3D顯示加速卡漫談

從3D遊戲到三維設計，我們都需要3D技術的支持。目前，高不可攀的專業3D技術正在漸漸走入尋常人家。低價3D技術正廣泛應用於我們使用的台式係統中，而不再隻是主板供應商為了商業競爭而提供的一種選擇。為了有效地減輕CPU的負擔以及提供完美的3D特殊效果，最佳的處理方式是在顯示卡的繪圖芯片上，增加直接負責3D圖形處理和提供3D特殊效果的能力，也就是所謂的硬件加速能力。3D顯示技術也不再局限於應用在令人眼花繚亂的遊戲上，雖然3D 技術的引進最早的初衷正是3D遊戲；通用的三維技術正一步步悄悄地走近我們的生活。同時，三維軟件需要統一的開發和使用平台，這方麵，3D軟件支持平台的開發和市場爭奪正在如火如荼地進行著。

　　3D硬件發展簡況

　　3D芯片是如今最熱門的話題之一，一塊好的3D加速卡可以大大減輕CPU的負擔，甚至可以使一塊速度很慢的CPU在三維圖形上的表現大大超出另一塊速度雖然很快但沒有好3D加速卡的CPU。雖然3D加速芯片分擔CPU的處理任務的原理是大體相同的，但3D芯片的結構千差萬別，有些芯片可以編程，如Renditon公司基於RISC的Vrit和Chromatic公司的Mpact， Mpact 2，它們都采用了超長指令集（VLIW）結構。

　　大多數可編程3D芯片的性能依賴於驅動它的低層軟件擴展程序。Rendition和Chromatic目前的芯片都支持固件（FIRM WARE）模式。OEM廠家編寫自己的低級代碼來加強對算法、數據結構和新特性的開發。

　　專業的3D加速卡有的中間件微代碼模塊允許係統設計者開啟或關閉特定的應用，如3D圖形、視頻會議和電話通信等。與此不同，另外一些專業3D卡則包括專門用於實用時3D操作的"像素管道"硬件電路，用來作紋理映射和混合，另外，RISC內核負責幾何造型和濾波（Filtering），這些都極大減輕了CPU的負擔。這種硬件電路解決方案犧牲了靈活性，但通常可以獲得更高的性能。當API和其它標準修改或升級時，用戶都得依賴這些廠家提供新的軟件驅動程序。這些就是專業的3D加速卡的3D技術解決方案。

　　但專用的3D解決方案並不一定適用於今天的PC機，相反，今天的3D加速卡可以以"像素泵"並行工作方式、以獨立的PCI卡形式與圖形卡協同工作，即當3D芯片計算出像素點位置後通過PCI總線傳送到圖形顯示卡上。這方麵的例子有：3DfxVoodoo Graphics加速芯片和Voodoo II，Video logic的PowerVR等專用3D芯片，都要求一塊現有的圖形加速卡。

　　新一代3D加速芯片中較為突出的幾款是：

• 3Dfx Voodoo係列：包括Voodoo Graphics，Voodoo Rush，Voodoo II，VoodooBanshee。遊戲效果無與倫比，速度非常快，而且又有眾多的遊戲支持，已經成為3D遊戲的首選標準。但隻對遊戲有效；
• NVIDIA係列：包括Riva 128，Riva 128ZX，Riva TNT。總的說速度最快，效果總體上不如Voodoo係列，2D/3D的全能顯卡，是目前熱銷的係列顯卡；
• 3D Labs係列：Premedia 2，Premedia 3等。對OpenGL的全麵支持，提供專業級的3D加速，是專業3D人員的首選卡；遊戲效果也不錯，2D/3D速度都很好；
• Matrox G100和G200：很快的2D/3D速度，但在遊戲中的效果並不是太好；使用SDRAM的版本會在較大程度上影響其速度表現；
• ATI 3D RAGE PRO：3D速度中規中距，采用獨特的ASIC結構。2D方麵的性能很出色。

　　除了使用的芯片外，3D加速卡的性能與以下幾個因素都有很大關係：

　　１、顯存： 顯存是顯示卡的重要組成部分，隨著加速芯片的發展，顯存也逐步改變著。從早期的普通DRAM到現在廣泛流行的SGRAM，顯存的速度以及它對3D加速卡性能的影響也越來越大。顯存通常用來存儲顯示芯片(組)所處理的數據信息。當顯示芯片處理完數據後會將數據輸送到顯存中，然後RAMDAC從顯存中讀取數據並將數字信號轉換為模擬信號，最後將信號輸出到顯示屏。所以顯存的速度以及帶寬直接影響著一塊加速卡的速度，如果你的3D加速卡有一顆強勁的“芯”，但是顯存卻無法將處理過的數據即時傳送，那麼結果就是你還是無法得到滿意的顯示效果，這同PC機的CPU和內存的關係差不多。

　　在容量一定的條件下，我們都知道在購買係統內存總是要買速度快的，同樣顯存也存在速度的差別，不同類型(甚至不同品牌)的顯示卡用的顯存也不盡相同。比如老式的FPM和EDO DRAM的對比。很多FPM都是60ns，而當EDO DRAM廣泛采用後顯存的速度達到了25ns，更高的速度帶來的往往是更大的數據傳輸帶寬，這對整個顯示係統性能的影響是很大的。但是在同種類型顯存中，顯存速度的提高對顯卡性能的影響就不十分顯著。

　　數據傳輸帶寬指的是顯存一次可以讀入的數據量，這是影響顯示卡性能的關鍵，它決定著你的顯示卡可以支持更高的分辨 率、更大的色深和合理的刷新率。顯存的種類很多，但大體上可以分為兩類，單端口顯存和雙端口顯存。單端口顯存從顯示芯片讀取數據以及向RAMDAC傳輸數據都是經過同一個端口，這樣一來數據的讀寫和傳輸就無法同時進行。

　　單口的顯存包括：

• FPM DRAM：快頁式DRAM，一般隻工作在5-3-3-3狀態的 66 MHz下；
• EDO DRAM：可以工作在5-2-2-2狀態和75MHz下；
• SDRAM： SDRAM與早期產品的設計思路完全不同，它可以在一個時鍾周期內進行數據的讀寫，從而節省了等待時間。SDRAM現在已經成為顯存市場上的主導產品，這主要是因為其低廉的價格和較佳的性能，通常SDRAM可以工作在5-1-1-1和100MHz下；
• SGRAM：SGRAM是一種比較新的同步顯存，而且它是為專為顯示卡所設計的，它改進了過去低效能顯存傳輸率較低的缺點，為顯示卡性能的提高創造了條件。SGRAM可以工作在125MHz或更高的頻率，而且價格也比較合理，所以應用日漸廣泛；
• 以VRAM為代表的雙口顯存在性能上更具備優勢，Video RAM的雙端口較好地解決了單端口時影響顯卡速度的這一難題，大多數時間內，數據從顯示芯片通過一個端口傳送到顯存中，而與此同時另一個端口又可以將顯存中已有的數據傳送到RAMDAC中，這樣就避免了數據進出時所浪費的等待時間。但VRAM應用並不廣泛，這是因為Video RAM是為顯示卡所量身定作的，隻能運用在顯示卡上，需求範圍較狹窄；而且Video RAM的合成需要更多的矽，價格非常高，隻有專業的加速卡才使用它；
• WRAM：是VRAM的一個改進產品，與VRAM相比WRAM的帶寬要高出25%，而且當運用例如塊填充時WRAM可以達到更高的效能，此外最重要的是WRAM的製造工藝要比VRAM簡單，其價格自然要比VRAM低；當然，相比單口的顯存，價格還是很高的；不過，這些優點已經足以使其成為新一代的顯存新貴。

　　2、RAMDAC （Random Access Memory Digital-to-Analog Converter）

　　在顯存中存儲的當然是數字信息，因為計算機是以數字方式運行的，對於顯卡來說這一堆0和1控製著每一個像素的色深和亮度。然而顯示器並不以數字方式工作，它工作在模擬狀態下，這就需要在中間有一個“翻譯”。RAMDAC的作用就是將數字信號轉換為模擬信號使顯示器能夠顯示圖象。RAMDAC的另一個重要作用就是提供顯卡能夠達到的刷新率，它也影響著顯卡所輸出的圖象質量。現在新的3D加速卡的RAMDAC的工作頻率都在200MHz以上。