图形处理器

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什么是图形处理器

  图形处理器(英语:Graphics Processing Unit,缩写:GPU),又称显示核心、视觉处理器、显示芯片,是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备(如平板电脑智能手机等)上图像运算工作的微处理器

  用途是将计算机系统所需要的显示信息进行转换驱动,并向显示器提供行扫描信号,控制显示器的正确显示,是连接显示器和个人电脑主板的重要元件,也是“人机对话”的重要设备之一。显卡作为电脑主机里的一个重要组成部分,承担输出显示图形的任务,对于从事专业图形设计的人来说显卡非常重要。

图形处理器的功能作用

  显卡的处理器称为图形处理器(GPU),它是显卡的“心脏”,与CPU类似,只不过GPU是专为执行复杂的数学和几何计算而设计的,这些计算是图形渲染所必需的。某些最快速的GPU集成的晶体管数甚至超过了普通CPU。

  时下的GPU多数拥有2D或3D图形加速功能。如果CPU想画一个二维图形,只需要发个指令给GPU,如“在坐标位置(x, y)处画个长和宽为a×b大小的长方形”,GPU就可以迅速计算出该图形的所有像素,并在显示器上指定位置画出相应的图形,画完后就通知CPU “我画完了”,然后等待CPU发出下一条图形指令。

  有了GPU,CPU就从图形处理的任务中解放出来,可以执行其他更多的系统任务,这样可以大大提高计算机的整体性能。

  GPU会产生大量热量,所以它的上方通常安装有散热器或风扇。

  GPU是显示卡的“大脑”,GPU决定了该显卡的档次和大部分性能,同时GPU也是2D显示卡和3D显示卡的区别依据。2D显示芯片在处理3D图像与特效时主要依赖CPU的处理能力,称为软加速。3D显示芯片是把三维图像和特效处理功能集中在显示芯片内,也就是所谓的“硬件加速”功能。显示芯片一般是显示卡上最大的芯片(也是引脚最多的)。时下市场上的显卡大多采用NVIDIA和 AMD-ATI 两家公司的图形处理芯片。

  GPU已经不再局限于3D图形处理了,GPU通用计算技术发展已经引起业界不少的关注,事实也证明在浮点运算、并行计算等部分计算方面,GPU可以提供数十倍乃至于上百倍于CPU的性能,如此强悍的“新星”难免会让CPU厂商老大英特尔为未来而紧张, NVIDIA和英特尔也经常为CPU和GPU谁更重要而展开口水战。GPU通用计算方面的标准目前有OpenCL、CUDA、ATI STREAM。其中,OpenCL(全称Open Computing Language,开放运算语言)是第一个面向异构系统通用目的并行编程的开放式、免费标准,也是一个统一的编程环境,便于软件开发人员为高性能计算服务器、桌面计算系统、手持设备编写高效轻便的代码,而且广泛适用于多核心处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、Cell类型架构以及数字信号处理器(DSP)等其他并行处理器,在游戏、娱乐、科研、医疗等各种领域都有广阔的发展前景,AMD-ATI、NVIDIA时下的产品都支持OPEN CL。

  1985年 8月20日 ATi公司成立,同年10月ATi使用ASIC技术开发出了第一款图形芯片和图形卡,1992年 4月 ATi发布了 Mach32 图形卡集成了图形加速功能,1998年 4月 ATi被IDC评选为图形芯片工业的市场领导者,但那时候这种芯片还没有GPU的称号,很长的一段时间ATI都是把图形处理器称为VPU,直到AMD收购ATI之后其图形芯片才正式采用GPU的名字。

  NVIDIA公司在1999年发布GeForce 256图形处理芯片时首先提出GPU的概念。从此NV显卡的芯就用这个新名字GPU来称呼。GPU使显卡削减了对CPU的依赖,并实行部分原本CPU的工作,更加是在3D图形处理时。GPU所采用的核心技术有硬体T&L、立方环境材质贴图与顶点混合、纹理压缩及凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等,而硬体T&L技术能够说是GPU的标志。

图形处理器的工作原理

  简单说GPU就是能够从硬件上支持T&L(Transform and Lighting,多边形转换和光源处理)的显示芯片,由于T&L是3D渲染中的一个重要部分,其作用是计算多边形的3D位置与处理动态光线效果,也能称为“几何处理”。一个好的T&L单元,能提供细致的3D物体和高级的光线特效;只不过大多数PC中,T&L的大部分运算是交由CPU处理的(这就也就是所谓软件T&L),因为CPU的任务繁多,除了T&L之外,还要做内存管理和输入响应等非3D图形处理工作,所以在实际运算的时候性能会大打折扣,一般出现显卡等待CPU数据的情况,CPU运算速度远跟不上时下复杂三维游戏的要求。即使CPU的工作频率超出1GHz或更高,对它的帮助也不大,因为这是PC本身设计造成的问题,与CPU的速度无太大关系。

图形处理器的类型

独立显卡

  显卡是通过PCI-Express、PCI或AGP等扩展槽界面与主板连接的,而通常它们可以相对容易地被取代或升级(假设主板能支持升级)。现在,仍然有少数显卡采用带宽有限的PCI插槽作连接,但它们通常只会在主板没有提供PCI-Express和AGP插槽的情况下才会使用。

  在现今的定义里,独立绘图处理器不一定需要,是可以被移除的,也不一定要直接与主板连接。所谓的“专用”即是指独立显卡(或称专用显卡)内的RAM只会被该卡专用,而不是指显卡是否可从主板上独立移除。基于体积和重量的限制,供笔记本电脑使用的独立绘图处理器通常会通过非标准或独特的接口作连接。然而,由于逻辑接口相同,这些端口仍会被视为PCI-Express或AGP,即使它们在物理上是不可与其他显卡互换的。

  一些特别的技术,如NVIDIA的SLI和ATI的CrossFire允许多个绘图处理器共同处理一个单一的视频输出,可令电脑的图像处理能力增加。

集成绘图处理器

  集成绘图处理器(或称内置显示核心)是设在主板或CPU上的绘图处理器,运作时会借用电脑内部分的系统存储器。2007年装设集成显示的个人电脑约占总出货量的90%,相比起使用独立显卡的方案,这种方案可能较为便宜,但性能也许相对较低。从前,集成绘图处理器往往会被认为是不适合于运行3D游戏或精密的图形型运算。然而,如Intel GMA X3000(Intel G965 芯片组)、AMD的Radeon HD 4290(AMD 890GX 芯片组)和NVIDIA的GeForce 8200(NVIDIAnForce 730a芯片组)已有能力处理对系统需求不是太高的3D图像。当时较旧的集成图形处理器组缺乏如硬件T&L等功能,只有较新型号才会包含。

  影响集成绘图处理器的性能,其中一个原因是由于内置显示核心的运算速度。同时,图形处理器在运作时会消耗一定数量的存储器。系统存储器的速度比高级独立绘图存储器来得慢,系统存储器的发送速度可能是10GB/s至20GB/s左右,独立绘图存储器则至少有50GB/s,甚至超过150GB/s,取决于型号而定。

  不过从2009年开始,图形处理器已经从主板移去处理器了,如Intel的Westmere架构至目前的Kaby Lake架构。不过极致版并没有集成图形处理器。集成至处理器的好处是由于绘图及处理器芯片工艺为相同(Westmere除外,CPU为32nm而GPU为45nm),可以减低热功耗。随着内显技术的成熟,目前的内显已经足够应付基本3D的需求,不过仍然依赖主板本身的存储器。

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