GPU架構與技術詳解

GPU英文全稱Graphic Processing Unit，中文翻譯為“圖形處理器”。GPU是相對于CPU的一個概念，由于在現代的計算機中（特別是家用系統，游戲的發燒友）圖形的處理變得越來越重要，需要一個專門的圖形的核心處理器。我們從GPU的發展歷程來看看顯卡GPU的架構和技術的發展。

整合VCD/DVD/HD/BD解壓卡

在了解了CPU的發展歷程之后，我們再來看看GPU的發展過程，其實GPU很多重大改進都與CPU的技術架構相類似。比如最開始我們介紹了古老的CPU協處理器，下面再介紹一個被遺忘的產品——解壓卡，資歷較老的玩家應該記得。

十多年前，電腦的CPU主頻很低，顯卡也多為2D顯示用，當VCD興起的時候，好多電腦（主頻為100MHz以下）無法以軟解壓的方式看VCD影片，根本運行不起來!

ISA接口的VCD解壓卡

這時，VCD解壓卡就出現了，此卡板載專用的解碼處理器和緩存，實現對VCD的硬解碼，不需要CPU進行解碼運算，所以，即使在386的電腦上也可以看VCD了。

PCI接口的DVD解壓卡

隨后，顯卡進入了3D時代，并紛紛加入支持VCD的MPEG解碼，而且CPU的主頻也上來了，無論CPU軟解還是顯卡輔助解碼都可以流暢播放視頻，所以VCD解壓卡就退出了市場！

但DVD時代來臨后，分辨率提高很多，而且編碼升級至MPEG2，對于CPU和顯卡的解碼能力提出了新的要求，此時出現了一些DVD解壓卡，供老機器升級之用，但由于CPU更新換代更加頻繁，性能提升很大，DVD解壓卡也是曇花一現，就消失無蹤了。

現在已經是1080p全高清時代了，高清視頻解碼依然是非常消耗CPU資源的應用之一，于是幾年前NVIDIA和ATI就在GPU當中整合了專用的視頻解碼模塊，NVIDIA將其稱為VP（Video Processor，視頻處理器），ATI將其稱為UVD（Unified Video Decoder，通用視頻解碼器），相應的技術被叫做PureVideo和AVIVO。

硬解碼幾乎不消耗CPU和GPU的資源，看高清視頻時接近于待機狀態

雖然VP和UVD都被整合在了GPU內部，實際上它們的原理和作用與當年的協處理器/解壓卡芯片沒有實質性區別，都是為了減輕/分擔處理器的某項特定任務。如今NVIDIA和ATI的GPU硬解碼技術都能夠支持高分辨率、高碼率、多部影片同時播放，性能和兼容性都很出色。

如今多核CPU的性能已經相當強大了，軟解高清視頻簡直輕松加愉快，但要論效率的話，依然是GPU硬件解碼更勝一籌，專用模塊解碼消耗資源更少，整機功耗發熱更小，因此手持設備和移動設備都使用硬件解碼，而桌面電腦CPU軟解和GPU硬解就無所謂了。

ShaderModel指令集的擴充與發展

掐指一算，從GPU誕生至今雙方都已推出了十代產品，每一代產品之間的對決都令無數玩家心動不已，而其中最精彩的戰役往往在微軟DirectX API版本更新時出現，幾乎可以說是微軟DirectX左右著GPU的發展，而歷代DirectX版本更新時的核心內容，恰恰包含在了ShaderModel當中：

    ShaderModel 1.0 → DirectX 8.0
    ShaderModel 2.0 → DirectX 9.0b
    ShaderModel 3.0 → DirectX 9.0c
    ShaderModel 4.0 → DirectX 10
    ShaderModel 5.0 → DirectX 11

Shader（譯為渲染或著色）是一段能夠針對3D對象進行操作、并被GPU所執行的程序，ShaderModel的含義就是“優化渲染引擎模式”，我們可以把它理解成是GPU的渲染指令集。

高版本的ShaderModel是一個包括了所有低版本特性的超集，對一些指令集加以擴充改進的同時，還加入了一些新的技術。可以說，GPU的ShaderModel指令集與CPU的MMX、SSE等擴展指令集十分相似。

隨著ShaderModel指令集的擴充與改進，GPU的處理資源和計算精度與日俱增，于是就有能力渲染出更加精美的圖像，并且不至于造成性能的大幅下降。就拿最近幾個版本來講，新指令集并沒有帶來太多新的特效，但卻憑借優秀的算法提升了性能，是否支持DX10.1（ShaderModel 4.1）可能游戲畫面上沒有差別，但速度就很明顯了。

此外，DX11中的關鍵技術DirectCompute通用計算技術就是通過調用ShaderModel 5.0中的新指令集來提高GPU的運算效率，很多基于DirectCompute技術的圖形后處理渲染特效也都要用到SM5.0指令集來提高性能。

真正的雙核/四核GPU

從以往的多處理器系統到現在的雙核、四核、六核，CPU只能依靠增加核心數量來提升性能。而GPU從一開始就是作為并行渲染的管線式架構，GPU性能的強弱主要就是看誰的管線、流處理器數量更多。

不過雙顯卡甚至多顯卡也成為提升電腦游戲性能的一種途徑，通過SLI和CrossFire技術能夠輕松讓3D性能倍增，于是雙核心的顯卡成為NVIDIA和AMD雙方角逐3D性能王者寶座的殺手锏，近年來的旗艦級顯卡幾乎都是雙核心設計的。

但與CPU單芯片整合多核心的設計不同，顯卡一般是單卡多GPU設計，很少有單一GPU多核心設計，因為GPU性能提升的瓶頸主要在于制造工藝，只要工藝跟得上，那么他們就有能力在GPU內部植入盡可能多的流處理器。

★ 雙核心設計的Cypress核心：

不管GPU架構改不改，流處理器數量總是要擴充的，準確的說是以級數規模增長，這樣才能大幅提升理論性能。在流處理器數量急劇膨脹之后，如何管理好如此龐大的規模、并與其它模塊協調工作成為新的難題。

RV870的雙核心模塊設計

ATI RV870包括流處理器在內的所有核心規格都比RV770翻了一倍，ATI選擇了“雙核心”設計，幾乎是并排放置兩顆RV770核心，另外在裝配引擎內部設計有兩個Rasterizer（光柵器）和Hierarchial-Z（多級Z緩沖模塊），以滿足雙倍核心規格的胃口。

★ 四核心設計的GF100核心：

GF100可以看作是四核心設計

如果說Cypress是雙核心設計的話，那么GF100的流處理器部分就是“四核心”設計，因為GF100擁有四個GPC（圖形處理器集群）模塊，每個GPC內部包含一個獨立的Raster Engine（光柵化引擎），而在以往都是整顆GPU共享一個Raster Engine。

我們知道RV870的Rasterizer和Hierarchial-Z雙份的，而GF100則是四份的，雖然命名有所不同但功能是相同的。

GF100的每個GPC都可以看作是一個自給自足的GPU

GF100的四個GPC是完全相同的，每個GPC內部囊括了所有主要的圖形處理單元。它代表了頂點、幾何、光柵、紋理以及像素處理資源的均衡集合。除了ROP功能以外，GPC可以被看作是一個自給自足的GPU，所以說GF100就是一顆四核心的GPU。