显卡和 DirectX 简史（三）显卡发展概览

硬件技术概览

本部分主要是对A brief overview on the history of 3D graphics hardware的翻译和补充。

史前时期（CGA/EGA/VGA）

从 80 年代 PC 的崛起，到 90 年代初期，这个时期的 3D 渲染完全由 CPU 完成。尽管 90 年代初的一些显卡能渲染直线甚至多边形，它们的卖点还是「Windows 加速器」，用来加速 2D 的窗口绘制。因此，这个时期的显卡就只是一个「帧缓冲」（framebuffer），像素值完全由 CPU 来填充。

这个时期比较流行的是 IBM 制定的 CGA、EGA、VGA 等标准，还有各厂商推出的扩展 Super VGA，以及 Hercules 公司的单色显示标准。

黎明时期

在 90 年代中期，随着 3D 渲染的需求增加和 DRAM 价格的下降，许多显卡厂商都加入了 3D 加速卡的研发和竞争中。这个时期的显卡通常能加速三角形填充的内循环，即「光栅化」（rasterization），也能加速基本的纹理映射和着色。不过三角形的斜率计算（一般称为 triangle setup？）需要由 CPU 完成。

这个时期还没有统一的图形 API，很多厂商都推出了自己的专有 API，Direct3D 也仍在萌芽阶段。

D3D5 时期

这个时期的显卡除了光栅化，还支持三角形斜率计算的加速。也就是说，CPU 可以直接将屏幕空间的三角形顶点坐标传给显卡，显卡会完成三角形的绘制。

GPU 的出现（D3D7 时期）

GPU 一词是 NVIDIA 发明的，因为在 2000 年前后的显卡支持了硬件加速 T&L（transform and lighting），也就是说，CPU 可以直接将世界空间的三角形顶点坐标、变换矩阵和光照参数传给显卡，显卡会从头到尾完成三角形的绘制。因此，显卡获得了和 CPU 同等的地位。

如图是 NVIDIA 宣传硬件 T&L 的示意图，展示了 90 年代后期显卡技术的发展，逐步取代了 CPU 的功能。

可编程着色器（D3D8 时期）

到目前为止，显卡的硬件加速功能都是固定的，如果需要增加一种新的效果，就需要修改硬件。而且支持很多功能让固定管线变得异常复杂。着色器的出现，使得显卡能够支持更多的效果，而且不需要修改硬件。早期的着色器使用汇编编程。

统一着色器和 GPGPU（D3D10 时期）

除了上一篇文章已经提到的「统一着色器」，D3D10 时期还伴随着 GPGPU 的出现。GPGPU 使用 GPU 来完成通用计算，其中最具有影响力的框架就是 NVIDIA 的 CUDA，一直沿用至今。当然那是另一个故事了。

显卡发展概览

为了更好展现早期的百家争鸣，这里按照芯片厂商来分组。注意：这是一个非常简略的概览，只是为了让读者对显卡发展有一个大致的了解。还有一些我了解比较少的厂商也没有列举，欢迎补充。

3dfx

3dfx 由前 SGI 员工创立，SGI 是 OpenGL 的提出者。在 3D 加速卡的早期，3dfx Voodoo 是最具有影响力的显卡。最早的 Voodoo 1 于 1995 年底就问世了，在 1996 到 1997 年间获得了许多游戏的支持，包括 GLQuake 和古墓丽影等重量级游戏，一跃成为了 3D 加速卡的代名词。Voodoo 是仅 3D 加速的显卡，需要搭配 2D 显卡使用。Voodoo 使用专有的 Glide API，不过也有为兼容 Quake 系而提供的 MiniGL，同时也兼容 Direct3D。

Voodoo 2 于 1998 年推出，支持 2 个纹理单元和双卡 SLI，不过仍然是仅 3D 卡。接下来推出的 Voodoo Banshee 是 3dfx 第一张靠谱的 2D/3D 整合卡，但 3D 性能一般，关注度不那么高。1999 年推出的 Voodoo 3 开始都是整合卡了，性能也依然领先，不过在功能上已经落后于 NVIDIA 了，例如其只支持 16 位色和最高 256x256 的纹理大小。

由于 3dfx 后期不及预期的产品、新架构研发失败、不合时宜的收购以及来自 NVIDIA 的激烈竞争，3dfx 逐渐走向衰落。最后一代 Voodoo 4/5 于 2000 年推出，但性能不及 GeForce。最终 3dfx 最终于 2000 年底宣布破产，并被 NVIDIA 收购。

关于这段精彩的历史，详情可以参考极客湾的视频。

NVIDIA

NVIDIA 是我们今天熟知的显卡巨头，但 NVIDIA 的崛起也不是一帆风顺的。1995 年推出的 NV1 虽然包含了完整的多媒体方案，但价格较高，更不幸的是，NV1 使用四边形而不是三角形渲染，很难兼容 OpenGL 和 Direct3D，最终没什么影响力。而 NV2 更是中途放弃了。1997 年推出的基于 NV3 的 Riva 128 是 NVIDIA 第一个成功的产品，完全兼容 Direct3D，支持当时先进的 AGP 接口，而且是整合卡。性能上与 Voodoo 1 有些差距，但已经相当不错了。

1998 年到 1999 年推出的 Riva TNT/TNT2 与 Voodoo 2/3 正面竞争，虽然 TNT 不支持 SLI，但具有更多的功能，一定程度上动摇了 3dfx 的地位。不过 1999 年下半年推出的 GeForce 256 基本形成了压倒性的优势，不但在性能上大幅超越 TNT2，而且还是最早支持硬件 T&L 的显卡。GeForce 产品线也一直沿用至今。

GeForce 2 是对初代 GeForce 的改进，两者都支持 D3D7 和 T&L，但不可编程。GeForce 3/4 Ti 带来了第一代可编程着色器，对应支持 D3D8。GeForce FX 进入了 D3D9 和 SM 2 的时代，开始使用四位数命名（例如 FX 5200），不过这是比较失败的一代，不及 ATI 同期产品。GeForce 6/7 支持 SM 3。

GeForce 8 又是比较划时代的，2006 年推出的 GeForce 8800 是最早支持统一着色器和 D3D10 的显卡，同时也是第一代支持 CUDA 的产品。之前的文章已经提到过，FL 10_0 以上的显卡在今天仍然能运行很多游戏。GeForce 8/9 以及 200 系列（100 系列 OEM 专用，后面跳过的系列都是 OEM 或移动端专用）都使用 Tesla 架构，支持 FL 10_0（200 系列低端卡例如 GeForce 210 支持 FL 10_1）。

接下来，GeForce 400/500 系列开始使用 Fermi 架构，耗电高，温度也高。费米架构支持 D3D11，也是 NVIDIA 最低支持现代的 D3D12（当然是 FL 11_0）和 Vulkan 的显卡了。GeForce 600/700 系列开始使用更节能的 Kepler 架构，部分低端仍然使用费米架构，仍然支持 D3D11 和「虚假」的 D3D12。GeForce 900 系列开始使用 Maxwell 架构，包括某些 700 系列型号（例如传奇的 GTX 750 Ti），基本支持了 D3D12。

后面的 10 系、16 系、20 系、30 系以及最新的 40 系相信大家都比较熟悉了，RTX、DLSS 等词汇应该也耳熟能详，就不再赘述了。具体可以参考 Wikipedia：

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Nvidia_graphics_processing_units

ATI

ATI 是传统的 2D 显卡厂商，其进军 3D 的过程也比较坎坷。早期的 Rage 系列性能并不十分突出，而且还伴随延期问题。不过 ATI 比较受 OEM 青睐，某些低端产品例如 Rage XL 在服务器上广为使用，再加上 ATI 比较擅长视频解码和采集，因此仍然能有一定的竞争力。和后期的 Voodoo 一样，ATI 也尝试了 Rage Fury MAXX 双芯显卡，但显然结果并不理想。

ATI 在 2000 年终于推出了全新的 Radeon 系列（R100），支持硬件 T&L，其 Pixel Tapestry 架构支持较为先进的 EMBM 和 DP3（实现了部分 PS 的功能），HyperZ 用于提高显存带宽效率，比初代 GeForce 要更先进一些。当然其性能不及随后发布的 GeForce 2，但也是不错的开始。Radeon 产品线也一直沿用至今，第一代 Radeon 后来被重命名为 Radeon 7000 系列。下一代 Radeon 8000 系列和部分 9000 系列（9500 前）使用 R200 核心，支持 D3D8。

接下来，Radeon 9500 以上的产品使用 R300，进入了 D3D9 和 SM 2 的时代。接下来 X 开头的命名比较复杂，但 X1000 以前仍然只支持 SM 2，X1000 系列支持 SM 3。后面就进入了 HD 纪元，ATI 与 AMD 合并，开始使用 TeraScale 架构，HD 2000/3000/4000 系列支持 FL 10_0/10_1，HD 5000/6000 以及重新包装的 HD 7000/8000 乃至 R5 200 系列还是只支持 D3D11，使用老旧的 TeraScale 架构。

HD 7700 以上使用了全新的 GCN 架构，带来了 D3D12 的支持。结果 GCN 又用了很多年，从 HD 7000/8000 到 200/300/400/500 乃至 RX Vega/Radeon VII 系列，在 APU 中则一直用到了 Ryzen 5600G/5700G。此后的 RX 5000/6000/7000 系列相信大家也比较熟悉了，分别对应 RDNA 1/2/3 代架构。

详见https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_AMD_graphics_processing_units

S3

S3 也是传统 2D 显卡厂商，比较早涉足 3D 加速市场。不过其第一代产品 S3 Virge 系列性能很差，被戏称为「3D 减速卡」，在很多情况下还不如软件渲染，而且也有渲染错误。其专有 API S3d 也不太成功，总共只有大约 20 个游戏支持 S3d。不过 Virge 的 2D 性能还是不错的，比较受 OEM 欢迎，还是比较普及的。

接下来推出的 Savage 系列也比较一般，虽然有 S3TC 纹理压缩这样好的功能，但性能和驱动问题影响了其普及程度。Savage 2000 的 T&L 实现 S3TL 也不成功，会造成渲染错误，性能提升却不明显。后来 S3 被 VIA 收购，推出了集成显卡产品 Chrome 系列，逐渐退出了 3D 显卡市场。

Intel

Intel 在 1998 年推出其第一代 3D 加速卡 i740，希望借此普及 Pentium II 开始支持的 AGP 接口。虽然跑分比较好，但实际性能落后于当时的 Voodoo 2 和 TNT，没能取得多少成功。后来 Intel 就放弃了独立显卡市场，转而专注于集成显卡。Intel 的集显包含在主板芯片组中，性能非常一般，而且很晚才支持硬件 VS。不过在整合到 CPU 中成为核显之后，对于 D3D 的支持相对比较积极。

二代酷睿（Sandy Bridge）及以前的核显支持 D3D10，六代（Skylake）开始支持 FL 12_1（光追短期内估计不行），中间的则是 D3D11。显然 CPU 型号比独显多很多，因此读者可自行参考

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Intel_graphics_processing_units

时隔 24 年，Intel 在去年推出了第一代 Arc 独显，期待能给显卡市场带来新活力。

Matrox

Matrox 主要以极高的 2D 画质著称，但更加偏向于专业市场，对于玩家不是特别友好。G200 和 G400 解决了渲染错误，但性能不及竞争者。

SiS

SiS 是台湾的芯片组厂商，但也推出了一些显卡和集显产品，中文名是矽统科技。SiS 6326 是比较有名的入门级显卡，虽然性能一般，但没有渲染错误，而且价格便宜。后来的 SiS 300 和 315 其实也不差，后者甚至支持 T&L，但驱动应该不太行。很多独显也被集成到了芯片组中。

详见https://en.wikipedia.org/wiki/Silicon_Integrated_Systems

Rendition

Rendition 也是早期的 3D 探索者，推出的 Vérité 系列非常特殊，使用 RISC 架构的处理器来加速 3D 渲染，是 D3D 开发早期的参考硬件。然而其不支持硬件 Z 缓冲，VQuake 的开发非常困难，很快被新兴的 Voodoo 盖过了。V2000 系列虽然提高了一些性能，但仍然无法令人满意。