GPU出现已经23年了，从ATI/Nvidia两极分化成为AMD/Nvidia双极、全面转向PCIe主板也已经17年了。 即便是现在的RTX系列、Navi核心等产品也已经是3、4年前的事了。 即将推出的新一代主板RTX40和RX7000无疑会继承高手的很多特性，同时我们也需要在老主板的基础上讨论新秀的很多能力。 因此，在等待新一代主板的同时，有必要回顾和了解老产品的一些特性。
这里要说明的是，考虑到Intel的独立显卡还不成熟，下一代产品还很遥远，所以这次我们只介绍即将推出的Nvidia和AMD主板。 关心Intel主板的同事可以期待以后的相关介绍。
从图像加速到图形处理
21世纪前夕，第一款GPU（图形处理单元，图像处理器）——Nvidia GeForce256（图1）诞生，宣告了图形芯片和主板新时代的到来。 它和随后的后续ATIRadeon256（图2）已经离开了其他转换速度不够快的厂商，一直定位图形加速芯片和图形加速卡。 他们对市场的扰乱如此之大，以至于 3dfx 这家在 20 世纪 90 年代蓬勃发展的 3D 加速卡制造商迅速衰落，并于 2000 年被 Nvidia 收购。
（图1）
（图2）
从今天来看，21世纪的前10年，GPU和当代主板还处于探索阶段。 一些想法逐渐明确，设计也确立，可以逐渐产生现在的主板设计。 其中最重要的其实就是将定位于与处理器配合的图形加速转向基于“我”的图形处理，比如以GeForce256、Radeon256为代表的第一代产品。 最重要的能力是将T&L（Transforming&Lighting，光影转换）运算从处理器中释放出来，大幅减轻处理器的计算负担，同时大幅提升画面中光影的真实感（图3）和处理速度。 这些承担了更多图形处理计算的负担，解放了处理器的设计，这也是未来GPU和主板设计的方向。
（图3）
随着GPU的发展，OpenGL和DirectX之间的API之争也告一段落，最终所有消费级GPU都针对DirectX进行了优化。 事实上，这个时期的DirectX还不是很健全，许多GPU厂商创造的原创技术也被吸收到其中，例如多重纹理贴图、凹凸贴图（图4）等。现在仍然是3DAPI与GPU和显卡之间“双向旅行”的时代，这与今天直接根据DirectX的需求设计的GPU和显卡不同。
（图4）
==提示：
API的全称是ApplicationProgrammingInterface，即应用程序编程接口。 对于主板、GPU、游戏等图形应用来说，是指图形应用与GPU之间的指令插座，甚至可以说在某种程度上接近处理器指令集的含义。 顾名思义，OpenGL是一个开放的图形命令套接字，它曾经是专业图像处理甚至许多3D游戏的基础； DirectX是Google推出的应用程序命令套接字，其中既包括2D和3D图像相关命令，也包括音频等功能命令。 最新版本的DirectX12已经深度集成到Windows系统和最新的Xbox游戏机中。
==小知识总结
在硬件方面，虽然当时的主板和今天还存在一些差异，但也有很多设计一直延续到现在。 比如主板的结构基本定型，插座也从专用的AGP通道变成了通用的PCIe通道。 笔记本电脑的低帧率产品也已衍生出来。 市场上，随着3dfx的Voodoo、Matrox的MGA、Imagination的PowerVR、S3的Savage等品牌退出消费笔记本市场，以及AMD完成ATI的竞购吸收，大家所熟悉的N/A两强竞争格局即将建立。
事实上，从昨晚的高度回顾当时的GPU和主板，你会发现它们在设计理念上仍然存在很多局限性和一些“弯路”。 例如GPU的渲染管线（ShaderPipeline）就明确分为Vertex Shader（简称VS）和Pixel Shader（简称PS），它们在不同的场景下各有所长。 例如，起伏的海面（图5）或者头发需要处理大量复杂的顶点运动，这会调用大量的顶点渲染单元。 在处理烟雾和光线时，没有太多清晰的形状，因此更倾向于使用像素渲染单元，这使得渲染管道并不总是满载。 Nvidia和AMD的各代GPU往往会选择不同的VS和PS比例，两者都声称是最适合游戏的比例，但似乎很难满足不同时代、不同公司、不同引擎的需求，而不是专注于游戏。 为了提高效率，满足游戏越来越高的性能和效率要求，迫切需要对整体架构进行改变。
（图5）
统一架构时代
时间来到了2010年，DirectX10终于逐渐进入主流。 其对GPU的需求成为了至今仍在延续的基本架构设计，即统一渲染架构（Unified Shader Architecture）。 它要求GPU的渲染管线能够同时用于顶点或像素渲染，这样才不会出现两个渲染单元的比例问题。 不仅可以满载提升游戏性能，还可以在容量不足的情况下，根据应用的实际需要，仅开启部分渲染单元，提高帧率。
另一方面，这些设计使GPU的处理管线成为一种通用计算核心，与处理器的核心非常相似，因此GPU成为另一个可以参与更多计算任务的通用处理器。 基于此，AMD推出了处理器和GPU集成的设计（图6）。 希望通过OpenCL异构估计技术来提升性能，并支持相应技术的应用。 简单而庞大的计算，比如简单的表格处理，都可以在GPU部分处理，大大提高运行效率。
（图6）
与AMD将现有主板核心集成到处理器中的做法不同，Intel在处理器中加入了新的显示核心——核显主板vega软件教程，简称核显（图7）。 它无法像结构较为复杂的AMD集成主板那样负责很多计算任务，但由于统一的架构设计，它也可以用于视频处理等计算的加速。
（图7）
回到独立显示市场，DirectX11可以看作是DirectX10的高效版本。 它的生命力极其强大。 目前推出的大部分游戏和应用程序仍然支持该API。 因此，相应的产品如Nvidia的GTX400系列和AMD的HD6000系列也可以支持大多数当代游戏，并且在游戏或软件配置要求上仍然是常见的面孔。 其实DirectX12也出现很快，但由于与操作系统绑定太深，进步不够大，所以在这期间仍然没有成为主流。
在此期间也出现了一些特殊的产品和技术，例如HBM内存和相应的AMD RX Vega系列主板等，但由于各种激励措施未能成为主流。 而且这项技术还没有完全被淘汰。 例如，HBM内存用于低端计算的专业加速卡和同样特殊设计的GPU芯片，并已成为高端工作站、服务器甚至超级笔记本的组件。 Vega显示核心已成为AMD下一代显示架构的基础之一。
震撼新时代
2018年8月到2019年，Nvidia的RTX2070/2080系列和AMD的RX5000相继问世，迎来了主板的新时代。 两款产品在架构方面都进行了大幅更新，RTX20系列甚至由于光线追踪（RT）能力的降低而将GTX变成了RTX。
除了新增光线追踪单元提供相应能力外，RTX20系列还拥有AI计算单元，可以提供DLSS帧率优化技术的新概念。 这些帧率优化技术结合了传统的多采样图像优化技术和图像拉伸帧率增强技术。 它以较低的帧率进行渲染，并放大到较高的帧率以提高帧率，但同时它通过对前后帧进行采样和分析来优化帧率（图8）。
（图8）
更有趣的是，它的优化运算是通过AI单元智能实现的。 而Nvidia会在高端服务器上长时间运行游戏后找到最佳的优化方案，然后在驱动程序中推荐给RTX主板，以获得最高的帧率和最佳的图像质量。
RX5000是第一代AMD全新RDNA架构。 其基本能力可以说是中规中矩，主要目标是提高效率。 它缺乏RTX主板的这些新功能和特效。 但其内部的变化可以说更大，因为从整体结构来看，其核心更像是已经被证明非常成功的Ryzen处理器，各级缓存的分布甚至可以在多组流处理器之间看到。 整体非常简单（图9）。
（图9）
事实上，作为新架构的第一代产品，RTX20和RX5000存在的问题相当多，而后来出现的RTX30和RX6000系列更像是改进的产品。 其中，RTX30主要提升效率，提升光学追踪、DLSS等新技术的性能，而RX6000则变化更大，减少了光学追踪单元、InfinityCache等配置，并支持新的帧率优化技术FSR等，在性能方面，终于可以与RTX30抗衡了。
本次产品更新还有一个有趣的现象。 此前在RTX20系列中标配的Type-C插座（图10）在RTX30系列中被取消，但在RX6000中被添加到产品中。 这种光追和帧率优化技术的相互借鉴，在两大GPU架构设计各异的今天变得越来越明显。
（图10）
你的名字了解新主板的型号
2022年第14期《看看主板不只是流处理器》近日介绍了主板的命名规则。 从目前的信息来看，新一代主板也延续了之前的规则。 不过，虽然听过这个命名，也知道所谓的低端中学，但还是有很多学生不明白其中的深意。 那么，笔者就对这种看似高大上的缩写进行拆解讲解，让大家能够更深入的理解，也应该能够更好的理解和记住它们。
2022年第14期《看看主板不只是流处理器》近日介绍了主板的命名规则。 从目前的信息来看，新一代主板也延续了之前的规则。 不过，虽然听过这个命名，也知道所谓的低端中学，但还是有很多学生不明白其中的深意。 那么，笔者就对这种看似高大上的缩写进行拆解讲解，让大家能够更深入的理解，也应该能够更好的理解和记住它们。
● Radeon RX7000
Radeon是ATI为其GPU（图形处理单元）产品选择的品牌名称，由AMD继承。 其官方英文名称为“Radium Dragon”，以统一Phenom、Ryzen等AMD产品的命名规则。 虽然它的本义是镭元素，是居里夫人发现的，是人类已知的第一个放射性元素，但辐射所带来的辉煌光彩以及镭元素对化学、人类科学乃至整个人类的开创性作用应该是选择这个名字的主要诱因。 不过，在更早的图形芯片时代，ATI也有Rage等多种产品型号名称（图11），而Radeon可能也有延续其R系列前缀的意思。
（图11）
虽然代号 RX 中的 X 是罗马数字的 10，但这个名称来自于 AMD 主板的等级，之前以 R5、R7、R9 来区分。 不过在RX480/Vega时代，为了表明新品比之前的R9型号更强大，就使用了RX（R10）的代号，然后这个代号被赋予给所有新的GPU/主板。
至于RX7000系列机型中经常出现的后缀XT，则意味着改进版本，虽然目前的Ryzen处理器使用的X也是源自XT的缩写。
●GeForce RTX40
和Radeon一样，GeForce也是进入GPU时代后的一个品牌名称。 这是一个由几何和力组成的短语。 它也有英文名称“Jingshi”，但在官方新闻和公告之外很少使用。
上一篇文章提到，RTX是由GTX演变而来的代号，指出其具有光线追踪功能，而GTX的全称是GTextreme，意思是高端主板的定位。 一些早期的Lightning卡和入门级主板会使用代号GT，例如GT1030（图12），但在最近几代产品中还没有看到。
（图12）
同样，在RTX40系列中，很有可能会看到带有Super或Ti后缀的型号。 它们都表示比相应型号不带后缀的配置或频率更高。 后者实际上意味着更强，而前者则意味着“钛”金属，通常是同级别中最强的型号。
展望未来主板的发展方向
RTX30和RX6000已经很强大了，但问题仍然存在。 比如光线追踪对性能的过度消耗，即使光线追踪引擎已经开发了两代，RTX30也无法保证开启最高光线追踪效果后的流畅度，更不用说新秀RX6000系列了。 虽然如果仔细观察DLSS、FSR等帧率优化技术，你会发现官方的说法是为了满足高帧率游戏的需求，但从全高清1080P就可以启用的设计已经说明，提高光追性能至少是这项技术最重要的目标之一。
据悉，虽然目前的帧率优化技术已经表现相当不错，能够获得接近原始画面的疗效，但从效率上来说，需要投入大量资源进行采样和分析，对计算资源造成浪费； 并且每一帧都需要在帧前和帧后进行全面校正（图13）。
（图13）
显然，对于未来的显存来说，迫切需要提高光追能力，甚至将其当作一种非常普通的计算，而不是消耗大量资源的“昂贵”特效来追求。 从目前的消息来看，至少RX7000将这个能力作为一个特别重要的改进来宣传，希望RTX40也能做到这一点。
另一个急需解决的问题是内存。 它的设计也走了很长时间的弯路。 即使转向 PCIe 通道，GPU、显存与显存、CPU 之间更快的通信也曾经是一个很大的需求。 不过，随着主板的不断发展，板载内存已经成为唯一的解决方案。 为了满足一些很少遇到的极端情况，甚至纯粹为了商业噱头，顶级的内存方案却让用户不满意。 然而vega软件教程，入门级甚至主流显存中的所谓“正常”显存容量，在处理高端游戏或图形应用时，可能会“爆显存”。 然而，能够解决这个问题的PCIe通信能力却被有意无意地忽视了。
虽然PCIe4.0通道已经逐渐成为主流，但其提供的充足带宽完全可以满足GPU、显存与显存、处理器之间的通信。 AMD和Nvidia已经开始提供相应的技术，但目前他们只允许处理器访问所有内存（图14）。 想要真正发挥其能力，甚至更进一步，让GPU能够更好地访问显存，需要未来主板乃至未来处理器平台更好的支持和配合。 随着同样拥有强大处理器平台的Intel进军独显市场，以及PCIe5.0超高带宽通道的普及，这三天应该离我们不远了，让我们一起期待主板的新时代，不需要花钱订购超配内存，也不用担心撑爆内存。 CF
（图14）
