Vi bruger alle computere dagligt, og uden at vi er klar over det, er der en kraftfuld teknisk maskine bag kulisserne. Takket være kraften fra grafikprocessor (GPU) I dag nyder vi computerspil med kompleks fysik, realistisk belysning og scener, der grænser op til virkeligheden, udover at accelerere datavidenskabelige opgaver. Kør AI-modeller på din pc og indholdsskabelse.
I disse linjer vil vi udforske GPU'ernes historie og nøgleteknologier: fra matematiske coprocessorer (FPU) fra ray tracing og kunstig intelligens til dens indflydelse på Windows-, DirectX- og pc-spilVi vil se, hvordan arkitekturer har ændret sig, hvilke milepæle der markerede hvert trin, og hvorfor GPU-computing (GPGPU) allerede er nutiden og fremtiden.
Fra tiden før GPU'en til de første grafikkort: da CPU'en gjorde alt
De første personlige computere fulgte det klassiske von Neumann-design: ALU, hukommelse og I/OCPU'en håndterede alt arbejdet, fra operativsystemet til det grafiske output. Med de første visuelle grænseflader og krævende applikationer (CAD, tidlige 2D- og 3D-videospil), voksede byrden, og en allieret dukkede op: FPU, en coprocessor til at accelerere flydende kommaoperationer, som CPU'en ikke håndterede nativt uden dyre konverteringer.
Som skærmen — en pixelmatrix— Det krævede massive og gentagne beregninger, hvilket gjorde det klart, at meget af dette arbejde kunne paralleliseres og aflastes CPU'en. Coprocessorer udviklede sig og gav til sidst plads til grafikkort som separate dele med større chips, flere transistorer og bedre strømforsyning, hvilket åbner døren for specifik renderingsacceleration.
Banebrydende standarder: fra MDA og CGA til VGA og SVGA
De første videostandarder til pc'er dukkede op i begyndelsen af 80'erne. MDA (1981) IBMs var monokrom og tekstorienteret, mens CGA (1984) Den tilføjede farver (16 farver ved lav opløsning). Senere kom HGC (Hercules), EGA og den indflydelsesrige VGA (1987), som populariserede bredere opløsninger og paletter; derefter SVGA Den udvidede opløsning og farver til niveauer, der var utænkelige blot få år tidligere. Disse milepæle cementerede spring ind i den grafiske æra fra pc'en.
I 90'erne så vi 2D-acceleratorer som dem fra S3 Grafik (1992) og debuten af 3D til spil med 3Dfx Voodoo (1995)Nye busser og videooptimerede havne ankom også, såsom AGP (1997)Disse komponenter, der er designet af Intel til at give mere grafikbåndbredde sammenlignet med klassisk PCI, banede vejen for den store revolution, der skulle komme.
1999: GPU-konceptet bliver født og ændrer spillet for altid
I 1999 opfandt NVIDIA udtrykket GPU (Graphics Processing Unit) Med GeForce 256 blev transformering og belysning for første gang integreret i grafikchippen – den gamle T&L var ikke længere afhængig af CPU'en. Dette var et historisk spring: grafikkort gik fra at være en mere eller mindre passiv "video"-enhed til at blive specialiserede parallelle processorer i stand til at frigøre CPU'en og forbedre grafikydeevnen.
Fra da af var kapløbet om magten konstant. I de følgende år, generationer som GeForce 7000 og 8000 Og den analoge Radeon-serie steg i beregningsenheder, hukommelse og båndbredde. Fremskridt blev ikke kun målt i FPS: det blev også målt i nye API'er og biblioteker (OpenGL og, i Windows-verdenen, DirectX) der gjorde det nemmere for udviklere at udnytte GPU'en mere direkte.
Arkitekturen af en moderne GPU: mange simple enheder, der arbejder parallelt
I modsætning til CPU'en, som er designet til lav latenstid og sekventielle opgaver, grupperer en GPU hundredvis eller tusindvis af simple processorer (unified shaders eller stream processors) med et meget specifikt repertoire af aritmetiske instruktioner. Denne massive skala muliggør behandling parallelle algoritmer på en ekstraordinært effektiv måde, afhængigt af højhastighedshukommelser og enorme båndbredder.
I antal har springet været enormt. I slutningen af 90'erne levede et GeForce 256 knap nok op til 4 unidades dedikeret til skygge; et par år senere modeller som en GeForce GTX 780 Ti De havde i alt 2.880 shaders og dobbeltkonfigurationer som f.eks. AMD Radeon HD 7990 De nåede i alt 4.096 (to GPU'er). Softwaren er afhængig af API'er som f.eks. OpenGL og DirectX at udnytte det maskineri.
Unified shaders, "hot shaders" og springet til gigabyte VRAM
Overgangen til forenede shaders Det var afgørende. Hjemmekonsoller satte trenden: Xbox 360 var forud for sin tid med en samlet arkitektur, før den kom til pc, mens PS3 valgte et design baseret på GeForce 7000-serien. På pc debuterede ATI med samlede shaders i 2007 med Radeon HD 2900XT (på billedet ovenfor) og kort efter gjorde NVIDIA det samme med GeForce 8000. Resultatet: store spring i præstation, såsom GeForce 8800 GT, der fordobler 7900 GT.
I 2008 blev denne filosofi konsolideret med GeForce 9000- og Radeon HD 3000-serien, med legendariske modeller for deres pris/ydelsesforhold som f.eks. GeForce GT 9600 o Radeon HD 3870NVIDIA eksperimenterede med «varme shaders», hvilket får shaders til at virke oftere end resten af GPU'en (klassisk eksempel: 8800 GT, GPU ved ~600 MHz og shaders ved ~1.500 MHz). Følgende blev også udbredt: 1 GB VRAM i mellemklassen/højklassen.
Eskaleringen fortsatte med flere shaders og mere båndbredde: a GeForce GTX 285 Den havde 240 shaders og 159 GB/s, sammenlignet med de 128 shaders og 86,4 GB/s på et 8800 GTX; på ATI-siden, Radeon HD 4890 Den gik op til 800 shaders og 124,8 GB/s fra 320 shaders og 72,06 GB/s fra 3870. Den første med DirectX 11 De ankom med Radeon HD 5000 og GeForce GTX 400; GTX 500 og HD 6000 forfinede de tidligere, med særheder såsom visse GTX 580 af 3 GB.
Windows, DirectX og den store forandring: farvel til "hot shaders", goddag til DX12
Økosystemet Windows/DirectX Det styrer udviklingen af pc'er. AMD var foran kurven med GCN 1.0 (HD 7950/7970), en arkitektur designet til de nye funktioner i DX12, såsom asynkron databehandlingPå det tidspunkt dominerede DX11, og konkurrenterne (NVIDIAS Kepler) klarede sig bedre der, men AMD inkluderede mere VRAM som standard (3 GB versus 2 GB i grønne ækvivalenter), noget afgørende for levetiden.
med KeplerNVIDIA afsluttede "hot shaders", hvilket tvang øge antallet af shaders drastiskTil reference: GTX 680 (Kepler) havde 1.536 shaders ved ~1.058 MHz, sammenlignet med GTX 580's 512 shaders ved ~1.544 MHz. Kepler skinnede ikke i DX12, det er sandt, men DX11 havde stadig ansvaretOg i sin rå form var GTX 780 Ti med 2.880 shaders et monster, der allerede nåede 4K i sin tid.
Fra Maxwell til Pascal: effektivitet, mere VRAM og et spring til DX12/Vulkan
Maxwell Dette repræsenterede en enorm forbedring i effektivitet og ydeevne pr. watt. GeForce GTX 970Med "kun" 1.664 shaders overgik den GTX 780 Ti, kunne prale af 4 GB VRAM og var mere kompatibel med DX12. Denne pris/ydelsesbalance gjorde den til en af de bedste mest elskede grafik i nyere tid.
Det næste trin, Pascal (GeForce GTX 10), omfavnede han beslutsomt DX12 og Vulkan. Den GeForce GTX 1070 Den fordoblede VRAM'en i forhold til sin forgænger (8 GB versus 4 GB), og på trods af at have 1.920 shaders, overgik den 980 GTX Ti med 2.816. AMD svarede med Radeon RX Vega 56/64kraftfuld og med HBM2-hukommelse, men GeForce GTX 1080 Ti Det regerede suverænt, og selv ikke Radeon VII kunne afsætte det. Den dag i dag kan 1080 Ti stadig køre 4K-spil i klassisk rasterisering.
Konsoller og deres indflydelse: fra Xbox 360 til PS4/Xbox One
Konsoller dikterer den teknologiske retning for pc'er på grund af deres store størrelse. Xbox 360 omfavnede hurtigt dette. forenede shadersog i den næste generation, PS4 og Xbox One De valgte AMD GCN, styrket understøttelse af asynkron databehandling og etableret standarder, der senere blev brugt i vid udstrækning i Windows og DirectX. GCN havde endda fem revisioner, endda tilgængelig på PS4 Pro og Xbox One X.
Med tiden valgte AMD at HBM/HBM2 i high-end-produkter (f.eks. RX Vega 64 med 4.096 shaders, 8 GB HBM2 og 483,8 GB/s), mens tidligere generationer som f.eks. HD 7970 (GCN 1.0) startede med 2.048 shaders, 3 GB og 264 GB/s. Denne stigning i båndbredde var nøglen til stadigt højere teksturer og opløsninger i spil på tværs af platforme.
Strålesporing og kunstig intelligens: Turing, Ampere og Ada
I 2018 lancerede NVIDIA Turing (GeForce RTX 20) og ændrede paradigmet: udover traditionelle SM'er inkorporerede det RT-kerner (strålesporingsacceleration) og spændekerner (AI og inferens). Endelig var det brugbart. strålesporing i realtid til overkommelige priser, noget der tidligere var uoverkommeligt. Arkitektur åbnede døren for langt mere realistiske belysnings-, refleksions- og okklusionseffekter.
Strålesporing skulle ledsages af nye rekonstruktionsteknikker. Den første version af DLSS Hun var diskret, men DLSS2 Det blev etableret og er nu en benchmark: det kan mangedoble FPS med minimal indflydelse på kvaliteten takket være AI i tensorkernerAMD svarede med FSR/FSR2En meget nyttig softwareskaleringsfunktion, dog uden dedikeret AI-hardware på tensorniveau; derudover indeholder Windows 11 funktioner som f.eks. Automatisk superopløsning i Windows 11 at forbedre billedet uden så mange omkostninger.
med Ampere (RTX 30) Der var et spring i råstyrke, hvilket øgede shaders pr. SM betydeligt (a RTX 3060 Den har 3.584 shaders sammenlignet med RTX 2060's 1.920. RT- og Tensor-kernerne blev forbedret betydeligt. Og med Ada Lovelace (RTX 40) En stor revolution inden for effektivitet kom: en RTX 4060 En 110W strømforsyning kan levere omkring 20% mere ydeevne end en 170W RTX 3060, og RTX 4090 Den overgår RTX 3090 med omkring 40% i rastergrafik. Desuden, DLSS3 Den introducerede GPU-framegenerering for at afhjælpe CPU-flaskehalse, en central del Windows med dårligt optimerede spil.
RDNA og RDNA 2/3: AMDs svar med enorm cache og chiplets
AMD modangreb med rDNA (Radeon RX 5700 XT), med WGP (arbejdsgrupper) og frekvenser tæt på 2 GHz. Med RDNA2 dobbelte shaders i high-end-området (op til 5.120 i RX 6900 XT), standardiseret 16 GB VRAM, hævede frekvenserne og tilføjede en massiv blok af L3-cache for at mindske afhængigheden af ekstern båndbredde, ud over enheder til accelerer ray tracing.
Den næste iteration, RDNA3, forbedret effektivitet og RT med anden generations kernerog introducerede for første gang et design multi-chiplet Inden for spilområdet: Grafikkernen forblev monolitisk, men den store L3-cache (Infinity Cache) blev outsourcet til chiplets. Dette forenkler waferen, forbedrer udbyttet produktion og reduktion af omkostninger, idet man forudser fremtiden for MCM i komplekse GPU'er. Lokale AI-initiativer er også ved at dukke op, såsom Udnyt lokal AI med Ryzen som passer ind i AMDs strategi.
GPGPU: Fra videnskab til kryptovaluta-mining og maskinlæring
Ideen om at udføre generelle opgaver GPU'en har skabt bølger i årevis, og formater som GGUF-format De har forbedret den lokale udførelse af modeller. Ikke alt skalerer godt (nogle processer kan ikke paralleliseres let), men de håndterer massive og gentagne beregningsproblemer på en fantastisk måde. Et populært eksempel var bitcoin minedrift, kører SHA-256 på flere strenge parallelt med shaders.
For at minedriften skal være effektiv, skal udstyr med beskeden CPU (inklusive ULV), 2-4 GB RAMlille lagerplads (SSD er bedre til strømforbrug), flere GPU'er i krydsild x (meget almindeligt hos AMD på grund af dets store antal streamprocessorer) og en robust strømforsyningStrømforbruget er dog den afgørende faktor: landbrug med flere GPU'er kan nå næsten 1.000 W, når de kører døgnet rundt, med en klar indvirkning på omkostningerne og behovet for beskytte din pc.
Ud over minedrift har GPGPU drevet HPC og datavidenskabEksempler: supercomputere som MareNostrum har inkorporeret acceleratorer; NVIDIA lancerede CUDA (2006) For at programmere GPU'en i generel databehandling, serveren DGX-2 med Tesla V100 og NVSwitch (2 PFLOPS), og platforme som f.eks. HURTIGE at accelerere datavidenskab, Clara til medicinsk billeddannelse, DRIVE-konstellationen til køresimulering og familien Jetson AGX Xavier til robotteknologi med AI. Alt dette kører på pc'er og servere med Windows og Linuxog API'er som DirectCompute, CUDA og OpenCL.
Integreret grafik (IGP) og dens rolle i hjemmet
Fremkomsten af mindre visuelt krævende hjemmesider og apps bragte IGPintegreret i CPU'en (Intel UHD, Iris Xe; AMD Radeon Vega, såsom nye APU'er). Til operativsystem, Office-pakke eller streaming, en moderne IGP Hun er mere end nok., og kun krævende spil eller professionel software kræver en dedikeret en.
Et illustrativt tilfælde: på en bærbar computer som den Alienware 14En mellemklasse GTX 765M yder bedre end ca. 410% Intel HD 4600 iGPU'en klarer sig bedre i spil, hvor den integrerede grafik falder til under 30 fps i mange titler; i daglig brug (Windows, browser, Office-programmer) er oplevelsen dog... meget ensDette beviser, at dGPU'en er nøglen til seriøs gaming, men ikke essentiel til daglig brug.
Typiske fordele ved BGB'er: mindre forbrugFordele: mindre varme, stadigt stigende ydeevne og intet ekstra pladsbehov. Ulemper: fysiske begrænsninger (størrelse/temperatur i SoC'en) og manglende evne til at opdatere uden at ændre samlingen. Fremtiden for disse integrerede systemer afhænger af nodespring (fra 22 nm til 14 nm, som i Broadwell dengang) og teknologier som f.eks. AMD human, hvilket gør det muligt for CPU'en og IGP'en at dele den samme hukommelsesplads for at forbedre den samlede ydeevne.
GPU-typer: integreret, dedikeret og hybrid
Tre store familier sameksisterer på hjemmemarkedet. integreret De leveres i processoren og dækker hverdagens opgaver. dedikeret Disse er separate kort med deres egen VRAM og køling (f.eks. NVIDIA GeForce RTX 3090 eller AMD Radeon RX 6800), ideelle til spil, skabelse og GPGPUOg der er designs hybrider såsom nogle RTX 3090'ere med blandet køling, der kombinerer fordelene ved luft og væske for at opretholde høje frekvenser.
I årevis førte NVIDIA og ATI high-end-markedet; i 2006 blev ATI AMD efter opkøbet, og siden da har det konkurreret direkte med NVIDIA og med Intel i integrerede systemer. Der var fantastiske øjeblikke som HD 3870 X2, AMDs første dual-GPU siden Rage Fury MAXX, som overgik GeForce 8800 Ultra i høj opløsning, eller Radeon HD 5970 og Radeon R9 295X2 i æraen med multi-GPU'er.
Windows og spil: DirectX som rygraden
Udviklingen af pc-spil afhænger i høj grad af DirectX på WindowsFra DX9 til DX11 var springet kontinuerligt; med DX12Microsoft afslørede en lavniveaukontrol til motorer for bedre at udnytte GPU'en (multithreading, kommandokøer, asynkron beregningWDDM-drivere og funktioner som f.eks. Strålesporing i DXR har gjort det muligt for pc-spillere at bruge avancerede effekter med skalerbarhed og stabilitet.
Dagens førende titler kombineres rasterisering, raytracing og superopløsning (DLSS/FSR) for at balancere kvalitet og ydeevne. Kabler som Cyberpunk 2077's Overdrive-tilstand, med stisporingDe kræver arkitekturer som Ada og billedgenereringsteknikker for at opretholde FPS ved høje opløsninger, især på systemer, hvor CPU'en kan sætte begrænsninger.
Yderligere milepæle i den nyere historie
Udover de allerede nævnte store spring er det værd at huske på GeForce 8800 GTX (2006) for sin rolle i DX10, GeForce GTX 680 (2012) med Kepler, den GTX 1080 (2016) med Pascal og familien RTX 30 (2020) med Ampere, som yderligere populariserede ray tracing og AI. Parallelt hermed blev teknologier som f.eks. SLI (2004) y CrossFire De udforskede multi-GPU, selvom de i dag har mistet fodfæste i spil sammenlignet med lodret skala af en enkelt kraftfuld GPU.
Der er også milepæle uden for gaming: platformen GRID (2012) Det bragte GPU'en til skyen, og løsninger som DGX-2, HURTIGE, Clara, DRIVE-konstellationen y Jetson AGX Xavier De har udvidet GPU-acceleration til AI, medicin, bilindustrien og robotteknologi, hvilket viser, at effekten af grafikcomputere stiger. ud over underholdning.
Ydeevne, brændstofforbrug og praktiske valg
Når du vælger, budgetterer, overvåger og... type brugFor at spille i 1080p/1440p med moderat raytracing kræves en mellemklasse-GPU med understøttelse af DLSS/FSR Det kan være nok; til 4K med høj ray tracing skal du bruge et topmoderne kort. Hvis din prioritet er videoredigering, AI eller datalogi, bør du undersøge andre muligheder. VRAM, båndbredde og bibliotekssupport (CUDA, TensorRT, ROCm).
Energiforbrug betyder mere, end det ser ud til. Udstyr med flere kort – som f.eks. gårde til cryptocurrency minedrift —fra fortiden—kan skyde regningen i vejret. Inden for spil er effektiviteten af arkitekturer som Ada o RDNA3 Det hjælper med at reducere støj og varme og passer i små kabinetter uden at gå på kompromis med den høje ydeevne. Windows.
Efter årtiers innovation er GPU'en gået fra at flytte monokrom tekst til at understøtte fotorealistiske verdeneraccelerere realtids-AI og forbedre Windows- og spiloplevelsen med teknologier som f.eks. DX12/DXR, DLSS og FSRFra MDA, CGA og VGA til RTX og RDNA har hver milepæl – unified shaders, massive caches, HBM, ray tracing, chiplets – passet ind i en brik i det puslespil, vi nyder godt af i dag derhjemme, på arbejdet og i datacentret.
