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【资料】3D图形芯片10年史话

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3D图形芯片10年史话 (转载)

标 题: 3D图形芯片10年史话 (转载)
发信站: BBS 水木清华站 (Wed Feb 23 14:34:51 2005), 站内
3D图形芯片10年史话
世界因它们更精彩
--3D图形芯片10年发展史

光阴似水,静静的悄悄的从我们每一个人的身边流过。转眼间, 2004的爆竹声又在窗外响起了。当笔者还沉浸在3D Game之中时,突然发现,3D图形芯片已经发展到了第十年。在这十年里,3D图形芯片的发展恐怕是一日千里都不足以形容的,为我们逐渐打开了3D世界的大门,将一个越来越真实的3D虚拟世界展现在我们面前。今天,笔者希望能和大家一起回顾一下3D图形芯片这十年来的风风雨雨。因个人水平限制,出错在所难免,希望各位不吝指出。
首先让我们进入1994年,就是在这一年的4月, PC最早的3D硬件加速图形芯片在3Dlabs诞生了。它就是GLINT 300SX。它支持Gouraud shading(高氏着色),Depth buffering(深度缓冲),Anti-aliasing(抗锯齿处理),Alpha blending(α混合)。虽然这款产品我们今天看来是如此的简陋,但就是它,打开了我们3D的时代。
那个年代是S3 VIRGE,MATROX和ATI 3D RAGE的时代。VIRGE整体性能稍有优势,3D RAGE则提供了对光源的处理能力,是当时3D性能最全面的图形芯片。Mystique其抛开高昂的价格不谈, 3D性能的确十分出色,但与S3 VIRGE和ATI 3D RAGE 相比仍显不够全面。之后3D Labs又发布了Permedia,在3D方面表现抢眼,但2D性能较低。
在那个年代,一些配备了高端处理器的电脑中,有时软件加速的效果甚至比硬件加速的效果还要好,因此当时的图形加速卡也都被戏称为“图形减速卡”,直到一款产品的诞生,那就是Voodoo!Voodoo面世领导了一场真正的3D革命,把我们的视觉带入了3D世界,使PC机从此具有了和街机几乎同级的3D处理能力,开创了PC界3D处理技术的先河。
1995年11月,Voodoo诞生了,其性能之强在当时完全可以用震撼来形容。支持硬件雾化,Specular Hilight(镜面高光),Color-Key-Transparency(色键透明处理), Alpha Transparency(阿尔法透明处理), Bi-Linear filtering(双线性过滤),Tri-Linear filtering(三性线过滤),MIPMAP Linear(贴图过滤),Dithering(抖动处理),Perspective Correction(透视校正), Animated texturing(动画贴图),Anti-aliasing(抗锯齿), Gouraud modulation(高氏调节), Sub-pixel correction(次级像素矫正)等诸多划时代的3D效果,像素填充率更是高达45M Pixels/s。(在当时这个数字实在是。。。反正笔者那时是坚持认为这个数字是不可能的)次年的E3大展上,15个为Voodoo做过优化的游戏同时展出。绚丽的画面、行云流水的游戏速度让全世界的游戏玩家都震惊了,我们深切的感到:3D时代的真的来了。
不仅是硬件,Voodoo的软件支持也是当时最强的。不仅支持所有主要的3D的接口程序,还量身定做了其专用的3D API――Glide。其出色的性能,极佳的易用性和稳定性使其战胜包括Direct3D在内的各路竞争对手,得到软件厂商的青睐,在当时被公认为最好的3D接口程序。而且Voodoo 在设计的时候就针对Direct3D进行了优化,很多人都是因为Voodoo而认识Direct3D的。不过,对当时最热门的接口OpenGL的强力支持更使得Voodoo 在众多游戏中取得了令人震惊的画面和速度。
Voodoo(包括后来的Voodoo2)是一款3D图形加速子卡,并没有2D性能,玩家需要另外一块2D显卡。在其刚面世的时候,没有一家显卡公司愿意生产,都认为其高达500美元的售价根本不可能为玩家接受。当时3Dfx和著名厂商Diamond(帝盟)进行了谈判,3Dfx甚至愿意向Diamond免费提供Voodoo芯片半年,但就算这样,还是被Diamond拒绝了。但是突然间内存大跌使3Dfx绝处逢生,Voodoo火爆市场,完全供不应求。从此游戏进入了3D的时代,游戏世界从8bit、15fps提升到了16bit,纹理贴图的30fps。之后的一年里,Voodoo成了游戏显卡的代名词,是当时所有玩家都梦寐以求的,每一个玩家都为Voodoo而疯狂,几乎所有的玩家都成了忠实的“巫毒教徒”,几乎所有的游戏都“Only 3Dfx”,几乎所有的游戏都是采用Glide(3Dfx自己制作的专用API),Voodoo获得了前所未有的成功。
看到这里,很多读者可能都不禁要问,那Nvidia呢?现在的3D霸主Nvidia那时是怎样的?Nvidia那时是一家成立不久的小公司,在1995年,Nvidia发布了该公司的第一款图形芯片―-NV1,一款当时来说技术规格是相当抢眼的图形芯片。与Voodoo不同,NV1拥有完整的2D/3D的图形显示核心,最特别的是是其居然整合了一个具有350MIPS性能的声音处理核心,同时还包括I/O处理器。Nvidia当时为NV1定制了 Quadratic Texture Maps(二次材质贴图),这是一种利用多边形的曲线来计算从而实现游戏的3D效果的技术。但没过多久,Microsoft制定了Direct3D API。由于与Microsoft的标准不同,NV1遭遇灭顶之灾。Nvidia当时而言完全是名不见经传的后生小辈,结果支持者寥寥无几。幸好,当时的Direct3D还没有大规模流行开来,世嘉Sega成为Nvidia的合作伙伴,NV1就被用在出名的Sega游戏机上,在榴莲大为流行。就这样,Nvidia总算得以幸存。
值得一提的是,NV1虽然在显卡领域折戟,但它却是一款相当成功的声卡。由于NV1整合350MIPS的声音处理核心,其音频核心拥有32条16位CD音质的并行音频通道和简单的硬件支持3D定位音效,而且它的MIDI部分使用了6MB音效库并全放在系统内存里。这在当时几乎是最先进的做法,NV1几乎就是奠定了PCI声卡的DSL标准。(还好Nvidia后来没有转行去做声卡)
1995到1996是群雄逐鹿的年代,大批从2D时代风风雨雨过来的耄宿和3D时代新崛起的年轻后辈同场竞技。

进入1997年,PC市场延续Voodoo独霸天下的局面。为了对抗3Dfx,第一季度,ATI推出了Rage Ⅱ图形芯片,之后又推出了其改良芯片-Rage Pro。Rage Ⅱ是ATI第一块具有硬件Z-buffering的芯片。texture compress(纹理压缩),Bi-Linear filtering(双线性过滤),Tri-Linear filtering(三性线过滤)还有纹理透视修正算法,以及Direct3D 纹理混合模式,像素填充率达到了10M /秒。Rage Pro 有一个单通道三线性过滤和完整的纹理混合选项以及VQ 纹理压缩,达到了45M Pixels /秒的像素填充率和1.2M三角形/秒的三角形生成引擎。这是第一款真正有能力向Voodoo发出挑战的图形芯片。但很可惜,它的驱动程序兼容性较差,不能充分发挥其性能。再加上ATI对零售市场那一贯的不冷不热的态度,这款显卡也就更多的见于OEM市场。
5月,3Dlabs发布了Permedia2图形芯片,其图形质量得到了相当的肯定,在Direct3D下,其性能也能与Voodoo堪堪打平,但在OpenGL下还是无法胜过Voodoo,更别提Glide。当时大部分游戏都对应OpenGL和Glide,Direct3D则是如同鸡肋。不得已,Permedia2更多的是面对专业市场。也是从此,3Dlabs开始逐渐远离主流市场,重心更多的放在了专业市场。
8月,Nvidia再次杀入3D图形芯片市场,发布了NV3,也就是Riva 128图形芯片。Riva 128是一款具有128bit的2D、3D加速图形核心,核心频率为60MHz,一条单材质处理单元的像素管线,它的最大像素填充率是60 M Pixels/s,材质填充率也是60 M Texels/s。最大支持4MB SDRAM/SGRAM显存,显存带宽为1.6GB/s,支持AGP 1x。其内置的硬件三角形处理引擎每秒可以进行5亿次浮点运算,生成120万个三角形。
虽然Nvidia通过其宽显存总线和内嵌兼容性技术在Direct X下超越了Voodoo,但是其在3D图形质量上始终稍逊一筹。即使如此,低廉的制造成本,高性能的2D/3D加速使之成为OEM厂商的最爱Nvidia总算在3D图形芯片市场立住了脚跟。
但是Riva 128显示核心最大仅仅支持4MB显存,这一点使得它的最大只能支持800x600分辨率。为此几个月后,Nvidia又推出了NV3的加强版本—RIVA 128ZX。与NV3相比,RIVA 128ZX所支持的最大显存从4MB增加到8MB,并开始支持AGP 2x,可以最大支持1280x1024分辨率。
Voodoo虽然强劲,但3Dfx很清楚的知道,单纯的3D加速子卡并不足以垄断显卡市场,整合2D/3D才是以后显卡发展的方向。8月,3Dfx发布了Voodoo Rush,一块让每一个"巫毒教徒"都想忘记的产品。其实但从纯粹的技术指标看,Voodoo Rush是很强大的。3Dfx自己设计了3D芯片,2D功能由Alliance Semiconductor的AT3D图形芯片实现,配备了6MB(4MB 3D,2MB 2D)或4M(2MB 3D,2MB 2D)显存,提供了硬件MPEG-I解码、软件MPEG 2解码和TV-OUT输出的功能。但是其2D画质粗糙,3D性能低下,最要命的是其兼容性相当差,一些支持Glide甚至都无法获得硬件加速支持,因此VOODOO Rush在昙花一现之后很快就在市场上消失了。
为了保持领先优势,1997年冬季,3Dfx发布了有史以来最成功的3D图形加速芯片――Voodoo2。Voodoo2最大像素填充率达到90M Pixels/s,达到了Voodoo的一倍。3D技术上,Voodoo2较前代的Voodoo增加了Z-buffering还有Anti-Aliasing功能,再加上3Dfx首先提出的“单周期双纹理”技术与“SLI(交错互连)”技术,Voodoo2在性能方面有了质的飞跃。这一芯片支持SLI技术,允许双卡互联,使性能翻倍!两块Voodoo2-SLI成为了当时全球玩家的终极梦幻配置,所有的玩家都以拥有其为荣。在当时看来,Voodoo 2绝对是一个不可思议的硬件产品。在Nvidia发布了Riva TNT之前根本没有任何3D图形芯片可以和Voodoo2较量,3Dfx也因此迎来其巅峰时刻!所有其他厂商的产品都在Voodoo2下黯然失色,用当时媒体的话来说,Voodoo2简直是处于独孤求败的境地!

3D图形芯片10年史话(1998)
Intel:初试啼声
1998年的第一款3D图形芯片来自Intel。2月,当我们还沉浸在新年的喜悦之中时,大洋彼岸却传来了一个令人震惊的消息:Intel发布了i740,正式杀入3D图形芯片领域。几乎50%的市场占有率很好的说明了这个决定对整个桌面3D图形芯片领域的影响(2003年)。Intel的产品始终和市场主流产品有相当的差距,就拿其发布的第一款产品i740来说,它的性能还不及Voodoo2的一半,甚至连Voodoo都难及。但Intel把它们都整合到了自家的芯片组上,虽然性能不济,但还是占据了庞大的OEM和商务市场,令众多对手眼馋不已。(现在知道Nvidia和ATI为什么大举进军整合芯片组市场了吧?嘿嘿)
Nvidia:渐入佳境
也是在2月(莫非美国也有春节讨吉利?),Nvidia发布了Riva 128的升级版本Riva 128 ZX。一个月后,他们又发布了他们的真正意义上的传奇芯片―Riva TNT。TNT的核心技术Twin Texel引擎是一条双象素的32-bit渲染流水线,具有两条渲染管线,两个材质处理单元,允许在一个时钟周期内可以同时处理两个像素,其核心频率为90MHz(原计划是125MHz,因设计问题被降为110MHz,然后因生产工艺问题又降到90MHz),最大像素填充率达到了180M Pixels/s。不仅支持32位色深和24-bit Z-Buffer( 8-bit stencil) (Z-Buffer是一项处理3D物体深度信息的技术,它对不同物体和同一物体不同部分的当前Z坐标进行纪录,在进行着色时,对那些被其他物体所遮挡、不可见的结构进行隐藏。Z-Buffer所用的位数越高,它能够提供的景深值就越精确),更提供了对各项异性过滤和每像素MIP贴图(可以很好的提高成像的清晰程度)的支持,最大支持显存容量也提升到了16MB。
虽然受生产工艺制约,秋季发布的Riva TNT核心频率并没有Nvidia标称的那么高,其用这一显卡冲击Voodoo2的王者地位的意图也就功败垂成。但这一显卡也绝对是当时的经典之作,其在DirectX下的游戏性能已能同Voodoo2抗衡,向世人证明了强劲的3D性能不仅仅是3Dfx的专利。
ATI:再接再厉
1998年2月,ATI为Rage Pro发布了新的Turbo驱动程序,并把这个芯片重新命名为Rage Pro Turbo,作为一款新产品推向市场。但即使加上了最新的Turbo驱动程序,Rage Pro Turbo还是无法与Voodoo2抗衡。直到1999年5月,ATI发布了Rage Pro的最终驱动程序,总算把Rage Pro的性能全部发挥了除了。相比最初,Rage Pro的游戏性能有了20-40%左右的增长,但此时,下一代图形产品已经在市场上销售了。如果Rage Pro一开始就带着这些驱动程序销售,3D图形芯片市场又会呈现怎样的格局呢?真的很难想像。
10月,为了与Riva TNT和Voodoo2对抗,ATI 发布了Rage 128,包括Rage 128VR和Rage 128GL两款。其中Rage 128 VR是用在主板集成和低端显卡上的,Rage 128 GL主要是用在高端显卡上。当时,是唯一硬件上支持采用了OpenGL的雷神之锤III的3D图形芯片。Rage 128 GL支持DME的AGP纹理,标配32MB显存,ATI把它的核心时钟频率定为100MHz,最大象素填充率为200M Pixels /s,略高于Riva TNT。它的内存体系使Rage 128 GL同时,这个决定也催生了许多显卡厂商,不少显卡厂商就是生产ATI的显卡而一炮走红,从此也就有了NVIDIA阵营和ATI阵营的概念,用户和厂商都有了更多的选择。
8月14日,ATI发布了传说中的R200,Radeon 8500图形芯片。6000万的晶体管数打破了GeForce3的记录,也给我们带来了更多的惊喜。通过SmartShader技术,Radeon 8500可以实现Vertex Shader、Pixel Shader的效果,全新的像素引擎Pixel Tapestry II包括4条像素渲染流水线,每条流水线由2个TMU(材质贴图单元)组成,再加上一个当时唯一支持DirectX 8.1的可编程像素着色器 PPS(Programmable Pixel Shader),Radeon 8500能够支持单周期高达6次的纹理贴图,并且可以接收更长的程序指令(每个程序22条指令,而GeForce3为12条) ,同时实现对DirectX 8.1标准的完全支持。
Radeon 8500还采用了Hyper-Z的改进技术:Hyper-Z Ⅱ和新一代的T
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