Эволюция современных графических процессоров начинается с появления в 1995 году первых дополнительных 3D-карт, за которыми последовало широкое распространение 32-битных операционных систем и доступных персональных компьютеров.

Графическая индустрия, существовавшая до этого, состояла из более прозаической 2D-архитектуры, отличной от ПК, с графическими картами, более известными по буквенно-цифровым соглашениям об именах своих чипов и большим ценникам. 3D-игры и виртуализация Компьютерная графика со временем объединилась из различных источников, таких как аркадные и консольные игры, военные, робототехнические и космические симуляторы, а также медицинские изображения.

Первые дни потребительской 3D-графики были Диком Западом конкурирующих идей. От того, как реализовано оборудование, до использования различных методов рендеринга, их реализации и интерфейсов данных, а также постоянной гиперболы именования. Первые графические системы имели архитектуру, которая следовала фиксированному конвейеру функций (FFP) и очень строгому процессу обработки с использованием такого же количества графических API-интерфейсов, как и производители 3D-чипов.

Хотя трехмерная графика превращает довольно скучную индустрию ПК в легкое и волшебное шоу, они обязаны своим существованием поколениям инновационных усилий. Это серия из четырех статей, в которых всесторонне рассматривается история GPU в хронологическом порядке. Мы переходим от первых дней потребительской 3D-графики к кардинальному изменению правил игры 3Dfx Voodoo, консолидации отрасли на рубеже веков и современным GPGPU.

1976-1995: Первые дни потребительской 3D-графики

Первая настоящая трехмерная графика началась с ранних контроллеров дисплея, известных как модификаторы видео и генераторы видеоадресов. Они служили переходом между основным процессором и дисплеем. Входящий поток данных был преобразован в последовательный растровый видеовыход, такой как яркость, цвет, а также вертикальная и горизонтальная композитная синхронизация, которая сохраняла линию пикселей во время рендеринга и синхронизировала каждую последующую строку (время между интервалами). завершает одну строку сканирования и запускает следующую).




Порыв в дизайне пришелся на вторую половину 1970-х годов и заложил основу для 3D-графики, какой мы ее знаем. Например, видеочип RCA «Pixie» (CDP1861) с 1976 года был способен выводить NTSC-совместимый видеосигнал с разрешением 62x128 или 64x32 для вредоносной консоли RCA Studio II.




Год спустя за видеочипом последовал адаптер телевизионного интерфейса (TIA) 1A, который был интегрирован в Atari 2600 для чтения снимков экрана, звуковых эффектов и контроллеров ввода. Разработкой TIA руководил Джей Майнер, который позже руководил разработкой специализированных микросхем для компьютера Commodore Amiga.







В 1978 году компания Motorola представила генератор видеоадресов MC6845. Это стало основой для карт IBM PC Monochrome and Color Display Adapter (MDA / CDA) 1981 года, обеспечивающих ту же функциональность для Apple II. В том же году Motorola добавила генератор видеоизображений MC6847, который использовался в ряде персональных компьютеров первого поколения, включая Tandy TRS-80.

Подобное решение от VIC, дочерней компании Commodore MOS Tech, обеспечивало вывод графики для старых домашних компьютеров Commodore 1980-83 годов.




В ноябре следующего года LSI ANTIC (Контроллер буквенно-цифрового телевизионного интерфейса) и Сопроцессор CTIA / GTIA (Адаптер интерфейса цветного или графического телевидения) был представлен на Atari 400. ANTIC обрабатывал 2D экранные инструкции, используя прямой доступ к памяти (DMA). Как и большинство сопроцессоров видео, CTIA может генерировать игровую графику (фон, титульные экраны, экран оценки) при рендеринге цветов и движущихся объектов. Yamaha и Texas Instruments предоставили аналогичные ИС различным производителям устаревших домашних компьютеров.




Следующие шаги в графической эволюции были в первую очередь в профессиональных областях.

Intel использовала графический чип 82720 в качестве основы для многорежимной карты видеоконтроллера iSBX 275 стоимостью 1000 долларов. Он мог отображать восемь цветных данных с разрешением 256x256 (или монохромный с 512x512). 32 КБ экранной памяти было достаточно для рисования линий, дуг, кругов, прямоугольников и растровых изображений символов. Чип также имел функции масштабирования, разделения экрана и прокрутки.

SGI быстро последовала за IRIS Graphics для рабочих станций - графическая карта GR1.x, предоставляющая отдельные подключаемые (дочерние) платы для параметров цвета, геометрии, Z-буфера и Overlay / Pad.

Плата Intel iSBX 275 Video Graphics Controller Multi-Mode за 1000 долларов была способна отображать восемь цветных данных с разрешением 256x256 (или монохромный с 512x512).

В то время промышленная и военная 3D-виртуализация развивалась относительно хорошо. Различные проекты, требующие технологии для моделирования военного и космического пространства, были выполнены с IBM, General Electric и Martin Marietta (который приобретет авиационное подразделение GE в 1992 году), рядом военных подрядчиков, технологических институтов и НАСА. Военно-морской флот также разработал симулятор полета с использованием трехмерной виртуализации на компьютере Whirlwind Массачусетского технологического института в 1951 году.

Помимо оборонных подрядчиков, были компании, ныряющие на военные рынки с профессиональной графикой.

Evans & Sutherland, которая представит профессиональные серии видеокарт, такие как свобода ve РЕАЛЬНОЕ изображение - также Симулятор полета CT5Пакет за 20 миллионов долларов Хост DEC PDP-11. Соучредитель компании Иван Сазерленд в 1961 году разработал компьютерную программу под названием Sketchpad; эта программа позволяла рисовать геометрические фигуры и просматривать их в реальном времени на ЭЛТ с помощью светового пера.

Это предшественник современного графического интерфейса пользователя (GUI).

В менее эзотерической сфере персональных вычислений EGA (расширенный графический адаптер) серии 82C43x от Chips and Technologies обеспечил столь необходимую конкуренцию адаптерам IBM и был развернут на многих клонах PC / AT примерно в 1985 году. Commodore Amiga также поставляется с набором микросхем OCS. Набор микросхем состоял из трех основных компонентных микросхем (Agnus, Denise и Paula), что позволяло определенному количеству графических и звуковых вычислений зависеть от процессора.

В августе 1985 года трое иммигрантов из Гонконга, Квок Юань Хо, Ли Лау и Бенни Лау, основали Array Technology Inc. в Канаде. В конце года название было ATI Technologies Inc. изменился на.

В следующем году ATI получила свой первый продукт в виде OEM-карты эмуляции цвета. Он использовался для вывода монохромного зеленого, желтого или белого люминофорного текста на TTL-монитор на черном фоне с 9-контактным разъемом DE-9. Карта оснащена как минимум 16 КБ памяти, и на ее долю пришлось основную часть продаж ATI на сумму 10 миллионов долларов в первый год работы компании. В основном это было сделано посредством контракта, по которому Commodore Computers поставляла около 7000 микросхем в неделю.

Карта ATI Color Emulation Card поставляется с объемом памяти не менее 16 КБ и обеспечивает большую часть продаж компании на сумму 10 миллионов долларов в первый год ее работы.

Появление цветных мониторов и отсутствие стандарта среди конкурентов в конечном итоге привело к образованию Ассоциации стандартов видеоэлектроники (VESA), членом-учредителем которой является ATI, вместе с NEC и шестью другими производителями графических адаптеров.

В 1987 году ATI добавила линейку Graphics Solution Plus к линейке продуктов OEM-производителей, используя 8-битную шину PC / XT ISA для компьютеров IBM на базе Intel 8086/8088. Чип поддерживает графические режимы MDA, CGA и EGA с помощью микропереключателей. По сути, это был клон карты Plantronics Colorplus, но имел место для 64 Кбайт памяти. PEGA1, 1a и 2a (256kB) от Paradise Systems, опубликованные в 1987 году, были клонами Plantronics.

Серия EGA Wonder 1-4 достигла 399 долларов в марте, обеспечивая 256 КБ DRAM, а также совместимость с эмуляцией CGA, EGA и MDA до 640x350 и 16 цветов. Расширенная EGA была доступна для серий 2, 3 и 4.

Первоклассной начинкой была EGA Wonder 800 с 16-цветной эмуляцией VGA и поддержкой разрешения 800x600, и это была карта VGA Enhanced Performance (VIP), по сути, EGA Wonder с добавлением цифро-аналогового преобразования (DAC). ограниченная совместимость с VGA. Второй - 449 долларов плюс 99 долларов за модуль расширения Compaq.

ATI была далеко не единственной на волне потребительского интереса к персональным компьютерам.

В этом году появилось много новых компаний и продуктов, среди которых были Trident, SiS, Tamerack, Realtek, Oak Technology, LSI G-2 Inc., Hualon, Cornerstone Imaging и Winbond - все они были основаны в 1986-87 годах. Между тем, такие компании, как AMD, Western Digital / Paradise Systems, Intergraph, Cirrus Logic, Texas Instruments, Gemini и Genoa, могли бы в это время произвести свои первые графические продукты.

Серия ATI Wonder продолжала получать потрясающие обновления в течение следующих нескольких лет.

В 1988 году стало доступно графическое решение Little Wonder (для эмуляции CGA и MDA) с портом контроллера и опциями композитного вывода, а также EGA Wonder 480 и 800+ с расширенной EGA и поддержкой 16-битного VGA, а также VGA. Wonder and Wonder 16 с добавленной поддержкой VGA и SVGA.

Wonder 16 был оснащен 256 КБ памяти за 499 долларов, а вариант с 512 КБ стоил 699 долларов.

Обновленная серия VGA Wonder / Wonder 16 появилась в 1989 году, включая недорогую VGA Edge 16 (серия Wonder 1024). Новые функции включают порт «шина-мышь» и поддержку VESA Feature Connector. Это был соединитель с золотыми пальцами, похожий на соединитель с укороченным разъемом шины, и он был подключен через ленточный кабель к другому видеоконтроллеру для обхода забитой шины.

Обновления серии Wonder продолжали набирать обороты в 1991 году. Карта Wonder XL добавила цветовую совместимость VESA 32K и Sierra RAMDAC, который увеличивает максимальное разрешение дисплея до 72 Гц или 800x600 при 60 Гц. Цены варьировались от 249 долларов (256 КБ), 349 долларов (512 КБ) до 399 долларов за вариант 1 МБ ОЗУ. Также была доступна недорогая версия под названием VGA Charger, основанная на предыдущей модели Basic-16.

Серия Mach была выпущена вместе с Mach8 в мае того же года. Он продается в виде микросхемы или платы, которая позволяет выполнять ограниченные операции 2D-рисования, такие как рисование линий, заливка цветов и комбинация растровых изображений (Bit BLIT), через интерфейс программирования (AI). XL с чипом Creative Sound Blaster 1.5 на расширенной печатной плате. Из монофайлов Sound Blaster, известных как VGA Stereo-F / X, стерео можно было имитировать с качеством, приближающимся к FM-радио.

Видеокарты, такие как ATI VGAWonder GT, предлагали вариант 2D + 3D, объединяя Mach8 с графическим ядром VGA Wonder + (28800-2) для 3D-задач. Wonder и Mach8 подтолкнули ATI к рубежу продаж в 100 миллионов CAD в течение года, во многом благодаря переходу на Windows 3.0 и увеличению рабочих нагрузок 2D, которые можно было использовать с ней.

Компания S3 Graphics была основана в начале 1989 года и восемнадцать месяцев спустя выпустила первый чип 2D-ускорителя и графическую карту S3 911 (или 86C911). Ключевые особенности последнего включают 1 МБ видеопамяти и поддержку 16-битного цвета.

В том же году S3 911 был заменен на 924 - в основном это был переработанный 911 с 24-битным цветом - и в следующем году был обновлен снова с помощью ускорителей 928, 801 и 805, которые добавляли 32-битный цвет. 801 использует интерфейс ISA, а 805 использует VLB. Между появлением 911 и появлением 3D-ускорителя рынок был полон дизайнами 2D-графического интерфейса пользователя, основанными на оригинале S3, особенно от лабораторий Tseng, Cirrus Logic, Trident, IIT, Mach32 от ATI и MAGIC RGB от Matrox.

В январе 1992 года Silicon Graphics Inc (SGI) выпустила OpenGL 1.0, многоплатформенный интерфейс прикладного программирования (API) для двухмерной и трехмерной графики.

Microsoft разрабатывала конкурирующий API под названием Direct3D и позаботилась о том, чтобы OpenGL работал так же хорошо, как и в Windows, и не беспокоился об этом.

OpenGL произошел от проприетарного API SGI под названием IRIS GL (графическая библиотека интегрированной системы обработки растровых изображений). Это была попытка сохранить неграфическую функциональность IRIS и позволить API работать в системах, отличных от SGI, поскольку на горизонте начали появляться конкурирующие поставщики со своими собственными проприетарными API.

Первоначально OpenGL был нацелен на профессиональные рынки на базе UNIX, но был быстро принят для трехмерных игр с удобной для разработчиков поддержкой реализации расширений.

Microsoft разрабатывала конкурирующий API под названием Direct3D, и не потребовалось много усилий, чтобы убедиться, что OpenGL работает так же хорошо, как это может быть в новых операционных системах Windows.

Несколько лет спустя, когда id Software Джон Кармак, ранее Doom совершивший революцию в компьютерных играх, перевел Quake на использование OpenGL в Windows и прямо критиковал Direct3D.

Конфликт Microsoft обострился в Windows 95, поскольку она препятствует лицензированию OpenGL Mini-Client Driver (MCD), позволяя поставщикам выбирать, какие функции могут получить доступ к аппаратному ускорению. В ответ SGI разработала устанавливаемый клиентский драйвер (ICD), который не только предоставляет те же возможности, но даже лучше, поскольку MCD охватывает только операции растеризации и добавляет функции освещения и преобразования ICD (T&L).

Во время подъема OpenGL, который первоначально завоевал популярность на арене рабочих станций, Microsoft была занята отслеживанием развивающегося игрового рынка, разрабатывая собственные проприетарные API. В феврале 1995 года они приобрели RenderMorphics, чей API Reality Lab конкурировал с разработчиками и стал ядром Direct3D.

В то же время Брайан Хук из 3dfx писал API Glide, который станет доминирующим API для игры. Частично это было связано с участием Microsoft в проекте Talisman (экосистема рендеринга на основе плиток), который разбавлял ресурсы, разработанные для DirectX.

Поскольку D3D широко используется для принятия Windows, S3d (S3), Matrox Simple Interface, Creative Graphics Library, C Interface (ATI), SGL (PowerVR), NVLIB (Nvidia), RRedline (Rendition) и Glide начали исчезать вместе с разработчиками.

Это не помогло некоторым из этих проприетарных API объединиться под растущим давлением со стороны производителей карт, чтобы добавить их в быстро расширяющийся список функций. Это включало улучшения качества изображения, такие как более высокое разрешение экрана, увеличенную глубину цвета (с 16 бит до 24 и 32) и сглаживание. Все эти функции требовали увеличения пропускной способности, графической эффективности и более быстрых циклов продукта.

К 1993 году нестабильность на рынке уже вынудила ряд графических компаний уйти на пенсию или быть принятыми конкурентами.

В 1993 году появилось много новых участников конкурса графики, особенно Nvidia, основанной в январе того же года Джен-Сун Хуанг, Кертисом Прием и Крисом Малаховски. Хуанг ранее был директором по базовому программному обеспечению в LSI; Прием и Малаховски пришли из компании Sun Microsystems, которую они ранее разработали. Графическая архитектура GX на основе SunSPARC.

Вскоре к Nvidia присоединились новички Dynamic Pictures, ARK Logic и Rendition.

Волатильность на рынке уже вынудила ряд графических компаний уйти на пенсию или быть принятыми конкурентами. К ним относятся Tamerack, Gemini Technology, Genoa Systems, Hualon, Headland Technology (приобретенная SPEA), Acer, Motorola и Acumos (приобретенная Cirrus Logic).

Однако одной из компаний, набирающих силу, была ATI.

Как предшественник серии All-In-Wonder, чип ATI 68890 PC TV декодер, выпущенный в Video-It, был анонсирован в конце ноября! открытка. Чип мог захватывать видео с разрешением 320x240 при 15 кадрах в секунду или 160x120 при 30 кадрах в секунду благодаря встроенному процессору Intel i750PD VCP (процессор сжатия видео) и сжимал / расширял его в реальном времени. Он также мог связываться с видеокартой через карту данных, что устраняет необходимость в аппаратных ключах или портах и ​​ленточных кабелях.

Видео-это! В то время как менее функциональная модель под названием Video-Basic завершила рейтинг, она была продана за 399 долларов.

Спустя пять месяцев, в марте, ATI представила 64-битный ускоритель с задержкой; Mach64.

Финансовый год не был благоприятным для ATI: она потеряла 2,7 миллиона канадских долларов, поскольку она упала на рынке из-за сильной конкуренции. В число конкурирующих плат входили S3 Vision 968, приобретенный многими поставщиками панелей, и Trio64, получивший OEM-контракты от Dell (Dimension XPS), Compaq (Presario 7170/7180), AT&T (Globalyst), HP (Vectra VE 4). ) и DEC (Venturis / Celebris).

Выпущенный в 1995 году, Mach64 отмечен рядом важных новинок. Это был первый графический адаптер, доступный для ПК и компьютеров Mac под названием Xclaim (450 и 650 долларов в зависимости от встроенной памяти), который предлагал полное ускорение воспроизведения видео с S3 Trio.

Mach64 также является первой профессиональной видеокартой ATI, 3D Pro Turbo и 3D Pro Turbo + PC2TVОн поступает в продажу по цене 599 долларов за вариант 2 МБ и 899 долларов за 4 МБ.

В следующем месяце из графического подразделения DuPont Pixel появился технологический стартап под названием 3DLabs. купил дочернюю компанию Наряду с процессором GLINT 300SX от материнской компании, способным создавать, обрабатывать и растрировать OpenGL. Из-за высокой цены карты компании изначально предназначались для профессионального рынка. Fujitsu Sapphire2SX 4MB продается по цене 1600-2000 долларов, в то время как 8MB ELSA GLoria 8 стоит 2600-28 долларов. Однако 300SX был разработан для игрового рынка.

S3 тогда казался везде. Высокопроизводительные OEM-бренды доминировали в чипсетах Trio64 компании, объединяя ЦАП, графический контроллер и синтезатор часов в одном чипе.

1995 г. Игра GLINT 300SX содержала гораздо меньше 2 МБ памяти. Он использовал 1 МБ для текстур и Z-буфера, а другой - для буфера фреймворка, но имел возможность увеличить объем VRAM для Direct3D на 50 долларов по сравнению с базовой ценой в 349 долларов. Карта не пробилась на и без того переполненном рынке, но 3DLabs уже работала над преемником серии Permedia.

S3 тогда казался везде. Высокопроизводительные OEM-бренды доминировали в чипсетах Trio64 компании, объединяя ЦАП, графический контроллер и синтезатор часов в одном чипе. Они также использовали комбинированный буфер кадра и поддерживаемый уровень аппаратного видео (зарезервированная часть графической памяти для рендеринга видео для приложения). Trio64 и его брат по 32-битной шине памяти, Trio32, были доступны как OEM-блоки и отдельные карты от таких поставщиков, как Diamond, ELSA, Sparkle, STB, Orchid, Hercules и Number Nine. Цена Diamond Multimedia варьировалась от 169 долларов за карту на базе ViRGE до 569 долларов за видео Diamond Stealth64 на базе Trio64 + с 4 МБ видеопамяти.

Основная часть рынка включала предложения от Trident, давнего OEM-поставщика простых 2D-графических адаптеров, который недавно добавил в свою линейку чип 9680. Чип соответствовал большинству характеристик Trio64, а карты обычно стоили около 170-200 долларов. В этом диапазоне у них хорошее воспроизведение видео с приемлемой производительностью в 3D.

Среди других новичков на массовом рынке - Power Player 9130 от Weitek и ProMotion 6410 от Alliance Semiconductor (часто называемые Alaris Matinee или OptiViewPro от FIS). Хотя оба предлагают отличное масштабирование в зависимости от скорости процессора, последний объединил мощный механизм масштабирования со схемой антиблокировки для достижения плавного воспроизведения видео, которое намного лучше, чем у предыдущих чипов, таких как ATI Mach64, Matrox MGA 2064W и S3 Vision968.

Nvidia выпустила первый графический чип, NV1Стал первым коммерческим графическим процессором, способным выполнять 3D-рендеринг, ускорение видео и интегрированное ускорение графического интерфейса.

Они начали сотрудничать с ST Microelectronic для производства микросхем по 500-нм техпроцессу, а последняя также представила версию микросхемы STG2000. Хотя это не был большой успех, он представлял собой первоначальную финансовую прибыль компании. К сожалению для Nvidia, как только в сентябре начались поставки первых плат поставщиков (в частности, Diamond Edge 3D), Microsoft прекратила выпуск и выпустила DirectX 1.0.

Графический API D3D подтвердил, что NV1 полагается на рендеринг треугольных многоугольников с использованием четырехугольного наложения текстур. Ограниченная совместимость с D3D была добавлена ​​через драйвер для обертывания треугольников как квадратичных поверхностей, но отсутствие игр, адаптированных для NV1, считало карту мастером всех процессов, а не мастером ни в одном из них.

Большинство игр были взяты из Sega Saturn. В сентябре 1995 года NV1 4 МБ для интегрированных портов Saturn (по два на каждую скобу расширения, которая подключается к плате через ленточный кабель) был продан примерно за 450 долларов.

Поздние изменения Microsoft и запуск DirectX SDK оставили производители карт не могут напрямую получить доступ к оборудованию для воспроизведения цифрового видео. Это означало, что почти все дискретные видеокарты имели проблемы с функциональностью в Windows 95. В драйверах под Win 3.1 от разных фирм вообще все было наоборот.

Его первое публичное шоу состоялось на конференции по видеоиграм E3, которая прошла в Лос-Анджелесе в мае следующего года. Сама карта стала доступна через месяц. 3D Rage объединила 2D-ядро Mach64 с возможностями 3D. ATI анонсировала первый чип 3D-ускорителя, 3D Rage (также известный как Mach 64 GT) в ноябре 1995 года.

Поздние изменения в спецификации DirectX означали, что у 3D Rage были проблемы совместимости со многими играми, использующими API, в основном из-за отсутствия буферизации глубины. Со встроенным буфером кадра EDO RAM объемом 2 МБ, режим 3D был ограничен до 640x480x16 бит или 400x300x32 бит. Попытка 32-битного цвета при разрешении 600x480 часто приводила к искажению цвета на экране, а разрешение 2D достигало максимума 1280x1024. Если производительность игры посредственная, то возможность воспроизводить полноэкранный MPEG каким-то образом пропала, по крайней мере, в балансировании набора функций.

3Dfx Voodoo Graphics фактически уничтожила все соревнования, закончившись до того, как началась гонка производительности.

ATI провела капитальный ремонт чипа, и в сентябре началась Rage II. Исправлены проблемы с D3DX первого чипа, а также поддержка воспроизведения MPEG2. Однако первые карты по-прежнему поставляются с 2 МБ памяти, что снижает производительность и имеет проблемы с преобразованием перспективы / геометрии, поскольку Serial Rage II + был расширен за счет включения DVD и 3D Xpression +, параметры емкости памяти выросли до 8 МБ.

Когда ATI впервые представила решение для 3D-графики, вскоре на сцене появились другие конкуренты с другими идеями для 3D-приложений. А именно 3dfx, Interpretation и VideoLogic.

3Dfx Interactive выигрывает у Rendition и VideoLogic в гонке за вывод новых продуктов на рынок. Однако выступление закончилось до начала гонки, и 3Dfx Voodoo Graphics фактически уничтожила всех конкурентов.

Эта статья - первая из четырех статей. Если вам это нравится, читайте дальше, пока мы пройдемся по тропе памяти к молодой компании под названием 3Dfx, Rendition, Matrox и Nvidia.