显卡告别3D游戏迈向通用计算时代

极富弹性的架构以及卓越的浮点性能赋予GPU越来越多的潜力，现在，GPU除了可以在3D游戏中大展身手以外，还进入到一个崭新的广阔空间，无论是高性能计算还是日常办公应用，GPU都扮演不可或缺的角色。

3D游戏一直是用户升级显卡的动力，游戏开发商总是不知疲倦地推出画面更真实的3D大作，并以耗费GPU资源为荣（如果新一代3D游戏对GPU要求低反而被认为是一件可耻的事情）。而nVIDIA与ATI则在市场竞争的驱使下进行一场GPU开发的竞赛，往往是新品还没有来得及捂热，“革命性”的下一代架构又开始登台亮相，游戏玩家们又得掂量再一次的升级。但显卡的意义似乎仅限于此，如果你对3D游戏毫无兴趣，只是玩一些纸牌、连连看、泡泡堂之类的益智小游戏，日常以办公和上网浏览为主，那么使用高端显卡便是莫大的浪费。计算工业在过去同样为此感到困惑，它们认为现有计算系统的晶体管资源利用率过低，在一套标准PC平台中，GPU所占用的晶体管数量往往比高端双核处理器还要多得多，但在很多时候，显卡都处于闲置状态，GPU所集成数量巨大的晶体管只在那边空耗能源，而CPU往往是疲于奔命—这就好比是一个部门的两个职员，一个老是忙得团团转，另一个通常都在那边闲呆。显然，将任务均分是个比较合理的解决方案，即让GPU能够与CPU一道来处理通用任务，但这对于过去的图形工业来说却是巨大的挑战。

GPU难以分担CPU任务的障碍在于架构限制。众所周知，GPU唯一的使命就是3D渲染，它的核心逻辑包含顶点渲染单元和像素渲染单元，两者最初都只能执行固定的图形指令。如果你将别的指令强加给GPU，GPU根本就无法识别，在这个时代，GPU难以走出3D图形体系。为了让程序员拥有更多的灵活性，GPU后来实现了可编程功能，允许程序员采用更加灵活的程序指令。随着图形API的不断升级，GPU的可编程能力也变得越来越强大。在DirectX 9.0C时代，顶点渲染指令和像素渲染指令的长度都达到512条，如果通过某种指令转换机制，将通用计算指令转为GPU可执行的指令格式，那么就可以让GPU完成3D图形之外的通用计算。而在最新的DirectX 10体系中，GPU的通用性获得进一步的释放：通用的渲染单元具有更强的可编程支持，GPU所配备的指令解码器能够将顶点/像素指令转换为可直接被通用渲染单元执行的微指令，这就赋予统一渲染单元更强大的能力。理论上说，只要有相应的API支持，基于统一渲染架构的新一代图形产品就能够完成许多3D图形之外的繁重任务，充分发挥出GPU在浮点性能方面的巨大优势。

计算机科学家与图形工业共同携手将GPU推向更广阔的市场，未来GPU将可作为超级计算机的浮点协处理器使用，也可以用于流处理的加速。而对于PC用户，GPU将在操作系统GUI界面渲染、网页内容渲染、PDF文件/图像文件处理中发挥巨大的价值。

GPU渲染操作系统GUI界面
在微软的Vista操作系统中，我们看到了Aero Glass视觉模式带来的卓越效果。标题栏和窗口边框都拥有半透明磨砂玻璃质感，窗口的放大、缩小动作流畅而富有动感，窗口可以三维的样式排列方便于定位……而要实现这样的GUI效果，光有性能强劲的处理器根本不够，因为处理器并不擅长于图形渲染相关的操作，由GPU完成GUI渲染便是唯一可行，也是最理想的方案。

微软Vista系统的Aero视觉模式支持3D窗口和半透明特效，这一切均借助GPU的力量实现。

微软在Vista系统中成功地做到这一点，它的技术奥秘就在于将操作系统与图形API紧密地结合在一起，加强系统对GPU的控制能力。我们知道，在2D GUI界面的OS中，专门负责3D渲染的图形API是个可有可无的角色，因为GUI界面的绘制是由处理器来完成的，只是将最终结果交给显卡，由显卡的2D功能将其输出到屏幕上显示，这样操作系统运行对显卡就没有任何要求，对显存的要求也仅限于能够存放24/32bit精度的色彩。但在Vista的Aero视觉模式中，GUI界面的渲染任务是由显卡来负责—微软公司通过图形API的深度整合成功地创建了这一模式：当Aero模式启用时，CPU不再直接负责GUI界面的渲染，而是将诸如动态缩放、半透明效果、玻璃效果相对应的渲染指令转交给GPU，GPU接到指令后完成相应的工作，并将结果输出到屏幕上。由于Vista Aero视觉模式的渲染任务都比较简单，对GPU的运算性能要求不高，因此从理论上说，集成图形都能够很好地满足Aero界面渲染的要求。问题在于微软将GUI渲染指令定格在DirectX 9.0标准，这就导致所有无法支持DirectX 9规格的显卡和集成图形产品出局。

比Vista领先半年时间，Linux环境也实现了由GPU来渲染GUI和桌面，而且Linux业界提出了XGL和AIGLX两套方案。XGL由Novell公司发起并完成，它是一套全新的X Server软件。在Linux/UNIX系统中，X Server负责整个图形环境的构建，过去它并没有丝毫掌控GPU资源的权力。而Novell的XGL与传统的X Server完全不同，它直接与OpenGL API紧密耦合，通过OpenGL图形指令来生成GUI界面，这种模式赋予操作系统GUI界面前所未有的想象力。借助GPU的力量，XGL除了可支持类似Vista Aero的动态窗口缩放、半透明标题栏之外，还可支持窗口半透明、更富动态感的淡入淡出以及窗口移动时宛若弹性布条般的视觉效果。由于XGL对OpenGL版本要求不高，GeForce 4 MX级别的显卡都能够轻松胜任，前提条件是显卡能够被驱动程序正确驱动。AIGLX则是RedHat发展的技术方案，它同样是一套与OpenGL结合的X Server系统，但与XGL从零开始编写不同的是，AIGLX是基于现有X Server系统上的改良，但它同样能够完成相同的任务，即由GPU来渲染Linux的图形操作环境。

Vista与Linux XGL/AIGLX技术的出现，意味着GPU首度在3D游戏之外找到了新工作，现在，显卡可以用来渲染操作系统的图形界面，而在显卡的帮助下，操作系统在视觉方面获得质的改善。GUI不再是冷冰冰、机械呆板的丑陋样式，而变得漂亮而富有动感，这不仅能令用户使用过程中感到赏心悦目，同时也将起到降低操作疲劳和提升生产效率的效果。也许你从来没对操控复杂的3D游戏动过任何念头，但现在也应该考虑为自己的PC配一块符合Vista或者Linux XGL/AIGLX要求的显卡：DirectX 9甚至DirectX 10支持、拥有256MB显存、能够很容易地在Linux系统中安装驱动程序……当然新一代集成图形芯片组也能够满足基本的要求，但它们显然难以应对未来操作系统的升级。而如果你使用的是Linux系统，便会发现在启用XGL/AIGLX模式时，系统的操控性能有非常显著的提升，原因就在于GPU承担了GUI渲染相关的任务，CPU因此获得解放，能够将更多资源投放到任务的执行进程中。

GPU给传统应用加速
GPU对普通用户的另一个重要用途便是加速网页内容、PDF文件以及图形图像的渲染。现在互联网有一个糟糕透顶的倾向，就是网页设计得越来越花哨，大量光怪陆离的Flash广告充斥着页面，而这些Flash极其耗用CPU资源，即便你现在用的是最时髦的双核处理器，打开一个Flash内容较多的网页并且用鼠标中键滚动几下，便会发现CPU资源占用率可以轻松向50%靠拢。换句话说是其中一个CPU核心处于接近100%的资源占用，硬件消耗比播放高清电影还要高出许多，这显然极不合理。除了Flash动画外，网页上显示图片也颇为耗费硬件资源，尤其是那些高分辨率的图片，都会对CPU提出不低的要求，这也是网页浏览耗费资源的一个重要的原因。

Adobe Acrobat 8和Reader 8已经可借助GPU来渲染PDF文件内容，性能提升非常明显。

同理，如果用GPU来渲染这些视觉相关的内容，无疑会更具效率并且节约系统资源。现在软件工业已经朝着这个目标行进，比较有代表性的技术方案包括浏览器层级的完全GPU加速与通过OpenVG API的部分加速。采用完全GPU加速技术的便是正在开发的Firefox 3.0，它采用Gecko 2.0网页排版引擎，而在基础的2D图形库方面，Gecko 2.0将逐渐抛弃传统的软件实现方案，转而采用“Cario（开罗）”2D图形引擎。Cairo引擎基于OpenGL API构建，即采用OpenGL渲染指令，让显卡来完成2D图形图像的绘制。如此一来，基于Cecko 2.0引擎的Firefox 3.0浏览器便具有GPU硬件加速支持，网页所显示的内容，包括图形图像、Flash动画等各类视觉元素都由GPU负责处理，由此大幅度减轻了CPU的负担，让网页浏览工作变得更加轻松。除了Firefox 3.0之外，任何其他基于Gecko 2.0排版引擎的浏览器产品都能够支持这一功能。

Gecko 2.0和Firefox 3.0都将在上半年完成，在它们的引导下，网页内容GPU加速将会逐渐形成风潮。不过IE、Opera、Konqueror/Safari等浏览器并没有打算采取类似的做法来实现GPU加速，事实上，浏览器开发商无需作任何改变—关键在于未来的Flash动画和网页矢量图形将支持OpenVG API—OpenVG的全称是“Open Vector Graphics”，意为开放性矢量图形，它是一套专门用于矢量图形硬件加速的开放API借口。但除了矢量图形外，OpenVG还能够为Flash动画提供硬件加速功能，如果Flash支持这项技术，那么不管用户使用何种浏览器，都能够实现Flash动画的GPU硬件加速，从而大幅度改善目前网页浏览资源占用率过高的情况。

作为Flash的拥有者，Adobe公司尚未在Flash硬件加速领域迈开实际的步伐，但该公司已经率先实现了PDF文件的GPU加速。PDF是互联网通行的开放文档标准，它具有强大的图文混排能力和完善的版权保护机制，阅读器又是完全免费的，在出现之后迅速获得广泛采用，目前几乎所有学术性文档、政府公文、技术白皮书都采用PDF格式发行。PDF文件的渲染一直都是由CPU完成，但CPU显然效率不够高，渲染PDF文件总是存在明显的延迟，倘若PDF文件足够复杂而CPU性能又不够强，浏览PDF时会出现严重的顿滞。为此，Adobe与nVIDIA进行合作，在最新的Acrobat 8和Adobe Reader 8软件中引入GPU加速功能，即由GPU来渲染PDF文件。Adobe没有阐述具体的细节，只是介绍这项机制是通过DirectX 9.0c中的Shader Model 3.0实现的；硬件要求方面，nVIDIA平台一般建议GeForce 6600以上，AMD-ATI平台则要求Radeon X1300和FireGL V3300、3400和V5200等GPU，当然如果集成图形能够支持Shader Model 3.0规范，也能够支持这一功能。而除了Adobe公司外，Linux中的Gnome阵营也在完成类似的任务，它所依赖的同样是Cario图形引擎，Cario同样将被作为未来Gnome环境的2D渲染引擎，这样Gnome环境下的PDF查看器也将从中受益。

网页渲染加速以及PDF加速功能的实现，让GPU在日常应用中也能派得上大用场，对于长时间操作电脑的商业用户来说，配备一块性能中等的3D显卡不再是一种浪费，想必nVIDIA、AMD-ATI等独立图形厂商会对此眉开眼笑。

GPU实现流处理加速
超级计算机系统普遍都具有强悍的并行浮点计算能力，以便完成如科学计算、宇宙探索、气象预报、分子生物计算、核模拟、虚拟现实之类的研究。现行的超级计算机大都采用对等处理架构，即由通用的处理器来负责浮点运算。这一领域基本上都是RISC架构的天下，IBM的Power平台、富士通的SPARC64平台、英特尔的Itanium平台（EPIC架构）便是其中的代表者。为了实现尽可能高的性能，超级计算机都不遗余力地增加处理器数量，同时积极开发技术更先进的处理器产品，但这样做并不是特别有效率。当前世界上运算速度最快的计算机当属IBM的“蓝色基因/L（Blue Gene/L）”，它的峰值浮点性能达到367TFlops，但为此付出的代价就是动用了65536枚双核心处理器，也就是131072个CPU内核，硬件规模极其惊人。为此，IBM和SUN都提出采用协处理器加速的方法来获得更高的效率，其中的典型代表者就是IBM的Cell平台，它以专用设计获得远超通用处理器的浮点性能。

AMD推出的FireStream流处理加速卡，基于R580图形处理器。

不过光就浮点运算能力而言，Cell显然不是GPU的对手。AMD-ATI的Radeon X1900 GPU即可拥有高达375GFlops的浮点性能，新一代R600 GPU更将具有512GFlops的超级计算能力（当然，nVIDIA的GPU同样拥有非凡的浮点效能）。ATI很早就提出了“流计算”的概念，即利用GPU的可编程特性以及R500架构所拥有的庞大像素处理器来完成一些通用的浮点计算任务，借此获得远超过通用型处理器的效能表现。ATI后来被AMD成功收购，而AMD继承了ATI的这项研究并在2006年度的超级计算机大会上拿出相应的“流处理器加速卡”—这块加速卡采用Radeon X1900 GPU和PCI Express X16接口，它与普通Radeon X1900显卡的区别在于：流处理器卡加入一些特殊的控制电路，内存控制器也经过调整以优化并行的流计算任务，为了满足繁重的任务需求，流加速卡配备了1.3GHz频率的GDDR3内存，且容量高达1GB之多。加上Radeon X1900 GPU自身具有的48个像素处理器（每个像素处理器由两个算术逻辑ALU、两个标量ALU和一个分支执行单元构成）和600MHz高频率，该流处理加速卡最终实现375GFlops浮点的通用计算能力。AMD流处理加速卡的另一项关键技术就是它所支持的“CTM（Close To Metal）”应用程序接口，CTM可以令应用程序直接访问GPU的原生指令集和内存，最终实现八倍于传统3D图形API的浮点效能。AMD将该款流处理加速卡与标准的Radeon X1950XTX显卡进行MatMult标准测试，基于CTM接口的加速卡在执行通用计算任务时可提供96GFlops的实际浮点性能，而基于OpenGL API的Radeon X1950XTX显卡的运算速度仅为12GFlops，同当前的主流型X86处理器相当。AMD对自己的这项成果非常骄傲，它们表示如果在超级计算机系统中采用流处理加速卡，那么理论上大约只要不到1000块加速卡就能够获得媲美IBM“蓝色基因/L”的性能水平。目前AMD已经开始向OEM厂商供应这种流处理加速卡（当然价格不菲），同时吸引超过60家企业和研究机构进入AMD的这一研究项目，AMD表示这种加速卡虽然暂时供应高性能计算市场，但未来将会引入消费市场，用于完成视频编解码加速和图像的处理，尤其是H.264编码任务非常适合由GPU来处理。当然要实现这个目标，需要硬件厂商与软件工业的共同努力。

在AMD锐意拓展高性能计算市场的同时，nVIDIA也没有闲着，事实上，早在2004年9月份，剑桥大学的BionicFX小组就率先采用GeForce 6800图形处理器来完成音频效果的计算。BionicFX发明了一项AVEX（Audio Video EXchange音频视频转换）技术，AVEX的工作原理是将音频流转换成图形格式的数据，这些图形数据在GeForce 6800 GPU上按照像素或区格来进行处理（按音频效果算法），并于显示内存中读取结构，最终计算结果再被还原为音频信号，由此完成了GPU处理音频效果生成的全过程。第一个采用AVEX技术的混响VST插件便是2005年冬季亮相的BionicReverb，这款插件可以实时模拟出各个真实声学条件下的混响音频，效果近乎完美，而在这背后就是堪称巨量的精确计算。得益于AVEX技术，GeForce 6800承担了这一任务，否则要是由通用的X86处理器来负责的话，系统资源估计会被拖垮。遗憾的是，nVIDIA并没有意识到其中的机会，所以未能及时投入相关的研究，错失在这个新领域领先对手的良机。现在nVIDIA也在积极从事这方面的研究以期赶上AMD，尽管没有披露何时拿出可供实用化的商业解决方案，但以GeForce 8800 GPU所采用的128个流处理器设计来看，nVIDIA同样能够让自己的GPU产品进入高性能计算市场。

现在，GPU又有了一个新的工作：用在超级计算机系统中，完成浮点加速任务。AMD和nVIDIA大概都可以在这个市场狂卖高端GPU产品了，而这个市场向来是利润丰厚：AMD的流处理加速卡定价高达2600美元，而它的成本和一块Radeon X1900 XTX显卡相当，后者的市场价格现在还不到400美元。在不远的将来，流处理加速技术会出现在消费市场，帮助CPU完成诸如影像编码之类任务，或许在跑Super Pi测试的时候，GPU也许还能够帮上大忙。

GPU加速物理计算
物理加速的概念由AGEIA公司在2005年率先提出,该公司同时也推出了世界上首款物理处理器（PPU）：PhysX。如果用户计算机配备了一块基于PhysX PPU的加速卡，那么将构成CPU-PPU-GPU的三角协作系统—CPU负责程序指令的执行和任务分配，遇到物理计算指令就将它提交给PhysX PPU，图形渲染指令则提交给GPU。PhysX的专用化设计让它具有出色的物理计算能力，如目前最高端的双核X86处理器每秒只能生成数百个粒子或者刚性物体，而PhysX每秒可处理3.2至5万个，这将极大程度提高游戏体验的真实性。注意这种体验包括画面效果的提升以及游戏的互动性，例如当游戏角色身处爆炸区外，却不幸被弹片击中，那么它也将因此负伤或者死亡，而在那些不支持物理计算的游戏中，这样的场景完全不可能出现。

Havok FX API可以让GPU直接完成物理计算，数据交换可以在内部进行，可以充分发挥GPU浮点性能卓越的专长。但其缺点在于暂时无法提供游戏交互性。

PhysX PPU推出之后获得游戏开发商的广泛认可，目前可支持PhysX的游戏已有数十款之多，并且这个数字还在不断增加，物理加速的概念被游戏工业广泛接受。nVIDIA与AMD-ATI显然不甘寂寞，在PhysX PPU推出后不久，nVIDIA和ATI都先后对外披露自己的GPU物理加速方案—以GPU来完成物理加速的原理与加速流处理如出一辙，都是利用GPU可观的浮点性能和可编程能力来完成。但是nVIDIA和ATI都不是GPU物理加速技术的主导者，真正的关键是Havok（业界著名的物理和动画引擎开发商）。Havok在2005年11月推出Hovok FX物理引擎，这个引擎可以让符合Shader Model 3.0标准的GPU执行物理效果的计算。Havok认为它们的技术更具效率，如在激烈碰撞的场景要求GPU（或PPU）与CPU交换大量的数据，而采用GPU来进行物理计算就可避免这种情况，有效提升系统的处理性能；其次，Havok FX引擎可与Havok的HydraCore技术配合使用，从而实现对多核心、多线程处理器的优化。必须注意的是，借助Havok实现物理加速并非是所谓的“软件方案”，Havok FX引擎本身是一个可利用GPU可编程特性来实现物理计算的API，地位与作为图形API的DirectX和OpenGL类似，如果3D游戏直接对Havok FX提供支持，那么GPU在运行这个游戏时就可以直接执行物理计算任务。从这个角度来讲，GPU+Havok FX引擎的物理加速与AGEIA PhysX PPU+PhysX API的物理加速方案并无本质区别，不同之处仅在于前者利用GPU来处理物理计算指令，后者则是采用PhysX PPU。

nVIDIA与AMD-ATI都宣称GPU物理加速方案性能优越，如AMD-ATI Radeon X1900XT每秒可完成50亿次物理撞击的处理，而PhysX PPU每秒仅能处理5.33亿次。表面上看GPU在计算性能方面占了绝对优势，但AGEIA则认为光比较计算性能并无意义，因为在物理计算体系中，交互性是一个极其重要的概念，所谓交互性就是物理计算的结果必须会对游戏的运行产生影响，例如爆炸反射的弹片击中游戏角色，那么这个角色就会负伤或者死亡，PhysX PPU便具有这样的能力。GPU固然拥有优秀的物理计算性能，但它只能渲染出逼真的画面而无法形成交互性，也就是说我们同样可以在GPU物理加速平台中看到真实的爆炸场面，但即便画面显示出游戏角色被弹片击中致命部位，这个角色也不会受到丝毫的影响。目前nVIDIA和AMD-ATI都带来了基于统一渲染架构的图形处理器，芯片浮点性能创下新高，可编程能力也更为突出，两家公司也都不约而同带来多显卡物理加速的方案，但它们都未能解决游戏交互性的问题。近期有消息说nVIDIA在研发独立的物理卡，如果这一消息获得最终证实，那么我们也不会对此感到太惊讶。事实上，如果nVIDIA和AMD-ATI能够获得更完善的物理处理技术，并将它与GPU直接集成，那么便可在保持卓越画面效果的同时解决交互性问题。不过与其自己独立开发，还不如在AGEIA发达之前将它抢先收购，毕竟作为物理计算的开创者，AGEIA有先入为主的优势，其PhysX PPU平台也已获得广泛支持。

尽管GPU物理加速目前存在缺乏交互性的不足，但它的积极意义也显而易见：GPU拥有更强大的物理计算能力，能够处理高度复杂的物理计算，让未来的3D游戏能够淋漓尽致展现壮阔的场景。倘若GPU物理加速能与专业的PPU协同运作，无疑是一套非常完美的方案，但这有赖于物理加速的API达成最终的统一。

前瞻
极富弹性的架构以及卓越的浮点性能赋予GPU越来越多的潜力，现在，GPU除了可以在3D游戏中大展身手以外，还进入到一个崭新的广阔空间，无论是高性能计算还是日常办公应用，GPU都扮演不可或缺的角色。尽管集成芯片组在中低端领域影响日渐增大，严重挤压了独立GPU的空间，但未来的情况大有不同，伴随着GPU走向通用计算，越来越多用户会意识到GPU的重要性。在AMD宣布并购ATI之后，英特尔也迅速作出反馈，积极投入高端图形技术的研发，而作为唯一的独立图形供应商，nVIDIA则在谋求开发高端CPU产品。越来越多的迹象表明：GPU与CPU的关系将日趋紧密，GPU的用途也将越来越广阔，它将遍及高性能计算、专业工作站、游戏PC系统以及日常的办公平台，对于nVIDIA和AMD-ATI来说，这是个巨大的机遇，但对于英特尔这样的老牌处理器厂商而言，GPU进入通用领域则意味着空前的挑战。

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