圖形處理器(英語：Graphics Processing Unit，縮寫：GPU)
又稱顯示核心、視覺處理器、顯示芯片，是一種專門在個人電腦、工作站、游戲機和一些移動設(shè)備(如平板電腦、智能手機等)上圖像運算工作的微處理器。用途是將計算機系統(tǒng)所需要的顯示信息進行轉(zhuǎn)換驅(qū)動，并向顯示器提供行掃描信號，控制顯示器的正確顯示，是連接顯示器和個人電腦主板的重要元件，也是“人機對話”的重要設(shè)備之一。顯卡作為電腦主機里的一個重要組成部分，承擔輸出顯示圖形的任務(wù)，對于從事專業(yè)圖形設(shè)計的人來說顯卡非常重要。
功能作用
顯卡的處理器稱為圖形處理器(GPU)，它是顯卡的“心臟”，與CPU類似，只不過GPU是專為執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)和幾何計算而設(shè)計的，這些計算是圖形渲染所必需的。某些最快速的GPU集成的晶體管數(shù)甚至超過了普通CPU。時下的GPU多數(shù)擁有2D或3D圖形加速功能。如果CPU想畫一個二維圖形，只需要發(fā)個指令給GPU，如“在坐標位置(x, y)處畫個長和寬為a×b大小的長方形”，GPU就可以迅速計算出該圖形的所有像素，并在顯示器上指定位置畫出相應(yīng)的圖形，畫完后就通知CPU “我畫完了”，然后等待CPU發(fā)出下一條圖形指令。
有了GPU，CPU就從圖形處理的任務(wù)中解放出來，可以執(zhí)行其他更多的系統(tǒng)任務(wù)，這樣可以大大提高計算機的整體性能。GPU會產(chǎn)生大量熱量，所以它的上方通常安裝有散熱器或風(fēng)扇。GPU是顯示卡的“大腦”，GPU決定了該顯卡的檔次和大部分性能，同時GPU也是2D顯示卡和3D顯示卡的區(qū)別依據(jù)。2D顯示芯片在處理3D圖像與特效時主要依賴CPU的處理能力，稱為軟加速。3D顯示芯片是把三維圖像和特效處理功能集中在顯示芯片內(nèi)，也就是所謂的“硬件加速”功能。顯示芯片一般是顯示卡上最大的芯片(也是引腳最多的)。時下市場上的顯卡大多采用NVIDIA和 AMD-ATI 兩家公司的圖形處理芯片。GPU已經(jīng)不再局限于3D圖形處理了，GPU通用計算技術(shù)發(fā)展已經(jīng)引起業(yè)界不少的關(guān)注，事實也證明在浮點運算、并行計算等部分計算方面，GPU可以提供數(shù)十倍乃至于上百倍于CPU的性能，如此強悍的“新星”難免會讓CPU廠商老大英特爾為未來而緊張， NVIDIA和英特爾也經(jīng)常為CPU和GPU誰更重要而展開口水戰(zhàn)。GPU通用計算方面的標準目前有OpenCL、CUDA、ATI STREAM。其中，OpenCL(全稱Open Computing Language，開放運算語言)是第一個面向異構(gòu)系統(tǒng)通用目的并行編程的開放式、免費標準，也是一個統(tǒng)一的編程環(huán)境，便于軟件開發(fā)人員為高性能計算服務(wù)器、桌面計算系統(tǒng)、手持設(shè)備編寫高效輕便的代碼，而且廣泛適用于多核心處理器(CPU)、圖形處理器(GPU)、Cell類型架構(gòu)以及數(shù)字信號處理器(DSP)等其他并行處理器，在游戲、娛樂、科研、醫(yī)療等各種領(lǐng)域都有廣闊的發(fā)展前景，AMD-ATI、NVIDIA時下的產(chǎn)品都支持OPEN CL。
1985年 8月20日 ATi公司成立，同年10月ATi使用ASIC技術(shù)開發(fā)出了第一款圖形芯片和圖形卡，1992年 4月 ATi發(fā)布了 Mach32 圖形卡集成了圖形加速功能，1998年 4月 ATi被IDC評選為圖形芯片工業(yè)的市場領(lǐng)導(dǎo)者，但那時候這種芯片還沒有GPU的稱號，很長的一段時間ATI都是把圖形處理器稱為VPU，直到AMD收購ATI之后其圖形芯片才正式采用GPU的名字。
NVIDIA公司在1999年發(fā)布GeForce 256圖形處理芯片時首先提出GPU的概念。從此NV顯卡的芯就用這個新名字GPU來稱呼。GPU使顯卡削減了對CPU的依賴，并實行部分原本CPU的工作，更加是在3D圖形處理時。GPU所采用的核心技術(shù)有硬體T&L、立方環(huán)境材質(zhì)貼圖與頂點混合、紋理壓縮及凹凸映射貼圖、雙重紋理四像素256位渲染引擎等，而硬體T&L技術(shù)能夠說是GPU的標志。
工作原理
簡單說GPU就是能夠從硬件上支持T&L(Transform and Lighting，多邊形轉(zhuǎn)換和光源處理)的顯示芯片，由于T&L是3D渲染中的一個重要部分，其作用是計算多邊形的3D位置與處理動態(tài)光線效果，也能稱為“幾何處理”。一個好的T&L單元，能提供細致的3D物體和高級的光線特效;只不過大多數(shù)PC中，T&L的大部分運算是交由CPU處理的(這就也就是所謂軟件T&L)，因為CPU的任務(wù)繁多，除了T&L之外，還要做內(nèi)存管理和輸入響應(yīng)等非3D圖形處理工作，所以在實際運算的時候性能會大打折扣，一般出現(xiàn)顯卡等待CPU數(shù)據(jù)的情況，CPU運算速度遠跟不上時下復(fù)雜三維游戲的要求。即使CPU的工作頻率超出1GHz或更高，對它的幫助也不大，因為這是PC本身設(shè)計造成的問題，與CPU的速度無太大關(guān)系。
產(chǎn)品區(qū)別
GPU在幾個主要方面有別于DSP(Digital Signal Processing，簡稱DSP，數(shù)字信號處理)架構(gòu)。其所有計算均使用浮點算法，而且此刻還沒有位或整數(shù)運算指令。此外，由于GPU專為圖像處理設(shè)計，因此存儲系統(tǒng)實際上是一個二維的分段存儲空間，包括一個區(qū)段號(從中讀取圖像)和二維地址(圖像中的X、Y坐標)。此外，沒有任何間接寫指令。輸出寫地址由光柵處理器確定，而且不能由程序改變。這對于自然分布在存儲器之中的算法而言是極大的挑戰(zhàn)。最后一點，不同碎片的處理過程間不允許通信。實際上，碎片處理器是一個SIMD數(shù)據(jù)并行執(zhí)行單元，在所有碎片中獨立執(zhí)行代碼。
盡管有上述約束，但是GPU還是可以有效地執(zhí)行多種運算，從線性代數(shù)和信號處理到數(shù)值仿真。雖然概念簡單，但新用戶在使用GPU計算時還是會感到迷惑，因為GPU需要專有的圖形知識。這種情況下，一些軟件工具可以提供幫助。兩種高級描影語言CG和HLSL能夠讓用戶編寫類似C的代碼，隨后編譯成碎片程序匯編語言。Brook是專為GPU計算設(shè)計，且不需要圖形知識的高級語言。因此對第一次使用GPU進行開發(fā)的工作人員而言，它可以算是一個很好的起點。Brook是C語言的延伸，整合了可以直接映射到GPU的簡單數(shù)據(jù)并行編程構(gòu)造。經(jīng) GPU存儲和操作的數(shù)據(jù)被形象地比喻成“流”(stream)，類似于標準C中的數(shù)組。核心(Kernel)是在流上操作的函數(shù)。在一系列輸入流上調(diào)用一個核心函數(shù)意味著在流元素上實施了隱含的循環(huán)，即對每一個流元素調(diào)用核心體。Brook還提供了約簡機制，例如對一個流中所有的元素進行和、最大值或乘積計算。Brook還完全隱藏了圖形API的所有細節(jié)，并把GPU中類似二維存儲器系統(tǒng)這樣許多用戶不熟悉的部分進行了虛擬化處理。用Brook編寫的應(yīng)用程序包括線性代數(shù)子程序、快速傅立葉轉(zhuǎn)換、光線追蹤和圖像處理。利用ATI的X800XT和Nvidia的GeForce 6800 Ultra型GPU，在相同高速緩存、SSE匯編優(yōu)化Pentium 4執(zhí)行條件下，許多此類應(yīng)用的速度提升高達7倍之多。
對GPU計算感興趣的用戶努力將算法映射到圖形基本元素。類似Brook這樣的高級編程語言的問世使編程新手也能夠很容易就掌握GPU的性能優(yōu)勢。訪問GPU計算功能的便利性也使得GPU的演變將繼續(xù)下去，不僅僅作為繪制引擎，而是會成為個人電腦的主要計算引擎。
識別軟件
說起處理器識別工具CPU-Z，其知名度和必備度無需贅言。硬件網(wǎng)站時下又給我們提供了一個類似的工具，用于顯卡識別的“GPU-Z”。這是TechPowerUp發(fā)布的專業(yè)顯卡識別工具。
供應(yīng)商
GPU有非常多的廠商都生產(chǎn)，和CPU一樣，生產(chǎn)的廠商比較多，但大家熟悉的卻只有INA，以至于大家以為GPU只有三大廠商。
圖形處理器英特爾
英特爾的GPU基本為集成顯卡芯片，用于英特爾的主板和英特爾的CPU。可能你想不到，要是只按市場占有率計算，英特爾隨著他主板及CPU發(fā)售的集成GPU占據(jù)了整個GPU市場的60%以上。他的GPU主要有：唯一一款獨立顯卡芯片Intel 740(i740)。Extreme Graphics系列、GMA系列(集成于芯片組中)。現(xiàn)在的HD Graphics系列[1] 、Iris? Graphics系列[2] 、Iris? Pro Graphics[2] 系列等(集成于CPU中)。
圖形處理器NVIDIA
NVIDIA是現(xiàn)在最大的獨立顯卡芯片生產(chǎn)銷售商。
他的GPU包括大家熟悉的Geforce系列[3] ，包括GTX、GTS、GT等。專業(yè)工作站的Quadro系列[4] ，超級計算的Tesla系列[5] ，多顯示器商用的NVS系列[6] ，移動設(shè)備的Tegra系列[7] 。
以前也銷售集成在主板上的集成顯卡芯片，這些隨著主板芯片組一起發(fā)售，但是由于AMD收購ATI后自身主板芯片組GPU能力提高，NVIDIA芯片組如日中天的景象已經(jīng)消失了。
曾經(jīng)為游戲機Xbox、PS3供應(yīng)GPU。
圖形處理器AMD(ATI)
AMD是世界上第二大的獨立顯卡芯片生產(chǎn)銷售商，他的前身就是ATI，2006年AMD以54億美元收購ATI。他的GPU主要是大家熟悉的Radeon系列[8] ，包括以前的X、HD系列，近幾年的R9、R7、R5、R3，現(xiàn)在的RX系列等。專業(yè)工作站的FireGL系列，超級計算的FireStream系列，多顯示器商用的FireMV系列，現(xiàn)在前三者已合并為FirePro系列[9] 。
早期ATI還生產(chǎn)過Wonder系列、Mach系列、Rage系列芯片。除了獨立顯卡之外AMD還擁有集成顯卡芯片，集成于芯片組、APU中。由于AMD收購ATI后，其主板市場迅速擴大，已經(jīng)奪取了NVIDIA在AMD處理器主板芯片組的半壁江山。就現(xiàn)在的發(fā)售量和發(fā)售盈利方面，AMD的GPU市場占有率方面仍然略輸于NVIDIA。AMD也是游戲機Xbox 360、Wii、Wii U、PS4、Xbox One的GPU供應(yīng)商。
圖形處理器3dfx
3dfx是一家于1994年成立的生產(chǎn)3D GPU及顯卡的公司。曾經(jīng)生產(chǎn)了Voodoo系列顯卡，并且研發(fā)了SLI技術(shù)。由于經(jīng)營不善等問題于2002年被NVIDIA收購。
圖形處理器Matrox
Matrox當年和NVIDIA，ATI一起爭奪獨立顯卡芯片市場份額的一家公司，在曾經(jīng)的一個時期Matrox的顯卡和NVIDIA，ATI曾經(jīng)在性能上比肩過。但由于后來其開發(fā)能力日漸衰退，在GF5時期，也就是ATI的9000系列時期，Matrox由于性能上整整落后了GF5900和Raden9800一個世代而逐漸被淘汰，淡出了民用獨立顯卡市場。但時下Matrox仍然在工程用專業(yè)顯卡方面有自己的地位。這些顯卡用于工程主圖和多頭輸出仍然很強力。與NVIDIA和AMD的專業(yè)顯卡不同，NVIDIA，ATI的專業(yè)顯卡涉足的是3D領(lǐng)域，而Matrox得專業(yè)顯卡涉足的是2D領(lǐng)域，也就是CAD。但由于OpenCL、CUDA的日漸普及，DX10以上顯卡將在所有支持CUDA的程序上表現(xiàn)出驚人的性能，也就是說當CUDA在各種運用軟件普及的那天，Matrox也必將退出2D專業(yè)卡的市場。
圖形處理器SiS和VIA
矽統(tǒng)和威盛時下是對孿生兄弟，但他們曾經(jīng)也是分開的兩家公司，并且都生產(chǎn)自己主板的集成顯卡芯片。但這可憐的兩兄弟已經(jīng)逐步在淡出主板市場了，也就必定將淡出GPU市場。
相關(guān)問題
圖形處理器第一個問題
GPU的競爭遠比CPU的競爭來得激烈。通用PC的CPU就只有英特爾和AMD兩家大廠。而在GPU方面領(lǐng)先的是N記和A記兩家廠商，但能生產(chǎn)中低端產(chǎn)品的還有英特爾、S3等好幾家廠商。它們的產(chǎn)品雖然不如前兩家，但在很多應(yīng)用方面也能滿足用戶的需要，所以N記和A記只有拼命往前跑才不會死掉。CPU廠商沒有采用GPU的先進工藝是因為CPU廠商都有自己投資的生產(chǎn)線，不可能一下把原來的生產(chǎn)線都淘汰了上新的生產(chǎn)線，那樣做可能連當初投入的資金都難以收回。而GPU廠商由于種種原因，一般都是自己設(shè)計由別人代工的，比如找臺積電代工。代工廠商為了能接到業(yè)務(wù)，只有不停升級自己的生產(chǎn)設(shè)備，這樣才能生存下來。所以造成以上原因。
圖形處理器第二個問題
就如你所說的一樣，CPU除了處理游戲的AI，情節(jié)等方面的數(shù)據(jù)外，對于有些圖像方面也是由它完成的。當微軟每次發(fā)布新的DX時，并不是每款GPU都能支持DX新的特性，所以有些圖像方面的任務(wù)還得由CPU來完成。還有有些特性比如重力特性以前是由CPU來完成，時下有些GPU也能支持了，這些任務(wù)就由GPU來完成了。
圖形處理器第三個問題
GPU相當于專用于圖像處理的CPU，正因為它專，所以它強，在處理圖像時它的工作效率遠高于CPU，但是CPU是通用的數(shù)據(jù)處理器，在處理數(shù)值計算時是它的強項，它能完成的任務(wù)是GPU無法代替的，所以不能用GPU來代替CPU。另外，時下AMD收購了A記顯卡芯片的設(shè)計廠商，AMD看到今后CPU和GPU只有走一條融合的道路才能在競爭中占得先機。CPU和GPU如何配合默契才能最大地提高工作效率是AMD時下考慮的問題，也是英特爾的問題。
圖形處理器第四個問題
微軟發(fā)布windows7 其中一個顯著特性就是 聯(lián)合GPU和CPU的強大實力，提升GPU在硬件使用的價值，在Windows7中，CPU與GPU組成了協(xié)同處理環(huán)境。CPU運算非常復(fù)雜的序列代碼，而GPU則運行大規(guī)模并行應(yīng)用程序。微軟利用DirectX Compute將GPU作為操作系統(tǒng)的核心組成部分之一。DirectX Compute。它讓開發(fā)人員能夠利用 GPU的大規(guī)模并行計算能力，創(chuàng)造出引人入勝的消費級和專業(yè)級計算應(yīng)用程序。簡單的說，DirectX Compute就是微軟開發(fā)的GPU通用計算接口，欲統(tǒng)一GPU通用計算標準。也就是說windows7 以后GPU的硬件地位將僅次于CPU，發(fā)揮出更大的效用。
（轉(zhuǎn)載）
