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ATI Radeon 8500:首款硬件镶嵌的GPU

2022年1月26日
图形芯片编年Vol. 7 No. 1 - ATI的TruForm技术镶嵌三维表面使用现有的三角形和附加的三角形添加到多边形模型的细节。

这篇文章是电子产品的历史系列:图形芯片编年史

ATI于2001年8月推出的Radeon 8500 AIB R200图形处理器采用了150纳米的制造工艺,代号为“卓别林”。AIB与DirectX 8.1兼容。和opengl1.3 api。

R200引入了一些新的和增强的功能,但最值得注意的是ATI的“TruForm”功能。TruForm是由ATI(现在的AMD)开发的半导体知识产权(IP)块,用于加速硬件镶嵌。下面的图是一个简单的例子,从一个粗糙的立方顶点集绘制一个球体。

镶嵌可以根据对象到视图的距离进行相对,以调整细节水平。这使得接近观察者(相机)的物体有很好的细节,而更远的物体可以有粗糙的网格,但同时在质量上似乎可以比较。它还减少了一个网格所需的带宽,允许它在shader单元内部被细化。

ATI的TruForm创造了一种由弯曲三角形而不是平坦三角形组成的新型表面,称为N-Patches或PN三角形。这种新方法允许表面完全在图形处理器中生成,而不需要对现有的由平面三角形组成的3D图像进行重大更改。根据ATI的说法,这将使开发人员更容易使用这项技术,并允许它避免破坏与旧图形处理器的兼容性,同时提供高质量的视觉效果。该技术得到了DirectX 8s N-patches的支持,它计算如何使用三角形来创建一个曲面。

ATI的R200 GPU在当时是一个平均大小的芯片:120毫米²的面积。它包含了6000万个晶体管,四个像素着色器和两个顶点着色器,八个纹理映射单元和四个rop。ATI当时表示,R200比英特尔的奔腾III处理器更复杂。

Radeon 8500运行在275 MHz,并补充了使用128位内存总线的64 MB DDR。这是一个单插槽的AIB,不需要额外的电源连接器,因为它只消耗23 W。AIB有一个AGP 4x接口,并提供三个显示输出:DVI, VGA和S-Video。


R200是ATI的第二代GPU,搭载Radeon品牌。和当时的大多数aib一样,8500还包括Windows的2D GUI加速,并提供内置MPEG编解码的视频加速。

R100有两个渲染管道,而R200有四个。ATI将更大的处理管道命名为Pixel Tapestry II。新的设计将AIB的填充率提高到10亿像素/s。

ATI在最初的Radeon芯片上使用每个流水线三个纹理单元,因此它可以在一个时钟周期内将三个纹理应用到一个像素上。然而,游戏开发者却选择不支持这一功能。而不是浪费晶体管在一个不支持的功能,ATI决定建立R200只有两个纹理单位每个管道。这与英伟达的GeForce3相匹配,让开发人员很高兴。

但是ATI很聪明,它使Pixel Tapestry II能够在一次传递中应用6个纹理。传奇游戏开发者John Carmack当时正在致力于即将到来的《毁灭战士3》,他说道:“《毁灭战士》中的标准光照模型,包含所有功能,但没有自定义着色器,需要在GF1/2或2 Radeon上进行5次传递。”他说,同样的照明模式将采取“两个或三个传递上的GF3,应该是可能在一个明确的+单一传递上的ATI的新部分。”

与原始的Radeon, ATI介绍其“魅力”硬件转换和照明引擎。R200的魅力引擎II是该公司的第二代硬件加速、固定功能转换和照明引擎,它受益于R200增加的时钟速度。

ATI在R200中检修了顶点着色器,并将其命名为“Smartshader”引擎。Smartshader是一个可编程的顶点着色器,与Nvidia的GeForce3顶点着色器相同,因为这两家公司都符合DirectX 8.1规范。

在2000年底,就在推出Radeon 8500/R200之前,ATI也推出了它的“HyperZ”技术,这基本上是一个z压缩方案。ATI夸口称HyperZ可以提供每秒15吉特赛尔的填充率,尽管R200的理论最大值只有12吉特赛尔。事实上,HyperZ在测试期间确实提供了性能改进。

ATI的HyperZ技术由三个特性组成,它们相互配合,以提供内存带宽的“增加”。

ATI的HyperZ采用了Imagination Technologies为其PowerVR贴图引擎开发的延迟渲染过程中的几个概念。

需要大量的内存带宽来重复访问z缓冲区,以确定哪些像素(如果有的话)在被渲染的像素前面。HyperZ进程的第一步是在一个像素被发送到渲染管道之前检查z缓冲区。这种方法在R200渲染之前删除了不需要的像素。

然后将Z-data通过无损压缩过程来压缩z缓冲区中的数据。这也减少了s数据所需的内存空间,并在访问z缓冲区时节省了数据传输带宽。

当使用Z-data时,一个快速Z-Clear过程在渲染图像后清空Z-buffer。ATI当时有一个特别有效的z缓冲区清理过程。

第一个Radeon使用了8×8块。为了减少所需的带宽,ATI调整块大小4×4。R200每个时钟可以丢弃64个像素,而不是8个。(GeForce3每个时钟可以丢弃16个像素。)

ATI还实现了一个改进的Z-Compression算法,根据数据表,给他们一个20%的提升Z-Compression性能。

Jim Blinn在1978年引入了凹凸贴图的概念。这种方法通过在物体表面上使用光照来创造人工深度。然而,大多数游戏开发者直到2000年初才开始使用凹凸贴图;《光晕1》是1998年第一批使用它的游戏之一。


把它们放在一起

在采用凹凸贴图、法线贴图和视差贴图来模拟更高的网格细节之前,3D形状需要大量的三角形。使用的三角形越多,你就可以创造出更逼真的表面。

为了减少使用三角形的数量,使用了镶嵌。TruForm使用现有的三角形对3D表面进行镶嵌,并添加额外的三角形,为多边形模型添加细节。结果是TruForm技术在不显著影响帧率的情况下改善了图像质量。

然而,TruForm很少被游戏开发者使用,因为它要求模型在DirectX 8.1之外工作。由于没有广泛的行业支持,大多数开发人员干脆忽略了它。最重要的是,2000年英伟达在AIB市场份额上超过了ATI,开发者不愿意投资于第二大供应商的独特功能。当现在属于AMD的ATI在2007年升级到Radeon X1000系列时,TruForm不再是一个硬件特性。

在Radeon 9500中,渲染到顶点的缓冲特性可以用于镶嵌应用。这也得益于微软支持Shader Model 3.0的硬件。镶嵌在专用硬件返回了ATI的Xenos GPU的Xbox和Radeon R600 GPU。

只有在Direct3D 11和opengl4中,对硬件镶嵌的支持才成为强制要求。在这些api中定义的细分,只支持AMD在2009年推出的更新的TeraScale 2 (VLIW5)产品和基于gcn的产品(从2012年1月开始提供)。在AMD的GCN(下一个图形核心)中,镶嵌操作是几何处理器的一部分。

当Radeon 8500问世时,ATI的软件团队正在经历一场艰难的管理改组,公司发布的驱动程序也存在问题。更糟糕的是,该公司在一些基准测试中作弊,报告的分数比评测人员能达到的分数要高。ATI也有其平滑视觉抗锯齿的问题。

TruForm,这个本该将ATI推向领导地位的功能,由于管理不善和营销不力而失去了。ATI在开发过程中建立的技术领先地位被浪费了。

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