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集成图形控制器的历史

2020年9月2日
图形芯片编年史第4卷第3期——摩尔定律已经将集成图形处理单元(GPU)变成了个人电脑、智能手机甚至汽车的关键部件之一。

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集成图形自1991年就出现在工作站领域,自1995年就出现在PC领域。它们现在已经进入智能手机、平板电脑、汽车、游戏机和许多其他设备。

集成图形已经从芯片组的一部分发展到集成在CPU内部。英特尔在2010年率先做到了这一点。AMD紧随其后,在2011年推出了Llano,但配备了更大、更强大的GPU。在这期间,我们看到了来自不同供应商的聪明和创新的设计,其中许多已经离开了我们。

1995年5月-将图形控制器与其他组件集成的第一个例子是Weitek的SPARC增强芯片组。该芯片组由两部分组成:W8701 SPARC微处理器和W8720集成图形控制器(IGC)。W8701集成了一个浮点处理器(FPP)到一个SPARC RISC微处理器。它运行在40mhz,是插座和二进制兼容SPARC整数单元(IU)标准。


1995年6月——台湾硅集成系统公司推出了SiS6204,这是英特尔处理器的第一个基于pc的集成图形控制器(IGC)芯片组。它结合了北桥的功能和图形控制器,并为一个新的类别——IGC奠定了基础。

SiS开发了两个igc, 6204用于16位ISA总线,6205用于较新的PCI总线。图形控制器提供了一个集成的VGA,分辨率高达1280 ×1024 × 1680万种颜色(但交错),一个64位的BitBLT引擎,一个集成的Philips SAA 7110视频解码器接口,提供YUV 4:2:2支持,颜色键视频覆盖支持,颜色空间转换器,整数视频缩放1/64单位增量和VESA DDC1和DDC2B信令支持。它通过SiS的551x UMA芯片组提供UMA功能。最重要的是,它证明了什么可以集成到一个小的,低成本的芯片。si和ALi是最初获准为奔腾4生产第三方芯片组的两家公司。

1999年1月——上世纪90年代末,工作站巨头硅图形公司(Silicon Graphics Inc ., SGI)试图应对来自英特尔(Intel)的流行且不断改进的x86处理器的威胁。SGI开发了使用英特尔奔腾处理器的Visual Workstation 320和540工作站,并设计了Cobalt IGC。在当时,这是一个拥有超过1000个引脚的大型芯片,而且它的成本比标准CPU还要高。它还强调了统一内存架构(UMA)的潜在性能提升,在UMA中,图形处理器与CPU共享系统内存。它占了系统显卡可用RAM的80%。然而,分配是静态的,只能通过配置文件进行调整。

1999年4月-英特尔在中央处理器的功能整合方面一直处于行业领先地位。1989年,当它推出历史悠久的486时,它加入了FPP芯片,这是第一个这样做的芯片。十年后,该公司推出了82810 IGC(代号惠特尼)。

1999年9月——曾在Silicon Graphics高级图形部门担任副总裁期间领导Cobalt芯片组开发的大卫·奥顿(david Orton)离开了SGI,成为ArtX的总裁。1999年秋,该公司在COMDEX上发布了首款内置几何引擎的集成显卡芯片组,随后由台湾的宏碁实验室(Acer Labs)销售。看到这一点,任天堂联系了ArtX,为第四款游戏机GameCube开发图形处理器(称为Flipper芯片)。2000年2月,ATI宣布将收购ArtX。

2001年6月-SiS引入了转换和照明(T&L)的IGC。转换意味着生成一个三维场景的二维视图。剪辑意味着在渲染完成后只绘制场景中图像中的部分。照明是根据照明信息改变场景中各种表面颜色的过程。自1993年以来,街机游戏系统板就开始使用硬件T&L,自1996年任天堂64的现实协同处理器GPU(由SGI设计和开发)以来,它也被用于家庭视频游戏机。直到1999年,个人电脑都在软件领域实现了T&L。

随着几何处理和T&L技术的引入,IGC逐渐发展成为集成图形处理器。


2001年6月-英伟达推出了针对AMD Athlon CPU的IGP nForce 220。

nForce是一款由英伟达为AMD Athlon和Duron开发的主板芯片组(后来它包括了对英特尔处理器的5系列支持)。芯片组有三种型号;220 415 420。220和420非常相似,都有集成的GPU。

当英特尔从并行总线架构转向串行链路接口(复制了AMD的超链接设计)时,他们也宣布英伟达的总线许可无效。经过一场旷日持久的法律战,英伟达与英特尔达成和解,并于2012年退出了IGP市场,只留下AMD、英特尔和台湾小型供应商威达科技。市场上的其他公司要么被收购,要么被竞争逐出市场。

2002年1月-收购ArtX两年后,ATI推出了其第一款IGC, IGP 320(代号为ATI A3) IGC。

四年后,ATI推出了IGC, AMD购买ATI,以开发一个真正的集成GPU处理器。当时,Dave Orten是ATI的首席执行官。然而,事实证明,这比两家公司想象的要难。不同的晶圆厂,不同的设计工具,以及相互冲突的企业文化,使得这成为一项极其困难的任务。


2004年7月-Qualcomm推出了其首个集成图形处理器MSM6150和MSM6550使用ATI的图形Imageon处理器。

图形处理器可以支持每秒10万个三角形和每秒7百万像素的主机质量的游戏和图形。


2005年10月-德州仪器公司推出了OMAP 2420,诺基亚推出了N92和N95。

TI在其OMAP处理器中使用了Imagination Technologies的PowerVR GPU设计。该公司在移动电话领域的OMAP技术取得了成功,直到2012年左右,苹果和高通的手机席卷了市场。


2007年6月及11月-今年6月,苹果公司在美国推出了iPhone,同年11月,高通公司推出了骁龙S1 MSM7227 SoC。当时,每个芯片公司都开发了集成gpu的soc,主要针对智能手机市场。苹果使用了Imagination Technologies的GPU设计,高通使用了ATI的移动GPU Imageon技术。2009年1月,AMD将其Imageon手持设备图形部门出售给高通。

2008-英伟达推出了Tegra APX 250 SoC,配备了300- 400 MHz的集成GPU和600 MHz的ARM 11处理器。奥迪将该芯片应用于汽车的娱乐系统中,其他汽车公司也纷纷效仿。2017年3月,任天堂宣布将在其Switch游戏机中使用下一代Tegra。

2010年1月在个人电脑市场,英特尔打败了AMD,推出了带有Ironlake图形的Clarkdale和Arrandale处理器。英特尔将其命名为赛扬(Celeron)、奔腾(Pentium)或酷睿(Core with HD Graphics)。GPU的规格是12个执行单元(着色器),运行在900 MHz时可提供43.2 GFLOPS。IGP还可以以高达40帧/秒的速度解码H264 1080p视频。

英特尔构建了第一个实现,Westmere,作为一个多芯片产品在单一情况下。CPU采用英特尔32nm制程,GPU采用45nm制程。

Clarkdale和Arrandale最显著的区别是后者有集成的图形。英特尔制造了全集成的131mm2Sandy Bridge处理器是一款4核2.27 GHz处理器,其32纳米晶圆芯片集成了GPU。


2011年1月当AMD收购ATI时,Hector Ruiz是AMD的总裁,Dave Orton是ATI的总裁。奥顿在2007年离开了AMD,鲁伊斯在2008年离开了AMD,他们是此次收购的策划者,并在AMD实现了开发集成显卡CPU的梦想。在鲁伊兹离职后,AMD花了三年时间,更换了几位ceo,才推出了集成的GPU-CPU,他们将其命名为apu,意为“加速处理器单元”。2011年推出的第一款产品是Llano,处理器的内部代号是Fusion。

Llano结合了四核K10 x86 CPU和Radeon HD 6000系列GPU,使用相同的228mm2死。AMD在全球铸造厂用32纳米工艺制造了它。


2013年11月-索尼推出了PlayStation 4游戏机,微软推出了Xbox One,这两款游戏机都是基于AMD的捷豹APU定制版。索尼的APU使用8核AMD x86-64 Jaguar 1.6 GHz CPU(在PS4 Pro上为2.13 GHz)和800 MHz(在PS4 Pro上为911 MHz) GCN Radeon GPU。微软使用了一个八核1.75 GHz的APU(两个四核的捷豹模块),Xbox One X型号使用了一个2.3 GHz的AMD八核APU。Xbox One GPU运行在853兆赫,Xbox One S运行在914兆赫,Xbox One X运行在1.172兆赫,使用AMD的Radeon GCN架构。

今天-集成GPU或iGPU是市场上最受欢迎的。它的成本效益和强大的足够大多数图形杂务。它也被高功耗工作站应用所接受。

iGPU是pc上使用的主要GPU, 100%的游戏机,100%的平板电脑和智能手机,以及60%的汽车,也就是大约21亿台。

gpu是一种极其复杂的设备,拥有数百个32位浮点处理器,称为着色器,并塞满了数百万到数十亿个晶体管。这要归功于摩尔定律的奇迹。每天你都在使用多个gpu,包括手机、电脑、电视、汽车、手表、游戏机和云。如果没有庄严的、无处不在的GPU,世界将不会发展到今天的地步。

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