DirectX支配游戲！歷代GPU架構(gòu)全解析

★ 首款DX9顯卡——Radeon 9700

    當(dāng)NVIDIA沉浸于GeForce 4 Ti大獲全勝的DX8時代時，ATI在DX9標(biāo)準(zhǔn)正式確立之前就提前發(fā)布了Radeon 9700顯卡，打得NVIDIA措手不及。這款產(chǎn)品來得如此突然，以至于ATI發(fā)布之時甚至沒有提供相關(guān)技術(shù)PPT/PDF。

    由于DX9相比DX8并沒有改變3D渲染流程，僅僅是強(qiáng)化了ShaderModel指令集，因此R300的架構(gòu)相比R200改進(jìn)并不大，主要的變化是規(guī)模的擴(kuò)充與外圍控制模塊的加強(qiáng)。比如：首次使用256bit顯存控制器、類似CPU的FCBGA封裝、更先進(jìn)的紋理壓縮技術(shù)以及后期處理單元。

R300的頂點(diǎn)和像素著色單元結(jié)構(gòu)

    當(dāng)然，R300的Shader單元經(jīng)過了重新設(shè)計，定址、色彩和紋理單元都支持浮點(diǎn)運(yùn)算精度，這是它能夠完美運(yùn)行DX9程序的關(guān)鍵。R300核心擁有8條像素渲染管線及4個頂點(diǎn)著色單元，每條像素管線中只有1個紋理單元。至此ATI的像素與紋理的比例從1:3到1:2再到1:1，在DX9C時代將會進(jìn)一步拉大至3:1，也就是風(fēng)靡一時的3:1架構(gòu)，當(dāng)然這是后話了。

★ NVIDIA遭遇滑鐵盧——GeForce FX 5800

    NV30核心采用了業(yè)界非常先進(jìn)的0.13微米工藝制造，并使用了最高頻率的GDDR2顯存，而且發(fā)布時間較晚，理應(yīng)占盡優(yōu)勢才對。但是這一次NVIDIA沒能跟上微軟的步伐，不僅在時間上晚于ATI，而且在DX9技術(shù)方面也未能超越。NV30的架構(gòu)存在較大的缺陷，NVIDIA艱難的完成了從DX8到DX9的過渡，但結(jié)果很不理想。

    從宏觀上說，NV30的整體架構(gòu)更像是一個DX7（固定功能TRUE T&L單元）、DX8（FX12combiner整數(shù)處理單元）、DX9（浮點(diǎn)像素單元）的混合體。而在DX9的應(yīng)用中，不能出現(xiàn)非浮點(diǎn)精度的運(yùn)算，所以前兩者是不起作用的，造成了NV30晶體管資源的浪費(fèi)，同時也影響了性能。

    NV30的PiexlShader單元沒有Co-issue(標(biāo)量指令+矢量指令并行處理)能力，而在DX9中，單周期3D+1D是最常見指令處理方式，即在很多情況下RGB+A是需要非綁定執(zhí)行的，這時候NV30就無法并行執(zhí)行，指令吞吐量大大降低。其次，NV30沒有miniALU單元，也限制了NV30的浮點(diǎn)運(yùn)算能力（在NV35中DX8整數(shù)單元被替換為miniALU）。

    另外，NV30在寄存器設(shè)計（數(shù)量及調(diào)用方式）、指令存儲方式（讀寫至顯存）等方面也有缺陷。NV30的寄存器數(shù)量較少，不能滿足實(shí)際程序的需要。而且，用微軟的HLSL語言所編寫的pixel shader2.0代碼可以說NV30的“天敵”，這些shader代碼會使用大量的臨時寄存器，并且將材質(zhì)指令打包成塊，但是NV30所采用的顯存是DDR-SDRAM，不具備塊操作能力。同時，NV30材質(zhì)數(shù)據(jù)的讀取效率低下，導(dǎo)致核心的Cache命中率有所下降，對顯存帶寬的消耗進(jìn)一步加大。

    由于NV30是VILW（超長指令，可同時包含標(biāo)量和SIMD指令）設(shè)計類型的處理器，對顯卡驅(qū)動的Shader編譯器效率有較高的要求。排列順序恰當(dāng)?shù)膕hader代碼可以大幅度提升核心的處理能力。在早期的一些游戲中，這種優(yōu)化還是起到了一定的作用。但對于后期Shader運(yùn)算任務(wù)更為繁重的游戲則效果不大。

    最終，雖然NV30與上代的NV25相比架構(gòu)變化很大，但性能方面全面落后與對手的R300。不過NV30的架構(gòu)還是有一定的前瞻性，ATI的R600在Shader設(shè)計方面與NV30有很多相似之處。

★ 小結(jié)：非“真DX9架構(gòu)”導(dǎo)致NV30失敗

    現(xiàn)在再來看看，相信沒人會認(rèn)為DX9的改進(jìn)有限了。正是由于NVIDIA沒能適應(yīng)DX9所帶來ShaderModel指令的諸多改進(jìn)，采用DX8+DX9混合式的架構(gòu)，才導(dǎo)致NV30存在很大缺陷，在運(yùn)行DX9游戲時效率很低。另外冒險采用先進(jìn)工藝、不成熟的GDDR2顯存、128bit位寬這些都極大的限制了NV30的性能，即便在DX8游戲中都無法勝過R300。

    而ATI則占據(jù)天時地利人和等一切優(yōu)勢，完全按照DX9標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計，甚至在DX9標(biāo)準(zhǔn)確立之前就早早的發(fā)布了DX9顯卡，這不免讓人感覺ATI和微軟之間存在微妙的關(guān)系，“陰”了NVIDIA一把。