最大的生產芯片。

GT200重申了英偉達希望通過將專用雙精度（FP64）和計算硬件整合到設計中，將GPGPU推向聚光燈下。以游戲為導向的架構變化較為溫和，但這并沒有阻止英偉達將280的價格定為649美元，也沒有阻止該公司推出3D視覺（3D游戲和視頻）驅動程序，以及3D快門眼鏡和紅外發射器——這是一個非常昂貴的軟件包。

HD 4870和4850上市后，價格急劇下降，GTX 280下降38%至400美元，GTX 260下降25%至299美元。

AMD用RV770回應了GT200和G92。第一款卡是較低主流的HD 4730，于6月8日推出，緊隨其后的是主流和性能市場HD 4850和4870。由于規格泄露，商店在NDA 到期前一周就開始銷售HD 4850，HD 4850的發布失去了一定影響力——這是現在的普遍現象，但在2008年卻不那么普遍。

4870和4850成為第一個使用GDDR5內存的消費級顯卡，18個月后，英偉達最終通過基于GT215的GT 240實現了這兩款顯卡。

HD4870和4850憑借其廣泛的功能列表贏得了好評，包括7.1LCPM的HDMI聲音、通用性能和多GPU擴展，當然還有價格。該卡的唯一缺點是，在參考板的電壓調節部件上會產生局部高溫，這會導致不成比例的故障率和鎖定，特別是在使用Furmark等老化軟件時。

為了與上一代產品保持一致，以及縮短GTX 280兩個月的統治，AMD在8月發布了HD 4870 X2。該顯卡很快就在包括性能在內的大多數類別的評測基準圖表中占據了首位，但由于參考鼓風機，它也在噪音輸出和熱量產生類別中位置靠前。

Radeon HD 4870 X2（上圖）和 Radeon HD 4870

2009年1月，當GT200轉移到臺積電55nm工藝時，英偉達的產品線只進行了一次增量調整。55nm在B3修訂版芯片中得到了應用，該芯片于去年9月作為GTX 260的核心216版本首次亮相。該公司提供了GTX 295，其中包括兩個削減（ROPs和內存總線）GT200-B3。

該顯卡的單GPU變體于4月以GTX 275的形式推出。AMD的回應也是如此：改進的rv790xt驅動的HD 4890和HD 4770 （RV740），這也是AMD的第一張40nm顯卡。

雖然HD 4770本身并不是主要產品，但它給AMD帶來了臺積電40nm工藝的重要經驗，該工藝在電流泄漏方面產生了很大的差異，由于GPU裸片中金屬層之間的連接不完整，導致電流泄漏的差異很大，缺陷率也很高。有了這些工作知識，AMD就能夠改進英偉達在其Fermi架構下面臨的代工工藝問題——這些問題還沒有在英偉達最初的微型40nm GPU上出現。

今年7月，英偉達推出了其首個40nm產品。入門級GT216和GT218以GeForce 205、210和GT 220的形式出現，所有這些都是OEM產品，直到10月后兩者進入零售市場。值得關注的是，英偉達的第一張DX10.1卡——AMD在HD 4870/4850上實現了這一點——以及通過7.1音頻、無損LPCM音頻、杜比TrueHD/DTS-HD/-HD-MA比特流和HDMI音頻等改進的聲音能力。該系列的目標是家庭影院市場，并最終在2010年2月更名為300系列。

在2009年9月到2010年2月的4個月里，AMD全面推出了四款GPU（Cypress、Juniper、Redwood和Cedar）的全面發布，它們組成了Evergreen系列，首先是頂級的HD 5870，一周后是中高檔的HD 5850。

由于供不應求，臺積電陷入困境的40nm工藝打擊了AMD利用英偉達Fermi No-Show的能力。這在很大程度上是由于AMD有能力將Evergreen的版本與Windows7同步，并采用了DirectX11。

雖然DX11花了時間在Evergreen上展示了巨大的價值，但HD 5000引入的另一項功能以Eyefinity的形式立即產生了影響，Eyefinity依賴于DisplayPort的靈活性，每個板可以支持多達六條顯示管道。它們由路由到常規DAC或內部TMDS發射機和顯示端口的組合。

以前的顯卡通常使用VGA、DVI和HDMI的組合，所有這些都需要一個專用的時鐘源。這增加了GPU的復雜性、尺寸和引腳數。DisplayPort消除了對獨立時鐘的需求，并為AMD在其硬件中集成多達6個顯示管道開辟了道路，而軟件仍然負責提供用戶體驗。這包括邊框補償和在最佳分辨率下跨越面板的顯示。

Evergreen系列全面成為一流的領導者（除了紋理過濾問題），HD5850和HD5770吸引了大量注重成本的玩家，HD5870和雙GPUHD5970提供了無與倫比的性能和效率。

6個月后的4月12日，英偉達終于推出了第一塊Fermi板，采用GTX 470和480。Fermi公司的所有芯片都沒有完全功能，就像下面的GF104一樣，由于英偉達對GDDR5 I/O缺乏經驗，因此Fermi的核心速度相當保守，以抑制功耗，內存帶寬也較低。

由于GF100 Fermi的芯片尺寸為529mm2，臺積電40納米工藝的良率還達不到最佳水平，這已經導致AMD出現供應問題。由于芯片尺寸，良率，功率要求和熱量輸出都密不可分，英偉達的400系列與AMD的產品相比，在游戲性能上付出了高昂的代價。

Quadro和Tesla版的GF100在市場上幾乎沒有受到影響，如果有的話，這要歸功于專業市場內的生態系統。此次發布沒有讓人失望的方面是引入了透明超級采樣抗鋸齒（TrSSAA），它將與現場覆蓋采樣AA （CSAA）一起使用。

雖然GTX 480的反應不溫不火，但英偉達的第二款Fermi芯片，GTX 460中的主流GF104卻取得了巨大的成功。它以優惠的價格提供了良好的性能，192位/768MB售價199美元，256位/1GB售價229美元。由于英偉達選擇保守的參考時鐘來幫助降低功耗，他們推出了許多非參考和工廠超頻卡，這些卡具有很大的超頻空間。

460的好評部分源于GF100上市后的低預期。據推測，GF104的容量不超過GF100的一半，與AMD的Cypress GPU相比，其遭受的影響非常大。事實證明這是錯誤的。第二個驚喜等待著博客“專家”和AMD，英偉達在11月推出新版GF100，即GF110。

升級后的芯片實現了之前的芯片無法實現的功能，即實現了整個芯片的功能。最終得到的GTX 570和580是最初400系列的期望值。

第一款AMD Northern Islands系列GPU Barts于10月到貨。Barts更像是Evergreen的演變，旨在降低Cypress裸片的生產成本。GPU并沒有顯著提高性能，而是看起來與之前的HD 5830和HD 5850相當，但大大節省了GPU的尺寸。AMD削減了流處理器（著色器）的數量，徹底檢查并減少了內存控制器的物理尺寸（以及相應的內存速度降低），并取消了執行雙精度計算的能力。但是，Barts確實在Evergreen上進行了細分升級。

雖然性能的提升并不顯著，但AMD確實升級了顯示技術。DisplayPort被推到1.2（從一個端口驅動多顯示器的能力，120Hz刷新高分辨率顯示器，和位流音頻），HDMI到1.4a （3D 1080p視頻播放，4K屏幕分辨率），公司增加了一個更新的視頻解碼器與DivX支持。

AMD還通過引入形態抗鋸齒（MLAA）來改進驅動程序的功能設置，這是一個后期處理的模糊濾鏡，其功能尤其是在發布時會受到極大的影響。

HD 6970和HD 6950的推出為具有EQAA（增強質量AA）的Catalyst驅動程序增加了傳統的AA模式，而AMD還實現了對HD3D的支持，這充其量是片狀的，以及動態功耗，這一次使用PowerTune進行了分析。

一般來說，Cayman部件優于第一代Fermi芯片。他們本應勝過他們，但落后于第二代（GTX 500s）幾個百分點，隨后兩個陣營的驅動程序發布進一步增加了差異。

Cayman 11月的發布被推遲了一個月，HD6970和6950在12月15日發布，它代表了與VLIW5體系結構的（短暫）背離，而VLIW5體系架構自R300系列以來一直在使用。該公司轉而使用VLIW4，它在每個流處理塊中刪除了第五個特殊功能（或超越）執行單元。

這旨在為DX9（及更早版本）游戲中撤回過多的資源，同時增加圖形管道的更多面向計算的重組。

Trinity和Richland系列APU的集成顯卡是VLIW4的唯一其他部件，而AMD最新的圖形架構基于GCN（Graphics Core Next），而VLIW5則作為入門級Evergreen GPU的品牌保留在HD 8000系列中。

GTX 460的繼任者——GTX 560 Ti——與GF100/GF110的發展相呼應，于2011年1月上市。基于GF114的顯卡采用了全功能修訂版GF104，并被證明與前代產品一樣功能強大且用途廣泛。在有和沒有factory超頻的情況下，它提供了無數非參考解釋。

AMD的反應是立即降低其HD 6950和6870的成本，所以GTX 560 Ti的價性價比優勢消失了，即使正在撰寫評論。由于許多董事會合作伙伴提供了郵寄回扣，HD 6950（尤其是1GB版本）的購買更具吸引力。

?英偉達?GeForce GTX 590 參考板

2011年3月26日，英偉達進行了第二次重大發布，本次發布引起了轟動。GTX 590將兩個功能齊全的GF110整合到一個電路板上。公關影響幾乎立刻就開始了。

這些電路板運行的驅動程序沒有將功率限制到正確的程度，并且與允許高電壓的BIOS配對。這種疏忽導致過壓開始燒毀MOSFET。英偉達用一個更克制的BIOS和驅動程序來糾正這個問題，但發布日的活動引發了一些尖刻的評論和至少一個熱門的YouTube視頻。GTX 590的性能與AMD推出兩周的雙卡HD 6990不相上下。

從1月9日開始，AMD的北島繼任者，南島，推出旗艦產品HD 7970，開始了階段性的發行計劃。它是第一張PCI-E 3.0卡，也是第一個基于臺積電28nm制程節點上的AMD GCN架構的芯片。僅僅三周后，7970又推出了第二張基于Tahiti的HD 7950顯卡，2月15日，主流的Verde顯卡也加入了這一行列。基于Pitcairn GPU的性能卡于一個月后的三月上架。

Tahiti部件的一個好處是證實了AMD通過超頻留下了很多未開發的性能。這是在功率使用和熱輸出與時鐘速度之間的權衡，但導致了保守的內核和內存頻率。最大化產量的需要和對英偉達基于Kepler的GTX 680/670的低估也可能是這個等式的一部分。這些顯卡和不錯，但對比之前的40nm基板，沒有提供驚天動地的游戲改進。再加上HD 2000系列以來AMD主打產品的價格不那么有競爭力，兩個月來沒有WHQL驅動，而且視頻編解碼器引擎（VCE）也沒有功能，這些因素都削弱了許多潛在用戶和評論者的熱情。

英偉達通過引入Kepler架構，繼續豐富他們在GPU中的功能集。

在前幾代中，英偉達使用了最復雜的芯片來滿足高端游戲社區的需求，并開始了漫長的專業（Tesla/Quadro）模型驗證過程。這種方法在最近幾代中并沒有為公司提供特別好的服務，因此看起來較小的GK107和以性能為導向的GK104比糟糕的GK110獲得了優先權。

GK107可能是必需的，因為英偉達有大量的OEM移動合同要履行，并且需要GK104用于高端桌面市場。這兩款GPU均作為A2修訂版芯片發布。移動GK107s （GT 640M/650M，GTX 660M）從2月份開始向OEM發貨，并于3月22日正式宣布。同一天，英偉達推出了基于GK104的GTX 680。

與英偉達最近的GPU設計的另一個不同之處在于，著色器時鐘的運行頻率與內核頻率相同。自GeForce 8系列發布以來，英偉達采用的著色器的運行頻率至少是內核頻率的兩倍——高達9系列內核頻率的2.67倍，正好是400和500系列產品的兩倍。

這一變化的基本原理是基于英偉達將重點（在消費臺式機/移動領域）從直接性能轉向每瓦性能效率。對于并行工作負載來說，以較慢速度運行的更多內核比以兩倍頻率運行的更少內核更有效。基本上，這是對GPU和CPU模式的改進（多核、低頻率、高帶寬和延遲vs少核、高頻率、低帶寬和延遲）。

減少著色器時鐘還具有降低功耗的優勢，而英偉達通過大幅減少裸片可用的雙精度單元，以及將總線寬度減少到更主流的256位，進一步節約了設計成本。這些變化以及動態提升功能（按需超頻）增強了相對適中的基本核心速度，呈現出更加平衡的產品-盡管以計算能力為代價。但是，如果英偉達保留了Fermi的計算功能和帶寬設計，那么它會因為生產大型、熱、耗電的設計而被嘲笑。物理定律再次將芯片設計變成妥協的藝術。

英偉達再次推出了雙GPU板。由于GK104改進了功率范圍，GTX 690本質上是兩個GTX 680的SLI。唯一的區別是，690的最大核心頻率（boost）比它低52MHz。雖然性能仍然取決于驅動程序的SLI配置，但該卡功能是一流的，其美學價值也稱得上是限量版品牌。

GK110標志著英偉達打破了以往的慣例，即先以GeForce的名義發布GPU。該卡最初被視為Tesla K20，被大量用于超級計算合同，ORNL的Cray XK7 Titan、NCSA的Blue Waters、瑞士CSCS Todi和Piz Daint系統需要超過22000張卡。

在GK110以GeForce的形式出現之前，消費者不得不等待6個月。被稱為GTX Titan的數字型號的缺乏增強了英偉達希望將顯卡視為與現有（可能是隨后的）Kepler系列分離的模型的愿望。英偉達還在預算范圍內擴大了對研究人員和專業人士的吸引力，因為這標志著該公司首次允許GeForce卡保留與其專業的Tesla和Quadro顯卡一樣的計算功能。

英偉達 GeForce GTX Titan

這張卡很快就在游戲基準測試中占據了領先地位，特別是在使用了超采樣抗鋸齒的多顯示器分辨率方面。然而，英偉達對OpenCL驅動支持不多，以及近期游戲產品的激增，再加上AMD的游戲進化程序，減弱了Titan的影響力，也抑制了其價格。

今年6月AMD推出HD 7970GHz版本，核心頻率增加75MHz，再增加50MHz（與英偉達提供的動態調整版本相反）。GHz版代表了該卡可能在一月份就應該開始使用的頻率。

不幸的是，對于AMD來說，這個SKU的目標市場已經確定，標準型號基本上能夠通過超頻以更低的價格和更低的核心電壓實現同樣（如果不是更好）的性能。AMD緊隨HD 7970 GHz版與HD 7950 Boost。

2013年，英偉達和AMD似乎在爭奪獨立顯卡的市場份額，而由于游戲開發和屏幕分辨率未能跟上集成顯卡的發展步伐，獨立顯卡的市場份額不斷萎縮。2002年初，英特爾擁有14%的PC圖形市場份額。隨著其極限顯卡（830至865芯片組）的到來，該公司的份額上升到33%，然后第三代和第四代DX 9芯片組達到38%，到2013年，這一數字超過50%的DX10 GMA 4500系列。

將GPU集成到CPU意味著英特爾現在要負責60%的PC顯卡的傳輸。