[小惡魔的電腦教室] 4-1.認識顯示卡

啊....顯示卡，一直是我最愛的零組件！自從在十年前買了第一代Voodoo卡，機械繼電器那「啪」的一聲進入GLQuake，看到水面的「灰色泥漿」變成半透明之後，我就知道自己踏上3D的不歸路了，自此之後我只買高階卡，因為我無法忍受遊戲特效不能全開的痛苦。十年之後，顯示卡的發展已經超乎我當初的想像，我相信也超乎絕大多數人的想像。

在電腦界，大家常會引用摩爾定律：每12～24個月，晶片的複雜度和效能就會成長一倍。但顯示晶片（Graphic Processing Unit，GPU）是少數能超越摩爾定律的零組件。若以浮點運算能力來評斷GPU的效能，GeForce 6800 Ultra是54 GFlops，GeForce 7800 GTX是165 GFlops，GeForce 8800 GTX就已經超過500 GFlops，在這三顆GPU所間隔的短短兩年半中，GPU效能就翻了將近10倍。附帶一提，現在蠻熱門的Intel Core 2 Duo Q6600的GFlops大約是30左右。

註：1 GFlops，就是每秒有10億的浮點運算指令，Giga Floation point Operation Per Second。

註：嚴格來說，Voodoo一代不能算是顯示卡，因為它沒有2D核心，只能顯示3D畫面，2D的部分必須還有另一張顯示卡，Voodoo1和Voodoo2都是3D附加卡的型態，但它們少數的特例，所以我不管了，也不去寫拗口的3D加速卡，通通都叫顯示卡吧！

當然，用GFlops來衡量CPU既不公平也不準確，因為CPU和GPU是完全相對的存在。在接下來的章節中，我們會仔細談顯示卡的架構，什麼是DirectX？Shader在幹嘛？遊戲和顯示卡怎麼相輔相成，擺脫十年以前的2D黑暗期，造就這十年來的3D爆炸性成長。我們先從最簡單的開始....



這十年來顯示卡改變多大？1997年我們只能勉強跑GLQuake（Quake的OpenGL加速版，算是第一套展現Voodoo能力的遊戲。透明水，有看到嗎！？），2007年我們已經可以玩畫面接近相片擬真的Crysis。


顯示卡的外觀

顯示卡是一個小型的完整系統，它有自己核心晶片、記憶體、電源輸入和散熱模組，我們先以一般人最常用的顯示卡為例做介紹：



啊....拿錯了，一般人用這種卡就見鬼了。



一般用的顯示卡大約像這樣，我把幾個重點部分標號出來。


1.傳輸介面

這一長條金手指是顯示卡輸出輸入資料的地方，圖中的卡是PCI-Express x16介面，大家或許也有聽過AGP（Accelerated Graphics Port，加速繪圖埠），甚至現在還有人死不放棄。最早的3D卡是用PCI介面，但大量讀取的資料很快就撐爆PCI介面，當時只好先用AGP應急。但AGP是一對一的埠，而非通用的匯流排，限制頗多，所以在三四年前顯示卡開始轉換到PCI-Express 1.1，這是由數量不等的通道組合成的匯流排，PCI-E x16就表示組合16條通道，每一條的頻寬是雙向每秒500MB。在今年底，PCI-E 2.0的顯示卡將會出現，傳輸頻寬會加倍，這是為了把要運算的資料搬進顯示卡中，並把運算結果回傳出來。


2.視訊輸出



顯示卡是連接各種顯示器輸出畫面，位於顯示卡後端的就是這些輸出接頭，相信大家都分的出來DVI（白色）和D-Sub（藍色）接頭，這是電腦最常用的兩種接頭。其中DVI是純數位資料，比D-Sub的類比傳輸有更好的穩定性和清晰度，加上現在流行的LCD也是數位對應顯示，用DVI才能達到最佳效果。現在就算最差的顯示卡都至少有一個DVI，稍好一點的就會有兩個DVI，或是特殊的Dual-Link DVI。Dual-Link DVI可以輸出比一般Single-Link DVI更高的解析度，最高達3840x2400，一般DVI只到1920x1200。除了DVI，現在顯示卡也開始具備HDMI輸出，未來甚至有DisplayPort等更先進的輸出方式。

HDMI算是可以傳輸SPDIF音訊的DVI，在視訊方面幾乎跟DVI一模一樣（差別只在HDMI可以另外傳輸色差訊號），DisplayPort的話太新了，還沒有實際產品，我也不太了解，希望高手指教。除這些電腦用的端子，一般顯示卡還有九針的多功能視訊輸出（圓孔的那個），可轉接成AV、S、色差端子。


3.電源處理

這些柱狀物和線圈是電容和電感，顯示卡也是要吃電的，電容和電感可以穩定電源，避免突然過高或過低的電壓造成當機，甚至傷到硬體，跟主機板上的電容電感的用意是完全相同的。一般顯示卡都是由PCI-Express插槽直接供電，最高75W，這種卡的電源處理就會集中在插槽附近，但像上面那張圖的高階卡，耗電量超過75W就要另外插電，通常在卡的末端會有這種PCI-Express的6pin電源插孔，可額外再輸入75W。這種要外接電源的卡，電源模組的部分就會集中到電源插頭附近，在散熱器後面那一塊全部都是做電源處理的。

依卡的高中低階不同，低階的通常不用外接電源，最高階的則可能會有兩個6pin電源，甚至用上PCI-Express 2.0新規格的8pin電源，一個就可供電150W。當然，會吃到這麼多電的卡，在世代交替淘汰之前，價格絕不會低於一萬元。


4.散熱模組

就跟CPU一樣，GPU也會發熱，也有自己的TDP規範，要讓GPU能穩定運作，顯示卡上的散熱模組必須消散掉GPU所產生的廢熱。至於要怎麼把廢熱排掉就是各廠商的創意了，要用巨型風扇加鋁鰭導風罩散熱、或是純被動散熱片避免風扇噪音等等，只要符合TDP的規範就可以了。而GPU的高中低階就等於發熱量的多寡，也就等於散熱器的大小，加上高階卡的線路也比較複雜，因此顯示卡的高中低階通常會反應在外觀上，上圖就是四種常見的尺寸，從最長的10吋，到最小的Low Profile。



散熱器主要都是針對GPU，拆下來之後就會露出顯示卡的核心晶片GPU，旁邊八顆則是輔助GPU的顯示記憶體。他們的關係就跟CPU和系統記憶體一模一樣，GPU做運算，記憶體則儲存GPU所需的一切資料。看佈線就知道，所有的記憶體都通往GPU，所以GPU有內建記憶體控制器。


5.GPU核心

十年以前，顯示卡的核心都只負責2D顯示，但2D沒幾年就已經發展到頂點了，在那之後都是著重在3D運算能力，近幾年則另外再加上影片的解碼播放加速。GPU跟CPU一樣也是半導體製程，製程方式雖然不同，但同樣會隨著時代進步縮小製程以降低成本，目前最新的是65奈米，年底左右會有55奈米。GPU一樣是靠電晶體來運算3D，但因為CPU和GPU本質上差異極大，所以GPU很容易就出現超大量的電晶體，至少都是CPU的兩三倍以上，正中央那顆就是GPU的die晶粒，不過因為製程、晶片特性等種種因素，GPU的時脈不易拉高，今年大約可以突破800MHz而已。


6.顯示記憶體

做為GPU的暫存空間，儲存正要處理或已經處理完的資料。就跟系統記憶體一樣，容量和時脈也是影響效能的兩大因素，但這都已經無關2D顯示了，就像前面說的，2D顯示已經發展到頂點了，顯示記憶體早就遠遠超過2D顯示所需。現在容量和時脈完完全全是針對3D遊戲，遊戲的資料量愈大，顯示卡就需要愈大的記憶體來儲存資料；顯示晶片的處理速度愈快，就需要時脈愈高的記憶體來快速進出GPU。依顯示卡的高中低階不同，容量從32MB～768MB不等，突破1GB是遲早的事，時脈則從400MHz～2000MHz以上都有。


顯示卡的基本運作原理

現在顯示卡的玩家端應用不外兩大宗：3D遊戲和影片播放，3D繪圖和影片壓縮格式的專有名詞很多，乍看真的眼花撩亂，但這裡我們先把視角拉高一點，從最遠的地方來看顯示卡的運作，其實不管是3D繪圖、影片加速、甚至是更先進的GPGPU，都脫離不了以下要講的流程。



顯示卡的基本運作流程，直到驅動程式為止都是CPU在運算，因此CPU的效能也會影響顯示卡的效能，如果前端太慢，顯示卡都在等資料、餵不飽，就會造成效能瓶頸。


在DOS之後，應用軟體就很少再直接存取硬體，因為直接存取硬體會影響作業系統的穩定性，在多工OS下尤其重要，便免使用者手賤把系統搞掛。而且直接存取的話，軟體和硬體的設計都很不方便，因為軟體得想辦法支援個別硬體，就像早期的DOS遊戲那樣，每套遊戲都得手動針對不同的硬體做支援，顯示卡、搖桿、音效卡什麼的，硬體一多就快起笑了。業界急需一個共通的中介標準，於是微軟制定了第一代DirectX，這是一種「應用程式介面」（API，Application Programming Interface）夾在軟硬體之間，雖然多了第三者會減損效能，但換來的方便性是絕對值得的，其中Direct3D是針對顯示卡的3D繪圖API，是DirectX最重要的一部分，其他還有DirectSound、DirectInput負責聲音和週邊。

DirectX
DirectX是顯示卡和遊戲共同支援的標準，遊戲以DirectX的語法來寫，顯示卡將DirectX的語法轉變成3D畫面，兩者就有統一的標準，不再需要個別支援，可降低開發難度，而且執行結果有一致性，不管用什麼硬體，只要都支援DirectX，跑出來的畫面理論上都要一樣。除了DirectX之外，OpenGL也是另一個繪圖API，通常用於專業的3D繪圖領域，但也有少部分PC遊戲使用（遊樂器則除了Xbox，大多是用OpenGL），OpenGL的歷史比DirectX久，但因為Windows的內建優勢、原生支援硬體加速、更新速度快，在遊戲應用上DirectX比OpenGL強勢多了。

雖然顯示卡一定得支援DirectX，但實際GPU晶片線路要怎麼設計則是各家廠商的創意，就像x86 CPU不能直接執行x86指令，得透過內部的解碼器轉換，GPU也不能直接執行DirectX的指令，中間還得透過驅動程式，這也是為什麼顯示卡的驅動程式超級重要，因為它得解譯DirectX的指令，轉換成GPU看得懂的機器語言（Machine Code），驅動程式會直接影響顯示卡的效能和功能。

DXVA
影片的部分也就不難懂了，API換成DXVA（DirectX Video Acceleration），播放軟體的影片解碼器下達DXVA指令，再透過驅動程式解譯交給GPU運算，我們就有了影片硬體加速。跟DirectX相同的道理，要支援硬體加速，解碼器、驅動程式和顯示晶片都要支援DXVA才能啟動，缺一不可。

以上就是GPU非常基本的運作原理，詳細的3D運作流程、宣傳過度的DirectX 10、GPU硬體規格、影片加速的原理、驅動程式等等，會在後面的文章中一一介紹，歡迎來到華麗又迷人的電腦影像世界！