什么是GPU？跟CPU有什么区别？终于有人讲明白了

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5年之前

什么是GPU？跟CPU有什么区别？终于有人讲明白了

导读：一文看懂GPU的前世今生。

作者：钱纲

来源：华章科技

▲图24-1 CPU的结构图（冯·诺依曼构架）

CPU的运行遵循冯·诺依曼构架：存储程序顺序执行。程序执行过程如下：CPU根据程序计数器（Program Counter，PC）从内存中得到指令，然后通过指令总线将指令送至译码器，将转译后的指令交给时序发生器与操作控制器，再从内存中取得数据并由运算器对数据进行处理，最后通过数据总线将数据存至数据缓存寄存器以及内存中。

CPU是一步步来处理数据的（见图24-2）。在处理大规模与高速数据时，CPU很难满足需要。

▲图24-3 CPU与GPU构架对比示意图

CPU的功能模块多，适合复杂的运算环境，大部分晶体管用在控制电路和Cache上，少部分晶体管用来完成运算工作。GPU的控制相对简单，且不需要很大的Cache，大部分晶体管可被用于各类专用电路和流水线，GPU的计算速度因此大增，拥有强大的浮点运算能力。

当前的多核CPU一般由4或6个核组成，以此模拟出8个或12个处理进程来运算。但普通的GPU就包含了几百个核，高端的有上万个核，这对于多媒体处理中大量的重复处理过程有着天生的优势，同时更重要的是，它可以用来做大规模并行数据处理。

尽管，GPU是为了图像处理设计的，但它的构架并没有专门的图像处理算法，仅仅是对CPU的构架进行了优化，因此GPU不仅在图像处理中应用广泛，还在科学计算、密码破解、数值分析、大数据处理、金融分析等需要并行运算的领域中广为应用。GPU是一种较为通用的专业芯片。

02 图形处理器的构成

GPU的线路板一般是6层或4层PCB线路板。GPU的所有元器件都集成在它的线路板上，线路板影响着GPU的质量。

GPU线路板上最大的芯片就是GPU，它上面有散热片和风扇。作为处理数据的核心，GPU大多采用单芯片设计，而专业的GPU也有采用多个GPU芯片的。

GPU线路板上的另一个重要芯片是数/模转换器（RAMDAC）。它的作用是将显存中的数字信号转换成显示器能够识别的模拟信号，速度以MHz为单位，速度越快，图像越稳定，它决定了GPU能支持的最高刷新频率。为了降低成本，多数厂商都将数/模转换器整合到了GPU芯片中，但仍有一些高档GPU采用独立的数/模转换器芯片。

GPU的数据是存放在显存内的，显存是用来存储等待处理的图形数据信息的。显存容量决定了GPU支持的分辨率、色深。分辨率越高，显示的像素点越多，所需显存容量越大。对目前的三维GPU来说，需要很大的显存来存储Z-Buffer数据或材质数据。

显存有两大类：单端和双端显存。前者从GPU中读取数据并向数/模转换器传输数据且经过同一端口，数据的读写和传输无法同时进行；后者则可以同时进行数据的读写与传输。目前流行的显存有SDRAM、SGRAM、DDR RAM、VRAM、WRAM等。

GPU线路板上采用的常见电容类型有电解电容、钽电容等，前者发热量较大，许多名牌GPU采用钽电容来获得性能上的提升。电阻也是如此，常见的金属膜电阻、碳膜电阻越来越多地让位于贴片电阻。

GPU线路板上有对GPU进行供电的供电电路。它的作用是调整来自主板的电流以供GPU稳定地工作。由于GPU越来越精密，因此对GPU供电电路的要求也越来越高。

GPU线路板上还有一款用于VGA BIOS的闪存。它包含了GPU和驱动程序的控制程序、产品标识等信息。该闪存可以通过专用程序进行升级，改善GPU性能，有时能给GPU带来改头换面的效果。

GPU线路板上有向GPU内部提供数/模转换时钟频率的晶体振荡器等元器件。此外，由于GPU的频率越来越高，工作时热量很大，GPU线路板上还会有一个散热风扇。

03 计算机图形的生成原理

计算机的输出图像是模拟信号，而计算机处理的是二进制数字信号。数据离开CPU后，经过以下四个步骤，才到达显示屏成为图像。

经总线进入GPU，将CPU送来的数据送到GPU里进行处理。（数字信号）
从GPU进入显存，将GPU处理完的资料送到显存。（数字信号）
从显存进入数/模转换器，从显存读取出数据然后送到数/模转换器进行数据转换。
从数/模转换器进入显示器，将转换完的模拟信号送到显示屏（模拟信号）

显示屏上显示的是最后处理的结果，显示效能的高低由以上四个步骤共同决定，它与GPU的效能不同，GPU的效能决定了中间两步。第一步是由CPU进入到GPU，最后一步是由GPU将资料送到显示屏上。

近几年，人工智能中的深度学习算法大热，让GPU制造商大火。其实，深度学习的理论早在20世纪七八十年代就有了，但它的崛起主要是因为GPU的出现。英伟达公司的联合创始人与CEO黄仁勋说：“因为人工智能世界的大爆炸发生了，人工智能计算机科学家们找到了新算法，让我们能利用深度学习的技术，取得无人敢想的成果。”

04 显卡的诞生

提到显卡和GPU，人们会想到游戏和电影中精美的三维图形。其实，早期显卡不但不能处理三维图形，甚至连二维图形都无法处理，它仅具备显示能力。今天，GPU不但能够处理复杂的三维图形，还能作为协处理器，在通用计算中使用。

电脑图形处理器的发展是从图形显示适配器开始的，到图形加速器，再到图形处理器即GPU，其功能在不断增强。

从显示适配器到图形加速卡的转变是显卡历史上的重要转折点。从此，显卡开始承担计算机中的部分计算任务，这奠定了其日后与CPU分庭抗礼的基础。

电脑图形学是在1962年，由麻省理工学院的伊凡·苏泽兰（Ivan Edward Sutherland）在他的博士论文中提出来的。这位香农的学生是电脑图形之父。在之后的20年里，电脑图形学一直在不断发展，但没有产生专门的图形处理芯片。

在显卡出现之前，电脑中通常的图形输出工作由CPU承担。显卡的出现不是为了加速电脑的图形输出，最初的显卡是为了让游戏机上的二维图形显示加速。这款游戏是雅达利公司于1977年推出的雅达利2600。同期流行的电脑是苹果-II，而苹果-II的图形输出由CPU承担。

进行图形处理时需要电脑具备较强的并行计算能力，对精度和运算强度的要求也很高，对早期的电脑来说，这很难。当时的显卡仅仅是将CPU计算生成的图形翻译成显示设备能识别的信号来进行显示，不具备计算能力，被称作图形适配器（VGA Card）。

▲图24-5 阿米加500电脑用的显卡

1988年，支持256种颜色显示的第一代显卡问世。它是ATI公司生产的ATI VGA Wonder显卡。这是一款真正意义上的第一代显卡，时至今日VGA一词还是显卡的代名词。

05 前GPU时代

1989年，多家芯片制造商联合创立了影像电子工程标准协会（Video Electronic Standards Association，VESA）。1994年年底，VESA发表了64位架构的VESA Local Bus标准，80486及以后的个人电脑大多采用该标准的显卡。

1991年，英特尔推出了一种局部总线PCI（Peripheral Component Interconnect）。在结构上，PCI是在CPU和原来的系统总线之间插入的一级总线，由一个桥接电路对该层进行管理，并实现接口间的协调数据传送。管理器提供信号缓冲，使其支持10种外接设备，同时在高时钟频率下保持高性能。PCI为显卡、声卡、网卡等设备提供了接口。

显卡接口制约着显卡技术的发展。为了加快显卡与总线间的传输速度，使用高带宽的接口总线势在必行。在民用市场，显卡接口的起点是最普通的ISA接口，ISA接口包含ISA总线、EISA总线和VESA总线，ISA接口是一种统称。

当VGA标准流行之后，ISA接口就显得力不从心了，由PCI取而代之，但PCI接口并未持续多久就被更为先进的AGP（Accelerated Graphics Port）所淘汰。与PCI相比，AGP在带宽上有了突飞猛进的发展，还能有效利用系统内存。

但AGP的半开放性格局使之不断面临兼容性的困扰。从最早的AGP 1×到AGP 8×，真正具有里程碑意义的只有AGP 4×。如今AGP 8X也开始被PCI Express×16取而代之了。

1991年，支持微软视窗操作系统图形加速的第二代显卡（Graphics Card）问世。

VGA的唯一功能就是输出图像，图形运算全靠CPU，当微软的视窗操作系统出现后，PC不堪重负。1991年5月，ATI发布Mach8，这是ATI第一款优化微软视窗操作系统图形界面的显卡。ATI用专用芯片进行图形运算处理，将CPU解放了出来，且让视窗操作系统的界面运行起来非常流畅，图形化操作系统的资源消耗大降、实用性大增。

Mach8就是ATI 38800-1芯片。Mach8显卡由两个芯片组成，主芯片为VGA Wonder XL 24（ATI 28800-6），负责显示输出，辅助芯片是Mach8专门用于加速视窗操作系统图形界面的，通过双芯片的设计增强了绘图能力。

为了与只具备显示功能的VGA相区别，具备图形处理能的显卡被称为Graphics Card，即图形加速卡，它加速了视窗的普及，加速了PC图形化界面的步伐。

1991年6月，S3公司推出了一款二维图形加速卡S3 86C911。它是最早的视窗加速卡之一，支持16位256种颜色。此后，二维显卡进入了群雄争霸时代。当时，Trident、S3、Matrox三大厂商占据主导地位。

这些二维显卡角逐的激烈程度丝毫不亚于今天的三维显卡的争斗。由此也产生了不少经典产品：Trident的9440、S3的Trio64V+、Matrox的Millennium等。其中性能最优的是Millennium及后继产品，但因其售价昂贵没有得到很多市场份额。当时，最成功的是S3的Trio 64V+。等到了voodoo时代，它仍是voodoo的好搭配。

第一款三维显卡是三维实验室（3Dlabs）制造的GLINT 300SX（见图24-6）。它的三维图形的高洛德着色（Gouraud Shading），深度缓冲，全屏抗锯齿，Aplha混合等特性被沿用至今。300SX正式开启了计算机三维显示的大门，但它也有很多不足，比如没有数模转换芯片（RAMDAC），要加上数模转换芯片才能将内容输出到显示器上。

▲图24-7 3Dfx的第一款三维显卡

3Dfx的运气很好。1996年夏，芯片工艺的更新让RAM价格大跌，3Dfx借机得以推广，而各游戏和个人电脑生产厂家也改变了态度，开始使用voodoo。当voodoo以300美元的价格上市时，市场被引爆了。voodoo支持DVD和OpenGL，但二者还较粗糙，抑制了voodoo的性能。3Dfx只好开发图形API——Glide。

20世纪末，3Dfx的崛起宣布了三维显卡进入了白热化竞争时代。S3、Matrox、3Dlabs等厂商都加入了竞争，但它们均不敌voodoo。除voodoo以外的三维显卡的代表作是ATI的3DRage II+DVD。

这一款1996年秋天发布的显卡，其二维引擎来自Mach64。它具有MPEG-2硬件动态补偿功能，能在播放DVD时起到辅助作用，这是非常先进的。加上ImpacTV芯片，它还可以播放电视节目。3DRage II的驱动支持也非常好，无论是游戏用户还是专业用户都可以得到对应的驱动程序。只是ATI当时专注于OEM市场，而非零售。

3Dfx为了解决voodoo没有二维加速功能的问题，于1997年开发了具有二维加速功能的voodoo rush。但是其性能很差，它以主卡加副卡的方式实现二维加速，且二维芯片来自第三方。voodoo rush成了一款二维显示很差、三维性能又比voodoo差的显卡。它对Glide的支持也很差，经常无法加速。

不久，ATI研发出了3D Rage Pro。因其强大的DVD回放功能成了当时OEM多媒体电脑的首选。ATI尝试过进入零售市场，但因其很差的驱动失败了，等到ATI驱动没问题的时候，Rage Pro已过时了。3D Rage Pro是最早支持AGP接口的显卡之一。

ATI在被AMD收购之前一直是计算机图形领域的领头羊之一。这是一家由三位来自中国香港的华裔在1984年于加拿大创建的计算机图形公司。其主要创始人何国源，1950年出生于中国广东省。

12岁时，何国源来到香港。因家庭贫困，他20岁时只身来到学费和生活费较低的台湾就读大学。1984年，已在电脑领域有了丰富工作经验的何国源移居加拿大，创办了计算机图形公司——ATI。

1998年，3Dfx推出了voodoo2。voodoo2的性能比voodoo提高了2～3倍，它还增加了大量新的画质提升技术。voodoo2降低了对CPU的依赖，很多低端的CPU也可以流畅运行大型三维游戏。

voodoo2还引入了SLI技术，能让两张voodoo2显卡同时运算同一画面。有1/3以上的voodoo2用户是双卡用户。voodoo2让3Dfx成了三维显卡初期的绝对老大。

1998年，3Dfx犯了两个致命的错误：一是收购了一家名为STB的公司，自行生产GPU，舍弃了第三方合作伙伴；二是对Glide API的封锁，导致游戏厂商开始对其敬而远之，表面上看3Dfx因voodoo2风光无限，但这也是其衰落的开始。

3Dfx在1998年犯的错误并没有让它面临危机，这是因为没有竞争对手。到了1999年情况就不同了，几件事让3Dfx面临灭顶之灾。先是DX7带来了硬件T&L，硬件T&L的出现彻底解放了CPU，即便是低端CPU，搭配了支持硬件T&L的显卡也可以流畅地玩游戏。大量视觉技术的添加使得Glide的优势丧失殆尽。

3Dfx于1999年发布的voodoo3不支持新出现的AGP4x，仅支持2x，但只支持接口，不支持AGP的特性。voodoo3的16比特渲染在大势所趋的32比特潮流面前毫无竞争力。

同时，来自英伟达的TNT2以其强大的性能干脆利落地将voodoo3打败了。与同年发布的Gefroce 256相比，它只是一款TNT的改进产品，但这未能阻碍TNT2成为一代经典。

1998年2月，英特尔发布了和Real 3D合作设计的i740显卡（见图24-8）。这是迄今为止英特尔推出过的唯一一款独立显卡。i740支持2X AGP规格，核心频率为80MHz，像素填充率为55MT/s，支持DVD解压、平行信息处理、精准像素描插补等技术。

i740的2D效果并不令人满意，但它的三维性能还不错，它首次在民用显卡中采用散热风扇。后来，英特尔将i740改进后集成进了810芯片组。