[小惡魔的電腦教室] 4-2.顯示卡規格解說，附帶該死的3D圖學

對於想深入了解GPU規格的人，我必須很遺憾的說，GPU規格跟基本3D圖學綁在一起，要真的了解像素管線、頂點處理單元等等那些鬼東西的意義，就一定得對3D繪圖流程有基本的概念。這篇我會用最淺顯的語言來講，但許多部分會跳過不講，3D高手們請見諒，看完如果有問題再用討論串來聊吧，我會盡我所能的回答。


3D繪圖流程

現在顯示卡主要就是玩3D遊戲，而遊戲畫面是屬於3D「即時繪圖」（Realtime Rendering）的領域，它不像工業設計、動畫電影那樣需要超高解析度和精確度，遊戲的3D畫面只要快，一秒至少要畫出30張（動畫電影可能是一兩個小時畫一張），打電動的人才不會覺得延遲，所以娛樂用的GPU都會有很多取巧。而拆解到最簡單，3D繪圖可分成「建立骨架」、「貼圖」和「輸出畫面」三個步驟。


1.建立骨架
由於一些我也不太確定的歷史原因，現在3D繪圖是以三角形或「多邊形」（Polygon）為基礎來建構物體的外型，遊戲裡「所有的」物體都是由一片片三角形堆疊出來的，而每個三角形都是由三個頂點（Vertex）構成，比如附圖的那個人頭骨架，仔細看就會發現它是由數萬個三角形組合而成。這也是為什麼早期遊戲的物體都讓人覺得稜稜角角的，因為需要大量的三角形才能組成近似圓弧狀的物體，若顯示卡不夠力就沒辦法處理大量多邊形，只用少量的多邊形建構外型，就會出現稜稜角角的物件。



仔細看這個人頭，他的骨架其實是由數十萬個三角形組合而成。


註1：每一個三角形需要三個頂點，但每「兩個」三角形只需要四個頂點，所以廠商標的GPU規格的三角形組合速度是以每四個頂點形成兩個三角形來計算的

註2：過去曾有「非」多邊形運算為基礎的GPU，它們是以方程式來建構物體外型，方程式可以非常簡單的畫出圓弧，但卻不容易畫出方正的物體，由於自然界或人造物體大多偏方正，也許這是最後採用多邊形的原因。


2.材質貼圖
用三角形建立出物體的骨架之後，物體就有線條式的骨架了，但如果要讓人知道它到底是什麼，一定要貼上一層皮，也就是材質貼圖（Texture），附圖就是貼上皮膚、眼睛、眉毛的材質，其實材質就是圖片，由一點一點的像素（Pixel）構成，貼上之後原來的骨架就會變成人頭了。



貼上材質再做處理之後，就變成一顆人頭了。


3.輸出畫面
你螢幕是3D的嗎？我相信99.999%正在看這篇文章的人都只有平面的螢幕，但以上兩個步驟運算完會得到一顆真正全3D的人頭，但因為螢幕只有2D平面，所以GPU最後一步就是把這個3D的場景，依照你所看到的視角（攝影機視野），投射成一張2D的畫面，並輸出到螢幕上。

以上就是3D繪圖超簡化流程，GPU要做的就是把多邊形組合起來，在正確的地方貼上正確的圖片，然後輸出畫面到螢幕上，變成下面的遊戲圖。





GPU平行運算
仔細看一下遊戲圖，右上角的房子跟右下角的槍其實沒什麼關連，它們根本就是兩組多邊形的骨架，也有各自的貼圖，在遊戲中這兩樣東西也不會互動，如果能把槍和房子的運算分離開來，GPU內裝兩組運算單元，那不就可以同時運算畫面的不同部分，加快運算速度了？事實上，無論3D或2D畫面，會彼此相關的通常只有緊接相鄰的部分，大範圍來看，其實很多地方都是可以各自獨立運算的，也因為如此，GPU才會很早就有SLI或Crossfire這種串連技術的存在。



GPU最基本的運算方式就是將畫面上各個像素做獨立運算，很像現在雙核心CPU的的處理方式，但GPU至少都數十或上百個核心，所以平行運算會更徹底。


註3：實際上，GPU運算並非像上圖那樣把畫面分割，那只是簡化說明的示意圖。現在GPU通常是以很小的4x4的區域，16個像素一起做運算（16個只是「通常」，實際數字依各GPU的設計而不同），讓有可能彼此相關的相鄰像素一起運算，但畫面是依序執行的，並沒有真的「分割」，只是一次每16個像素依序丟進運算單元裡，當運算單元大量複製時，就可以同時運算數百甚至上千個像素，彼此大多互不相干。就某種意義上來看，就是運算畫面的不同部分，只是這個「部分」是很微小的區域，真正「大範圍的分割畫面做運算」主要是用在SLI或Crossfire串連技術上。


因此，「平行運算」（Parallel Processing）是GPU最基本的運算概念，就像現在流行的雙核心CPU可一次做兩件事，最新的GPU已經高度平行化到數百個運算單元（可類比成有數百個簡單核心）。由於3D畫面上不同區域的彼此關聯性不高，在很久很久以前，GPU就開始在內部平行拆成好幾個部分，就好像有好幾個核心在一起運算，過去大家常說的「管線」（Pipeline）就是有多少條平行化的部分，從多邊形組合、貼圖到輸出畫面，這樣的3D畫面「生產線」可能有四或八條同時運作，愈多當然就愈快。

和CPU不同的是，GPU的平行運算是自發的，程式人員不需要特別去寫，3D運算本身就有平行化的天性，GPU自己會在內部拆開來做運算，

Shader是什麼？
但現在新的GPU已經不是管線的架構了，從DirectX 8.0開始引進Shader運算的概念之後，現在GPU的運算幾乎全部集中在Shader處理上。Shader是多邊形組合或貼圖之後，GPU再對多邊形與材質做進一步的處理，簡單的說就是各種數學公式（化到最基本，就是加減乘除而已），依照不同的演算法技巧，原本靜態的貼圖或多邊形就會變成動態的特效，比如大家現在在遊戲中常看到水面起伏和物體的反光/凹凸效果，就是利用Shader調整頂點的位置或像素的顏色。

現在遊戲超大量使用Shader，所以GPU硬體也跟著改變，處理材質和輸出畫面的單元並不多，但大幅增加Shader運算單元，比如新的高階GPU至少都上百個Shader單元，但通常只有數十個輸出畫面的單元，因為瓶頸通通卡在Shader上，增加輸出畫面的單元也只是浪費晶片面積而已。因此，看新一代的GPU架構的話，都是一大片Shader運算單元，搭配少量的材質和畫面輸出單元，這已經不是相同的管線有好幾條，而是依照需求量高低做各種單元的配置。



現在遊戲中Shader使用已經無所不在，就這一張單純的場景，見到的每一個表面紋路（地板、牆壁、樹幹、招牌），都是先用單純的圖片，再套上記錄材質高度資訊的檔案，以光源和視角計算光影位置，最後產生這種凹凸的紋路，而計算的程式碼就是Shader。


GPU主要規格

現在，把多邊形、像素、材質、畫面輸出、平行化、Shader記在心裡，GPU的規格和這些息息相關，關於規格的我只能挑出幾項最重要的，GPU的細部技術有幾十項，一時也說不完。



還沒焊到顯示卡上的晶片，廠商朋友送我的，好像是ATI Radeon HD 2600的樣子。我記得前年曾到NVIDIA總部參觀他們的實驗室，垃圾桶裡有一堆這種晶片，就看到全球各大媒體在翻垃圾桶找紀念品，要不是裡面不淮拍照，我一定把那一堆乞丐（包括我）拍下來。


GPU-Z
看CPU資訊的CPU-Z大家都知道，最近出現一支 GPU-Z 則是看顯示晶片的各種資訊，GPU-Z的作者和CPU-Z好像不一樣，只是取了一個很類似的名字，讓大家一看就懂它的功能。目前GPU-Z還在很初期的版本，但我試了NVIDIA和ATI的新卡都沒問題，連最近才剛出的2900 Pro都可以正確辨識。

GPU-Z會秀出幾個主要的GPU規格，包括代號、die size、時脈、頻寬、Shader數量、ROP等等。不過GPU-Z會存取系統資訊，卡車司機防毒軟體會擋下來，讓它通過沒關係，大家可以對照GPU-Z秀出來的規格，往下看各規格的說明。








支援DirectX版本
DirectX是顯示卡與遊戲溝通的標準，硬體通常通常會向下相容，但GPU和遊戲所用的DirectX版本必須對應才能顯示所有特效。現在最新的DirectX到10.0，遊戲大多還是用DirectX 9.0。DirectX 9.0的GPU是可以玩DirectX 10的遊戲，但就秀不出只有DirectX 10才支援的特效。每一版DirectX 10都會增加新的特色或指令，可以創造出更真實的畫面，而就像GPU已轉變成處理Shader為主，DirectX最重要的部分就是各種Shader指令，最新的DirectX 10不止可以用Shader改變頂點（Vertex Shader）、像素（Pixel Shader），還能移動、產生或砍掉整片多邊形（Geometry Shader），這可以做出物體無限增長（如藤蔓、頭髮、流體等等）的特效。



這是DirectX 10的一個demo，場景的地形可以一直增長改變形狀，DirectX 9不是做不到，但DirectX 10做起來會比較輕鬆。


GPU核心時脈
GPU就跟CPU一樣是半導體製程下的產物，但製程方式並不同，且GPU因為高度平行化，運算單元可以大量複製，所以GPU的電晶體數量都輕鬆超越CPU，晶片面積每一代都在挑戰製程的極限，高階GPU的電晶體已經達七億之譜，最高階的CPU還不到一半。GPU靠著平行化的運算，時脈不用太高就有超高的運算能力，目前大約在400～800MHz左右，近期應該還不會突破1GHz的關卡。GPU負責前面所講的3D運算流程，因此直接影響3D效能，但不同架構的GPU不能互相比較時脈，因為它們單一時脈週期所做的事不一樣，NVIDIA的600Mhz和ATI的600Mhz代表意義可能大不相同，對NVIDIA來說，600MHz可能算高，但對ATI可能只是一般時脈而已。


記憶體頻寬
這是顯示卡第二重要的規格，記憶體頻寬（Memory Bandwidth）的計算方式是「記憶體匯流排介面 x 記憶體時脈」，記憶體介面（Memory Bus Width）和時脈的講解可參考「3-1.認識記憶體，時脈和時序的意義」，這裡就不再重複，顯示記憶體和系統不同點是介面和時脈都比較高，介面至少是64位元起跳，目前最高是512位元，時脈則從400MHz～2000MHz以上不等，會因為不同的時脈而採用不同的記憶體，從DDR2到GDDR4都有，「版本」愈高，時脈就愈快。

顯示卡的記憶體介面和時脈分開看並沒有很大意義，相乘的頻寬才是最重要的，由於GPU高度平行化，代表它內部可同時運算很多資料，但也代表後端必須能一次進出大量的資料。在運算3D畫面時，多邊形、材質貼圖、畫面等等都要反覆進出顯示卡的記憶體，容量反而是影響效能的次要因素，頻寬速度才是決定顯示卡的效能的主因之一（僅次於核心規格），若GPU的單元超多，但記憶體頻寬卻跟不上，沒辦法餵飽或支援GPU的話也沒用，所以高階卡一定有較寬的介面與較高的記憶體時脈，組合出超高的頻寬，每秒將近100GB的傳輸速度也不稀奇。

記住一個原則，愈是平行化的系統，就愈需要記憶體頻寬來同時輸出輸入大量資料，但像CPU這種核心較少的循序處理器，就愈需要高速、低延遲的記憶體來輔助（但CPU再往多核心繼續發展下去，頻寬的重要性也會愈來愈突顯）。GPU要的是資料的「量」，CPU要的是資料到達的「時間」。


Stream Processor
在這一代產品之前，GPU內部都還有區分處理頂點和像素的Shader運算單元，但這一代NVIDIA和ATI都統一成Stream Processor（串流處理器），SP不管頂點或像素Shader，通通都可以運算。GPU做成SP不止是為了Shader運算，還有更長遠的用途，但那之後再說。總之，SP就相當於非常簡化的CPU核心，負責Shader裡的數學運算，現在GPU的SP數量從數十到數百不等，依顯示卡的定位價格不同，數量愈多，平行化愈徹底，速度自然就愈快。

目前ATI和NVIDIA對於SP的設計很不一樣，ATI是採取量大但低時脈的方向，NVIDIA則是小量但高時脈，ATI新Radeon HD 2000系列通常有較多的SP，但SP時脈跟核心時脈一樣；NVIDIA GeForce 8的SP數目很少，但時脈至少都有1GHz以上，等於是在GPU核心時脈之外，另外有一個區域跑較高的時脈，加速Shader的運算。



現在新的GPU都採用Unified Shader（統一Shader）架構，不再分像素或頂點，這樣不管畫面是多邊形複雜、或是像素特效複雜的，GPU內的Shader運算單元都能保持在滿載狀態，不會浪費。


材質單元和畫面輸出
材質單元負責把遊戲需要的貼圖從記憶體載到核心之中，另外也負責材質的過濾（Texture Filtering），常聽到的AF（Anisotropic filtering，非等向性過濾）就是材質過濾的其中一種演算法，材質要過濾是因為在3D世界裡，物體有遠近之分，遠的物體就只需要較小的貼圖，材質過濾是把大圖片縮成小圖片，貼在遠處的物體上，材質單元的數目會影響貼圖速度和遊戲畫質，愈多當然愈好，不過現在的3D運算趨勢是單一材質做大量Shader處理，所以材質單元反而主要是影響過濾後的畫質。

畫面輸出通常稱為ROP（Raster Opteration）或Render Backend，這是把3D的場景依視角「掃瞄」成2D平面的一張圖片，這會影響GPU的「像素填充速度」（Pixel Fillrate），但一樣，現在3D運算的效能瓶頸都在Shader上，畫面輸出速度已經無所謂了。現在ROP最重要功用是做反鋸齒（Anti-Aliasing）和後處理，反鋸齒是消除畫面輸出時所產生的鋸齒，後處理特效很多，常見的例子就是HDR高動態光源特效。



HDR特效之前並不多，但現在愈來愈多遊戲採用了，圖中有強烈反光的地方，也有很陰暗的角落，這就是HDR高動態光源的成果。


記憶體容量
最後，也是我覺得不大重要的記憶體容量，現在顯示卡的記憶體已經無關2D顯示，主要是存放3D遊戲所需的資料，也就是角色多邊形、貼圖等等，一般來說，低中高階大約是128MB、256MB、512MB以上。記憶體容量會影響效能，但通常是「限制效能」而非「增加效能」，比如高階卡可開更高的特效和解析度，就需要大容量的記憶體，如果容量不夠就會限制晶片的一些效能，因為得透過PCI-E介面從系統主記憶體抓資料；但是低階卡只需要128MB或256MB左右，加到512MB也不會提升效能（在他們所適用的解析度下），反而換上高時脈的記憶體提升頻寬會有用的多。

現在顯示卡的成本有很大一部分是來自於高速記憶體，記憶體的發展速度已經跟不上GPU改朝換代的速度，所以上廠商開始會用記憶體容量來限制原本晶片的能力，並以此來區分價格和定位。


結語

ATI Radeon HD 2600的架構圖，中間一大塊就是Shader運算單元，其他每個區塊都有它的功用。


這篇我只挑了GPU「最重要」的規格來講，其實GPU內部是各種演算法和專利的綜合體，為什麼現在會殺到只剩下兩家大廠，其他如VIA、Intel、Matrox、XGI都黯然退出或只能打打入門市場，因為GPU的進入門檻實在太高了。先不講最複雜的Shader運算單元，光是反鋸齒的演算法、剔除不必要多邊形的技術（3D世界下，因為視角關係很多東西會相互重疊，最好在運算之前就去除）、材質壓縮的方法、或甚至運算平行化時要讓多少相鄰像素一起計算等等，就都是NVIDIA和ATI多年累積的研發經驗，很難在短短一篇文章裡全部講完。

下一篇會專講2D影片加速的部分，這是新一代GPU最為強調的重點之一，也是目前NVIDIA和ATI口水戰打的最猛烈的一塊。