圖形硬件簡(jiǎn)史與可編程管線

GPU發(fā)展簡(jiǎn)史

GPU英文全稱(chēng)Graphic Processing Unit，中文翻譯為“圖形處理器”，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用變得越來(lái)越重要

20世紀(jì)六七十年代，受硬件條件的限制，圖形顯示器只是計(jì)算機(jī)輸出的一種工具，限于硬件發(fā)展水平。人們只是純粹從軟件實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)考慮圖形用戶界面的規(guī)范問(wèn)題，此時(shí)還沒(méi)有GPU的概念

GPU概念在20世紀(jì)70年代末和80年代初被提出，使用單片集成電路作為圖形芯片，此時(shí)的GPU被用于視頻游戲和動(dòng)畫(huà)方面，它能夠很快的進(jìn)行幾張圖片的合成（僅限于此）。在20世紀(jì)80年代末到90年代初這段時(shí)間內(nèi)，基于數(shù)字信號(hào)處理芯片的GPU被研發(fā)出來(lái)，與前代相比速度更快，功能更強(qiáng)，當(dāng)然價(jià)格是非常的昂貴。在1991年，S3 Graphics公司研制出第一個(gè)單芯片2D加速器，到了1995年，主流的PC圖形芯片廠商都在自己的芯片上增加了對(duì)2D加速器的支持

1998年NVIDA公司宣布modern GPU研發(fā)成功，標(biāo)志著GPU研發(fā)的歷史性突破成為現(xiàn)實(shí)，通常將20世紀(jì)70年代末到1998年的這一段時(shí)間，稱(chēng)為pre-GPU時(shí)期，而自1998年往后的GPU稱(chēng)為modern GPU，在pre-GPU時(shí)期，一些圖形廠商如SGI、Evans & Sutherland，都研發(fā)了各自的GPu，這些GPU在現(xiàn)在并沒(méi)有被淘汰，依然在持續(xù)改進(jìn)和被廣泛的使用，當(dāng)然價(jià)格也是非常的高昂。modern GPU使用晶體管( transistors）進(jìn)行計(jì)算，在微芯片( microchip）中，GPU所使用的晶體管已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)CPU。例如，Intel在2.4GHz 的Pentium lV上使用5千5百萬(wàn)(55million）個(gè)晶體管;而NVIDIA在GeForce FX GPU上使用超過(guò)1億2千5百萬(wàn)( 125 million）個(gè)晶體管，在NVIDDIA 7800 GXT上的晶14體管達(dá)到3億2百萬(wàn)( 302 million)個(gè)。

回顧GPU的發(fā)展歷史，自1998年后可以分為4個(gè)階段。NVIDIA于1998年宣布Modern GPU研發(fā)成功，這標(biāo)志著第一代Modern GPU的誕生，第一代GPU包括NVIDIA TNT2，ATI 的Rage和3Dfx的Voodoo。這些GPU可以獨(dú)立于CPU進(jìn)行像素緩存區(qū)的更新，并可以光柵化三角面片以及進(jìn)行紋理操作，但是缺乏三維頂點(diǎn)的空間坐標(biāo)變換能力，這意味著“必須依賴(lài)于CPU執(zhí)行頂點(diǎn)坐標(biāo)變換的計(jì)算”。這一時(shí)期的GPU功能非常有限，只能用于紋理組合的數(shù)學(xué)計(jì)算或者像素顏色值的計(jì)算。

1999年，nvidia推出了一款可以用“驚變”來(lái)形容的顯示核心代號(hào)NV10的geforce 256。nVidia率先將硬體T&L整合到顯示核中。T&L原先由CPU負(fù)責(zé),或者由另一個(gè)獨(dú)立處理機(jī)處理。T&L是一大進(jìn)步,原因是顯視核心從CPU接管了大量工作。硬件T&L引擎帶來(lái)的效果是，3D模型可以用更多的多邊形來(lái)描繪，這樣就擁有了更加細(xì)膩的效果。而對(duì)于Lighting來(lái)說(shuō)，CPU不必冉計(jì)算大重的光照數(shù)據(jù)，直接通過(guò)顯卡就能獲得更好的效能。同時(shí)，這一階段的GPU對(duì)于紋理的操作也擴(kuò)展到了立方體紋理(cube map） 。NVIDIA的GeForce MAX，ATI的Radeon 7500等都是在這一階段研發(fā)的。

2001年是第三代modern GPU的發(fā)展時(shí)期，這一時(shí)期研發(fā)的GPU提供vertex programmability (頂點(diǎn)編程能力），如GeForce 3，GeForce 4Ti，ATI的8500等。這些GPU允許應(yīng)用程序指定一個(gè)序列的指令進(jìn)行頂點(diǎn)操作控制(GPU編程的本質(zhì)! )，這同樣是一個(gè)具有開(kāi)創(chuàng)意義的時(shí)期，這一時(shí)期確立的GPU編程思想一直延續(xù)到今天，不但深入到工程領(lǐng)域幫助改善人類(lèi)日常生活（醫(yī)療、地質(zhì)勘探、游戲、電影等），而且開(kāi)創(chuàng)或延伸了計(jì)算機(jī)科學(xué)的諸多研究領(lǐng)域（體繪制、光照模擬、人群動(dòng)畫(huà)、通用計(jì)算等）。同時(shí)，Direct8和OpenGL都本著與時(shí)俱進(jìn)的精神，提供了支持vertexprogrammability 的擴(kuò)展。不過(guò)，這一時(shí)期的GPU還不支持像素級(jí)的編程能力，即fragment programmability （片段編程能力）。

所謂Vertex，就是我們熟悉的組成3D圖形的頂點(diǎn)，由于設(shè)計(jì)3D模型是基于坐標(biāo)空間內(nèi)部設(shè)計(jì)的，所以Vertex信息包含了3D模型在空間內(nèi)的坐標(biāo)等信息。Vertex Shader則是對(duì)于Vertex信息的運(yùn)算編程器，可以通過(guò)賦予特定的算法而在工作中改變3D模型的外形，Vertex Shader頂點(diǎn)運(yùn)算單元可以直接檢索顯存中的材質(zhì)數(shù)據(jù)。現(xiàn)在的游戲場(chǎng)景越來(lái)越復(fù)雜了。所涉及到的材質(zhì)和多邊形數(shù)量都非常驚人。頂點(diǎn)材質(zhì)技術(shù)可以極大的提高GPU在處理復(fù)雜的游戲場(chǎng)景時(shí)的效率。并且游戲開(kāi)發(fā)人員還可以利用Vertex Shader的這一新的特性，充分發(fā)揮想象，實(shí)現(xiàn)很多非常漂亮的特效。例如在星際爭(zhēng)霸2demo片中展示的神族母艦黑洞的技能效果。

第四代GPU的發(fā)展時(shí)期從2002年末到2003年。NVIDIA的GeForceFX和ATI Radeon 9700同時(shí)在市場(chǎng)的舞臺(tái)上閃亮登場(chǎng)，這兩種GPU都支持vertex programmability和fragmentProgrammability。同時(shí)DirectX和OpenGL也擴(kuò)展了自身的API，用以支持vertex programmability和fragment programmability。自2003年起，可編程圖形處理器正式誕生，并且由于DirectX和OpenGL鍥而不舍的追趕潮流，導(dǎo)致基于圖形硬件的編程技術(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)GPU編程，也宣告誕生。

GPU的優(yōu)越性

由于GPU具有高并行結(jié)構(gòu)，所以GPU在處理圖形數(shù)據(jù)和復(fù)雜算法方面擁有比CPU更高的效率。CPU大部分面積為控制器和寄存器，與之相比，GPU擁有更多的ALU (Arithmetic Logic Unit,邏輯運(yùn)算單元）用于數(shù)據(jù)處理，這樣的結(jié)構(gòu)適合對(duì)密集型數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理。

GPU采用流式并行計(jì)算模式，可對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立的并行計(jì)算，所謂“對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算”，即，流內(nèi)任意元素的計(jì)算不依賴(lài)于其它同類(lèi)型數(shù)據(jù)，例如，計(jì)算一個(gè)頂點(diǎn)的世界位置坐標(biāo)，不依賴(lài)于其他頂點(diǎn)的位置，所謂“并行計(jì)算”是指“多個(gè)數(shù)據(jù)可以同時(shí)被使用，多個(gè)數(shù)據(jù)并行運(yùn)算的時(shí)間和1個(gè)數(shù)據(jù)單獨(dú)執(zhí)行的時(shí)間是一樣的”。所以，在頂點(diǎn)處理程序中，可以同時(shí)處理N個(gè)頂點(diǎn)數(shù)據(jù)。

GPU的缺陷

由于“任意一個(gè)元素的計(jì)算不依賴(lài)于其它同類(lèi)型數(shù)據(jù)”，導(dǎo)致“需要知道數(shù)據(jù)之間相關(guān)性的”算法，在GPU上難以得到實(shí)現(xiàn)，一個(gè)典型的例子是射線與物體的求交運(yùn)算。GPU中的控制器少于cPU，致使控制能力有限。另外，進(jìn)行GPU編程必須掌握計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相關(guān)知識(shí)，以及圖形處理APl，入門(mén)門(mén)檻較高，學(xué)習(xí)周期較長(zhǎng)，尤其國(guó)內(nèi)關(guān)于GPU編程的資料較為匱乏，這些都導(dǎo)致了學(xué)習(xí)的難度。在早期，GPU編程只能使用匯編語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)難度高、效率低，不過(guò)，隨著高級(jí)Shader language的興起，在GPU上編程已經(jīng)容易多了。

GPU的更多應(yīng)用

科學(xué)可視化計(jì)算:由于人體CT、地質(zhì)勘探、氣象數(shù)據(jù)、流體力學(xué)等科學(xué)可視化計(jì)算處理的數(shù)據(jù)量極大，僅僅基于CPU進(jìn)行計(jì)算完全不能滿足實(shí)時(shí)性要求，而在GPU上進(jìn)行計(jì)算則可以任雙率上運(yùn)到質(zhì)的突破，許多在CPU上非常耗時(shí)的算法，如體繪制中的光線投射算法，都可以成功移植到GPu上，所以基于GPU的科學(xué)可視化研究目前已經(jīng)成為主流。

通用算法:基于GPU進(jìn)行通用計(jì)算的研究逐漸成為熱點(diǎn)，被稱(chēng)之為GPGPU ( General-Purpose Computing on Graphics ProcessingUnits,也被稱(chēng)為GPGP，或GP2)，很多數(shù)值計(jì)算等通用算法都已經(jīng)在GPU上得到了實(shí)現(xiàn)，并有不俗的性能農(nóng)現(xiàn)，日E，線t八效，物理仿真和光線跟蹤算法都已經(jīng)成功的移植到GPu上。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所進(jìn)行了基于GPU的串匹配算法的實(shí)現(xiàn)。文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-825508.html

到了這里，關(guān)于UnityShader——03圖形硬件簡(jiǎn)史與可編程管線的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！