DirectX支配游戲！歷代GPU架構全解析

★ 首款DX9C顯卡——GeForce 6800

    在經歷了GeForce FX系列慘痛的失敗后，NVIDIA痛定思痛，要挽回在高端產品上的失利局面，僅靠架構已完全定型的NV3x系列作一定程度的增補顯然是很難實現的。NVIDIA將更大的希望押寶在了新一代產品之上，它吸取了上一代產品的教訓，重新設計的架構和完整支持DX9C標準，讓這款顯卡以全新的形象展現在用戶面前。甚至有分析家評論GeForce 6800和GeForce FX簡直不是一家公司設計的產品，其架構變化之大可見一斑！

    NV3X最大的弊端就是像素渲染單元效能低下，而NV40最強大之處就在像素單元架構部分。NV40擁有多達16條像素渲染管線暫且不談，其每一個PSU的結構都值得探討，NVIDIA將其稱為Superscalar（超標量）的設計。普通的像素渲染管線只提供一組著色器單元，每個周期最多只能執行四組運算，而NV40的超標量架構則內含第二組著色器單元，讓每個周期的運算量增加一倍。

NV40的像素渲染管線結構

    正因為如此，對手ATI的X800系列雖然在硬件規格上與NV40完全相同，但在DX9b游戲中的性能差距依然不小，這就是超標量架構的優勢。當然固步自封的ATI在X800時代依然僅支持DX9b，無法開啟HDR，喪失了很多賣點，讓用戶大失所望。

    6800的成功讓NVIDIA風光無限，整個GeForce 6家族在各個價位都力壓對手的X800家族，而且完美的架構使得NVIDIA可以輕易的擴充規模，發布了擁有多達24條像素渲染管線的第二代DX9C顯卡——GeForce 7800系列（其架構基本沒變，只做了些許優化，這里就不多做介紹了）。

★ 支持HDR+AA的DX9C顯卡——X1800/X1900

    X800的對手是6800系列，但它既沒有性能優勢，也不支持DX9C/HDR，這使得ATI經歷了9700/9800系列短暫的輝煌之后再次陷入被動局面。于是，ATI開始研發下一代GPU，改良架構，準備重奪王位。但事與愿違，R520核心的X1800XT雖然使用了全新的架構，完美支持DX9C，但依然沒能擊敗已經發布半年之久的7800GTX，因為X1800XT依然只有16條像素渲染管線，而7800GTX擁有多達24條，差距如此之大，根本無法用新架構的效率及高頻率來彌補。

R520與R580的架構幾乎完全相同，不同的只有像素單元數量

    當時誰都沒有料到ATI還預留了一手，原來R520這種架構的實力遠不止16條像素渲染管線這么簡單，ATI完全顛覆了傳統“管線”的概念，R580核心緊隨其后，將像素渲染單元提升只48個之多，整整是R520的3倍！而頂點渲染單元和紋理單元以及GPU其它所有模塊都沒有做任何改動。

    從R520到R580的這種改變當時令所有人都很費解，因為包括G70和R420在內的以往所有GPU都是管線式架構，就是像素渲染單元內部包含了紋理單元，一般像素和紋理的比例是1:2或者1:1。而R520首次將像素單元和紋理單元拆分開來，成為獨立的設計，所有的像素單元都可以互相共享所有紋理單元資源，R520的像素和紋理比例依然是1:1，而R580的比例則瞬間提升至3:1，相信資歷較老的玩家一定記得ATI當年大肆鼓吹“三比一架構”。

    這樣設計是因為ATI發現了游戲的發展趨勢，像素渲染的比重越來越高，而紋理貼圖的增長比較緩慢，相信大家還記得當年ATI的DX7顯卡，其一條管線中包括了3個紋理單元，以前是1:3后來是1:2接著變成1:1，現在被ATI一舉提升至3:1。雖然當時很多人都不好理解，但從現在的發展來看，像素與紋理的比例越拉越大，DX10時代大概是3:1，DX11時代則變成了5:1甚至更高！

    除了具有前瞻性的3:1架構外，X1000架構還有另一大絕招就是HDR+AA技術。大家知道6800系列連續兩年都是市面上唯一的DX9C顯卡，當時所有的DX9C游戲都是基于NVIDIA的架構而開發，當使用N卡開啟HDR特效時（準確的說是FP32格式），會占據原本屬于MSAA的緩沖區，導致HDR和AA無法共存。HDR是DX9C的代表技術，能大大提升畫面效果，而AA消除鋸齒也能大幅改善畫質，這兩項關鍵特效無法同時開啟讓玩家們很郁悶。

    ATI的DX9C產品比NV晚了一代，ATI意識到了DX9C的這一缺陷之后，在其架構設計之初就考慮到了HDR和AA共存的問題，因此特別設計了專用的緩沖區，可以通過游戲或者驅動重新指定MSAA的緩存位置，從而同時開啟HDR+AA。遺憾的是修改游戲或驅動兼容性并不好，支持的游戲也不多，雖然這確實是一個很大的賣點，ATI銳意進取的精神也值得尊重，但最終效果還是不如人意。

    另外，X1000也改進了像素著色單元的內部結構，每個像素單元都擁有兩個算術邏輯單元和一個分支執行單元，其中ALU1只能執行加法（ADD）計算，ALU2能執行包括加法、乘法（MUL）、乘加（MADD）各類運算，兩個ALU最高可以執行兩條指令（3D+1D）。為了控制如此龐大的像素單元，ATI還針對SM3.0的特性改進了動態流控制功能，大大改進了SIMD架構的動態分支性能，讓像素著色效能得到提升。

    功夫不負有心人，全新架構并且擁有多達48像素單元的X1900XTX，性能比X1800XT獲得了大幅提升，完勝對手的7900GTX，而且越新的游戲優勢越明顯。強大的X1900XTX迫使NVIDIA推出雙G71核心的7950GX2來對抗，雖然7950GX2單卡超越了X1950XTX，但雙卡的話則因效率問題依然是A卡占優。

★ 小結：DX9C時代雙方架構各有所長

    DX9C是一代經典API，至今依然有很多游戲無視DX10/DX11，堅守DX9C平臺，以至于HDR+AA的問題被遺留至今依然沒能得到完美解決。NV40是因為發布較早沒能解決這一難題，G70則是擴充像素和頂點的產物，也沒能解決。

    ATI在X800時代未能搶得先機，因此在X1000架構當中花了很多心思，爭取做最完美的DX9C顯卡，他們確實做到了這一點，無論架構和性能都有優勢。但由于晶體管規模太大，功耗表現不如人意，因此在市場方面X1000與GF7相比并無優勢。