顯卡那些事

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顯卡究竟是什么？

一提到顯卡，現在的概念，要么是渲染、編碼，要么是游戲，但是你知道顯卡最初的模樣嗎？早期的“顯卡”是字面意義上負責顯示的板卡，只是將CPU希望顯示出來的信息轉換為顯示器需要的格式并輸出給顯示器，而今的顯卡一般都帶有3D畫面運算和圖形加速功能，所以實際應該叫做“圖形加速卡”或“3D加速卡”。電腦上最早的顯卡是IBM在1981年推出的5150個人電腦上所搭載的MDA和CGA兩款2D加速卡。

純字符界面的DOS時代其實對顯卡的要求極低，功能也極為簡單，就是單純為了能夠“顯示”而已，顯存更是只有16KB。

直到上世紀90年代。在Windows普及的推動下，顯示芯片才開始擁有了“圖形運算功能”，以減輕CPU的負擔。到了90年代中期，多數顯卡已經具備加速圖形處理的能力，并開始配備較高容量的顯存，性能進一步提升，名稱也從圖形適配器改成了圖形加速卡（Graphics Card）。比如當年著名的Tseng（曾氏）ET6000——號稱最快的2D圖形加速卡。

而今的顯卡，則是在2D圖形加速的基礎上，“結合”了3D圖形加速GPU的產物。具體來說，現在的顯卡是由GPU、顯存、電路板，還有BIOS固件組成的，所以GPU不等于顯卡。GPU只是顯卡上的一個核心處理芯片，是顯卡的心臟，不能單獨作為外接擴展卡使用。

下面我們就走入正題，看一看如今我們熟悉的“顯卡”類型到底經歷了怎樣的變遷。在這里筆者以各個廠商的視角來梳理這段歷史，如果希望用時間線來了解的話，可以參考本刊2020年第20期的《無限光輝GPU誕生20周年回顧》一文。

顯卡界的天王竟然是它！

誰才是顯卡市場的第一名？很多玩家朋友會認為答案多半在英偉達和AMD之間，然而實際上，現在顯卡界的“天王”是英特爾！統計機構Jon Peddie Research（JPR）2020年四季度GPU市場的分析報告顯示，英特爾核顯出貨量大幅增加33.2%（賣CPU送顯卡），使得份額提升到69%！也就是說，實際所有能夠顯示的電腦中，10臺中有7臺使用了英特爾的核顯，只是這些用戶大部分也是不關注顯卡的，而玩家關注的游戲獨顯，確實是英偉達和AMD的天下。

也許一提到英特爾顯卡，稍有資歷的電腦用戶都會說是i740，其實不然，這只是英特爾第一個獨立3D顯卡。作為個人電腦處理器開創者之一，英特爾的顯卡，或者說是具有顯示功能的顯示模塊早就出現了，生產于1977年的C8275 CRT Controller，它的功能也只是輸出畫面而已，顯存更是只有4KB，但在英特爾顯卡的歷史上占據著重要地位。

時間來到1986年，英特爾推出了82786，這是首款獨立顯卡協處理器，它集成了一個圖形處理器、一個可以控制CRT（陰極射線管）顯示器的顯示處理器，并且具備了4MB的顯存，最高可以顯示256色。這在當時已經是非常了不起的設計，盡管今天看起來不值一提。

1997年，英特爾收購了C&T（Chips & Technoigies）公司，獲得了2D顯示核心技術。經過了一年多的調整和對外合作，到了1998年年初，英特爾正式推出了本公司旗下第一代獨立式顯卡i740。這是與Real 3D配合下研發的一款3D加速芯片，從而標志者英特爾的產品首次進入3D圖形市場。而后，英特爾還將i740集成在i810芯片組內，隨著810芯片組的熱銷，i740占領了更大的市場份額。

2002年，英特爾發布了配合Pentium 4處理器配套的i845G芯片組，推出了英特爾Extreme Graphics。到了2004年，英特爾又推出了顯示核心產品——集成在北橋中的GMA顯卡（Graphics Media Accelerator），這一時期，集成顯卡主要放在目前已經消失的北橋芯片中。

真正讓英特爾成為顯卡領域領頭羊的，還是2010年，英特爾率先推出的CPU與GPU封裝在同一塊基板上的處理器產品，即第一代酷睿處理器，核心代號Clarkdale，內置GPU則被稱為“核芯顯卡”（以下簡稱核顯），第一代核顯被官方命名為英特爾HD Graphics，也就是我們習慣上喜歡叫的HD系列核顯，2011年推出的第二代酷睿處理器則實現了CPU+GPU封裝在同一芯片中。之后它一直沿用到如今的第十一代酷睿處理器，并且演化出了目前更多見于移動版中的Iris銳炬型號。

至此，英特爾實現了顯卡領域的“制霸”，成為了當之無愧的顯卡之王。而今英特爾又再一次推出了Xe顯卡，再次進入獨立顯卡市場，讓我們拭目以待英特爾的獨顯之路吧！

上下半場 AMD顯卡之路

AMD的顯卡之路，或者說是“A”卡的發展可以分為上下兩部分，第一部分是ATI冶天科技，第二部分才是被收購后的AMD顯卡史，它們恰好都可以被稱為A卡。以時間節點去觀察，則以2006年為分水嶺。1985年，ATI公司在加拿大成立，早先是一間原始設備制造商，為大型個人電腦制造商制造顯示芯片，例如IBM。從1987年7月開始，ATI自立成為顯卡零售商，銷售ATI EGA Wonder和VGA Wonder顯卡。

它的第一款產品是1986年發布的ATI Graphics Solution Rev 3，其最重要的功能是以CGA（彩色圖形適配器標準）和Hercules（大力神圖形卡，同為彩色圖形分辨率標準）模式重現圖形。這款顯卡最大的特色就在于此——兼容性好，它可以讓用戶不再拘泥于某一個圖形適配標準來選擇顯示設備。

到了3D時代，ATI在1996年1月正式發布了3D Raqe顯卡系列，代表了ATI正式進入3D時代，這個系列一共有三款產品，分別是3D Rage（1）、3D Rage Ⅱ（ⅡC，Ⅱ+，Ⅱ+DVD）、3D Rage Pro。在同一時期，Raqe Pro的性能與英偉達的RIVA 128和3DFX的Voodoo加速卡近似，但是因為缺少了對OpenGL API的支持，所以實際性能體驗并不出色（注：DirectX在當時并非主流API，另一主流是3DFX的Glide API）。

在1997年，ATI成功收購當時它的最大競爭對手Tseng Labs（注：就是前文提到的那個曾經擁有最快2D圖形加速卡的公司）。在2000年，ATI收購ArtX，一間制造Flipper顯示芯片的公司，而Flipper芯片是任天堂GameCube的核心。

AMD在1999年發布的Rage 128顯卡主要是針對Voodoo顯卡。在Voodoo 2的對手中，Rage 128的性能表現并不是最好的那個，但它卻是最均衡的那個（例如英偉達RIVA TNT系列速度更快，但畫質差一些），尤其是多媒體性能非常出色。之后ATI還推出了FURY MAXX顯卡，它是第一款實現雙GPU協同工作的ATI顯卡，這使ATI可以在一張顯卡中放置兩個Rage 128芯片的產品，是不是有點眼熟？沒錯，最終這一技術演變成了Crossfire多卡互聯技術。

今天的Radeon最早出現在2000年，當時桌面圖形卡市場只剩下ATI和英偉達兩家公司，英偉達發布GeForce 256和GeForce 2。面對著英偉達的攻勢，ATI發布Radeon R100顯示核心，首款采用此核心的是Radeon 256顯卡。Radeon R100首次支持DirectX 7。它支持T&L，硬件幾何變形，光照效果，和圖象剪切。它亦首次使用DDR作為顯存。這些功能使Radeon在性能上可與GeForce 2一決高下。ATI Radeon 7000系列顯卡是ATI最成功的一款顯卡之一，而現今AMD顯卡還在繼續使用Radeon這個名字。

在2006年被AMD收購之前，ATI的輝煌時刻是2002年8月發布ATI Radeon 9000系列顯卡，采用Radeon“R300”架構顯示核心，它是全球第一個完全支持DirectX 9的繪圖核心，讓ATI在1999年的GeForce 256以來，在性能上首次勝過英偉達。R300和其派生產品構成ATI的消費級和專業級產品線的生命周期足有3年之久——英偉達在同一時期的GeForce FX遭遇了重大挫折。

時間來到2006年，AMD以54億美元的天價收購了21歲的ATI——用以完善自己的產品布局，經過十幾年的發展證明，當初這一收購舉動無比正確。2007年，AMD發布了自己的“第一款”顯卡產品——R600核心的Radeon HD 2900 XT，自此進入了“HD”命名時代，這個名稱命名方式一直延續到了Radeon HD 7000系列，此時其商標仍沿用ATI。

2009年，最后一代使用“ATI”標志的顯卡發布，首款支持DirectX 11的顯卡Radeon HD 5870，它強悍的1600個流處理器使其直接登上當時單卡的性能巔峰，無論是技術規格還是性能方面都實現了對對手GeForce GTX 285的全面領先，這一次ATI的反擊達到了一個新的高點，為ATI標志畫下了完美的句號。

2012年，AMD勵精圖治后終于發布了時隔4年的新架構升級：GCN架構，這種架構一直延續了4代。RadeonHD 7000系列是當年首款28nm制造工藝的顯示芯片，代號“南方群島”。它不僅保留了GPU的圖形計算性能，同時提高了GPU的通用計算能力，Radeon HD 7970堪稱當時的性能王者，而且從這一時期開始，顯卡驅動優化的神奇正式上演——經過優化，Radeon HD 7970甚至可以反超后出現的英偉達GTX 680。

2015年，AMD發布了Radeon R9 Fury X，這款產品也為業界帶來了兩個首次：第一次使用HBM顯存，第一次標配水冷散熱的公版顯卡。然而它的缺點也十分明顯，功耗巨大，成本奇高。當然，從這一代顯卡也能看出，AMD對顯卡的設計理念也發生了些許變化。

2020年，Radeon RX 5000系列發布，這是RDNA1架構的首次出現，功耗問題得到了很大改善，性能表現也頗為突出，只不過顯卡價格攀升讓用戶唯有持幣觀望的份。

異軍突起 終成一級的英偉達

英偉達最初是個名不見經傳的小公司，在同一時期，Trident、Matrox、3D labs、S3 Graphics甚至PowerVR都可與之競爭一二，更遑論當時如日中天的3DFX、ATI了。1993年英偉達誕生，初期發布的NV1、NV2并不成功。直到1997發布了RIVA 128系列顯卡產品，才真正展露頭角，當然，那個時候的游戲市場依舊是3DFX Voodoo的天下。

本著小步快跑、靈活應對的原則，英偉達以Direct X和OpenGL API為核心研發芯片，在1998年推出了新產品RIVA TNT產品，這款產品真正“站得住、叫得響”，成為了市場熱銷的顯卡產品，也威脅到了3DFX的市場壟斷地位。RIVA TNT最初的設計目的是達到3DFX Voodoo 2的兩倍性能，但是受限于0.35微米制程工藝，它的頻率不及預期，以至于沒有達到最初的設想目標。但是，RIVA TNT依舊是當時市場上性能最好的顯卡產品之一。并且，英偉達意識到驅動程序的重要性，開始為RIVA TNT編寫全新的驅動程序，這就是著名的“雷管”（Detonator）。

快速迭代的故事還沒有結束，英偉達很快又在1999年發布了RIVA TNT2，TNT2比上代TNT有長足進步，使用了第二代單一周期多重貼圖運算，硬件設計合乎Direct X 7.0的需要。其后，RIVA TNT2 Ultra更采用0.22微米制程工藝，時鐘頻率進一步提升，亦完全擊敗Voodoo 3。至此，性能王者的寶座來到了英偉達手中，并且長期保持。

英偉達之所以能成功登頂，和它的快速迭代及設計能力密不可分，1999年8月，英偉達發布了跨時代的GPU產品GeForce 256，這也是業界首款GPU產品，GeForce 256與RIVA TNT2相比增加了Pixel Shader流水線的數目，支持硬體T&L引擎（以往T&L由CPU負責計算），還支持MPEG-2硬件解碼。憑著GeForce 256的功能和速度，英偉達穩固了自己顯卡市場霸主的地位，而且使3DFX，Matrox和S3 Graphics都變成犧牲品。

2000年4月，英偉達再接再厲，發布了GeForce 2系列，也正是這個系列，給了3DFX最后一擊，最終導致同年12月25日被英偉達收購的大結局。而且從GeForce 2開始，“砍性能、降價格”的策略正式“發揚光大”，其精簡版GeForce 2 MX的3D架構和功能與GeForce 2 GTS相同，但移除了兩條像素流水線，存儲器帶寬只有GTS的一半。無論從銷售量，或從產品的多元化而論，從來沒有顯卡核心可與GeForce 2 MX匹敵。

在此之后，英偉達幾乎長期把持著顯卡王者地位，與AMD廝殺纏斗至今，GeForce的命名法則一直持續至今，可謂深入人心。

故步自封的3DFX

3DFX是一家專門制造3D加速設備的公司，成立于1994年，并且僅僅兩年就成為此領域的領頭者。其Voodoo系列就是3DFX的開山之作。Voodoo是3DFX第一款純3D加速芯片，它并非顯示芯片，只負責3D圖像的處理，因此需要配合2D顯示適配器使用。Voodoo加速卡的性能遠高于同時期的RIVA 128、i740等帶有3D功能的顯卡，因此雖然價格更高昂，但一經發布便在市場上廣受歡迎。其招牌的游戲專用加速API——Glide也得到了大量游戲軟件商支持，在Direct X未成王者前，是不少游戲的首選支持API。Voodoo系列在當時可謂風頭可謂是一時無兩。

之后，3DFX也嘗試集成2D顯示核心，推出了完全體的顯卡Voodoo Rush（2D核心為Alliance的AT3D），不過這款產品的風評并不好，兼容性問題頗多，2D性能表現差強人意，3D性能也較Voodoo來得差一些。而且，它的價格可不便宜，畢竟多了一個2D顯示核心，成本也貴了不少。

時間來到了1998年，3DFX發布了Voodoo 2，這款產品可謂紅極一時，幾乎成為了每一個游戲玩家夢寐以求的產品。而且它創新性的支持了SLI功能——你沒看錯，英偉達的SU其實就來自于3DFX。Voodoo2無論是單卡性能、畫質表現，還是多卡互聯，在當時可謂無出其右。而且，3DFX的Glide API在這一時期起著至關重要的作用，因為在很多游戲中，它的效率、畫質仍然比Direct X或OpenGL更具有優勢。而后3DFX又嘗試推出了Voodoo Banshee顯卡，也是一個以2D+3D核心的顯卡，但表現仍然不夠優秀，存在兼容性、穩定性、功能缺失等問題。

1998年底，3DFX再接再厲發布了Voodoo 3顯卡，這是一款真正全新設計的2D+3D芯片，也是3DFX最后的輝煌，因為危機也在這個時期爆發了。在1998年12月14日3DFX收購STB Systems公司后，開始由自家獨攬板卡的生產銷售，不再授權芯片給予第三方廠商生產，導致其成本過高，且其后期產品的設計循規蹈矩，創新力大減。

Voodoo 4/5系列在2000年發布，但實際幾乎沒有正式上市，市場頹勢盡顯。別忘了，1999年英偉達已經發布了GeForce GPU，3DFX無論如何也無法與之抗衡。最終，3DFX將自己的專利技術全部出售給了對手英偉達，并且僅僅過了2年，3DFX宣布破產并結束營業。3DFX的失敗原因無須贅述，它如流星一般光芒萬丈，但轉瞬即逝。對市場的判斷失誤、技術的故步自封，生產銷售的貪婪，共同造成了3DFX的失敗。

SVGA王者Trident

Trident（Trident Microsystems，泰鼎微系統）成立于1987年，早期生產電腦使用的顯示與聲音芯片，后期則轉移制造數字電視與液晶屏幕的圖像處理器（Video Processor）。在分辨率只有800×600的SVGA時代，Trident的市場占有率頗豐，它和S3 Graphics瓜分了當時顯卡的絕大部分市場份額。

1990年代的Trident 8900/9000顯卡既是ISA/16色顯卡的代名詞，也是顯卡的真鼻祖——第一次使顯卡獨立于電腦，而不再是集成的一塊芯片，為以后獨立顯卡的巨大發展提供了可能性。在那個2D統治的年代，業界真正的巨人是Trident和S3Graphics。

到了1996年，顯卡進入3D硬件加速時代，它依靠著PCI與AGP 2X界面的3D Image 9850與3D Image 9750與S3競爭，但在真彩還原表現上不如主要對手S3 Graphics的產品，因而逐漸退出顯示適配器市場。1990年代晚期，Trident終于推出了一顆具競爭性的3D繪圖加速芯片——TGUI9880（Blade 3D），但是無奈“技不如人”，最終還是逐漸消失在視野之外。

2003年Trident正式退出顯卡市場，將該公司的顯示芯片部門與SIS的多媒體事業部合并，成立了XGI圖誠科技。2006年，ATI并購XGI在上海的聯盟公司遠弘科技（Macro Synergy），同時接收XGI位于美國加州的圣克拉拉分部和工作人員。ATI，也就是現在的AMD顯示芯片中，或許還保留當年Trident的血液。此后Trident專注于數字電視的顯示處理器，直到2012年1月4日正式申請破產保護。

2D霸主S3 Graphics

S3 Graphics的名稱中，3個S是Sight（視覺）、Sound（聲音）、Speed（速度）的縮寫。S3從1989年創立，90年代初期憑借著出色的2D畫質，并藉此擊敗了Trident，S3在2D領域的造詣至今仍讓人津津樂道，但后來3D時代來臨并未能有相同出色的表現。

S3 Graphics的早期產品可從1992年的805（P86C805）與1994年的Trio 32說起，1990年代初期，ATI正在主打高端市場，英偉達尚未出現，這給了S3Graphics很好的崛起時機。而代表著它真正崛起的產品則是1994年Trio 64V的后繼版本Trio 64V+，其優異的2D表現搭配Pentium MMX幾乎是當時熱門的裝機組合，風光一時無兩。

然而，S3 Graphics在進入3D時代后表現不佳，尤其是驅動兼容性問題始終困擾著用戶。Savage 4固然規格出色，但是驅動程序的BUG已經嚴重到無法使用的地步，而后期1999年推出的Savage2000也有同樣的問題。從規格看，Savage 2000擁有者與英偉達GeForce 256同等級別的性能構架，但是驅動兼容性制約了它，無法為S3 Graphics扭轉局勢，也讓這2D時代的霸主淹沒在3D的浪潮當中。

2001年，S3 Graphics被VIA威盛電子收購，這也讓VIA一舉成為繼英特爾之后，同時可制造X86架構CPU、芯片組、顯示芯片的第二家廠商，第三家則是SiS（Silicon Integrated Systems Corp硅統科技），而第四家具備此能力的才是AMD。而到了2011年，HTC為了與蘋果公司進行專利訴訟，出資3億美元收購了VIA手中的S3 Graphics，獲得了約235項圖形技術方面的專利，并且給于VIA授權可以繼續使用這些專利。時至今日，S3 Graphics依舊是HTC旗下成員。

最強2D畫質Matrox

Matrox（Matrox Electronic Systems），中文名為邁創。在相當長的一段時間內，Matrox顯卡幾乎就是2D最好畫質的代名詞（諸如Matrox Millennium G200、G400、G450），甚至于在著名的專業測試軟件ZD Davis中，被當做2D顯示性能的測試基準，以Matrox的性能表現為100分計，用以測試其它顯卡產品的2D顯示性能品質。

之前我們談及到Trident和S3 Graphics，論產品數量、市場占有率，確實是這二者領先，但是要談到專業級表現，Matrox當仁不讓。至于為何它的市場普及率不高，原因恐怕還是在于Matrox的經營策略——Matrox不開放芯片授權，一手包辦了顯示芯片設計和顯卡的生產及銷售。

Matrox的2D畫質和性能究竟有多好？著名的顯卡測試軟件3Dmark 2000中，最后一項環境凹凸貼圖當時幾乎就是為Matrox顯卡專門設計的，這就足夠說明一切了。除此之外，當時多顯示設備幾乎鳳毛麟角，Matrox在這一方面的能力也是無出其右的存在，這在今天看毫無新意，但是在1990年代至2000年代之間，Matrox的多顯示輸出功能是諸多專業領域近乎唯一的選擇。

不過在3D顯卡方面，Matrox的性能、市占都逐漸落后于其他業者，雖然該公司曾努力維持自身在產業界的地位。不過因為它更專注于一些高端視頻需求，導致了整體顯卡市場中僅剩不足1%的占有率，從而逐漸淡出人們的視野。2002年，Matrox推出了自己的最后一款民用級3D顯卡Parhelia（幻日），盡管擁有當年最先進的512bit架構、10bit真彩，以及業界第一個支持三顯示輸出的產品，但無奈3D性能始終與英偉達、ATI有較大差距，最終只能完全轉向專業市場領域。

生不逢時SIS（XGI）

SIS（Silicon Integrated Systems）矽統科技于1987年成立，是一家具有X86架構CPU、芯片組、顯示芯片設計能力的公司，它的顯示芯片著重于影音播放效果，諸如硬解碼DVD播放等，而且售價低廉，很多機構批量采購的電腦中，都是使用SIS的顯卡。

其實SIS憑著低廉的價格，不錯的性能發展良好，很有機會在業界占一席之地的，然而當時英偉達和AMD已經把持了市場，即使最后推出的Xabre400能夠擊敗英偉達GeForce MX 440也無濟于事，在市場競爭的高壓之下，SIS的顯卡最終被扼殺在搖籃之中，真可謂生不逢時。

2003年SIS多媒體事業部和Trident顯示芯片部門合并成立了XGI（EXtreme Graphics Innovation）圖誠科技，之后推出了Volari系列顯示芯片（基于Xabre芯片設計），無奈性能依舊表現不佳，最終于2006年被ATI收購。

專業領域的先行者3D labs

除了這些，還有一個專業公司3D labs曾經染指民用顯卡市場，3D Labs成立于1984年，主要開發Wildcat與Oxygen系列的專業級顯卡，例如1995年發布了當時世界最快的OpenGL顯示芯片GLINT 300SX，值得注意的是，3D labs曾經是OpenGL架構評估委員會的成員，也是這個原因，3D labs推出的顯卡OpenGL性能表現出色，但是DirectX表現卻差強人意，而主流游戲多以DirectX為API設計，這也導致了3D labs顯卡的游戲性能表現不佳。

最后，1998發布的入門級Permedia 3顯卡以3000余元的天價推出，著力于專業應用，而游戲性能甚至不如英偉達TNT2顯卡，所以難與市場對手競爭也就毫不意外了。

在此之后英偉達的Quadro等專業顯卡上市，進一步蠶食了3D labs的市場份額，最終在2002年被創新科技收購成為旗下子公司，泯然眾人矣。

電腦不行去手機！PowerVR

PowerVR這個名字是不是非常眼熟？蘋果在使用自研GPU之前就是使用Imagination旗下的PowerVR GPU，在當時它的性能表現非常搶眼，誰能想到，在1990年代PowerVR還是桌面電腦領域的主要顯卡廠商之一呢？PowerVR是Imagination Technologies的影像處理軟硬件開發部門，在1990年代后期，它的主要競爭對手是3DFX的Voodoo系列顯卡。其后在ATI和英偉達的激烈競爭中沒落。

1997年，PowerVR發布了自己的PCX2顯卡芯片，它的性能異常強大，而且對各種API都持開放態度，比如OpenGL、DirectX等等。但是，它也有兩個缺點，第一是驅動程序兼容性不佳，第二是特別依賴CPU性能（在GPU出現之前，大量頂點運算是由CPU負責的）。即便如此，在3DFX Voodoo2上市前PCX2芯片的顯卡市場占有率達到了第二名！

在此之后，PowerVR開始了自己的技術授權之路，尤其是授權給STMicroelectronics（意法半導體）后推出的PowerVR Kyro、Kyro2，對顯卡市場沖擊非常大。如Kyro推出后，其性能堪于GeForce 2對比，非常出色。但是，無論Kyro還是Kyro2，依舊敗在了兼容性上，它們容易出現渲染錯誤，還有性能突降的問題。最終，PowerVR也淡出了桌面顯卡市場，專注于技術授權的SOC領域。

從1980年代顯卡這個概念普及以來，經過40余年的發展，早期顯卡市場的激烈廝殺已經徹底落幕，電腦市場中只剩下英特爾、AMD、英偉達三個企業還在競爭。而且同CPU一樣，GPU領域的技術壁壘、技術難度都越來越高，我們當然期望能有新鮮血液進入這個領域，但后進者的障礙非常難以逾越。未來用戶是否能擁有更多的選擇，還是讓我們拭目以待吧！