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来源:technews 作者:痴汉水球
本篇文章将带你了解 :
3D 显卡芯片何时出现?
Intel 的显卡芯片史
3D 显卡芯片厂商可分为几种?
GPU 这名词真的是由nVidia 首创?
3D 群雄大乱斗时期的梦幻处理器
今日无论计算型、专业型、游戏型或入门型独立显卡芯片,几乎是Nvidia(英伟达) 与AMD 两家大厂的天下,前者从2011 年底GeForce 680(GK104) 至今,在独显市场建立压倒性绝对优势,更 不必说2006 年至今CUDA(Compute Unified Device Architecture)生态体系与持之以恒的长期投资,让Nvidia霸业几乎没有丝毫遭挑战的可能性。但有点年纪的老骨灰,特别是经历过消费性3D 显卡芯片发展草创期,一定不会忘记1990 年代百家争鸣的战国时代,Nvidia 一开始也出师不利,被大多数人不看好过。
进入本篇主角:3dfx 末代产品Rampage与Sage(Spectre 系列显示卡)前,先来复习一下历史,即将揭露的诸多史迹,将让各位大吃一惊,但假若各位没耐心看长文,看下笔者整理的主要厂商兼并史与主要产品,即可唤起各位年轻时的美好回忆,连想看到正常3D 游戏画面都可遇不可求的蛮荒时代。
▲ 这张近代消费型3D 显卡芯片厂商的兼并史,足以抵过千言万语,ATi 也因透过大量并购,累积与Nvidia 分庭抗礼的实力,最终2006 年夏天成为AMD 的一部分。(制图:痴汉水球)
第一题:群雄割据但最终赢家全拿的战乱时期,有多少玩家身处其中?
这在今天只看到Nvidia、AMD 及苦苦追赶之英特尔的现代人眼里,恐怕完全难以想像1990 年有20 家厂商宣称开发个人电脑用3D 显卡芯片,1996 年更急速膨胀到70 家。但2000 年研发高效能3D 显卡芯片的技术困难度水涨船高(刚好是微软DirectX 8 定义著色器架构之),以及互联网泡沫破掉影响,快速缩减至12 家,更不要说现在的情况了。
▲ 你绝对没看错:曾宣称研发个人电脑3D 显卡芯片的厂商,就是这么多家。
第二题:3D 显卡芯片出现,是1990 年代才开始吗?
当然不是。历史最著名的3D 芯片先驱,莫过于那家科技树乱长一通,从机车、钢琴、音响、汽车引擎、烧录机、音效芯片都涉足的Yamaha(雅马哈),1984 年COMDEX 展览(COMputer Dealers′ EXhibition,后来地位被CES 取代)发布的YGY611,具备诸多仿佛搭上时光机从未来窃取的先进技术,号称集结长达十年对3D 与芯片设计的研究成果,结果还真的拖到十年后才量产,独显市场活不到两年就退回出发点:柏青哥(日本赌博游戏机器) 。
▲ 为柏青哥机台而生的Yamaha YGY611渲染多边形加速器,是3D 显卡芯片先驱,但也缺乏2D VGA 功能,只能像3dfx Voodoo 当辅助处理器,仍须搭配另一块一般视频输出显示卡使用。
第三题:英特尔显卡芯片史,是i740 为起点吗?
当然也不是。英特尔早在1983 年6 月就推出NEC 授权的µPD7220 的82720 绘图控制器。
▲ 靠系统芯片组或处理器内建绘图核心强迫中奖优势,英特尔帐面一直占有大多数个人电脑显卡芯片市占率。但有充分理由相信,英特尔绝对不会满足。AMD Zen 4 世代Ryzen 7000 处理器也赠送内显,应可提升AMD 百分比。
接着,英特尔眼睁睁看着NEC 的µPD7220、Hitachi 的HD63484 与诸多IBM EGA 复制版兴起,基于我们应该提供所有个人电脑相关芯片传统策略,1986 年推出82786 绘图协处理器,并出售给独立板卡(AIB,Add-In graphics Board)厂商推出显卡。1987 年两家公司用82786 提供三款显卡,这数字在1988 年激增成10 家公司和15 款显卡。但整体来说,相较同期竞争对手,如TI 的TSM34010,英特尔82786 性能并不算强,也没有特别受市场欢迎。
1989 年英特尔发布单芯片超级电脑i860,也是继i960 之后,再次以实际行动面对RISC(精简指令集电脑)的产物。i860 在绘图工作站市场算是略有斩获,用在NeXT Cube 工作站NeXT Dimensions 显示卡绘图加速器和SGI RealityEngine 几何处理引擎(Geometry Engine),但也是昙花一现。
后面就如诸多老一辈电脑玩家记忆,英特尔1997 年并购笔电显卡芯片厂商Chips and Technologies,并跟世界最大军火厂商洛克希德马丁(拥有F-22、F-35、F-16 等战斗机)Real3D 部门建立合作关系,1998 年发布代号Auburn的i740 独显芯片,规格看来很棒,赋予推广AGP 2x 的目的,也宣称充分发挥AGP 2x 潜能。
▲ 英特尔推出i740 时,引起显卡芯片业界与个人电脑玩家圈一阵恐慌,但终究雷声大雨点小,倍受争议的商业推广手段,更让英特尔被美国政府找麻烦。
但i740 与后继i752 性能完全无法对抗3dfx、NVIDIA 与ATi 产品,以实际行动证明AGP 2x 的DME(Direct Memory Execute) 将一堆材质贴图放在主记忆体以降低成本是很蠢的主意,英特尔只能对以台湾地区为主的亚洲板卡厂商发动低价倾销,结果就是1998 年6 月,美国联邦贸易委员会(FTC)指控英特尔不公平商业行为,例如台湾地区的批发售价仅7~18 美元,远低于英特尔公定价28 美元。此外,如果客户购入i740 芯片,将更容易取得Pentium II 处理器货源。
最后,英特尔1999 年底中止独显计划,收购Real3D,并再出售给3dfx(没多久又被NVIDIA 并购),ATi 也聘用不打算与英特尔共事的部分员工,导致Real3D 技术分别流向NVIDIA 与ATi,两家公司争夺Real3D 专利过程,又引爆一连串诉讼,最终2001 年达成交叉授权协议。至于英特尔爆发x86征服一切的理念催生疯狂的x86 处理器显示卡Larrabee和后来腰斩的Xeon Phi,又是另一段惊悚故事了。
虽然英特尔踏入消费性3D 独显的尝试,可称为大投资,小成果,大耻辱,但以后见之明回顾这段历史,i740、i752 与并未上市的i754(原本预定首款支持AGP 4x 的芯片,就这样让给S3 Savage 4)奠定英特尔芯片组内显技术基础,以i810(代号Whitney的82810) 为起点,开启英特尔显卡芯片市占率遥遥领先独显双雄的盛世。但也有充分理由相信,英特尔绝对不会满意现状,否则也不会整个砍掉重练,从AMD 挖角Raja Koduri重建Xe 绘图技术体系和OneAPI 了,即使现在看来还是跌跌撞撞的样子。
第四题:这票3D 显卡芯片厂商,大致可分为几种?
这票在1990 年代如过江之鲫的3D 显卡芯片厂商,可概略分为以下几种:
再深入探究,各位将逐渐看到很多有趣的事实:
处理器或芯片组厂商副业:
英特尔做过的诸多好事没什么值得一提的地方,但从SiS 独立的XGI,接收Trident 显示芯片部门,上海联盟公司远弘科技(Macro Synergy)2006 年被ATi 并购,也就是现在的AMD。
古老的2D 王者:
如果还记得倚天中文系统,应该会想到Tseng Labs 和Trident 的产品是最好伙伴,安装设定界面还有对应选项。
▲ 倚天中文安装设定页面,可看到Tseng Labs 的ET4000、Trident T8800 与T8900 选项。(Source:insoler.com)
血统纯正、根正苗红:
叱咤一时的3dfx 可谓代表,有傲视业界的Direct3D 与OpenGL 驱动程序兼容性、甚至可自定义完整的3D API(微软尚未发布DirectX 前非常重要,3dfx Glide 是最好例证),但能否研发出具成本竞争优势的产品,以争取品牌电脑大厂支持,是决定生死的关键,3dfx 就是死在这里,败给NVIDIA。
靠并购一路成长:
ATi 策略很接近NVIDIA,都采取规模经济,企图成为涵盖所有市场的供应商,但ATi 极度仰赖并购以快速取得产品与技术,先后收购Kubota Graphics(得到开创性的3D Rage)、Tseng Labs、Chromatic Research、Real3D 的一部分、ArtX(取得任天堂GameCube Flipper 显卡芯片,踏足游戏机市场)、S3 分割出来的FireGL 专业绘图卡、Appian Graphics 的HydraVision 多萤幕桌面管理软件(从此ATi 与之后AMD 就成为多显示器领导者)、生产电视调制器的NxtWave、XGI 的Macro Synergy、Trident、专注可携式产品的Bitboys 等等。
日资背景:
Kubota Graphics 第一个字就是总部位于大阪,以重型建筑设备和农耕机械而知名的久保田,让ATi 在3D Rage(Mach64 264GT)取得重大商业成功。
IBM 将其内建Aptiva 多媒体家用个人电脑,使3D Rage 成为史上第一个针对家用娱乐应用的3D 芯片主机板的Design Win,1996 年ATi 平均每季可卖出100 万颗3D Rage,冥冥之中预言了ATi(AMD)和NVIDIA 并列显卡芯片双雄的结局。
当年3dfx 竞争SEGA Dreamcast 主机失败,输给NEC 和VideoLogic(讲PowerVR 可能比较易懂),除了3dfx 申请股票上市,递交营业资讯时,不小心外泄仍在保密阶段的合作协议,肥水不落外人田极可能也是主因。
小型新创公司或从大公司分割:
往往看起来好像很厉害,但做成实际产品又不是那么回事,画面惨不忍睹算是共同特色,能被并购已很幸运了。
不务正业:
扣掉真正3D 芯片先驱Yamaha,剩下厂商真的很像来搞笑的。
▲ 这是Alliance AT3D 的游戏画面,难怪有人说:现代艺术爱好者应该能享受这些令人印象深刻的画作,也是测试早期3D 显卡芯片的乐趣与醍醐味。(Source:vintage3d.org)
第五题:GPU 这词真是由Nvidia 创造?现在这词还有意义吗?
好像对,也好像不对。
随着1999 年8 月31 日发布GeForce 256(NV10),Nvidia 宣称创造了GPU(Graphic Processing Unit)看起来好像非常伟大的专有名词,定义为整合3D 转换(Transform)、打光(Lighting)、三角设定(Triangle Setup)/裁切(Clipping) 与成像引擎(Rendering Engine),每秒能处理至少1 千万个多边形的单芯片处理器,蓄意突显当时只有Nvidia 支持DirectX 7.0 硬件Transform & Lighting(Hardware T&L)的营销手法,刻意集中打击产品发展与公司营运深陷绝境的3dfx。
▲ 如果一时想不起来什么是几何处理,请复习一下3D 绘图流水线概论。
但早在Sony 1994 年推出第一代PlayStation 家用主机时就使用此简写,描述几何处理单元(Geometry Processing Unit)。针对专业绘图工作站市场,3D Labs 1995 年推出配备几何处理器单元的Glint 芯片组,反观Nvidia 与ATi 则专注当时市场较小但急速成长的游戏社群。结果蓬勃发展的游戏市场让Nvidia 和ATi 享有压倒性市场规模,并以为基础,触角延伸到专业绘图,但3DLabs 却无法靠这块地盘支撑研发投资,无以为继,将整个市场拱手送给Nvidia 和ATi。
今天GPU 应用非常广泛多元,手机和汽车人工智能推理、数字货币挖矿,高效能浮点计算等等,远远超过绘图范畴,更不乏连输出画面都不行的计算专用芯片,也许重新命名为并行处理应用加速器单元(PPAAU,Parallel-Processing Application Accelerator Unit)会更贴切。
最具象征性的3D 群雄大乱斗时期梦幻处理器:3dfxRampage和Sage
靠着初代Voodoo 与Glide API 绝对优势,3dfx 曾取得85% 3D 显卡市占,1998 年初Voodoo 2 搭配SLI 模式连接两张卡,更是最豪华也最顶级的3D 游戏专用配备。
▲ 任何经历过1990 年代后期3D 游戏的老骨灰,绝对不会忘记当年如何朝思暮想Voodoo 2 SLI。
但Nvidia 也追得很紧。1997 年4 月发布2D / 3D 单芯片方案Riva128,1998 年3 月推出具32 位元色深和双材质处理单元的RivaTNT,3dfx 则慢慢疲态毕露,直到199 9年3 月被RivaTNT2 夺走戴在头上多年的王冠,再也拿不回来。
说穿了,3dfx 硬件层面本就不太先进,诸如此类:
1996 年10 月:
初代Voodoo 是双芯片,且需要另一张独立2D 显卡。
1997 年8 月:
3dfx 发布Voodoo Rush,整合Alliance ProMotion AT25 2D 显示芯片跟Voodoo 成为单一显卡方案,却引发严重的游戏兼容性问题。
还好笔者没买。
1998 年3 月:
Voodoo 2 是三芯片,成本更高,也需要另一张2D 显卡。
比较糟糕的是,还没有32 位色深、AGP 材质、24 位元Z 缓冲区。
1998 年6 月:
3dfx 总算有2D / 3D 单芯片方案VoodooBanshee,但只有一个材质处理单元,效能不如Voodoo 2,也没有32 位色深和一堆有的没有的功能。
1999 年3 月:
Voodoo 3 Avenger补回第二个材质处理单元,32 位色深依旧付之阙如,和Nvidia 差距越拉越开。
2000 年6 月:
VSA-100(Voodoo Scalable Architecture)追加第二个画素处理单元与32 位元色深,支持1~4 颗多芯片组态,偏偏还是没有硬件T&L。
180 纳米制程微缩版VSA-101 永远没问世。
2000 年12 月:
Nvidia 收购多数3dfx 资产。
3dfx 的传奇难道就此结束?但历史却说不,因还有梦幻般末代逸品Rampage和Sage。
▲ 3dfxRampage堪称1990 年代3D 显卡芯片大乱斗时期的最佳结尾。
2018 年底,也是3dfx 开发Rampage 和Sage 的20 年后,《The Legacy of 3dfx》一书作者Oscar Barea,测试手上Spectre 1000 显示卡(一颗Rampage)工程样品,让若干旧传说、疑问、误解都获得澄清,可说3D 绘图技术发展史,了结一场重大公案。结论就是:即便3dfx 没有倒闭破产,还是会被Nvidia 活活打爆。连GeForce 256 都打不过了,还奢望抗衡更新型GeForce 2 和GeForce 3?门都没有。
这些往事,都默默消失于世界尽头。但如外界盛传,Sage 转生GeForce 4(NV25) 的Vertex Shader、GeForce Fx(NV30)名称摆明致敬3dfx、Rampage 演化成GeForce 6800(NV40)的Pixel Shader 技术基础,究竟3dfx 有多少基因融入Nvidia 产品,就只有Nvidia 自己知道了。
3dfx 之所以短短四年就从天堂掉入深渊,有很多原因,技术和商业都有,反正笔者还是那句话,天底所有奇迹与惨剧,都是天时、地利、人和,大概可归类成以下几点:
1. 天时──迟迟无法推出有成本竞争力的单芯片产品:
自微软发布DirectX 并逐渐成熟普及、刺激更多3D 游戏陆续登场,市场自然亟需低成本产品,Voodoo 这种昂贵附加卡根本是票房毒药。
但就算到生死存亡之秋,3dfx 依旧坚持所费不赀的多芯片架构,硬件规格也远远落后Nvidia 和ATi 等竞争对手的主流产品。
当Nvidia 和ATi 单芯片产品陆续进驻品牌电脑大厂,就注定3dfx 死期不远。
坊家普遍有某种观点,认为3dfx 把自己绑死在Glide API,所以无法有效应对DirectX 和OpenGL 等业界标准3D API 开发的游戏,恰好相反,3dfx 驱动程序很长时间一直都是业界兼容性最佳者,3dfx 反而是软件实力远大于硬件的经典案例。那时玩家玩游戏的,应该都不会怀疑3dfx 驱动程序是否值得信任。笔者就是靠Matrox Millennium 或Mystique 搭配Voodoo 当标准配备。
2. 地利──对家用游戏主机的怨念浪费太多资源:
3dfx 先后争取SEGA Dreamcast 和微软Xbox 合作机会,为前者耗费一年多研发却一无所获,输给日系背景的PowerVR(坦白讲,3dfx 一开始就在对手主场作战,处于极度不利局面,当年还是学生的笔者不感觉有丝毫讶异),还与SEGA 对簿公堂,为后者更花1.86 亿美元并购GigaPixel,散尽最后家底,还败给NVIDIA。
我们可从日后AMD 变相寡占Sony PlayStation 和微软Xbox 的经验,得到简单结论:游戏机利润并不高,顶多是细水长流的现金母牛,不见得值得3dfx 花这么大力气和代价争抢。
▲ 实在很难想像3dfx 可存活至今,且垄断微软Xbox 和Sony PlayStation 的画面。
3. 人和──并购STB 让自家球员兼裁判:
这才是压死3dfx 的最后一根稻草,本来想花1.41 亿美元抢走NVIDIA 最大客户,却一举得罪所有独立板卡厂商,转向支持Nvidia 和ATi,平白把客户送给对方。
之前Nvidia 原本没有同时服侍大量客户的经验与技术支持能量,突然被3dfx 这世纪大烂招逼到什么都有了。
回到Nvidia 和ATi 群雄大乱斗时成功突围的1990 年代末期,两家公司有共同点:尽其所能扩大基本盘,但3dfx 却彻头彻尾反其道而行,会如此快速败亡,也不让人意外。
追加题:AMD 有可能如法炮制CPU 成功模式挑战Nvidia霸业吗?
既然都讲到Nvidia,其实这问题简单一句话就能打发,但笔者左思右想,还是觉得这地方颇有多加解释的必要。
一言以蔽之,AMD 的CPU 和GPU,败部复活之路截然不同,前者是集中资源打造一系列Zen 处理器微架构,花了很长时间发展统一AMD 内部SoC IP 区块通用控制方式 Infinity Fabrics,才有本钱采用简化晶粒种类的Chiplet 策略,并藉由台积电先进制程,有点胜之不武取得对英特尔的优势。
但AMD 的GPU,和Nvidia 长期同为以台积电为主要代工伙伴,制程从来就不是决定两边胜负的关键因素(尤其Nvidia 一直不乏抢先使用先进制程出事的前例,NV30 和GF100 就很让人印象深刻),2011~2015 年,两家公司GPU 同样黏在台积电28 纳米制程很久,从高效能计算、专业绘图到游戏,Nvidia 相对AMD 的强势点只有越来越大,就是最好证明。
原因很简单,Nvidia 有办法针对不同应用研发不同GPU 微架构,让计算和游戏分而治之,更持之以恒耕耘生态系统(自从2006 年到今天超过15 年),建立几乎滴水不漏的CUDA 封锁网,造就数以百万计开发社群,这可不是区区一句驱动程序品质良好就能一笔带过的历史轨迹。论研发支出、品牌形象、与游戏玩家的紧密度和可让玩家感受到热情,AMD 从来看不见Nvidia 的车尾灯。
▲ 2006 年至今发展超过15 年的CUDA 生态系统,一直是Nvidia霸业的基础,与台积电制程技术到底好不好一点关系都没有。别说AMD,连看起来倾尽全力发展OneAPI 的英特尔恐怕都难有挑战本钱。
讲更白一点,AMD GPU 近况有点起色,主因不外乎终于可以双轨化了,不必强迫计算导向的GCN 微架构硬跑游戏,然后师承自CPU 的大型化快取记忆体,也似乎多少可抵销Nvidia 的秘密王牌:自从NV40 后,被大量专利权保护的先进记忆体资料传输压缩机制。过去这让AMD GPU 长期需要更丰沛的记忆体频宽,性能才有机会对抗Nvidia 。
不过就算如此,光看着超级电脑Top500 采用Nvidia GPU 的比例,比较Nvidia DLSS(Deep Learning Super Sampling)和AMD FSR(FidelityFX Super Resolution)对应游戏数,就不难理解Nvidia霸业有多难挑战。
话说回来,消费性显卡市场,拜Nvidia 有点走火入魔之赐,AMD 倒明显享有能耗比优势,加上专业计算战场,MI300 仰赖多芯片封装,成为EHP(Exascale Heterogenous Processor)首发,搞不好可稍微拉近一点与Nvidia 的差距,或许是AMD 唯一勉强能如法炮制CPU 成功模式的地方。
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