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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号——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组件之一。

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自1991年起,集成图形技术就在工作站领域应用于我们,自1995年起,集成图形技术就应用于PC领域。它们现在已经进入了智能手机、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中。英特尔在2010年第一次这么做。AMD紧随其后,在2011年推出了Llano,但其GPU更大、功能更强大。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,其中许多已经不在我们这里了。

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将浮点处理器(FPP)集成到SPARC RISC微处理器中。它以40 MHz的频率运行,并且与SPARC整数单元(IU)标准兼容。


1995年6月台湾硅集成系统公司推出了SiS6204,这是第一款基于pc的集成图形控制器(IGC)芯片组,用于英特尔处理器。它结合了北桥功能和图形控制器,并为一个新类别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 × 1680万颜色(但交错),一个64位BitBLT引擎,集成了Philips SAA 7110视频解码器接口,提供YUV 4:2:2支持,颜色键视频叠加支持,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。它提供了UMA能力与SiS的551 1x UMA芯片组。最重要的是,它证明了人们可以将什么集成到一个小型、低成本的芯片中。SiS和ALi是最初获得奔腾4第三方芯片组生产许可的仅有的两家公司。

1999年1月-在20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的流行且不断改进的x86处理器的威胁。SGI使用英特尔奔腾处理器开发了可视化工作站320和540工作站,并设计了Cobalt IGC。当时它是一个有超过1000个引脚的巨型芯片,而且它比标准的CPU还要贵。它还强调了统一内存架构(UMA)的潜在性能提升,即图形处理器与CPU共享系统内存。它占了系统内存的80%。然而,分配是静态的,只通过配置文件进行调整。

1999年4月-英特尔在CPU中整合了更多的功能,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,这是第一个这样做的芯片。10年后,该公司推出了82810 IGC(代号为Whitney)。

1999年9月-David Orton,曾在Silicon Graphics高级图形部门担任副总裁期间领导Cobalt芯片组的开发,后来离开了SGI,成为ArtX的总裁。1999年秋,宏基在COMDEX上发布了首款内置几何引擎的集成图形芯片组,随后由台湾宏基实验室(Acer Labs)推出。看到这一点,任天堂联系ArtX为第四款游戏主机GameCube开发图形处理器(称为Flipper芯片)。然后在2000年2月,ATI宣布将收购ArtX。

2001年6月-SiS在IGC中引入了传输和照明(T&L)。转换意味着生成三维场景的二维视图。剪切是指在渲染完成后,只绘制图像中的场景部分。光照是根据光照信息改变场景各种表面颜色的过程。街机游戏系统板从1993年开始使用T&L硬件,从1996年任天堂64的现实协处理器GPU(由SGI设计和开发)开始,它也被用于家庭视频游戏机。直到1999年,个人计算机才在软件领域实施T&L。

随着几何处理和T&L的引入,IGC逐渐发展成为IGP集成图形处理器。


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

nForce是Nvidia为AMD Athlon和Duron开发的主板芯片组(后来在5系列产品中包含了对英特尔处理器的支持)。该芯片组有三个品种;220, 415和420。220和420非常相似,每个都有集成的GPU。

当英特尔从并行总线架构转向串行链接接口(复制了AMD的超链接设计)时,他们也宣布Nvidia的总线许可无效。经过一场旷日持久的法律战,英伟达最终与英特尔达成和解,并于2012年退出IGP市场,只留下AMD、英特尔和台湾小型供应商威达科技(Via Technologies)。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推出了第一款IGC, igp320(代号ATI A3) IGC。

在ATI推出IGC的四年后,AMD收购了ATI来开发一个真正集成GPU的处理器。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得多。不同的晶圆厂,不同的设计工具,以及相互冲突的企业文化,使之成为一项难以置信的艰巨任务。


2004年7月高通公司在MSM6150和MSM6550中推出了首个集成图形处理器,使用的是ATI的图形Imageon处理器。

图形处理器可以支持10万个三角形每秒和7百万像素每秒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,然后是N95。

TI在其OMAP处理器中使用了Imagination Technologies的PowerVR GPU设计。该公司凭借OMAP在手机领域取得了成功,直到大约2012年,基于苹果和高通的手机横扫市场。


2007年6月及11月——苹果于6月在美国推出iPhone,高通于同年11月推出骁龙S1 MSM7227 SoC。当时,每家芯片公司都开发了集成gpu的soc,主要用于智能手机市场。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-英伟达推出了带有300- 400 MHz集成GPU和600 MHz ARM 11处理器的Tegra APX 250 SoC。奥迪将这种芯片整合到其汽车的娱乐系统中,其他汽车公司也纷纷效仿。2017年3月,任天堂宣布将在其Switch游戏主机上使用新一代的Tegra。

2010年1月——在个人电脑市场,英特尔击败了AMD,推出了搭载Ironlake显卡的Clarkdale和Arrandale处理器。英特尔将其命名为赛扬、奔腾或HD显卡Core。GPU的规格是12个执行单元(着色器),在900 MHz下可提供43.2 GFLOPS。IGP还可以解码高达40帧/秒的H264 1080p视频。

英特尔在一个案例中构建了第一个实现,Westmere,作为一个多芯片产品。CPU采用英特尔32nm工艺,GPU采用45nm工艺。

Clarkdale和Arrandale最显著的区别是后者有集成的图形。英特尔制造了完全集成的131mm2Sandy Bridge处理器为4核2.27 GHz处理器,集成了32nm芯片的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。Orton在2007年离开了AMD, Ruiz也在2008年离开了AMD,他们是这次收购的设计者,也是AMD打造集成图形处理器的梦想的设计者。在鲁毅智离开后,AMD花了三年时间和几位新ceo才推出了集成GPU-CPU,他们将其命名为“apu”,意为“加速处理器单元”。2011年的第一款产品是Llano,处理器的内部代码名为Fusion。

Llano将四核K10 x86 CPU和Radeon HD 6000系列GPU在相同的228毫米上结合在一起2死。AMD在全球铸造厂用32nm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游戏机,两者都是基于AMD捷豹APU的定制版本。索尼的APU使用8核AMD x86-64 Jaguar 1.6 GHz CPU (PS4 Pro为2.13 GHz)和800 MHz (PS4 Pro为911 MHz) GCN Radeon GPU。微软使用了一个8核1.75 GHz的APU(2个四核Jaguar模块),Xbox One X型号包含一个2.3 GHz的AMD 8核APU。Xbox One的GPU运行频率为853 MHz, Xbox One S为914 MHz, Xbox One X为1.172 GHz,使用的是AMD的Radeon GCN架构。

今天集成GPU或iGPU是市场上最受欢迎的。对于大多数图形处理来说,它的成本效益和功能都足够强大。它也在功率要求高的工作站应用程序中得到了认可。

iGPU是pc上使用的主要GPU,它在所有游戏机、平板电脑和智能手机上都占100%,在所有汽车上也占60%左右,也就是说大约有21亿辆。

gpu是一种极其复杂的设备,它拥有数百个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。每天你都要通过手机、电脑、电视、汽车、手表、游戏机和云与多个gpu打交道。如果没有受人尊敬的、无处不在的GPU,世界就不会发展到今天的地步。

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