显卡技术详解1

2008-01-28 12:13

1、适用类型 　　 1）台式机显卡――普通显卡 　　普通显卡，就是普通台式机内所采用的显卡产品，也就是 DIY 市场内最为常见的显卡产品。之所以叫它普通显卡，是相对于应用在图形工作站上的专业显卡产品而言的。普通显卡更多注重于民用级应用，更强调的是在用户能接受的价位下，提供更强大的娱乐、办公、游戏、多媒体等方面的性能；而专业显卡则强调的是强大的性能、稳定性、绘图的精确等方面。目前，设计制造普通显卡的显示芯片的厂家，主要有 NVIDIA、ATI、SIS 等，但主流的产品，都是采用 NVIDIA、ATI 的显示芯片。 　　 2）工作站显卡――专业显卡 　　专业显卡，是指应用于图形工作站上的显示卡，它是图形工作站的核心。从某种程度上来说，在图形工作站上，它的重要性甚至超过了 CPU。与针对游戏、娱乐和办公市场为主的消费类显卡相比，专业显卡主要针对的是三维动画软件（如 3DS Max、Maya、Softimage 3D 等）、渲染软件（如 LightScape、3DS VIZ 等）、CAD软件（如 AutoCAD、Pro/Engineer、Unigraphics、SolidWorks 等）、模型设计（如 Rhino）以及部分科学应用等专业应用市场。专业显卡针对这些专业图形图像软件进行必要的优化，都有着极佳的兼容性。 　　普通家用显卡，主要针对 Direct 3D 加速，而专业显卡，则是针对 OpenGL 来加速的。OpenGL（Open Graphics Library 开放图形库）是目前科学和工程绘图领域无可争辩的图形技术标准。OpenGL 最初由 SGI 公司提出，在 Win98 及 WinNT/Win2000 中均得到支持。OpenGL 注重于快速绘制 2D 和 3D 物体，用于 CAD、仿真、科学应用可视化和照片级真实感的游戏视景中。它是一个开放的三维图形软件包，它独立于窗口系统和操作系统，能十分方便地在各平台间移植，它具有开放性、独立性和兼容性三大特点。 　　专业显卡在多边形产生速度或是像素填充率等指标上，都要优于普通显卡，同时在调整驱动程序以及提供绘图的精确性方面，也要强很多。与普通显卡注重的生产成本不同，专业显卡更强调性能以及稳定性，而且受限于用户群体较少，产量很小，因此专业显卡的价格都极为昂贵，不是普通用户所能承受的。 　　目前，专业显卡厂商，有 3DLabs、NVIDIA 和 ATI 等几家公司。3DLabs 公司主要有“强氧（OXYGEN）”和“野猫（Wildcat）”两个系列的产品，是一家专注于设计、制造专业显卡的厂家。NVIDIA 公司一直是家用显卡市场的中坚力量，专业显卡领域是近几年才开始涉足，但凭借其雄厚的技术力量，其 Quadro 系列显卡在专业市场也取得了很大的成功。ATI 公司同样也是涉足专业显卡时间不长，它是在收购了原来“帝盟（DIAMOND）”公司的 FireGL 分部后，才开始推出自己的专业显卡，目前 FireGL 同样也有不俗的表现。市场还有艾尔莎、丽台等公司也在生产专业显卡，但其并不自主开发显示芯片，而都采用上面三家公司的显示芯片，生产自有品牌的专业显卡。 2、接口类型 　　接口类型，是指显卡与主板连接所采用的接口种类。显卡的接口，决定着显卡与系统之间数据传输的最大带宽，也就是瞬间所能传输的最大数据量。不同的接口，能为显卡带来不同的性能，而且也决定着主板是否能够使用此显卡。只有在主板上有相应接口的情况下，显卡才能使用。显卡发展至今，共出现了 ISA、PCI、AGP 等几种接口，所能提供的数据带宽，也是依次增加。而采用下一代的 PCI Express 接口的显卡，也将在 2004 年正式被推出。届时，显卡的数据带宽将得到进一步的增大，以解决显卡与系统数据传输的瓶颈问题。 　　 1、ISA 接口 　　ISA 接口是基于 ISA 总线（Industrial Standard Architecture，工业标准结构总线）的扩展接口，其颜色一般为黑色，比 PCI 接口插槽要长些，位于主板的最下端。其工作频率为 8MHz 左右，为 16 位接口插槽，最大传输率 8MB/sec，可插接显卡、声卡、网卡，以及所谓的多功能接口卡等扩展插卡。其缺点是 CPU 资源占用太高，数据传输带宽太小，是已经被淘汰的插槽接口。目前还能在许多老主板上看到 ISA 插槽，现在新出品的主板上，已经几乎看不到 ISA 接口的身影了。 　　 2、PCI 接口 　　PCI 是 Peripheral Component Interconnect（外设部件互连标准）的缩写，它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。PCI 插槽也是主板带有最多数量的插槽类型。在目前流行的台式机主板上，ATX 结构的主板，一般带有 5～6 个 PCI 插槽；而小一点的 MATX 主板，也都带有 2～3 个 PCI 插槽，可见其应用的广泛性。 　　PCI 是由 Intel 公司 1991 年推出的一种局部总线。从结构上看，PCI 是在 CPU 和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持 10 种外设，并能在高时钟频率下保持高性能，它为显卡、声卡、网卡、MODEM 等设备提供了连接接口，它的工作频率为 33MHz/66MHz。 　　最早提出的 PCI 总线，工作在 33MHz 频率之下，传输带宽达到了 133MB/s（33MHz X 32bit/8），基本上满足了当时处理器的发展需要。随着对更高性能的要求，1993 年又提出了 64bit 的 PCI 总线，后来又提出把 PCI 总线的频率提升到 66MHz。目前，广泛采用的是 32-bit、33MHz 的 PCI 总线，而 64bit 的 PCI 插槽，更多是应用于服务器产品。 　　由于 PCI 总线只有 133MB/s 的带宽，对声卡、网卡、视频卡等绝大多数输入/输出设备显得绰绰有余，但对性能日益强大的显卡，则无法满足其需求。目前 PCI 接口的显卡已经不多见了，只有较老的 PC 上才有，厂商也很少推出此类接口的产品。 　　 3、AGP 接口 　　AGP（Accelerate Graphical Port），加速图形接口。随着显示芯片的发展，PCI 总线日益无法满足其需求。英特尔于 1996 年 7 月正式推出了 AGP 接口，它是一种显示卡专用的局部总线。严格的说，AGP 不能称为总线，它与 PCI 总线不同，因为它是点对点连接，即连接控制芯片和 AGP 显示卡，但在习惯上我们依然称其为 AGP 总线。AGP 接口是基于 PCI 2.1 版规范并进行扩充修改而成，工作频率为 66MHz。 　　AGP 总线直接与主板的北桥芯片相连，且通过该接口，让显示芯片与系统主内存直接相连，避免了窄带宽的 PCI 总线形成的系统瓶颈，增加 3D 图形数据传输速度，同时在显存不足的情况下，还可以调用系统主内存。所以，它拥有很高的传输速率，这是 PCI 等总线无法与其相比拟的。 　　由于采用了数据读写的流水线操作，减少了内存等待时间，数据传输速度有了很大提高；具有 133MHz 及更高的数据传输频率；地址信号与数据信号分离，可提高随机内存访问的速度；采用并行操作，允许在 CPU 访问系统 RAM 的同时，AGP 显示卡访问 AGP 内存；显示带宽也不与其它设备共享，从而进一步提高了系统性能。 　　AGP 标准，在使用 32 位总线时，有 66MHz 和 133MHz 两种工作频率，最高数据传输率为 266Mbps 和 533Mbps。而 PCI 总线，理论上的最大传输率仅为 133Mbps。目前，最高规格的 AGP 8X 模式下，数据传输速度达到了 2.1GB/s。 　　AGP 接口的发展，经历了 AGP 1.0（AGP 1X、AGP 2X）、AGP 2.0（AGP Pro 和 AGP 4X）、AGP 3.0（AGP 8X）等阶段，其传输速度也从最早的 AGP 1X 的 266MB/S 的带宽，发展到了 AGP 8X 的 2.1GB/S。 　　 1) AGP 1.0（AGP 1X、AGP 2X） 　 1996 年 7 月 AGP 1.0 图形标准问世，分为 1X 和 2X 两种模式，数据传输带宽分别达到了 266MB/s 和 533MB/s。 　　这种图形接口规范，是在 66MHz PCI 2.1 规范基础上经过扩充和加强而形成的，其工作频率为 66MHz，工作电压为 3.3V，在一段时间内基本满足了显示设备与系统交换数据的需要。这种规范中的 AGP 带宽很小，现在已经被淘汰了，只有在前几年的老主板上还见得到。 　　 2) AGP 2.0（AGP 4X） 　　显示芯片的飞速发展，图形卡单位时间内所能处理的数据呈几何级数成倍增长，AGP 1.0 图形标准越来越难以满足技术的进步了。由此 AGP 2.0 便应运而生了。1998 年 5 月份，AGP 2.0 规范正式发布，工作频率依然是 66MHz，但工作电压降低到了 1.5V，并且增加了 4X 模式，这样，它的数据传输带宽达到了 1066MB/sec，数据传输能力大大地增强了。 　　 3) AGP Pro 　　AGP Pro 接口与 AGP 2.0 同时推出，这是一种为了满足显示设备功耗日益加大的现实而研发的图形接口标准。应用该技术的图形接口，主要的特点是比 AGP 4X 略长一些，其加长部分，可容纳更多的电源引脚，使得这种接口可以驱动功耗更大（25-110w）或者处理能力更强大的 AGP 显卡。这种标准，其实是专为高端图形工作站而设计的，完全兼容 AGP 4X 规范，使得 AGP 4X 的显卡也可以插在这种插槽中正常使用。AGP Pro 在原有 AGP 插槽的两侧进行延伸，提供额外的电能。它是用来增强而不是取代现有 AGP 插槽的功能。根据所能提供能量的不同，可以把 AGP Pro 细分为 AGP Pro110 和 AGP Pro50。在某些高档台式机主板上，也能见到 AGP Pro 插槽，例如，华硕的许多主板。 　　 4) AGP 3.0（AGP 8X） 　　2000 年 8 月，Intel 推出 AGP 3.0 规范，工作电压降到 0.8V，并增加了 8X 模式，这样，它的数据传输带宽达到了 2133MB/sec，数据传输能力相对于 AGP 4X 成倍增长，能较好的满足当前显示设备的带宽需求。 　　 5) AGP 接口的模式传输方式 　　不同 AGP 接口的模式传输方式不同。1X 模式的 AGP，工作频率达到了 PCI 总线的两倍――66MHz，传输带宽理论上可达到 266MB/s。AGP 2X 工作频率同样为 66MHz，但是它使用了正负沿（一个时钟周期的上升沿和下降沿）触发的工作方式，在这种触发方式中，在一个时钟周期的上升沿和下降沿各传送一次数据，从而使得一个工作周期先后被触发两次，使传输带宽达到了加倍的目的。而这种触发信号的工作频率为 133MHz。这样，AGP 2X 的传输带宽，就达到了 266MB/s×2（触发次数）＝533MB/s 的高度。AGP 4X 仍使用了这种信号触发方式，只是利用两个触发信号在每个时钟周期的下降沿分别引起两次触发，从而达到了在一个时钟周期中触发 4 次的目的。这样，在理论上它就可以达到 266MB/s×2（单信号触发次数）×2（信号个数）＝1066MB/s 的带宽了。在 AGP 8X 规范中，这种触发模式仍然使用，只是触发信号的工作频率变成 266MHz，两个信号触发点也变成了每个时钟周期的上升沿，单信号触发次数为 4 次。这样，它在一个时钟周期所能传输的数据，就从 AGP 4X 的 4 倍，变成了 8 倍，理论传输带宽将可达到 266MB/s×4（单信号触发次数）×2（信号个数）＝2133MB/s 的高度了。                                 图1 　　目前，常用的 AGP 接口为 AGP 4X、AGP PRO、AGP 通用及 AGP 8X 接口。需要说明的是，由于 AGP 3.0 显卡的额定电压为 0.8―1.5V，因此不能把 AGP 8X 的显卡插接到 AGP 1.0 规格的插槽中。这就是说，AGP 8X 规格与旧有的 AGP 1X/2X 模式不兼容。而对于 AGP 4X 系统，AGP 8X 显卡仍旧在其上工作，但仅会以 AGP 4X 模式工作，无法发挥 AGP 8X 的优势。 　　 4、PCI Express 接口 　　PCI Express 是新一代的总线接口，而采用此类接口的显卡产品，已经在 2004 年正式面世。早在 2001 年的春季“英特尔开发者论坛”上，英特尔公司就提出了要用新一代的技术取代 PCI 总线和多种芯片的内部连接，并称之为第三代 I/O 总线技术。随后在 2001 年底，包括 Intel、AMD、DELL、IBM 在内的 20 多家业界主导公司，开始起草新技术的规范，并在 2002 年完成，对其正式命名为 PCI Express。                                    图2 　　PCI Express 采用了目前业内流行的点对点串行连接，比起 PCI 以及更早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以把数据传输率提高到一个很高的频率，达到 PCI 所不能提供的高带宽。相对于传统 PCI 总线在单一时间周期内只能实现单向传输，PCI Express 的双单工连接，能提供更高的传输速率和质量，它们之间的差异跟半双工和全双工类似。 　　PCI Express 的接口，根据总线位宽不同而有所差异，包括 X1、X4、X8 以及 X16（X2 模式将用于内部接口而非插槽模式）。较短的 PCI Express 卡，可以插入较长的 PCI Express 插槽中使用。PCI Express 接口能够支持热拔插，这也是个不小的飞跃。PCI Express 卡支持的三种电压，分别为 +3.3V、3.3Vaux 以及 +12V。用于取代 AGP 接口的 PCI Express 接口位宽为 X16，将能够提供 5GB/s 的带宽，即便有编码上的损耗，但仍能够提供约为 4GB/s 左右的实际带宽，远远超过 AGP 8X 的 2.1GB/s 的带宽。 　　PCI Express 规格从 1 条通道连接到 32 条通道连接，有非常强的伸缩性，以满足不同系统设备对数据传输带宽不同的需求。例如，PCI Express X1 规格支持双向数据传输，每向数据传输带宽 250MB/s，PCI Express X1 已经可以满足主流声效芯片、网卡芯片和存储设备对数据传输带宽的需求，但是远远无法满足图形芯片对数据传输带宽的需求。因此，必须采用 PCI Express X16，即 16 条点对点数据传输通道连接来取代传统的 AGP 总线。PCI Express X16 也支持双向数据传输，每向数据传输带宽高达 4GB/s，双向数据传输带宽有 8GB/s 之多。相比之下，目前广泛采用的 AGP 8X 数据传输，只提供 2.1GB/s 的数据传输带宽。 　　尽管 PCI Express 技术规格允许实现 X1（250MB/秒），X2、X4、X8、X12，X16 和 X32 通道规格，但是依目前形式来看，PCI Express X1 和 PCI Express X16 将成为 PCI Express 主流规格，同时芯片组厂商将在南桥芯片当中，添加对 PCI Express X1 的支持，在北桥芯片当中添加对 PCI Express X16 的支持。除去提供极高数据传输带宽之外，PCI Express 因为采用串行数据包方式传递数据，所以 PCI Express 接口每个针脚可以获得比传统 I/O 标准更多的带宽。这样，就可以降低 PCI Express 设备生产成本和体积。另外，PCI Express 也支持高阶电源管理，支持热插拔，支持数据同步传输，为优先传输数据进行带宽优化。 　　在兼容性方面，PCI Express 在软件层面上兼容目前的 PCI 技术和设备，支持 PCI 设备和内存模组的初始化。也就是说，目前的驱动程序、操作系统无需推倒重来，就可以支持 PCI Express 设备。 3 、最大分辨率 　　最大分辨率，是指显卡在显示器上所能描绘的像素点的数量。大家知道，显示器上显示的画面，是由一个个的像素点构成的，而这些像素点的所有数据，都是由显卡提供的。最大分辨率，就是表示显卡输出给显示器，并能在显示器上描绘像素点的数量。最大分辨率在一定程度上跟显存有着直接关系，因为这些像素点的数据，最初都要存储于显存内，因此，显存容量会影响到最大分辨率。但现在流行应用的 64MB、128MB 等显存容量，足以应付，并不会制约最大分辨率。目前，显示芯片都能提供 2048X1536 的最大分辨率，但绝大多数的显示器并不能提供如此高的显示分辨率，还没到这个分辨率时，显示器就已经黑屏了。 　　切记，显卡能输出的最大显示分辨率，并不代表自己的机器就能达到，还必须有足够强的显示器配套才可以。 4、显示芯片 　　显示芯片，是显卡的核心芯片。它的性能好坏，直接决定了显卡性能的好坏。它的主要任务，就是处理系统输入的视频信息，并将其进行构建、渲染等工作。显示主芯片的性能，直接决定了显卡性能的高低。不同的显示芯片，不论从内部结构，还是其性能，都存在着差异，而其价格差别也很大。显示芯片在显卡中的地位，就相当于电脑中 CPU 的地位，是整个显卡的核心。由于显示芯片的复杂性，目前设计制造显示芯片的厂家，只有 NVIDIA、ATI、SIS、3DLabs 等公司。家用娱乐性显卡，都采用单芯片设计的显示芯片，而在部分专业的工作站显卡上，有采用多个显示芯片组合的方式。 　　 1) NVIDIA 系列显示芯片                                图3 NVIDIA 显示芯片1                           图4 NVIDIA 显示芯片2                            图5 NVIDIA 显示芯片3                            图6 NVIDIA 显示芯片4                         图7 NVIDIA 显示芯片5                         图8 NVIDIA 显示芯片6                         图9 NVIDIA 显示芯片7                         图10 NVIDIA 显示芯片8                         图11 NVIDIA 显示芯片9 　　 2) ATI 系列显卡芯片                        图12 ATI 显示芯片1                             图13 ATI 显示芯片2                             图14 ATI 显示芯片3                             图15 ATI 显示芯片4                             图16 ATI 显示芯片5                           图17 ATI 显示芯片6                           图18 ATI 显示芯片7                           图19 ATI 显示芯片8                          图20 ATI 显示芯片9                          图21 ATI 显示芯片10 5、显示芯片制作工艺 　　显示芯片的制造工艺与 CPU 一样，也是用微米来衡量其加工精度的。制造工艺的提高，意味着显示芯片的体积将更小、集成度更高，可以容纳更多的晶体管，性能会更加强大，功耗也会降低。 　　和中央处理器一样，显示卡的核心芯片，也是在硅晶片上制成的。采用更高的制造工艺，对于显示核心频率和显示卡集成度的提高，都是至关重要的。而且重要的是，制程工艺的提高，可以有效的降低显卡芯片的生产成本。目前的显示芯片制造商中，NVIDIA 公司已全面采用了 0.13 微米的制造工艺，就是其 FX5900 显示核心之所以能集成一亿两千五百万个晶体管的根本原因。而 ATI 公司主要还是在使用 0.15 微米的制造工艺，比如其高端的镭 9800XT 和镭 9800 Pro 显卡，部分产品采用更先进的 0.13 微米制造工艺，比如其镭 9600 显卡。 　　微电子技术的发展与进步，主要是靠工艺技术的不断改进，使得器件的特征尺寸不断缩小，从而集成度不断提高，功耗降低，器件性能得到提高。芯片制造工艺在 1995 年以后，从 0.5 微米、0.35 微米、0.25 微米、0.18 微米、0.15 微米，一直发展到当前的 0.13 微米。而更为先进的 0.09 微米制造工艺的显卡产品，也已在显卡厂商的发展规划中，在 2004 年就会推出相应的产品。 　　制造工艺的微米，是指 IC 内电路与电路之间的距离。制造工艺的趋势是向密集度愈高的方向发展。密度愈高的 IC 电路设计，意味着在同样大小面积的 IC 中，可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计。而 0.13 微米工艺的好处非常明显，不但可以得到转换速度更快的晶体管，还能产出更小的芯片。更小的晶体管，能减少耗电量及产品体积，效能也相对提高，而且也降低功耗和发热量。 　　采用更高制造工艺的显示芯片，并不代表其具有更高的性能，因为显示芯片设计思路也各不同相同，并不能单纯以制造工艺来衡量其性能。最明显的就是 NVDIVA 的 GeForce FX5950 和 ATI 的 Readen 9800XT、9800XT 采用 0.15 微米制造工艺，而 FX5950 采用更为先进的 0.13 微米制造工艺，但在性能表现上，Readen 9800XT 则要略胜一筹。 6、显示芯片位宽 　　显示芯片位宽，是指显示芯片内部数据总线的位宽，也就是显示芯片内部所采用的数据传输位数。目前，主流的显示芯片，基本都采用了 256 位的位宽。采用更大的位宽，意味着在数据传输速度不变的情况，瞬间所能传输的数据量越大。就好比是不同口径的阀门，在水流速度一定的情况下，口径大的能提供更大的出水量。显示芯片位宽，就是显示芯片内部总线的带宽，带宽越大，可以提供的计算能力和数据吞吐能力也越快，是决定显示芯片级别的重要数据之一。目前，已推出最大显示芯片位宽是 512 位，那是由 Matrox（幻日）公司推出的 Parhelia-512 显卡，这是世界上第一颗具有 512 位宽的显示芯片。而目前市场中所有的主流显示芯片，包括 NVIDIA 公司的 GeForce 系列显卡，ATI 公司的 Radeon 系列等，全部都采用 256 位的位宽。这两家目前世界上最大的显示芯片制造公司，也将在未来几年内采用 512 位宽。 　　显示芯片位宽的增加，并不代表该芯片的性能更强，因为显示芯片集成度相当高，设计制造都需要很高的技术能力，单纯的强调显示芯片的位宽，并没有多大意义。只有在其它部件、芯片设计、制造工艺等方面都完全配合的情况下，显示芯片位宽的作用才能得到体现。 7、显存位宽 　　显存位宽，是显存在一个时钟周期内所能传送数据的位数。位数越大，则瞬间所能传输的数据量越大，这是显存的重要参数之一。目前，市场上的显存位宽有 64 位、128 位和 256 位三种，人们习惯上叫的 64 位显卡、128 位显卡和 256 位显卡，就是指其相应的显存位宽。显存位宽越高，性能越好，价格也就越高。因此，256 位宽的显存，更多的是应用于高端显卡，而主流显卡基本都采用 128 位显存。 　　大家知道，显存带宽＝显存频率 X 显存位宽/8。那么，在显存频率相当的情况下，显存位宽将决定显存带宽的大小。比如说，同样显存频率为 500MHz 的 128 位和 256 位显存，那么它俩的显存带宽，将分别为：128位＝500MHz*128�M8=8GB/s，而 256位＝500MHz*256�M8=16GB/s，是 128 位的 2 倍。可见，显存位宽在显存数据中的重要性。 　　显卡的显存，是由一块块的显存芯片构成的。显存总位宽，同样也是由显存颗粒的位宽组成。显存位宽＝显存颗粒位宽×显存颗粒数。显存颗粒上都带有相关厂家的内存编号，可以去网上查找其编号，就能了解其位宽，再乘以显存颗粒数，就能得到显卡的位宽。这是最为准确的方法，但施行起来较为麻烦。 　　下面，教大家一个较为简便的方法，但只适应于一般情况，存在一些特殊情况，在大部分情况下能适用。目前，显存的封装形式，主要有 TSOP 和 BGA 两种，一般情况下，BGA 封装的显存是 32 位/颗的，而 TSOP 封装的颗粒是 16 位/颗的。如果显卡采用了四颗 BGA 封装的显存，那么，它的位宽是 128 位的；而如果是八颗 TSOP 封装颗粒，那么，位宽也是 128 位的；但如果显卡只采用了四颗 TSOP 封装颗粒，那么显存位宽就只有 64 位。这只是一个一般情况下的技巧，不一定符合所有的情况。要做到最为准确的判断，还是察看显存编号吧！