ATI挑戰(zhàn)極限性能之顛！X850XT PE評測
在2004年的顯示卡性能大戰(zhàn)中，NVIDIA GeForce 6800系列與ATI的X800系列的顛峰之戰(zhàn)幾乎從來沒有停止過。從3DMark 03到3DMark 05，從Doom 3到Half-Life 2，那濃濃的硝煙至今似乎還留在空氣中沒有散去。
而就在臨近04年末，大家都在盤算怎樣享受圣誕節(jié)和新年的時候，ATI并沒有絲毫的懈怠，他們在2004年12月1日發(fā)布了代號為R480的Radeon X850系列顯示卡。以下是Radeon X850系列和Radeon X800系列顯示卡的規(guī)格對比：
Radeon X850系列與Radeon X800系列的核心架構(gòu)是完全相同的，而Radeon X850 XT PE的核心/顯存工作頻率達到了前所未有的540/1180MHz，這令其成為了2004年顯示卡的性能之王。
既然Radeon X850系列的核心架構(gòu)較Radeon X800系列沒有變化，我們就先來回顧一下ATI Radeon X800的特色規(guī)格和技術(shù)。<
我們看到在新的X800圖形芯片內(nèi)部架構(gòu)圖中，主要包含了以下幾個部分：
◎ AGP接口成為新一代顯卡的瓶頸
首先是負(fù)責(zé)和CPU通信的AGP接口。這個部分承擔(dān)著所有和計算機進行數(shù)據(jù)通信的工作。目前AGP接口的帶寬雖然不斷提高，但是仍然被認(rèn)為已經(jīng)嚴(yán)重影響了顯示卡的性能發(fā)展。因為相對于顯卡內(nèi)部動輒數(shù)以十?dāng)?shù)GB/s而論的帶寬，AGP接口那僅僅2.1GB/s的帶寬就顯得十分捉襟見肘。
AGP接口將數(shù)據(jù)從CPU讀入以后，將數(shù)據(jù)傳輸給顯存控制器。后者的作用不僅僅是控制數(shù)據(jù)在顯存中的存儲，還承擔(dān)著顯存的數(shù)據(jù)接口作用。它一共連接著6種不同的功能部件。除了顯存本身以及AGP接口以外，它還要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳輸給2D引擎、視頻處理引擎以及3D引擎。而其中3D引擎則同時和頂點處理器，以及“Hyper Z HD”引擎相連接，將數(shù)據(jù)傳輸給這些部分。
2D顯示引擎和視頻處理引擎部分我們沒必要多談了，這兩個部分分別負(fù)責(zé)2D顯示的運算以及視頻回放處理。它們將數(shù)據(jù)處理完以后就可以直接將準(zhǔn)備顯示的數(shù)據(jù)放進顯示接口（Display Interface）。
◎ 復(fù)雜的3D處理環(huán)節(jié)
接下來，我們就進入了最關(guān)鍵的3D處理的一整套環(huán)節(jié)中了。3D圖形處理是按照一定的順序執(zhí)行的，最主要的就是先進行幾何方面的運算，然后進行像素處理方面的運算。當(dāng)然，這個過程也不是這么簡單的，復(fù)雜的3D幾何運算過后，還要將這些3D點換算成在屏幕上顯示的具體像素，這個過程就是由Setup Engine實現(xiàn)的。
在像素處理管線以后，還要根據(jù)需要進行圖像的后期處理，在X800圖形芯片中，它的后期的圖像處理引擎被稱為“SmoothVision HD”。
這些后期的處理過程能夠生成實際需要顯示的數(shù)據(jù)，所以它們均將最終的數(shù)據(jù)傳入顯示接口，經(jīng)過一些相對簡單的處理以后輸出至顯示設(shè)備。<
Radeon X800系列顯示芯片統(tǒng)一都采用了256bit的顯存帶寬，這256bit又被分為4個獨立的通道，每個通道64bit。對于顯存，X800系列顯示芯片的標(biāo)準(zhǔn)配置是GDDR3顯存，這種顯存相比原來的顯存來講，能夠運行在更高的頻率上。這樣X800上的顯存數(shù)據(jù)帶寬就能夠輕易的達到32GB/s以上了。
我們前面提到，X800系列顯示芯片采用了4個獨立的內(nèi)存控制器，但是這并不意味著每一個內(nèi)存控制器僅僅能控制4個內(nèi)存模組中的一個。ATI采用了一個用來切換內(nèi)存控制器和內(nèi)存連接的裝置“Switch”來保證這4個內(nèi)存控制器和4組顯存能夠完全自由連接。當(dāng)然，這個過程中還有一個非常重要的事情就是如何將數(shù)據(jù)傳入內(nèi)存，“Switch”同時也負(fù)責(zé)將一個總線控制器和任何一組內(nèi)存進行連接。<
● 頂點處理引擎
3D圖形運算最基本的單位就是每一個單獨的點。因為有這些點，才能根據(jù)這些點的坐標(biāo)計算兩點間的線以及三個點形成的面。所以說3D圖形處理中幾何部分的處理，其實就是對空間中的點進行運算，這也就是為什么人們會將3D圖形中幾何處理的引擎稱之為“頂點處理引擎”。
我們首先來看看X800系列顯示芯片中的頂點處理引擎的架構(gòu)。
我們看到，當(dāng)頂點的初始數(shù)據(jù)傳入頂點處理引擎的時候，數(shù)據(jù)被分配至6條并行的管線之中。這6條管線分別擁有一個128位矢量數(shù)據(jù)算術(shù)運算單元以及一個32位標(biāo)量數(shù)據(jù)的算術(shù)運算單元。數(shù)據(jù)經(jīng)過矢量運算以及標(biāo)量運算以后，并不一定就是最終需要的數(shù)據(jù)。而且由于矢量運算器和標(biāo)量運算器的關(guān)系是并行的，所以有的需要進行兩種運算的數(shù)據(jù)就需由流程控制器（Flow Control）再次送入前面的運算單元了。
在經(jīng)過了6條并行的數(shù)據(jù)運算以后，頂點處理的過程只能說是完成了其中最重要的部分，但是距離數(shù)據(jù)最終輸出還有很遠(yuǎn)。
接下來進行的過程需要進行遮掩面的選擇（Backface Culling）、數(shù)據(jù)整理（Cliping）、透視分離（Perspective）和最后的可視范圍變換（Viewport Transform）。經(jīng)過這4個過程以后，數(shù)據(jù)就可以輸出至將3D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為2D數(shù)據(jù)的“Setup Unit”了。<
● 裝入引擎（Setup Engine）
Setup，我們最先熟悉這個詞的時候一定是在安裝軟件時候認(rèn)識的。在3D圖形處理中的Setup引擎完成的是一種怎樣的工作呢？
在前面進行的頂點處理過程中，所有的頂點都被獨立計算它們的位置。然而在實際的3D模型中，卻不能夠以純粹的點來表示3D模型，更多時候需要借助兩點間的線以及三個點圍成的面來實現(xiàn)，所以將點和點之間的聯(lián)系省略儼然是不可取的。
Setup引擎的作用就是將這些獨立的點再次結(jié)合到一起，組成最基本的三角形。因為任何多邊形的最基本的元素就是三角形，所有復(fù)雜的多邊形均可分離成為大量獨立的三角形。
Setup引擎的具體架構(gòu)分為兩個部分，首先是幾何匯集（Geometry Assembly），這個步驟的作用就是將獨立的點重新連接成一個個三角形。第二步就是Setup單元，這個部分完成的工作就是將一些作用在三角形上的函數(shù)分派至具體的三角形上。
在上圖中，Setup引擎首先將獨立的點連接成為三角形，然后將三角形安排在很多的塊中，然后根據(jù)頂點在這些塊中的位置來確定怎樣對三角形進行處理。<
● 像素處理引擎
3D處理過后，我們就要進入2D處理的環(huán)節(jié)了。這里稱之為2D，并不是和前面我們提到的2D處理引擎相同。這里是指將3D運算結(jié)束以后，在像素級別進行的處理過程。這個過程我們也已經(jīng)非常熟悉了，這就是經(jīng)常被提到的Pixel Pipline（像素處理管線）。
X800系列顯示芯片的像素處理管線一共有16條，這比原來的R9800XT上的8條增加了一倍，這就意味著在理論上，即使頻率保持不變的情況下也能有一倍的像素處理能力的性能提高。
像素處理管線的架構(gòu)圖
我們看到在這16條管線上，ATI采用了4組4條的設(shè)計。這樣的設(shè)計不僅可以更加有效的控制管線條數(shù)，也可以保證在其中一條失效的時候，不至于被迫放棄整個芯片，而僅僅屏蔽掉其中的一組就能作為X800Pro或者標(biāo)準(zhǔn)版來出售了。
一組像素處理管線架構(gòu)圖
一個獨立的像素處理單元的架構(gòu)圖
我們看到，在像素處理的環(huán)節(jié)，其復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了前面的頂點處理部分。因為在一個場景中每時每刻都要運算的數(shù)據(jù)點是海量的，而且這些點包含的信息也絕不僅僅是一個坐標(biāo)而已。它還包括顏色、亮度和其他點的關(guān)系在內(nèi)的各種數(shù)據(jù)，這些都要進行不斷的運算。這也是為什么在像素處理部分的管線需要16條，而頂點處理部分則僅僅用6條的原因。<
我們前面介紹了X800系列顯示芯片在架構(gòu)方面的一些情況。這些架構(gòu)層次上的情況基本上可以算是硬件結(jié)構(gòu)，它們是發(fā)揮產(chǎn)品效能的一個基礎(chǔ)。那么如何才能將這些管線以及各種各樣的單元發(fā)揮出最大的效果呢，這就需要相應(yīng)的技術(shù)作為支持。X800系列顯示芯片誕生的同時也是ATI展示最新技術(shù)的一個絕好機會，我們就趁此來看看隨X800而來的各種新技術(shù)應(yīng)用。
在X800發(fā)布的過程中，ATI發(fā)布了以High Definition Gaming（高畫質(zhì)游戲）為主題的一些最新的技術(shù)，其中包括：
· SmartShader HD
· SmoothVision HD
· Hyper-Z HD
· 3Dc
首先，我們來看看X800系列顯示芯片中帶的SmartShader HD技術(shù)。對于SmartShader技術(shù)我們已經(jīng)非常熟悉這個名稱了，早在Radeon 8500發(fā)布的時候，ATI就推出了他們的第1代SmartShader技術(shù)，這次推出的SmartShader HD是其第4代技術(shù)。
SmartShader HD技術(shù)本身其實是一個技術(shù)的合集，其中包括了關(guān)于頂點處理引擎以及像素處理引擎的技術(shù)，其名稱中“Shader”正是VertexShader和PixelShader中的“Shader”。
● VertexShader方面的改進
VertexShader，這個名詞我們可以說在所有的硬件文章中都頻繁的見到，但是究竟這個“Shader”應(yīng)該翻譯成什么，筆者還沒有完全搞明白。反正對于最常用的翻譯方法“頂點著色器”的說法，筆者認(rèn)為不盡正確。雖然“Shade”的意思中有“遮蔽”的含義，但是在3D處理芯片中，頂點運算絕不僅僅是一個“著色”或者是“遮蔽”的過程，其具體操作非常復(fù)雜，絕不是一個“著色器”能夠涵蓋的。
VertexShader這個名字的出處來自于DirecX規(guī)范，其本意是一組針對頂點處理的函數(shù)的集合，顯示芯片廠商在研發(fā)顯示芯片的時候，將這些功能用他們的顯示芯片在硬件中實現(xiàn)。
SmartShader HD技術(shù)能夠很大程度提高VertexShader的性能。由于增加了頂點處理管線的條數(shù)，并且能夠在每個時鐘周期中進行兩次操作，在數(shù)據(jù)的精度方面X800支持32位的精度。
頂點處理能力的增強主要會體現(xiàn)在一些幾何運算量非常大的情況中。例如波濤起伏的海面上擁有大量的三角形，采用最新的X800顯示芯片進行運算的時候就能很大程度上提高速度。
● PixelShader方面的改進
相對于面向頂點坐標(biāo)運算的VertexShader，PixelShader的作用則是面向像素的處理，也就是最終顯示在顯示器之前的畫面處理。
同樣的，由于管線條數(shù)的增加，PixelShader的能力有了大幅的提高，X800系列顯示芯片最高能在每秒鐘完成400億條像素的運算操作。這些操作完全支持了DirectX 9.0中數(shù)據(jù)格式24位精度的要求。
對于程序中指令的長度，SmartShader HD也有一定的改進。在R360時代，每個PixelShader程序的指令最大長度僅僅為160條，而到了X800上，則可以支持1536條指令。<
● SmoothVision HD
ATI的SmoothVision HD技術(shù)同樣是一個有著一定歷史的技術(shù)，發(fā)展到X800的時代就多了一個“HD”的后綴。SmoothVision HD技術(shù)只要面向的是后期的圖像的處理，這里面包括了抗鋸齒、伽馬校正和材質(zhì)過濾等多種技術(shù)。
對于SmoothVision HD中支持的抗鋸齒方面的技術(shù)，絕大部分是和目前已經(jīng)被廣泛采用的技術(shù)類似的，所以在這里我們就沒有必要再說那些事情了。值得注意的是在X800系列顯示芯片中，首次增加了一種全新的抗鋸齒采樣方式，這就是近期大家討論非常多的Temporal Anti-Aliasing（臨時取樣抗鋸齒）。
● Temporal Anti-Aliasing
這種全新的抗鋸齒的原理是這樣的：
每一幀采樣的位置不同，連續(xù)兩幀的取樣位置也不同。這樣就能夠在兩幀來回切換的時候，利用人眼的視覺暫留特點，實現(xiàn)接近于兩倍原有取樣的效果。但是這個過程由于每一幀的取樣點數(shù)并沒有提高，所以在性能上將不會有任何下降。
另外，這種技術(shù)產(chǎn)生的抗鋸齒的效果只能由肉眼看出來，如果進行抓圖的話，仍然將截取到其中的單一幀，所以通過截圖是看不出這種“臨時采樣”的抗鋸齒效果。<
今天測試的顯示卡是來自ATI原廠的Radeon X850 XT PE，其PCB使用了非常醒目的火紅色，上面密布的元器件讓這塊顯示卡顯得非常厚實：
由于ATI Radeon X850 XT PE的核心/顯存工作頻率達到了540/1180MHz，其散熱系統(tǒng)也就成為了顯示卡能否穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。我們看到這款顯卡采用了風(fēng)道式散熱系統(tǒng)，銅制的鰭片保證了良好的散熱效果：
揭開散熱片，我們看到了R480核心的真容，上面“PCI Express”的標(biāo)志格外顯眼：
在電源電路方面，Radeon X850 XT PE使用了高質(zhì)量的元器件為顯示卡的穩(wěn)定工作提供了保障。除了兩個DVI接口之外，這塊顯示卡還提供了帶有VIVO功能的S-Video接口：
上圖中的ATI RAGE THEATER 是一種低成本、單芯片、多標(biāo)準(zhǔn)的視頻編碼/解碼器，Radeon X850 XT PE依靠它實現(xiàn)VIVO功能。
Radeon X850 XT PE使用三星mBGA封裝的編號為“K4J55323QF-GC16”的顯存，正反面共8顆組成了256MB/256bit的規(guī)格，1.6納秒的速度令其能夠穩(wěn)定工作在1180MHz的默認(rèn)頻率上。<
- 測試平臺
硬件系統(tǒng) | |
處 理 器 | Intel P4 560（3.6GHz） |
主 板 | Intel 925X |
內(nèi) 存 | Apacer DDR2 533 1GB×2 |
硬 盤 | Seagate 7200.7 60GB |
顯 示 器 | 愛國者 998FD |
驅(qū)動程序 | |
顯卡驅(qū)動 | Catalyst 4.11 |
操作系統(tǒng) | 英文Windows XP + SP1 |
- 測試項目
和往常的顯示卡測試一樣，這次我們?nèi)匀贿x擇Aquamark和3DMark系列作為基準(zhǔn)測試項目，而不可或缺的游戲部分使用的是《半條命2》、《Doom 3》、《UT2003》、《光環(huán)》、《波斯王子·時之砂》、《分裂細(xì)胞》和《孤島驚魂》來對顯示卡進行測試。<
- AquaMark3
- 3DMark03
在傳統(tǒng)的基準(zhǔn)測試項目AquaMark3和3DMark03中，X850 XT PE比較X800 XT PE普遍有了5％左右的成績提升，其中以AquaMark3最為明顯，分?jǐn)?shù)提高幅度達到了8％以上。<
- 3DMark05
和剛才的傳統(tǒng)基準(zhǔn)測試項目情況類似，在剛剛發(fā)布不久的3DMark05的測試中X850 XT PE比較X800 XT PE有了3％—5％的成績提高，接下來我們在游戲?qū)崙?zhàn)中檢驗一下X850 XT PE的威力。<
- Half-Life 2
ATI的顯示卡在《半條命2》中占有的優(yōu)勢是大家有目共睹的，X850 XT PE的發(fā)布令這個優(yōu)勢更進一步了。在測試中X850 XT PE比X800 XT PE的成績再提高了5％以上，這令A(yù)TI顯示卡在這款經(jīng)典游戲中的王者地位更加難以動搖。<
- DOOM3
與《半條命2》的情況正相反，眾所周知《Doom3》這款基于OpenGL開發(fā)的游戲是NVIDIA顯示卡的“天下”。在這個測試項目中我們發(fā)現(xiàn)X850 XT PE的成績并沒有太多的提升，各個分辨率下幀速率的提高都在2fps左右。<
- Prince of Persia：The Sands of Time
《波斯王子·時之砂》是一款畫面非常華麗的DirectX 9游戲，X850 XT PE在這個項目的1024×768分辨率下居然有將近18％的幀速率提升，這個趨勢隨著分辨率的升高而遞減。<
- UT2003
UT2003的測試成績與前面的情況大同小異，X850 XT PE在兩個測試項目都有5％左右的幀速率提升。<
- HALO
在《光環(huán)》這款游戲的測試中，X850 XT PE在頻率上面的提升并沒有為其帶來太多的幀速率提高，不過105fps的速度也足夠達到流暢運行的標(biāo)準(zhǔn)了。<
- Tom Clancy''s Splinter Cell
《分裂細(xì)胞》的測試結(jié)果和其他測試項目類似，X850 XT PE提高的頻率在各個分辨率下都帶來了3fps左右的幀速率提升。<
- FarCry
《孤島驚魂》是第一批上市的DirextX 9游戲之一，在2004年初曾經(jīng)將無數(shù)硬件“斬于馬下”。不過現(xiàn)在我們看到X850 XT PE已經(jīng)完全能夠勝任這款視覺效果驚人的游戲了，即使是在1600×1200分辨率下打開4×的各項異性過濾也能保持80fps以上的幀速率。<
前面已經(jīng)提到，Radeon X850系列是在Radeon X800系列的基礎(chǔ)上提高核心/顯存的工作頻率而來，其核心架構(gòu)并沒有改變。極速升高的頻率令A(yù)TI得到了2004年度顯卡性能之王的桂冠，這同時也是ATI的高端芯片生產(chǎn)實力的體現(xiàn)。
自從ATI發(fā)布Radeon X850系列產(chǎn)品之后，微星、華碩、藍(lán)寶等很多廠商都已經(jīng)跟進推出了自己品牌的產(chǎn)品，相信極限玩家們很快就能夠體驗到目前PC顯示卡性能之王的風(fēng)采了。<
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