芯片传奇—历史创造GPU和GPU续写的历史

　　英文全称Graphic Processing Unit的GPU是现今PC DIY领域最火爆的词汇之一。GPU即图形处理器，是从CPU（中央处理器）衍生出来的的一个概念，它是显卡的心脏，和显卡板载内存成为一个子系统，共同决定PC系统的图形处理性能。越来越多的图形应用驱使在现代的计算机中GPU变得越来越重要，这种芯片在CPU主宰PC性能走向几十年后的近两年中迅速崛起，升势差不多达到了和CPU平起平坐的地位。

　　上个世纪的绝大多数显示加速芯片并不能称为GPU，因为它们仅有填充像素和纹理的功能。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。GPU使显卡减少了对CPU的依赖，并进行部分原本CPU的工作，尤其是在3D图形处理时。GPU所采用的核心技术有硬件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，而硬件T&L技术可以说是GPU问世的标志。

　　● T&L和Shader

　　T&L（Transform and Lighting，多边形转换与光源处理）是3D渲染中的一个重要部分，其作用是计算多边形的3D位置和处理动态光线效果，也可以称为几何处理。在GeForce问世之前，T&L的大部分运算是交由CPU处理的，由于CPU的任务繁多，除了T&L之外，还要做内存管理、输入响应等非3D图形处理工作，因此T&L性能低下，转交给GPU做这一部分大大改进了PC的整体图形性能。

　　GPU的下一次重大改进是引入Shader（着色器），Shader是配合DirectX 8的规格产生的图形芯片架构技术，它进一步扩展了GPU的能力，使原来的渲染管线和T&L带有了可编程的能力，极大地增强了GPU绘制出来的3D图形的表现力。从GeFroce 3一直到现在的GeForce 9，GPU的发展一直基于这种用于控制显卡硬件几何构建/渲染过程的Shader来延续的。

　　早期版本的shader有两种， 一种是顶点级的，称为vertex shader（OpenGL称为vertex program），取代固定渲染管线中的变换和光照部分，程序员可以自己控制顶点变换、光照等。一种是像素级的，称为pixel shader（OpenGL称为fragment program），取代固定渲染管线中的光栅化部分，程序员可以自己控制像素颜色和纹理采样等。

　　● 统一渲染架构

　　DirectX 10+GeForce 8，我们迎来了GPU新的一页，统一渲染架构。在06年底出现的这种新技术和产品中，顶点、像素、几何处理等各种其他3D处理都能被映射成浮点处理被GPU的流处理器（SPs：Streaming Processors）计算。几何着色处理是DirectX 10的新特性，这种功能统一渲染架构的的流处理器可以很好的支持，以此实现更加丰富的特效，并大大降低几何处理对CPU的依赖。GPU的分遣控制逻辑可以动态的分配流处理器去执行前面所述的顶点、像素和几何着色部分，甚至对于3D开发者来讲都不用过多的考虑不同着色器的分配，现在这些完全都可以交给API和驱动自动控制。

　　这种新的GPU流处理器的通用性良好，未来更多的3D应用也可以在API和驱动的支持下被加进来，就这一点来说统一架构的着色器也远优于不可扩展的传统架构。

　　在传统的管线模型里，数据流的开始是各种不同从CPU至GPU的属性、指针、命令和纹理。然后主要的处理阶段遵循相当线性方式，包括顶点着色、像素着色、栅格化，一直到完成处理的像素输入到缓冲区。事实上Geforce 7系列GPU的物理管线在每一个主要处理阶段都拥有很多子阶段，在像素着色阶段就有着超过200个分步的子阶段 。在统一的管线/着色器架构里，Geforce 8/9 GPU的设计显著的降低了管线处理阶段，并且把顺序流方式改成了循环执行。信号被输入到统一着色器核心处理后输出至寄存器，然后再被重复输入至着色器核心进行下一步处理。

　　深入图形程序，通常来说都是像素着色应用多于顶点着色应用，这也是早先着色器分离架构中像素着色器多于顶点着色器的原因。不过这只是总体上的统计情况，而在具体3D应用程序中，某个时段还是有所不同。因此，统一着色器架构的GPU的动态着色器处理能力将比传统的着色器分离架构更有效率。