圖形處理器

圖形處理器（英語：Graphics Processing Unit，縮寫：GPU），又稱顯示核心、視覺處理器、顯示晶片，是一種專門在個人電腦、工作站、遊戲機和一些移動設備（如平板電腦、智慧型手機等）上做圖像和圖形相關運算工作的微處理器。

GPU使顯示卡減少了對CPU的依賴，並進行部分原本CPU的工作，尤其是在3D圖形處理時GPU所採用的核心技術有硬體T&L（幾何轉換和光照處理）、立方環境材質貼圖和頂點混合、紋理壓縮和凹凸映射貼圖、雙重紋理四像素256位渲染引擎等，而硬體T&L技術可以說是GPU的標誌。GPU的生產商主要有NVIDIA和ATI。

基本介紹

• 中文名：圖形處理器
• 外文名：Graphics Processing Unit
• 英語縮寫：GPU
• 又稱：顯示核心、顯示晶片

簡介

一個光柵顯示系統離不開圖形處理器，圖形處理器是圖形系統結構的重要元件，是連線計算機和顯示終端的紐帶。

應該說有顯示系統就有圖形處理器(俗稱顯示卡)，但是早期的顯示卡只包含簡單的存儲器和幀緩衝區，它們實際上只起了一個圖形的存儲和傳遞作用，一切操作都必須由CPU來控制。這對於文本和一些簡單的圖形來說是足夠的，但是當要處理複雜場景特別是一些真實感的三維場景，單靠這種系統是無法完成任務的。所以後來發展的顯示卡都有圖形處理的功能。它不單單存儲圖形，而且能完成大部分圖形功能，這樣就大大減輕了CPU的負擔，提高了顯示能力和顯示速度。隨著電子技術的發展，顯示卡技術含量越來越高，功能越來越強，許多專業的圖形卡已經具有很強的3D處理能力，而且這些3D圖形卡也漸漸地走向個人計算機。一些專業顯示卡具有的電晶體數甚至比同時代的CPU的電晶體數還多。比如2000年加拿大ATI公司推出的 RADEON顯示卡晶片含有3千萬顆電晶體，達到每秒15億個象素填寫率。

組成

圖形處理器由以下器件組成:

(1)顯示主晶片顯示卡的核心，俗稱GPU，它的主要任務是對系統輸人的視頻信息進行構建和渲染。

(2)顯示緩衝存儲器用來存儲將要顯示的圖形信息以及保存圖形運算的中間數據;顯示快取的大小和速度直接影響著主晶片性能的發揮。

(3)RAMD/A轉換器把二進制的數字轉換成為和顯示器相適應的模擬信號。

發展趨勢與面臨問題

計算能力和計算模式方面的問題

當前 GPU 的基礎 ———傳統 Z-buffer 算法不能滿足新的套用需求。在實時圖形和視頻套用中 ，需要更強大的通用計算能力 ，比如支持碰撞檢測、近似物理模擬；在遊戲中需要圖形處理算法與人工智慧和場景管理等非圖形算法相結合。當前的GPU 的體系結構不能很好地解決電影級圖像質量需要解決的透明性、高質量反走樣、運動模糊、景深和微多邊形染色等問題 ，不能很好的支持實時光線跟蹤、Reyes(Renders everything you ever saw) 等更加複雜的圖形算法 ，也難以應對高質量的實時3D圖形需要的全局光照、動態和實時顯示以及陰影和反射等問題。需要研究新一代的 GPU 體系結構突破這些限制。隨著 VLSI 技術的飛速發展 ，新一代 GPU晶片應當具有更強大的計算能力 ，可以大幅度提高圖形解析度、場景細節 (更多的三角形和紋理細節)和全局近似度。圖形處理系統發展的趨勢是圖形和非圖形算法的融合以及現有的不同染色算法的融合。新一代的圖形系統晶片需要統一靈活的數據結構、新的程式設計模型、多種並行計算模式。我們認為發展的趨勢是在統一的、規則並行處理元陣列結構上 ，用數據級並行、操作級並行和任務級並行的統一計算模式來解決當前圖形處理系統晶片面臨的問題。

製造工藝方面的問題

積體電路發展到納米級工藝 ，不斷逼近物理極限 ，出現了所謂紅牆問題：一是線的延遲比門的延遲越來越重要。長線不僅有傳輸延遲問題 ， 而且還有能耗問題。二是特徵尺寸已小到使晶片製造缺陷不可避免 ，要從缺陷容忍、故障容忍與差錯容忍等三個方面研究容錯與避錯技術。三是漏電流和功耗變得非常重要 ，要採用功耗的自主管理技術。現代的圖形處理器晶片在克服紅牆問題的幾個方面有了顯著的進步：利用了大量的規則的 SIMD 陣列結構；它的分布存儲器接近了運算單元 ，減少了長線影響；它的硬體多執行緒掩蓋了部分存儲延遲的影響。但是隨著工藝進一步發展 ，當前 GPU 的體系結構難以適應未來工藝發展 ，沒有在體系結構上應對長線問題、工藝偏差和工藝缺陷問題的措施 ，特別是沒有考慮如何適應三維工藝。當前最先進工藝的電晶體的柵極厚度已經大約是五個原子，在製造時，少了一個原子就造成20 %的工藝偏差。因此工藝的偏差成為SoC設計不能不考慮的問題。特別是到 2018 年後的納電子積體電路 ，可以通過隨機自組裝產生規則的納米器件。因此，新一代系統晶片的體系結構必須利用規則的結構並且容忍工藝偏差 ，具有容錯、避錯和重組的能力。我們認為採用大量同構處理器元之間的鄰接技術 ，適應納米級工藝和未來的三維工藝 ，採用新型體系結構和相關的低功耗、容錯和避錯的設計策略 ，對於未來的圖形處理系統晶片具有重要的科學意義。

主要供應商

ATI

1985年8月20日ATI公司成立，同年10月ATI使用ASIC技術開發出了第一款圖形晶片和圖形卡，1992年4月ATI發布了Mach32圖形卡集成了圖形加速功能，1998年4月ATI被IDC評選為圖形晶片工業的市場領導者，但那時這種晶片還沒有GPU的稱號，很長的一段時間ATI都是把圖形處理器稱為VPU，直到AMD收購AT之後其圖形晶片才正式採用GPU的名字。

NVIDIA

NVIDIA公司在1999年發布 Geforce256圖形處理晶片時首先提出GPU的概念。從此 NVIDIA顯示卡的芯就用GPU來稱呼。GPU使顯示卡減少了對CPU的依賴，並進行部分原本CPU的工作，尤其是在3D圖形處理時。GPU所採用的核心技術有硬體T&L、立方環境材質貼圖和頂點混合、紋理壓縮和凹凸映射貼圖、雙重紋理四像素256位渲染引擎等，而硬體T&L技術可以說是GPU的標誌。

型號舉例

AMD

AMD筆記本電腦顯示卡產品主要是Mobility Radeon系列，該系列產品具備一定的3D性能，其產品主要有R9（高端）、R7（中端）、R5（低端）三個系列：

• Mobility Radeon R9 M200系列的Mobility Radeon R9 M295X/M280/M275X//M265X;
  
• Mobility Radeon R9 M300系列的Mobility Radeon R9 M395X/M385X/M375X//M365X;
  
• Mobility Radeon R7 M200系列的Mobility Radeon R7 M270/M265f M260X/M260;
  
• Mobility Radeon R7 M300系列的Mobility Radeon R7 M380/M370/M365/M360X/M340;
  
• Mobility Radeon R5 M200系列的Mobility Radeon R5 M255/M230;
  
• Mobility Radeon R5 M300系列的Mobility Radeon R5 M335/M330/M320/M315等。
  

nVIDIA

nVIDIA筆記本電腦顯示卡產品主要包括GeForce 900M系列移動顯示卡、GeForce 800M系列移動顯示卡、GeForce 700M系列移動顯示卡等。

其中GeForce9800M系列移動顯示卡主要包括GeForce GTX980M/ GTX970M/ GTX 960M/GTX950M/940M/930M/920M/910M等。

GeForce 800M系列移動顯示卡主要包括GeForce GTX880M/ GTX870M/ GTX860M/GTX850M/ 840M/830M/820M等。

GeForce 700M系列移動顯示卡主要包括GeForce GTX780M/ GTX770M/ GTX765M/GTX760M/GT755M/750M/GT745M/GT740M/GT730M/GT720M/等。