DirectX支配游戲！歷代GPU架構(gòu)全解析
★ 首款DX9C顯卡——GeForce 6800
在經(jīng)歷了GeForce FX系列慘痛的失敗后，NVIDIA痛定思痛，要挽回在高端產(chǎn)品上的失利局面，僅靠架構(gòu)已完全定型的NV3x系列作一定程度的增補(bǔ)顯然是很難實(shí)現(xiàn)的。NVIDIA將更大的希望押寶在了新一代產(chǎn)品之上，它吸取了上一代產(chǎn)品的教訓(xùn)，重新設(shè)計(jì)的架構(gòu)和完整支持DX9C標(biāo)準(zhǔn)，讓這款顯卡以全新的形象展現(xiàn)在用戶面前。甚至有分析家評(píng)論GeForce 6800和GeForce FX簡(jiǎn)直不是一家公司設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，其架構(gòu)變化之大可見(jiàn)一斑！
NV3X最大的弊端就是像素渲染單元效能低下，而NV40最強(qiáng)大之處就在像素單元架構(gòu)部分。NV40擁有多達(dá)16條像素渲染管線暫且不談，其每一個(gè)PSU的結(jié)構(gòu)都值得探討，NVIDIA將其稱為Superscalar（超標(biāo)量）的設(shè)計(jì)。普通的像素渲染管線只提供一組著色器單元，每個(gè)周期最多只能執(zhí)行四組運(yùn)算，而NV40的超標(biāo)量架構(gòu)則內(nèi)含第二組著色器單元，讓每個(gè)周期的運(yùn)算量增加一倍。
NV40的像素渲染管線結(jié)構(gòu)
正因?yàn)槿绱?，?duì)手ATI的X800系列雖然在硬件規(guī)格上與NV40完全相同，但在DX9b游戲中的性能差距依然不小，這就是超標(biāo)量架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然固步自封的ATI在X800時(shí)代依然僅支持DX9b，無(wú)法開啟HDR，喪失了很多賣點(diǎn)，讓用戶大失所望。
6800的成功讓NVIDIA風(fēng)光無(wú)限，整個(gè)GeForce 6家族在各個(gè)價(jià)位都力壓對(duì)手的X800家族，而且完美的架構(gòu)使得NVIDIA可以輕易的擴(kuò)充規(guī)模，發(fā)布了擁有多達(dá)24條像素渲染管線的第二代DX9C顯卡——GeForce 7800系列（其架構(gòu)基本沒(méi)變，只做了些許優(yōu)化，這里就不多做介紹了）。
★ 支持HDR+AA的DX9C顯卡——X1800/X1900
X800的對(duì)手是6800系列，但它既沒(méi)有性能優(yōu)勢(shì)，也不支持DX9C/HDR，這使得ATI經(jīng)歷了9700/9800系列短暫的輝煌之后再次陷入被動(dòng)局面。于是，ATI開始研發(fā)下一代GPU，改良架構(gòu)，準(zhǔn)備重奪王位。但事與愿違，R520核心的X1800XT雖然使用了全新的架構(gòu)，完美支持DX9C，但依然沒(méi)能擊敗已經(jīng)發(fā)布半年之久的7800GTX，因?yàn)閄1800XT依然只有16條像素渲染管線，而7800GTX擁有多達(dá)24條，差距如此之大，根本無(wú)法用新架構(gòu)的效率及高頻率來(lái)彌補(bǔ)。
R520與R580的架構(gòu)幾乎完全相同，不同的只有像素單元數(shù)量
當(dāng)時(shí)誰(shuí)都沒(méi)有料到ATI還預(yù)留了一手，原來(lái)R520這種架構(gòu)的實(shí)力遠(yuǎn)不止16條像素渲染管線這么簡(jiǎn)單，ATI完全顛覆了傳統(tǒng)“管線”的概念，R580核心緊隨其后，將像素渲染單元提升只48個(gè)之多，整整是R520的3倍！而頂點(diǎn)渲染單元和紋理單元以及GPU其它所有模塊都沒(méi)有做任何改動(dòng)。
從R520到R580的這種改變當(dāng)時(shí)令所有人都很費(fèi)解，因?yàn)榘℅70和R420在內(nèi)的以往所有GPU都是管線式架構(gòu)，就是像素渲染單元內(nèi)部包含了紋理單元，一般像素和紋理的比例是1:2或者1:1。而R520首次將像素單元和紋理單元拆分開來(lái)，成為獨(dú)立的設(shè)計(jì)，所有的像素單元都可以互相共享所有紋理單元資源，R520的像素和紋理比例依然是1:1，而R580的比例則瞬間提升至3:1，相信資歷較老的玩家一定記得ATI當(dāng)年大肆鼓吹“三比一架構(gòu)”。
這樣設(shè)計(jì)是因?yàn)锳TI發(fā)現(xiàn)了游戲的發(fā)展趨勢(shì)，像素渲染的比重越來(lái)越高，而紋理貼圖的增長(zhǎng)比較緩慢，相信大家還記得當(dāng)年ATI的DX7顯卡，其一條管線中包括了3個(gè)紋理單元，以前是1:3后來(lái)是1:2接著變成1:1，現(xiàn)在被ATI一舉提升至3:1。雖然當(dāng)時(shí)很多人都不好理解，但從現(xiàn)在的發(fā)展來(lái)看，像素與紋理的比例越拉越大，DX10時(shí)代大概是3:1，DX11時(shí)代則變成了5:1甚至更高！
除了具有前瞻性的3:1架構(gòu)外，X1000架構(gòu)還有另一大絕招就是HDR+AA技術(shù)。大家知道6800系列連續(xù)兩年都是市面上唯一的DX9C顯卡，當(dāng)時(shí)所有的DX9C游戲都是基于NVIDIA的架構(gòu)而開發(fā)，當(dāng)使用N卡開啟HDR特效時(shí)（準(zhǔn)確的說(shuō)是FP32格式），會(huì)占據(jù)原本屬于MSAA的緩沖區(qū)，導(dǎo)致HDR和AA無(wú)法共存。HDR是DX9C的代表技術(shù)，能大大提升畫面效果，而AA消除鋸齒也能大幅改善畫質(zhì)，這兩項(xiàng)關(guān)鍵特效無(wú)法同時(shí)開啟讓玩家們很郁悶。
ATI的DX9C產(chǎn)品比NV晚了一代，ATI意識(shí)到了DX9C的這一缺陷之后，在其架構(gòu)設(shè)計(jì)之初就考慮到了HDR和AA共存的問(wèn)題，因此特別設(shè)計(jì)了專用的緩沖區(qū)，可以通過(guò)游戲或者驅(qū)動(dòng)重新指定MSAA的緩存位置，從而同時(shí)開啟HDR+AA。遺憾的是修改游戲或驅(qū)動(dòng)兼容性并不好，支持的游戲也不多，雖然這確實(shí)是一個(gè)很大的賣點(diǎn)，ATI銳意進(jìn)取的精神也值得尊重，但最終效果還是不如人意。
另外，X1000也改進(jìn)了像素著色單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，每個(gè)像素單元都擁有兩個(gè)算術(shù)邏輯單元和一個(gè)分支執(zhí)行單元，其中ALU1只能執(zhí)行加法（ADD）計(jì)算，ALU2能執(zhí)行包括加法、乘法（MUL）、乘加（MADD）各類運(yùn)算，兩個(gè)ALU最高可以執(zhí)行兩條指令（3D+1D）。為了控制如此龐大的像素單元，ATI還針對(duì)SM3.0的特性改進(jìn)了動(dòng)態(tài)流控制功能，大大改進(jìn)了SIMD架構(gòu)的動(dòng)態(tài)分支性能，讓像素著色效能得到提升。
功夫不負(fù)有心人，全新架構(gòu)并且擁有多達(dá)48像素單元的X1900XTX，性能比X1800XT獲得了大幅提升，完勝對(duì)手的7900GTX，而且越新的游戲優(yōu)勢(shì)越明顯。強(qiáng)大的X1900XTX迫使NVIDIA推出雙G71核心的7950GX2來(lái)對(duì)抗，雖然7950GX2單卡超越了X1950XTX，但雙卡的話則因效率問(wèn)題依然是A卡占優(yōu)。
★ 小結(jié)：DX9C時(shí)代雙方架構(gòu)各有所長(zhǎng)
DX9C是一代經(jīng)典API，至今依然有很多游戲無(wú)視DX10/DX11，堅(jiān)守DX9C平臺(tái)，以至于HDR+AA的問(wèn)題被遺留至今依然沒(méi)能得到完美解決。NV40是因?yàn)榘l(fā)布較早沒(méi)能解決這一難題，G70則是擴(kuò)充像素和頂點(diǎn)的產(chǎn)物，也沒(méi)能解決。
ATI在X800時(shí)代未能搶得先機(jī)，因此在X1000架構(gòu)當(dāng)中花了很多心思，爭(zhēng)取做最完美的DX9C顯卡，他們確實(shí)做到了這一點(diǎn)，無(wú)論架構(gòu)和性能都有優(yōu)勢(shì)。但由于晶體管規(guī)模太大，功耗表現(xiàn)不如人意，因此在市場(chǎng)方面X1000與GF7相比并無(wú)優(yōu)勢(shì)。
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