3D加速芯片的过去与未来

朱云
1999年 第22期 17版

    自1997年3D图形加速卡开始批量上市以来，硬件3D处理技术进入广大PC用户的视野已经有两年了。现在，3D技术已经渗透到PC系统的方方面面，不仅显示卡和游戏言必称3D，连CPU也逐渐“3D化”，甚至连操作系统也要将3D作为一个重要部分了。回顾大众化的3D技术刚刚出现时，S3 Virge芯片那简陋的3D特性和缓慢的速度，再看看刚刚上市的TNT2和Voodoo3，这天文数字般的处理速度以及几乎无所不包的3D特效，我们不得不感慨万千——技术的发展真是太快了，尤其是在市场需求和竞争的推动下。
#1    历史回顾
    按目前主流的说法，我们可以用第一代（不过笔者更倾向称之为史前世代）来称呼那些还不是很实用的3D加速芯片。当年2D显示芯片霸主S3推出的S3 Virge系列产品并不是最早的，但正是S3 Virge打开了硬件3D加速市场的大门，尽管它很快就丢掉了这个市场。那时很少有人了解什么是真正的硬件3D加速，于是号称支持DirectX的Trident 9685凭借低廉的售价大行其道，但是用户一旦明白过来，他们就抛弃了Trident，即使是Trident后来推出的与S3 Vrige系列同档次的Trident 9750/9850也只能作为最廉价的3D芯片了。ATI的Rage I/Ⅱ则多见于品牌机中，性能与S3 Vrige不相上下，也未能占领新兴的3D市场。实际上，这期间还有很多我们在国内市场上没有见到过的产品，如那时名不见经传的NVIDIA推出了集成声音处理功能的3D芯片NV1，由于声音与图形部分相互牵制而很不成功；Rendition的头一个产品Verite 1000据称是Voodoo之前最好的产品，但在市场上也不成功；3Dlabs的Permedia虽然至今仍可以用来进行3D绘图，但没有被主流的游戏3D市场接纳；Matrox的Millenium和Mystique虽然名声很好、价钱很贵，但最多只能同S3 Virge相比的3D性能，使它们只能作为最好的2D显示卡。
    真正的第一代（按目前主流的说法应是第二代）3D加速芯片应从3Dfx公司在1997年推出的Voodoo芯片组算起，正是Voodoo漂亮的图像效果和够快的速度使人们第一次真正认同了硬件3D加速的意义，从而推动了3D市场的繁荣。3Dfx替Voodoo准备的Glide API，为游戏开发商们提供了优秀的开发平台，成为了当时在难以实现的OpenGL和效果太差的DirectX之间的一个较好的折衷选择，Voodoo＋Glide不但为我们带来了大量高质量的3D游戏，也将3Dfx这个本来不起眼的小公司推上了3D加速芯片市场的王座。很快其他公司也赶了上来：NVIDIA推出了异常成功的Riva 128，以DirectX为主API，尽管图像质量不如Voodoo，但它的2D/3D速度最快，使NVIDIA一举成为游戏用3D加速芯片的第二选择；ATI则有了性能与Voodoo不相上下的2D/3D芯片Rage Pro（Turbo），因为主要被品牌机使用，所以零售市场上鲜有该种芯片的显示卡产品；3Dlabs的2D/3D芯片Permedia 2以OpenGL为主API，开始主要用在3D设计领域，虽然3D游戏性能较差，但通过不断升级驱动程序，最终成为样样都行的多面手，一直生存至今；Rendition的Verite 2x00系列一开始就是Voodoo的强劲对手，但是由于其2D部分甚至比3Dfx的2D/3D芯片组Voodoo Rush更差，又没有很快地升级换代，所以逐渐退出了主流市场；NEC/Videologic的PowerVR PCX2也是同Voodoo类似的纯3D芯片，由于使用了将显示屏幕分块渲染的原理，所以占用较少的显示内存和带宽，性能足以同Voodoo竞争，只可惜由于使用了软件分块引擎，使它比较依赖于CPU性能；Intel的i740姗姗来迟，虽然速度比Riva 128差、3D图形质量中等，但凭借Intel的号召力和便宜的价格而一举夺下了不小的低端市场。
    3Dfx的Voodoo 2在1998年初上市，成为第二代（按目前主流的说法应是第三代）3D加速芯片问世的一个里程碑，复杂的Voodoo 2纯3D芯片组在当时各方面都所向无敌，SLI连接的双Voodoo 2甚至将部分纪录保持到今年年初。推出Voodoo2之后，3Dfx的努力方向是将3D芯片组集成为单芯片，然后再集成2D部分，以降低成本、拓展应用领域，可是等2D/3D全集成的Voodoo Banshee上市时，3Dfx相对其他公司的优势已经不大了。其他公司由于在1998年初落后3Dfx较远，不得不制定性能大大超过Voodoo 2的研制计划，而且只能等到1998年下半年出货：较早公布计划的NVIDIA的Riva TNT打算超过SLI的双Voodoo 2，但最终上市时只比Voodoo 2和Banshee快了一点，图形质量倒是超过了3Dfx的产品；Matrox先用3D性能较差的G100应付市场，然后率先推出第二代产品G200，画质比Voodoo 2更好，但速度慢了一些，而且游戏支持稍差；S3用来打翻身仗的Savage 3D则毛病很多，经过长期改进驱动程序和BIOS，直到最近性能才稳定下来，但由于价格比较便宜，不乏竞争力；ATI的Rage 128则来得较晚，到今年年初才上市，增强型Rage 128 Pro则更接近下一代产品，由于部分品牌机已经开始使用Riva TNT，Rage 128只能固守ATI传统的苹果机市场和剩余的PC品牌机市场；Blade 3D是Trident刚推出不久的便宜芯片，性能只能超过Voodoo，面向低端市场；Intel很快就要上市的i752/754也应算是第二代产品，设计得较晚也较有技巧，可能是未来的低端主流。
    现在正在上市或将要上市的新一代产品同前一代并无革命性的不同，只是在性能和速度方面又上了一个台阶，我们不妨暂且称之为第三代（按目前主流的说法应是第四代）3D加速芯片。3Dfx的Voodoo 3首先出现，速度的确很快，但不支持这一代产品均有的24/32位的渲染和Z－buffer精度，看起来在这一轮3Dfx有些落后，只能寄希望于下一代产品；有希望成为新3D霸主的NVIDIA后劲十足，在创纪录的Riva TNT2上市的同时，又在开发带有几何加速的Riva TNT3；Matrox也不甘人后，G200还未完全推广就又设计出G400，是TNT2的强劲对手，另外G400还有增强版G400 MAX；NEC/Videologic的PowerVR 250系列的“历史”比Riva TNT还长，但由于优先保障了对SEGA的DreamCast家用游戏机的供货，最近才上市，但测试结果表明，由于PowerVR 250改进后的分块渲染引擎十分强大，即使最普通版的PowerVR 250也可以超过Voodoo 3现在的最高型号3500，同最高纪录保持者Riva TNT2的Ultra版不相上下，所以可看作是相当强劲的第三代产品；S3公司继Savage 3D后再接再厉，很快又推出了价廉物美、竞争力极强的Savage 4系列；千呼万唤才刚刚出来的3Dlabs Permedia 3现在不再拥有最高的性能指标，但3Dlabs传统的专业设计市场保证了它的基本需求，以专业标准和技术精雕细琢出的产品很可能有不少过人之处，而且应该像Permedia 2那样长寿；一蹶不振的Rendition仍未推出新产品，但凭借Verite 4400E或其他“秘密武器”一鸣惊人的可能性也很大。
#1    发展规律
    通过回顾3D加速芯片的历史，我们可以了解这个新兴的市场怎样从无到有飞速地发展起来，成为IT行业最热门的领域之一，从中我们也可以找出一些规律：如速度飞速增长、质量不断提高、结构日趋复杂、价格不断降低等。
    对于3D芯片来说，速度就是生命。从最初的每秒十多万像素、几万三角形的初级阶段到如今Riva TNT2的每秒3亿像素、900万三角形，只经过了短短的两年左右的时间。可以说是以几何级数增长，从过去2D芯片的每年200％提高到现在的每年400％以上。关于3D图形芯片的速度提高过程如^221701a^。
　　3D图形质量也是非常重要的，这同3D加速芯片不断增加的各种3D特性有关，也与3D API的支持是分不开的。最初Glide专用API可以提供令人满意的3D图像质量，那时的OpenGL太专业化，而DirectX太简陋。现在DirectX 6的效果已经同Glide不相上下，OpenGL的大多数特性在普通3D芯片上都获得了支持，当DirectX 8出现时，OpenGL将同它合并成为统一的高质量的3D API——Fahrenhest。3D加速芯片最初只支持简单的平面涂色、Gourand涂色和较小的纹理数据，后来逐渐加入了半透明混合、二线性过滤、三线性过滤。现在最新的芯片可以进行各向异性过滤、巨大纹理贴图、压缩纹理贴图、全屏幕抗锯齿、凹凸贴图以及各种特殊的具有很强表现力的效果。
　　3D加速芯片的复杂结构是实现高速度、高质量3D图形的基础。在“史前世代”简单的3D加速结构的基础上，先是加快了芯片的时钟频率以提高速度，并添上了一些必要的3D特性以改善图像质量，有部分芯片还集成了三角形设置引擎以减少CPU和系统总线的的负担，这就是第一代（按目前主流的说法应是第二代）3D芯片的结构。在此基础上，再将时钟频率提升到制造工艺所能承受的极限，添加比较完整的3D特性组，有些芯片用并行处理机制提高速度，有些则采用更新的工作原理，并且几乎所有芯片都集成了高性能的三角形设置引擎，采用了AGP 2×总线和128位显示内存接口，这时的第二代3D芯片（按目前主流的说法应是第三代）的处理速度与图形质量都达到了大多数用户可以接受的程度。第三代产品（按目前主流的说法应是第四代）相对第二代改进不多，一方面采用新的生产工艺进一步提升时钟频率，整体上采用极为复杂的结构，大量使用并行处理，采用AGP 4×接口，拥有近乎全面的3D特性组。而会在今年年底出现的第四代3D加速芯片（按目前主流的说法应是第五代）将集成几何加速部分，已不再受CPU浮点能力的制约。更复杂、更高频率的结构将使复杂曲面等尖端的3D效果成为可能，3D图形将更加接近于真实的世界。关于3D图形处理流程，可以参见^221701b^。
　　3D加速卡的价格一向是用户最关心的项目之一。随着3D加速芯片和显示内存的制造技术不断提高，成本不断降低，它们的最终售价不论性能和容量如何提高，总是会降到同一水准上来，于是3D加速卡的价格也会最终降低到某一标准。在国内，刚上市的3D显示卡一般会在1000元以上，有时甚至会在2000元以上，这时只有“大款”才会去尝鲜。随后，因为更强大的产品上市，价格会逐渐下跌到1000元以下，于是，一些硬件发烧友和手头宽裕的新装机者就会开始购买。再跌到400～700元时，该显示卡如果没有被淘汰就会进入显示卡市场的主流阶段，销量较大。再跌下去不到400元时，应该认为这种卡已经过时，只有手头紧的或不关心3D的朋友才会去买它。显示卡产品的降价速度一向不输于CPU，这表明我们总是可以用同样的价格买到更好的产品。而产品入市时的最初定价反映了整个市场的价格水平：Voodoo和Voodoo 2刚上市时都是卖2000多元，Riva TNT上市时是1800元，到现在Voodoo 3上市则是1500元以下了，TNT 2也是1500元左右。这表明整个3D显示卡市场正在逐渐向中低价位靠拢，而且随着技术的不断进步，3D加速卡的价格将变得越来越平易近人。
#1    展望未来
　　关于3D图形加速芯片的未来，现在我们已经可以看到一些迹象与趋势，其中最最吸引人的当数几何加速的硬件化。以往3D图形处理的前一半几何计算部分，几乎全部是由CPU经过大量的浮点运算来完成的（只有少数专业场合使用专用的硬连线几何加速器来实现），尽管有了AMD的3DNow！和Intel的SSE指令集来并行执行浮点指令，CPU的处理能力仍不能满足日益增加的3D图形处理任务的需要，因此在3D加速芯片或芯片组中添入硬件几何加速功能就变得越来越紧迫。
　　几何加速又可以分为坐标变换和光源效果两部分运算过程。通过用3D芯片实现坐标变换，可以使CPU从繁重的空间坐标计算中脱身出来，从而可以处理更复杂的场景和情节，粗略算来，大约可以使游戏中使用的几何图形在现有基础上增加10到20倍；另外还可以节省大量的系统带宽，因为CPU只要直接将数据传给3D芯片而不必在CPU和系统内存之间多次交换。由3D芯片进行光源效果处理则可以大大提高总体性能和图形质量：现有的大多数3D游戏都是用复杂的纹理混合功能来模拟出光源的效果，只使用1到2个真正的光源，因为暂时光源效果计算仍是CPU密集型操作。一旦应用了3D硬件加速的光源效果，我们就可以较容易地得到2到4个光源，甚至有可能多达8个光源，虽然利用纹理贴图方法制造出的模拟光源不会很快消失，但我们将会看到灿烂夺目的真实光源被普遍使用。现在的API中只有OpenGL支持硬件坐标变换和光源效果加速，而将在今年秋天出现的DirectX 7也将添加同样的几何加速支持。在芯片设计上，NVIDIA的Riva TNT3将几何加速部分集成在同一块3D芯片内，而3Dfx为了避免失误，据说将在新一代“Napalm”芯片组中加入一块单独的几何加速芯片。
　　更高的渲染质量也是3D硬件的一个顺理成章的发展。很有可能将来的3D芯片将有4个或更多的并行操作3D渲染流水线，而更复杂的结构要求更细微的半导体制造工艺，更高级的工艺带来的是更高的时钟频率，总体的结果是大大提高的像素填充速度，也就意味着更加精细漂亮的图像。可编程纹理则是一个创造性的概念，让我们可以即时计算出千变万化的物体表面纹理，尽管其运算量是非常大的。而噪声纹理可以产生不规则的甚至“脏”的纹理效果，能够给人以更真实的感觉。模板缓存是DirectX 6中就已经支持的效果，将来可以被广泛地用于生成部分空间的阴影、雾化等效果。被称作“穷人的纹理压缩”的硬件调色板功能，通过为不同的纹理提供单独的调色板，从而每种纹理只需使用256种色彩，能够大大减少纹理数据量。所有这些新的渲染效果不但需要3D芯片有更强的处理能力，而且也需要更大的显示内存，因此今后的显示卡拥有64MB显存将是家常便饭。
　　更好的场景控制使我们能够利用3D图形生成异常复杂的场景，例如有12000匹马和170000士兵参加的滑铁卢战役。当Fahrencheit API随着DirectX 8的出现成为现实，我们就能在主流PC系统中见到称作“scenegraph”的复杂场景控制功能。
　　在更远的将来，我们将会期待更多的三角形产生率和更高的像素填充率，于是将会得到更复杂的阴影、雾化，更漂亮真实的画面，从远到近连续变化的纹理，更细腻的抗锯齿功能，甚至数千粒子组成的火焰等物体。但是，由于集成电路的晶体管数不可能无限增加，几年后也许我们将看到3D芯片的性能接近极限，照片级的真实3D效果也许仍将非常遥远。
　　回首3D图形加速技术的来时路，面对多少产品的成败，多少厂商的沉浮，还有多少用户的失望与希望，我们还能多说些什么呢？“青山依旧在，几度夕阳红”，我们的目标永远在前方。