认识显示卡

啊....显示卡，一直是我{za}的零组件！自从在十年前买了{dy}代Voodoo卡，机械继电器那「啪」的一声进入GLQuake，看到水面的「灰色泥浆」变成半透明之后，我就知道自己踏上3D的不归路了，自此之后我只买高阶卡，因为我无法忍受游戏{tx}不能全开的痛苦。十年之后，显示卡的发展已经超乎我当初的想像，我相信也超乎绝大多数人的想像。在电脑界，大家常会引用摩尔定律：每12～24个月，芯片的复杂度和效能就会成长一倍。但显示芯片（Graphic Processing Unit，GPU）是少数能超越摩尔定律的零组件。若以浮点运算能力来评断GPU的效能，GeForce 6800 Ultra是54 GFlops，GeForce 7800 GTX是165 GFlops，GeForce 8800 GTX就已经超过500 GFlops，在这三颗GPU所间隔的短短两年半中，GPU效能就翻了将近10倍。附带一提，现在蛮热门的Intel Core 2 Duo Q6600的GFlops大约是30左右。

(PS：1 GFlops，就是每秒有10亿的浮点运算指令，Giga Floation point Operation Per Second。)

(PS：严格来说，Voodoo一代不能算是显示卡，因为它没有2D核心，只能显示3D画面，2D的部分必须还有另一张显示卡，Voodoo1和Voodoo2都是3D附加卡的型态，但它们少数的特例，所以我不管了，也不去写拗口的3D加速卡，通通都叫显示卡吧！)


当然，用GFlops来衡量CPU既不公平也不准确，因为CPU和GPU是xx相对的存在。在接下来的章节中，我们会仔细谈显示卡的结构，什么是 DirectX？Shader在干嘛？游戏和显示卡怎么相辅相成，摆脱十年以前的2D黑暗期，造就这十年来的3D爆炸性成长。我们先从最简单的开始....

这十年来显示卡改变多大？1997年我们只能勉强跑GLQuake（Quake的OpenGL加速版，算是{dy}套展现Voodoo能力的游戏。透明水，有看到吗！？），2007年我们已经可以玩画面接近相片拟真的Crysis。



显示卡的外观


显示卡是一个小型的完整系统，它有自己核心芯片、存贮器、电源输入和散热模组，我们先以一般人最常用的显示卡为例做介绍：



啊....拿错了，一般人用这种卡就见鬼了。



一般用的显示卡大约像这样，我把几个重点部分标号出来。



1.传输介面：




这一长条金手指是显示卡输出输入资料的地方，图中的卡是PCI-Express x16介面，大家或许也有听过AGP（Accelerated Graphics Port，加速绘图埠），甚至现在还有人死不放弃。最早的3D卡是用PCI介面，但大量读取的资料很快就撑爆PCI介面，当时只好先用AGP应急。但AGP是一对一的埠，而非通用的总线，限制颇多，所以在三四年前显示卡开始转换到PCI-Express 1.1，这是由数量不等的通道组合成的总线，PCI-E x16就表示组合16条通道，每一条的频宽是双向每秒500MB。在今年底，PCI-E 2.0的显示卡将会出现，传输频宽会加倍，这是为了把要运算的资料搬进显示卡中，并把运算结果回传出来。



2.视讯输出：







显示卡是连接各种显示器输出画面，位于显示卡后端的就是这些输出接头，相信大家都分的出来DVI(白色)和D-Sub(蓝色)接头，这是电脑最常用的两种接头。其中DVI是纯数位资料，比D-Sub的模拟传输有更好的稳定性和清晰度，加上现在流行的LCD也是数位对应显示，用DVI才能达到{zj0}效果。现在就算最差的显示卡都至少有一个DVI，稍好一点的就会有两个DVI，或是特殊的Dual-Link DVI。Dual-Link DVI可以输出比一般Single-Link DVI更高的解析度，{zg}达3840x2400，一般DVI只到1920x1200。除了DVI，现在显示卡也开始具备HDMI输出，未来甚至有 DisplayPort等更先进的输出方式。HDMI算是可以传输SPDIF音讯的DVI，在视讯方面几乎跟DVI一模一样(差别只在HDMI可以另外传输色差讯号)DisplayPort的话太新了，还没有实际产品，我也不太了解，希望高手指教。除这些电脑用的端子，一般显示卡还有九针的多功能视讯输出(圆孔的那个)，可转接成AV、S、色差端子。



3.电源处理：




这些柱状物和线圈是电容和电感，显示卡也是要吃电的，电容和电感可以稳定电源，避免突然过高或过低的电压造成死机，甚至伤到硬件，跟主机板上的电容电感的用意是xx相同的。一般显示卡都是由PCI-Express插槽直接供电，{zg}75W，这种卡的电源处理就会集中在插槽附近，但像上面那张图的高阶卡，耗电量超过75W就要另外插电，通常在卡的末端会有这种PCI-Express的6pin电源插孔，可额外再输入75W。这种要外接电源的卡，电源模组的部分就会集中到电源插头附近，在散热器后面那一块全部都是做电源处理的。依卡的高中低阶不同，低阶的通常不用外接电源，{zg}阶的则可能会有两个6pin电源，甚至用上PCI-Express 2.0新规格的8pin电源，一个就可供电150W。当然，会吃到这么多电的卡，在世代交替淘汰之前，价格绝不会低于两千元(文中除非此处,其他涉及价钱的都为台币)。



4.散热模组：




就跟CPU一样，GPU也会发热，也有自己的TDP规范，要让GPU能稳定运作，显示卡上的散热模组必须消散掉GPU所产生的废热。至于要怎么把废热排掉就是各厂商的创意了，要用巨型风扇加铝鳍导风罩散热、或是纯被动散热片避免风扇噪音等等，只要符合TDP的规范就可以了。而GPU的高中低阶就等于发热量的多寡，也就等于散热器的大小，加上高阶卡的线路也比较复杂，因此显示卡的高中低阶通常会反应在外观上，上图就是四种常见的尺寸，从最长的10寸，到最小的Low Profile。




散热器主要都是针对GPU，拆下来之后就会露出显示卡的核心芯片GPU，旁边八颗则是辅助GPU的显示存贮器。他们的关系就跟CPU和系统存贮器一模一样，GPU做运算，存贮器则存贮GPU所需的一切资料。看布线就知道，所有的存贮器都通往GPU，所以GPU有内建存贮器控制器。



5.GPU核心：




十年以前，显示卡的核心都只负责2D显示，但2D没几年就已经发展到顶点了，在那之后都是着重在3D运算能力，近几年则另外再加上影片的解码播放加速。 GPU跟CPU一样也是半导体制程，制程方式虽然不同，但同样会随着时代进步缩小制程以降低成本，目前{zx1}的是65奈米，年底左右会有55奈米。GPU一样是靠电晶体来运算3D，但因为CPU和GPU本质上差异极大，所以GPU很容易就出现超大量的电晶体，至少都是CPU的两三倍以上，正中央那颗就是 GPU的die晶粒，不过因为制程、芯片特性等种种因素，GPU的时脉不易拉高，今年大约可以突破800MHz而已。



6.显示存贮器：




做为GPU的暂存空间，存贮正要处理或已经处理完的资料。就跟系统存贮器一样，容量和时脉也是影响效能的两大因素，但这都已经无关2D显示了，就像前面说的，2D显示已经发展到顶点了，显示存贮器早就远远超过2D显示所需。现在容量和时脉完xx全是针对3D游戏，游戏的资料量愈大，显示卡就需要愈大的存贮器来存贮资料；显示芯片的处理速度愈快，就需要时脉愈高的存贮器来快速进出GPU。依显示卡的高中低阶不同，容量从32MB～768MB不等，突破1GB 是迟早的事，时脉则从400MHz～2000MHz以上都有。



显示卡的基本运作原理


现在显示卡的玩家端应用不外两大宗：3D游戏和影片播放，3D绘图和影片压缩格式的专有名词很多，乍看真的眼花缭乱，但这里我们先把视角拉高一点，从最远的地方来看显示卡的运作，其实不管是3D绘图、影片加速、甚至是更先进的GPGPU，都脱离不了以下要讲的流程。


显示卡的基本运作流程，直到驱动程序为止都是CPU在运算，因此CPU的效能也会影响显示卡的效能，如果前端太慢，显示卡都在等资料、喂不饱，就会造成效能瓶颈。



在DOS之后，应用软件就很少再直接存取硬件，因为直接存取硬件会影响操作系统的稳定性，在多工OS下尤其重要，便免使用者手贱把系统搞挂。而且直接存取的话，软件和硬件的设计都很不方便，因为软件得想办法支持个别硬件，就像早期的DOS游戏那样，每套游戏都得手动针对不同的硬件做支持，显示卡、摇杆、音效卡什么的，硬件一多就快起笑了。业界急需一个共通的中介标准，于是微软制定了{dy}代DirectX，这是一种「应用程序介面」（API，Application Programming Interface）夹在软硬件之间，虽然多了第三者会减损效能，但换来的方便性是{jd1}值得的，其中Direct3D是针对显示卡的3D绘图API，是DirectX最重要的一部分，其他还有DirectSound、DirectInput负责声音和周边。



DirectX


DirectX是显示卡和游戏共同支持的标准，游戏以DirectX的语法来写，显示卡将DirectX的语法转变成3D画面，两者就有统一的标准，不再需要个别支持，可降低开发难度，而且执行结果有一致性，不管用什么硬件，只要都支持DirectX，跑出来的画面理论上都要一样。除了DirectX之外，OpenGL也是另一个绘图API，通常用于专业的3D绘图领域，但也有少部分PC游戏使用（游乐器则除了Xbox，大多是用OpenGL）， OpenGL的历史比DirectX久，但因为Windows的内建优势、原生支持硬件加速、更新速度快，在游戏应用上DirectX比OpenGL强势多了。虽然显示卡一定得支持DirectX，但实际GPU芯片线路要怎么设计则是各家厂商的创意，就像x86 CPU不能直接执行x86指令，得通过内部的解码器转换，GPU也不能直接执行DirectX的指令，中间还得通过驱动程序，这也是为什么显示卡的驱动程序超级重要，因为它得解译DirectX的指令，转换成GPU看得懂的机器语言（Machine Code），驱动程序会直接影响显示卡的效能和功能。

DXVA

影片的部分也就不难懂了，API换成DXVA（DirectX Video Acceleration），播放软件的影片解码器下达DXVA指令，再通过驱动程序解译交给GPU运算，我们就有了影片硬件加速。跟DirectX相同的道理，要支持硬件加速，解码器、驱动程序和显示芯片都要支持DXVA才能启动，缺一不可。以上就是GPU非常基本的运作原理，详细的3D运作流程、宣传过度的DirectX 10、GPU硬件规格、影片加速的原理、驱动程序等等，会在楼下文章中一一介绍，欢迎来到华丽又迷人的电脑影像世界！