История на съвременния графичен процесор – част първа

Еволюцията на съвременния графичен процесор започва с първите 3D допълнителни карти през 1995 гoдина, последвани от широкото разпространение на 32-битовите операционни системи и достъпните персонални компютри.

Графичната индустрия, която съществуваше преди това, до голяма степен се състоеше от по-прозаична 2D архитектура, различна от тази на персоналните компютри, като графичните платки бяха по-известни с буквено-цифровите наименования на чиповете си и с огромните си цени. Графиката за 3D игри и виртуализация на персонални компютри в крайна сметка се коалира от толкова различни източници, като аркадни и конзолни игри, военни, роботизирани и космически симулатори, както и медицински изображения.

Ранните дни на потребителската 3D графика бяха „див запад“ на конкуриращи се идеи. От това как да се реализира хардуерът, до използването на различни техники за рендиране и техните интерфейси за приложения и данни, както и до постоянните хиперболи с имената. Ранните графични системи се характеризираха с фиксиран функционален конвейер (FFP) и архитектура, следваща много твърд път на обработка, използваща почти толкова графични API, колкото бяха производителите на 3D чипове.

Макар че 3D графиките превърнаха доста скучната индустрия на персоналните компютри в светлинно и магическо шоу, те дължат съществуването си на поколения иновативни начинания. Това е първата част от поредица специални материали на TechSpot, която разглежда обстойно историята на графичния процесор. От ранните дни на потребителската 3D графика, през повторното разглеждане на промяната на играта, която беше 3Dfx Voodoo графиката, до консолидирането на индустрията в началото на века. И накрая, днешният модерен графичен процесор с общо предназначение, който сме обикнали…

1976 – 1995: Началото на потребителската 3D графика

Първите истински 3D графики започват с ранните контролери на дисплеи, известни като видеопревключватели и генератори на видеоадреси. Те действаха като преход между основния процесор и дисплея. Входящият поток от данни се преобразуваше в серийни битови видеоизходи, като яркост, цвят, както и вертикална и хоризонтална композитна синхронизация, която поддържаше реда от пиксели в генерацията на дисплея и синхронизираше всеки следващ ред заедно с интервала на запълване (времето между края на един сканиращ ред и началото на следващия).

През втората половина на 70-те години на миналия век се появиха множество проекти, които положиха основите на 3D графиката, каквато я познаваме. Например видеочипът „Pixie“ на RCA (CDP1861) през 1976 г. можеше да извежда видеосигнал, съвместим с NTSC, с разделителна способност 62×128 или 64×32 за злополучната конзола RCA Studio II.

Видеочипът беше бързо последван година по-късно от адаптера за телевизионен интерфейс (TIA) 1A, който беше интегриран в Atari 2600 за генериране на екранния дисплей, звуковите ефекти и четене на входните контролери. Разработката на TIA е ръководена от Джей Майнър, който по-късно ръководи и проектирането на персонализираните чипове за компютъра Commodore Amiga.

През 1978 г. Motorola представя генератора на видео адреси MC6845. Той става основа на картите за монохромен и цветен дисплей (MDA/CDA) на IBM PC от 1981 г. и осигурява същата функционалност за Apple II. По-късно същата година Motorola добавя генератора за видеодисплей MC6847, който влиза в редица персонални компютри от първо поколение, включително Tandy TRS-80.

Подобно решение на дъщерното дружество MOS Tech на Commodore, VIC, осигурява графичен изход за домашните компютри Commodore от 1980-83 г.

През ноември следващата година ANTIC (Alphanumeric Television Interface Controller) и копроцесорът CTIA/GTIA (Color or Graphics Television Interface Adaptor) на LSI дебютираха в Atari 400. ANTIC обработва инструкции за 2D дисплей, използвайки директен достъп до паметта (DMA). Подобно на повечето видеокопроцесори, той може да генерира графики на игралното поле (фон, заглавни екрани, дисплей за точкуване), докато CTIA генерира цветове и подвижни обекти. Yamaha и Texas Instruments доставяха подобни интегрални схеми на различни производители на ранни домашни компютри.

Следващите стъпки в развитието на графиката са предимно в професионалните области.

Intel използва своя графичен чип 82720 като основа за мултимодалната платка iSBX 275 Video Graphics Controller с цена от 1000 долара. Тя можела да изобразява осемцветни данни с разделителна способност 256×256 (или монохромни с 512×512). Неговата 32KB памет за дисплея била достатъчна за изчертаване на линии, дъги, кръгове, правоъгълници и символни битови картини. Чипът е имал и възможност за увеличаване, разделяне на екрана и превъртане.

SGI бързо последвали примера със своята IRIS Graphics за работни станции – графична платка GR1.x с възможност за отделни допълнителни (дъщерни) платки за цветови опции, геометрия, Z-буфер и Overlay/Underlay.

Платката iSBX 275 Video Graphics Controller Multimode Board на Intel, струваща 1000 долара, можела да показва осемцветни данни с разделителна способност 256×256 (или монохромни с 512×512)

По онова време индустриалната и военната 3D виртуализация била сравнително добре развита. IBM, General Electric и Martin Marietta (които през 1992 г. купуват аерокосмическото подразделение на GE), както и множество военни изпълнители, технологични институти и НАСА изпълняват различни проекти, които изискват технологията за военни и космически симулации. През 1951 г. Военноморските сили също разработват симулатор на полети, използващ 3D виртуализация от компютъра Whirlwind на MIT.

Освен изпълнителите в областта на отбраната имало и компании, които разпъвали военните пазари с професионална графика.

Evans & Sutherland – които ще предоставят професионални серии графични карти като Freedom и REALimage – също така осигуряват графики за симулатора на полети CT5 – пакет на стойност 20 милиона долара, управляван от мейнфрейм DEC PDP-11. Иван Съдърланд, съосновател на компанията, разработва през 1961 година компютърна програма, наречена Sketchpad, която позволява рисуване на геометрични фигури и изобразяването им на CRT в реално време с помощта на лека писалка.

Това е „бащата“ на съвременния графичен потребителски интерфейс (GUI).

В по-малко езотеричната област на персоналните компютри серията EGA (Extended Graphics Adapter – разширен графичен адаптер) на Chips and Technologies 82C43x осигурявал необходимата конкуренция на адаптерите на IBM и можел да се намери инсталирана в много клонинги на PC/AT около 1985 година. Годината е забележителна и за Commodore Amiga, която се доставя с чипсет OCS. Чипсетът се състоял от три основни компонентни чипа – Agnus, Denise и Paula, които позволявали известна част от графичните и аудиоизчисленията да не зависят от процесора.

През август 1985 г. трима имигранти от Хонконг, Kwok Yuan Ho, Lee Lau и Benny Lau, създават Array Technology Inc в Канада. До края на годината името е променено на ATI Technologies Inc.

Първият продукт на ATI е пуснат на пазара през следващата година – OEM Color Emulation Card. Тя се използва за извеждане на монохромен зелен, кехлибарен или бял фосфорен текст на черен фон на TTL монитор чрез 9-пинов DE-9 конектор. Картата е оборудвана с минимум 16KB памет и е отговорна за голям процент от продажбите на ATI в размер на 10 милиона CAD през първата година от дейността на компанията. Това до голяма степен е постигнато чрез договор, който доставя около 7000 чипа седмично на Commodore Computers.

Картата за цветна емулация на ATI се предлагала с минимум 16KB памет и била отговорна за голяма част от продажбите на компанията в размер на 10 милиона канадски долара през първата година на работа

Появата на цветните монитори и липсата на стандарт сред множеството конкуренти в крайна сметка доведоха до създаването на Асоциацията за стандартизация на видеоелектрониката (VESA), чийто член-основател е ATI, заедно с NEC и шест други производители на графични адаптери.

През 1987 г. ATI добавя серията Graphics Solution Plus към продуктовата си линия за OEM производители, която използва 8-битовата шина IBM PC/XT ISA за IBM PC, базирани на Intel 8086/8088. Чипът поддържа графични режими MDA, CGA и EGA чрез дип-спиратели. По същество това е клонинг на платката Plantronics Colorplus, но с място за 64 kB памет. PEGA1, 1a и 2a (256kB) на Paradise Systems, пуснати през 1987 г., също бяха клонинги на Plantronics.

Сериите EGA Wonder от 1 до 4 се появяват през март на цена 399 долара, като разполагаха с 256 KB DRAM и съвместимост с емулация на CGA, EGA и MDA с резолюция до 640×350 и 16 цвята. За сериите 2,3 и 4 се предлагало разширена EGA.

Високият клас се допълвал от EGA Wonder 800 с 16-цветна VGA емулация и поддръжка на резолюция 800×600, както и от картата VGA Improved Performance (VIP), която по същество представляваше EGA Wonder с добавен цифрово-аналогов преобразувател (DAC), за да осигури ограничена VGA съвместимост. Последната струваше 449 USD плюс 99 USD за разширителния модул на Compaq.

ATI далеч не била сама на вълната на потребителския апетит към персоналните компютри.

През тази година се появили много нови компании и продукти. Сред тях бяли Trident, SiS, Tamerack, Realtek, Oak Technology, G-2 Inc. на LSI, Hualon, Cornerstone Imaging и Winbond – всички създадени през 1986-87 г. В същото време компании като AMD, Western Digital/Paradise Systems, Intergraph, Cirrus Logic, Texas Instruments, Gemini и Genoa произвеждат първите си графични продукти през този период от време.

Серията Wonder на ATI продължава да се обновява значително през следващите няколко години.

През 1988 г. се появява графичното решение Small Wonder с порт за контролер за игри и опции за композитен изход (за емулация на CGA и MDA), както и EGA Wonder 480 и 800+ с поддръжка на Extended EGA и 16-битов VGA, а също и VGA Wonder и Wonder 16 с добавена поддръжка на VGA и SVGA.

Wonder 16 е оборудван с 256kB памет и се продавал на дребно за 499 долара, а вариантът с 512kB памет струвал 699 долара.

През 1989 г. се появява обновена серия VGA Wonder/Wonder 16, включваща намалената цена на VGA Edge 16 (серия Wonder 1024). Новите функции включват порт за мишка с шина и поддръжка на конектора VESA Feature Connector. Това било конектор със златни пръсти, подобен на съкратен конектор за слот на шината за данни, и се свързвал чрез лентов кабел с друг видеоконтролер, за да се заобиколи претоварената шина за данни.

През 1991 г. актуализациите на серията Wonder продължават да се извършват с бързи темпове. Картата Wonder XL добавила съвместимост с VESA 32K цветове и RAMDAC Sierra, който увеличил максималната разделителна способност на дисплея до 640×480 @ 72Hz или 800×600 @ 60Hz. Цените варирали между 249 долара (за 256kB), 349 долара (512lB) и 399 долара за опцията с 1 MB RAM. Налична беше и версия с намалена цена, наречена VGA Charger, базирана на Basic-16 от предходната година.

Серията Mach стартира с модела Mach8 през май същата година. Тя се продавала като чип или платка, която позволявала, чрез програмен интерфейс (AI), разтоварване на ограничени операции за 2D рисуване, като рисуване на линии, запълване с цвят и комбиниране на битови карти (Bit BLIT). ATI добавя вариант на Wonder XL, който включвал чип Creative Sound Blaster 1.5 на разширена печатна платка. Известен като VGA Stereo-F/X, той можел да симулира стерео от моно файлове Sound Blaster с качество, близко до това на FM радиото.

Графичните платки, като ATI VGAWonder GT, предлагали опция 2D + 3D, комбинирайки Mach8 с графичното ядро (28800-2) на VGA Wonder+ за 3D функциите. Wonder и Mach8 помогнали на ATI да премине границата от 100 млн. канадски долара продажби за годината, главно благодарение на приемането на Windows 3.0 и увеличените 2D натоварвания, които можели да се използват с него.

S3 Graphics е създадена в началото на 1989 г. и произвежда първия си 2D ускорителен чип и графична карта 18 месеца по-късно – S3 911 (или 86C911). Основните характеристики на последната включват 1 MB VRAM и поддръжка на 16-битов цвят.

S3 911 е заменен от 924 през същата година – това е основно преработен 911 с 24-битов цвят – и отново актуализиран през следващата година с 928, който добавя 32-битов цвят, и ускорителите 801 и 805. 801 използва ISA интерфейс, а 805 – VLB. В периода между представянето на 911 и появата на 3D ускорителя пазарът бил залят от 2D проекти на графични интерфейси, базирани на оригинала на S3 – по-специално от Tseng labs, Cirrus Logic, Trident, IIT, Mach32 на ATI и MAGIC RGB на Matrox.

През януари 1992 г. Silicon Graphics Inc (SGI) пуска OpenGL 1.0, многоплатформен приложен програмен интерфейс (API) за 2D и 3D графика.

OpenGL еволюира от собствения API на SGI, наречен IRIS GL (Integrated Raster Imaging System Graphical Library). Това било инициатива за запазване на неграфичната функционалност на IRIS и за даване на възможност на API да работи на системи, различни от SGI, тъй като на хоризонта започнали да се появяват конкурентни доставчици със собствени API.

Първоначално OpenGL бил насочен към професионалните пазари, базирани на UNIX, но с удобната за разработчиците поддръжка за внедряване на разширения той бързо бил приет за 3D игри.

Microsoft разработвали свой конкурентен API, наречен Direct3D, без да бърза, за да се увери, че OpenGL работи възможно най-добре под Windows

Нещата се изострят няколко години по-късно, когато Джон Кармак от id Software, чийто издаден преди това Doom направил революция в компютърните игри, като пренесъл възможността Quake да се използва OpenGL под Windows, и открито разкритикувал Direct3D.

Непримиримостта на Microsoft се увеличила, когато отказала да лицензира миниклиентския драйвер (MCD) на OpenGL за Windows 95, който би позволил на производителите да избират кои функции да имат достъп до хардуерно ускорение. SGI отговорила, като разработила инсталируемия клиентски драйвер (ICD), който не само предоставял същата възможност, но го правеше дори по-добре, тъй като MCD обхващал само растеризацията, а ICD добавял осветление и функционалност за трансформиране (T&L).

По време на възхода на OpenGL, който първоначално се наложил в сферата на работните станции, Microsoft бил зает да наблюдава развиващия се пазар на игри с проекти за свой собствен API. През февруари 1995 г. те придобиват RenderMorphics, чийто приложен програмен интерфейс Reality Lab набира популярност сред разработчиците и се превръща в основата на Direct3D.

Приблизително по същото време Брайън Хук от 3dfx пише API Glide, който ще се превърне в доминиращ API за игри. Това отчасти се дължало на участието на Microsoft в проекта Talisman (екосистема за визуализация, базирана на плочки), което размиваше ресурсите, предназначени за DirectX.

Тъй като D3D станал широко достъпен благодарение на приемането на Windows, патентованите API-та като S3d (S3), Matrox Simple Interface, Creative Graphics Library, C Interface (ATI), SGL (PowerVR), NVLIB (Nvidia), RRedline (Rendition) и Glide започнали да губят благоволението на разработчиците.

Не помогнал и фактът, че някои от тези патентовани API-та били съюзени с производители на платки, които били подложени на нарастващ натиск да добавят към бързо разширяващия се списък с функции. Това включвало по-високи разделителни способности на екрана, увеличена дълбочина на цветовете (от 16-битови на 24 и след това на 32) и подобрения на качеството на изображението, като например антиалайзинг. Всички тези функции изисквали увеличаване на пропускателната способност, графичната ефективност и по-бързи продуктови цикли.

Към 1993 г. нестабилността на пазара вече е принудила редица графични компании да се оттеглят от бизнеса или да бъдат погълнати от конкуренти

През 1993 г. се появяват нови конкуренти в областта на графиката, най-вече Nvidia, основана през януари същата година от Джен-Хсун Хуанг, Къртис Прием и Крис Малаховски. Хуанг преди това е бил директор на Coreware в LSI, а Прием и Малаховски идват от Sun Microsystems, където преди това са разработили графичната архитектура GX, базирана на SunSPARC.

Скоро след това към Nvidia се присъединяват и новодошлите Dynamic Pictures, ARK Logic и Rendition.

Пазарната нестабилност вече бе принудила редица графични компании да се оттеглят от бизнеса или да бъдат погълнати от конкуренти. Сред тях били Tamerack, Gemini Technology, Genoa Systems, Hualon, Headland Technology (закупена от SPEA), Acer, Motorola и Acumos (закупена от Cirrus Logic).

Една от компаниите, която се развивала от сила към сила, била ATI.

Като предшественик на серията All-In-Wonder, в края на ноември бил обявен чипът 68890 на ATI за декодиране на PC TV, който дебютира в картата Video-It!. Чипът можел да заснема видео със скорост 320×240 @ 15 fps или 160×120 @ 30 fps, както и да компресира/декомпресира в реално време благодарение на вградения процесор за компресиране на видео Intel i750PD VCP (Video Compression Processor). Той също така бил в състояние да комуникира с графичната платка чрез шината за данни, като по този начин отпада необходимостта от донгъли или портове и лентови кабели.

Video-It! се продавал на цена 399 долара, а моделът с по-слаба функционалност, наречен Video-Basic, допълвал гамата.

Пет месеца по-късно, през март, ATI със закъснение представя 64-битов ускорител – Mach64.

Финансовата година не е била благосклонна към ATI със загуба от 2,7 млн. канадски долара, тъй като компанията се промъква на пазара в условията на силна конкуренция. Конкурентните платки включвали S3 Vision 968, която била взета от много производители на платки, и Trio64, която получава договори за OEM от Dell (Dimension XPS), Compaq (Presario 7170/7180), AT&T (Globalyst), HP (Vectra VE 4) и DEC (Venturis/Celebris).

Излязъл на пазара през 1995 г., Mach64 отбелязва редица забележителни постижения. Той става първият графичен адаптер, който се предлага за компютри PC и Mac под формата на Xclaim (450 и 650 долара в зависимост от вградената памет), и заедно с Trio на S3 предлагал ускоряване на възпроизвеждането на пълно движение на видео.

С Mach64 се появяват и първите професионални графични карти на ATI – 3D Pro Turbo и 3D Pro Turbo+PC2TV, на цени от 599 долара за варианта с 2 MB и 899 долара за варианта с 4 MB.

През следващия месец на сцената се появява технологичен стартъп, наречен 3DLabs, който се ражда, когато подразделението за графика Pixel на DuPont купува дъщерното дружество от компанията майка, заедно с процесора GLINT 300SX, способен да визуализира OpenGL, да обработва фрагменти и да растеризира. Поради високата си цена картите на компанията първоначално са насочени към професионалния пазар. Fujitsu Sapphire2SX 4MB се продавала на дребно за 1600-2000 долара, а ELSA GLoria 8 с 8MB – за 2600-250 USD. Моделът 300SX обаче бил предназначен за пазара на игри.

Геймърският GLINT 300SX от 1995 г. разполагал с много по-малка памет от 2 MB. Използвал 1 MB за текстури и Z-буфер, а другата – за буфер за кадри, но се предлагал с опция за увеличаване на VRAM за съвместимост с Direct3D срещу още 50 долара над базовата цена от 349 долара. Картата обаче не успяла да пробие на и без това претъпкания пазар, но 3DLabs вече работела по наследник от серията Permedia.

По онова време S3 била навсякъде. Високият клас OEM бил доминиран от чипсетите Trio64 на компанията, които интегрирали DAC, графичен контролер и тактов синтезатор в един чип

Те също така използвали унифициран буфер за кадри и поддържаха хардуерно видеопокритие (специална част от графичната памет за рендиране на видео според изискванията на приложението). Trio64 и неговият 32-битов брат с шина на паметта, Trio32, се предлагали като OEM устройства и самостоятелни карти от производители като Diamond, ELSA, Sparkle, STB, Orchid, Hercules и Number Nine. Цените на Diamond Multimedia варирали от 169 долара за карта, базирана на ViRGE, до 569 долара за Diamond Stealth64 Video, базирана на Trio64+, с 4 MB VRAM.

Основният сегмент на пазара включвал и предложенията на Trident, дългогодишен доставчик на OEM на 2D графични адаптери, който наскоро беше добавил чипа 9680 към своята гама. Чипът притежаваше повечето от характеристиките на Trio64, а цените на платките обикновено били около 170-200 долара. Те предлагали приемлива 3D производителност в този диапазон, с добри възможности за възпроизвеждане на видео.

Другите новодошли на масовия пазар включваха Power Player 9130 на Weitek и ProMotion 6410 на Alliance Semiconductor (обикновено се среща като Alaris Matinee или OptiViewPro на FIS). И двата предлагали отлично мащабиране със скоростта на процесора, докато последният комбинирал силния механизъм за мащабиране с антиблокираща схема, за да се получи плавно възпроизвеждане на видео, което било много по-добро, отколкото в предишните чипове като ATI Mach64, Matrox MGA 2064W и S3 Vision968.

През май Nvidia пуска на пазара първия си графичен чип NV1, който става първият търговски графичен процесор с възможност за 3D рендиране, видеоускорение и интегрирано ускорение на графичния потребителски интерфейс.

Те си партнират със ST Microelectronic за производството на чипа по техния 500 nm процес, като последната промотира и версията STG2000 на чипа. Въпреки че не бил огромен успех, той представлявал първата финансова възвръщаемост за компанията. За съжаление на Nvidia, точно когато първите платки на производителите започнали да се доставят (особено Diamond Edge 3D) през септември, Microsoft завършил и пуснал DirectX 1.0.

Графичният приложен програмен интерфейс D3D потвърдил, че разчита на рендиране на триъгълни полигони, докато NV1 използвал четирикамерни текстури. Била добавена ограничена съвместимост с D3D чрез драйвер за обвиване на триъгълници като квадратни повърхности, но липсата на игри, пригодени за NV1, обрече картата като „jack of all trades, master of none“.

Повечето игри били пренесени от Sega Saturn. През септември 1995 г. 4MB NV1 с вградени портове за Saturn (по два на разширителна скоба, свързана с картата чрез лентов кабел) се продавала на дребно за около 450 долара.

Късните промени на Microsoft и пускането на DirectX SDK оставили производителите на платки без възможност за директен достъп до хардуера за възпроизвеждане на цифрово видео. Това означавало, че почти всички дискретни графични карти имали проблеми с функционалността в Windows 95. За разлика от тях драйверите под Win 3.1 на различни компании като цяло били безупречни.

Първата му публична демонстрация се състояла на конференцията за видеоигри E3 в Лос Анджелис през май следващата година. Самата карта се появява на пазара месец по-късно. 3D Rage обединява 2D ядрото на Mach64 с 3D възможности. През ноември 1995 г. ATI обявява първия си 3D ускорителен чип – 3D Rage (известен също като Mach 64 GT).

Късните ревизии на спецификацията на DirectX означавали, че 3D Rage имал проблеми със съвместимостта с много игри, които използвали API – главно липсата на буфериране на дълбочината. С вградения 2MB EDO RAM буфер за кадри 3D модалността била ограничена до 640x480x16-bit или 400x300x32-bit. Опитите за 32-битов цвят при 600×480 обикновено водили до нарушаване на цветовете на екрана, а 2D резолюцията достигала своя връх при 1280×1024. Ако производителността на игрите била посредствена, възможността за възпроизвеждане на MPEG на цял екран поне донякъде балансирала набора от функции.

Надпреварата за производителност приключила, преди да е започнала, като 3Dfx Voodoo Graphics на практика унищожила цялата конкуренция

ATI преработи чипа и през септември се появи Rage II. Той коригира проблемите с D3DX на първия чип и добавя поддръжка на възпроизвеждане на MPEG2. Първоначалните карти обаче все още се доставяха с 2 МВ памет, което затрудняваше производителността и имаше проблеми с трансформирането на перспективата/геометрията, Тъй като серията беше разширена и включваше Rage II+DVD и 3D Xpression+, възможностите за капацитет на паметта нараснаха до 8 МВ.

Въпреки че ATI първа пусна на пазара 3D графично решение, не след дълго на сцената се появиха и други конкуренти с различни идеи за 3D изпълнение. А именно: 3dfx, Rendition и VideoLogic.

В надпреварата за пускане на нови продукти на пазара 3Dfx Interactive спечели пред Rendition и VideoLogic. Надпреварата за производителност обаче приключи, преди да е започнала, тъй като 3Dfx Voodoo Graphics на практика унищожи цялата конкуренция.

Това е първата статия от поредицата на Techspot „Историята на съвременния графичен процесор“. Очаквайте продължението скоро!