显卡

一、简介

图像处理器（GPU），又称显示核心、视觉处理器、显示芯片或绘图芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备（如平板电脑、智能手机等）上执行绘图运算工作的微处理器。

图形处理器可单独与专用电路板以及附属组件组成显卡，或单独一片芯片直接内嵌入到主板上，或者内建于主板的北桥芯片中，现在也有内建于CPU上组成SoC的。

1.1 历史来源

图形处理器是英伟达公司（NVIDIA）在1999年8月发表精视 256（GeForce 256）绘图处理芯片时首先提出的概念，在此之前，计算机中处理影像输出的显示芯片，通常很少被视为是一个独立的运算单元。而对手冶天科技（ATi）亦提出视觉处理器（Visual Processing Unit）概念。

1.2 用途

图形处理器使显卡减少了对中央处理器的依赖，并分担了部分原本是由中央处理器所担当的工作，尤其是在玩游戏和进行三维绘图运算时，功效更加明显。

1.3 现状

个人计算机领域中，在2007年，90%以上的新型桌面计算机和笔记本电脑拥有嵌入式绘图芯片，但是在性能上往往低于不少独立显卡。

但2009年以后，AMD和英特尔都各自大力发展内建于中央处理器内的高性能整合式图形处理核心，它们的性能在2012年时已经胜于那些低端独立显卡，这使得不少低端的独立显卡逐渐失去市场需求，两大个人计算机图形处理器研发巨头中，AMD以AMD APU产品线取代旗下大部分的低端独立显示核心产品线，NVIDIA更是超过3年没有更新低端独立显示核心的架构。

而在手持设备领域上，随着一些像是平板电脑等设备对图形处理能力的需求越来越高，不少厂商像是高通（Qualcomm）、PowerVR、ARM、NVIDIA等，也在这个领域里纷纷「大展拳脚」。

1.4 图形处理器公司

现时有许多公司生产绘图芯片，如Intel、NVIDIA和AMD都是目前台式机图形处理器市场的领导者，分别拥有68.1%、17.5%和14.4%的市场占有率。

然而，这些数字包括英特尔的低成本，低性能集成图像处理器。扣除这些数字，NVIDIA和AMD控制将近100%的市场占有率。

手机、平板电脑等移动设备方面，PowerVR与高通等公司占有较高市占率。另外，硅统科技、威盛电子/S3 Graphics和Matrox等公司过去也曾生产图像芯片。

1.4.1 英伟达（NVIDIA）

成立时间：1993年4月
总部地点：美国
产业： 半导体
官网：www.nvidia.cn

NVIDIA（全称NVIDIA Corporation，NASDAQ：NVDA，发音：发音： /ɪnˈvɪdiə/，台湾与香港官方中文名为辉达，中国大陆翻译成英伟达），是一家以设计图形处理器为主的半导体公司。

NVIDIA亦会设计游戏机核心，例如Xbox和PlayStation 3。NVIDIA最出名的产品线是为个人与游戏玩家所设计的GeForce系列，为专业CGI工作站而设计的Quadro系列，以及为服务器和高效运算而设计的Tesla系列，虽然起家于PC计算机的显卡业务，英伟达也曾涉及移动芯片Tegra的设计，但智能机市场对此响应不大，不过近年却利用这些研发经验，目前朝向人工智能和机器视觉的市场发展。而主要竞争对手有AMD及Intel。

Nvidia的图形处理器产品如下：

• GeForce，面向消费者的图形处理产品，它现在的竞争对手是AMD的Radeon系列图形处理器。
  
• Quadro，计算机辅助设计和数字内容创建工作站图形处理产品
  Quadro系列定位于专业绘图工作站领域。多数产品的核心实质上与定位于个人领域的GeForce完全相同，但与GeForce相比Quadro强调与行业软件的兼容性、稳定性以及高效率。其驱动程序对行业软件及编程接口有相应的优化。
• NVS，多显示商用显卡
• Tegra，用于移动设备的芯片系列
• Tesla，主要用于服务器高性能电脑运算
• Nvidia Grid，Nvidia用于图形虚拟化的一套硬件和服务

1.4.2 超威半导体（AMD）

成立时间：1969年5月1日
总部地点：美国
产业： 半导体
官网：www.amd.com

超威半导体公司（Advanced Micro Devices, Inc.；缩写：AMD、超威，或译「超威」）是一家专注于微处理器及相关技术设计的跨国公司。超威半导体是目前除了英特尔以外，最大的x86架构微处理器供货商。自收购冶天科技（ATI）以后，则成为除了英伟达（NVIDIA）以外仅有的独立图形处理器供货商，自此成为一家同时拥有中央处理器和图形处理器技术的半导体公司，也是唯一可与英特尔和英伟达匹敌的厂商。

下面介绍AMD的两个知名图形处理器品牌：

Radeon，面向消费者的图形处理产品

AMD Radeon（原ATI Radeon）是2000年以来，由ATi公司制造的图像处理单元的品牌。

自2006年AMD收购ATI后，ATI Radeon更名为ATI Radeon HD，AMD发布Radeon HD6 Series时正式将Radeon系列更名为AMD Radeon HD，从AMD发布Radeon HD8 Series零售版时正式将Radeon HD系列更名AMD Radeon R(R5/R7/R9)。它现在的竞争对手是NVIDIA的GeForce系列图形处理器。

Radeon Pro，用于工作站和高性能计算

Radeon Pro是AMD的专业GPU品牌。与主流消费者/游戏玩家产品的Radeon品牌相比，Radeon Pro品牌旨在用于工作站、计算机辅助设计 （CAD）、计算机生成图像 （CGI）、数字内容创建 （DCC）、高性能计算 / GPGPU应用程序以及VR。

Accelerated Processing Unit（APU）

说到AMD的图形处理器，不得不提AMD APU。
AMD Accelerated Processing Unit（APU），以前称为Fusion ，是来自AMD的一系列64位微处理器的营销术语，该系列在单个芯片上集成了CPU和GPU。 AMD APU和英特尔的集成高清显卡的CPU在架构上非常相似，但APU的性价比远远高出英特尔同类产品。

二、类型

2.1 独立显卡

独立显卡是专门用于图形处理的独立硬件，现在显卡透过PCI-Express扩展插槽与主板连接。

2.2 集成显卡

集成图形处理器，或称集成显卡（集显）、核芯显卡（核显）和内建显示核心，是设在主板或CPU上的图形处理器，运作时会借用计算机内部分的系统内存。

三、GPU主要规格

下面以NVIDIA GEFORCE GTX 1080 Ti为例说明GPU的主要规格，AMD和NVIDIA类似。

3.1 架构

和CPU的代号类似，新架构的显卡性能更强，工艺更先进。

基于“买新不买旧”的原则，推荐大家购买最新架构的GPU。

3.2 GPU Engine Specs

3.2.1 NVIDIA CUDA® 核心数量

在相同架构下，GPU核心越多，性能越好。

3.2.2 基本频率 (MHz)

• 定义
  GPU基本频率又称“时钟频率”，是指处理器晶体管打开和关闭的速率。
  基本频率的单位是MHz或GHz，意思是CPU每秒跑几「百万次」（MHz）或「十亿次」（GHz）。
• 作用
  基本频率越高，执行的速度就越快，而这也是划分同代GPU产品定位的标准。
• 注意事项
  和CPU类似，不同核心的GPU基本频率不能混在一起比较。

3.2.3 加速频率 (MHz)

GPU的加速频率可以理解为自动超频。

当开启加速之后，GPU会根据当前的任务量自动调整GPU频率。从而重任务时发挥最大的性能，轻任务时发挥最大节能优势。

加速频率表示在环境允许GPU进入超频模式时，可以达到的最高频率。

3.3 显存规格

3.3.1 显存速率

显存速率就是显存时钟脉冲的重复周期的快慢，是作为衡量显存速率的重要指标。
显存速率越快，单位时间交换的数据量也就越大，在同等情况下显卡性能将会得到明显提升。

3.3.2 标准显存配置

标准显存配置即显卡上专用显存的容量。显存容量越大，所能达到的3D游戏分辨率和画质设定值也就越高。

2017年，常见的显存类型有GDDR5和GDDR5X，尽管有不少消息称GDDR6将于2014年完成，实际产品将会到2020年会大规模使用。

显存类型数字越大越先进，GDDR6>GDDR5X> GDDR5。

3.3.3 显存位宽

位宽就是显存一次能传输的数据量。
所以位宽越大，一次性能传输的数据就越多,对显卡来说对性能的提高很明显。

3.3.4 显存带宽（GB/秒）

显存带宽是指显示芯片与显存之间的数据传输速率，显存带宽越大越好。

3.4 技术支持

3.4.1 Simultaneous Multi-Projection（SMP）

在以往 3D 绘图，都是假设一个单一且平面的显示屏幕，但在技术的成长与新技术的诞生，像是三屏幕环绕、曲面屏幕，以及 VR 头戴显示器，这代表着现在使用者，不再只是使用单一平面的计算机屏幕，倘若又在使用单一 Viewpoint 的概念去绘图，实在不够精准且浪费 GPU 效能。

简单来说，SMP 对于三屏幕玩家与 VR 开发者，有着莫大的帮助，而单一平面屏幕的使用情境，较难发现 SMP 独到之处。

此外，SMP在 VR 应用上性能有着飞跃的进步。

3.4.2 VR Ready

NVIDIA 的 GeForce GTX VR 支持计划透过附加卡与系统制造商的协助，推出支持虚拟现实技术的 PC、笔记本电脑及显卡，可呈现最佳 VR 体验。

3.4.3 NVIDIA Ansel

这是一种可在游戏中轻松拍摄美丽相片的方式，甚至可应用于 VR。

3.4.4 NVIDIA SLI® Ready

SLI，全称为「可扩充链结接口」（Scalable Link Interface），中文简称速力，是一种可把两张或以上的显示适配器连在一起，作单一输出使用的技术，从而达至绘图处理效能加强的效果。

AMD CrossFire与NVIDIA的SLI技术竞争。

除了多屏游戏外，一般情况下，单GPU比双GPU要好。

3.4.5 NVIDIA G-Sync™-Ready

NVIDIA G-Sync技术可以消除屏幕撕裂、输入延迟乃至超级令眼睛疲劳的卡顿现象。AMD对应的技术叫做FreeSync。

3.4.6 NVIDIA GameStream™-Ready

NVIDIA GameStream™ 技术将超高分辨率的 PC 游戏投射到 NVIDIA SHIELD 设备。
NVIDIA SHIELD是由Nvidia生产的一系列游戏设备，包括Shield Portable 、Shield Tablet和最近的Shield Android TV。

3.4.7 NVIDIA GPU Boost™

GPU Boost 技术通过监测功率和温度，让 GPU 能够在不超出安全或舒适度极限的情况下充分运用每一丝性能。
GPU Boost可以理解为自动超频。

3.4.8 Microsoft DirectX

DirectX（Direct eXtension，缩写：DX）是由微软公司建立的一系列专为多媒体以及游戏开发的应用程序接口（API）。

以前，许多软件开发都是直接针对特定的硬件来编程的，这样做的好处是运行效率高，但是开发过程极其繁琐，不仅需要耗费大量的时间来适配硬件，更会产生兼容性问题。

有了DirectX这套标准，事情就简单多了。硬件的研发必须符合这套标准的要求，而软件层面上，驱动程序和应用也必须基于这种标准来编写，这样无数的软件才能兼容如此广泛的硬件。

除了DirectX，还有Vulkan和OpenGL等API。DirectX应用最广泛，性能也是最好的。

3.4.9 Vulkan API

Vulkan是一个低开销、跨平台的二维、三维图形与计算的应用程序接口。◇

3.4.10 OpenGL

OpenGL（英语：Open Graphics Library，译名：开放图形库或者“开放式图形库”）是用于渲染2D、3D矢量图形的跨语言、跨平台的应用程序接口。

3.4.11 总线支持

总线支持指的是显卡的插槽类型。

3.4.12 操作系统认证

操作系统认证指的是支持的操作系统。

3.5 显示器支持

3.5.1 最高数字分辨率

最高数字分辨率指的是显卡支持输出的最大分辨率。

3.5.2 标准显示器接口

标准显示器接口是显卡所支持的显示器接口类型。

3.5.3 多显示器

多显示器是显卡支持同时输出多个显示器。

3.5.4 HDCP

高清数字内容保护（HDCP，High-Bandwidth Digital Content Protection），是用以确保数字化的影像与声音数据在通过DVI或HDMI接口传送时不至于遭到非法复制。但是，该技术在2010年已被破解。

3.5.5 显卡尺寸

选购显卡时，要注意机箱和主板的兼容性，免得太大装不下或发生干涉现象。

3.6 散热以及电源规格参数

3.6.1 最高 GPU 温度 (in C)

GPU最大工作温度一般在90-105℃，该值因不同GPU而不同。

3.6.2 显卡功率 (W)

显卡功率是显卡的耗电量，不是热设计功率（TDP）。

3.6.3 建议系统功率(W)

这是显卡对电源的建议功率，具体取决于系统配置。

3.6.4 辅助电源接口

没有辅助电源接口的显卡说明该卡PCIe插槽供电即可满足，有辅助电源接口就要接上电源单独供电。