GPU发展20年回顾 看3D游戏的光和影

[page]起步坎坷的NVIDIA[/page]

　　说起和游戏相关的硬件，大家最先想到的一定就是目前的显卡。但显卡和PC系统中的其他硬件不同，它并不是最初PC所必备的。经历了二十多年的发展，也走过了不少弯路，显卡才终于有了如今的地位。

　　

　　从1995年NVIDIA发布的第一款产品NV1开始，显卡技术开始了不停地迭代更新，游戏也不再只限于满屏的“游戏性”。本文，我们将给大家回顾如今家喻户晓的GeForce系列的发展，也从技术运用、画面进步和一些有划时代意义的游戏等等方面来和大家聊一聊显卡技术的进步究竟给我们带来了什么。

　　NVIDIA早期产品

　　1993年，刚从斯坦福毕业两年的黄教联合Chris Malachowsky以及Curtis Priem两位大佬共同创办了NVIDIA，并在1995年推出了第一款产品——NV1。在当时的PC市场中，“显卡”的定义和今天并不相同。当时的“显卡”的普遍定位更像是功能单一的3D加速卡，往往还要搭配2D“显卡”来使用。当时如日中天的3DFx公司的Voodoo就是这样一个简单的的3D加速卡。

　　

　　作为NVIDIA公司的首款产品，NV1的设计可谓非常大胆。它首次在一张卡上集成了2D显卡、3D加速卡甚至还有声卡以及手柄控制单元，在单一硬件上就完成了游戏所需的所有需求，这也就导致了成本上的失控。在1995年，这款NV1显卡的定价是399美元，是当时主流3D加速卡的两倍，并且在绝对性能上还并不占优。

　　更令人遗憾的是这款产品因为采用了非常另类的方形绘图（现代显卡均为三角形绘图）所以不支持主流的OpenGL、DirectX。这就让它很难在PC市场中流行起来。最终只有世嘉的土星主机大量采用了这款产品。

　　

　　后面的NV2（最终未能量产），NVIDIA仍然坚持使用方形绘图方案，也直接导致了和世嘉合作的崩盘，公司一度陷入了困境。

　

华硕 V3000ZX（RIVA 128ZX）

　　

　　NVIDIA在经历了两代产品的挫败后，痛定思痛，1997年推出了自家的新一代产品NV3，也就是RIVA 128。这款产品不再固执，全面转向使用了三角形绘图方案，并且支持了主流的OpenGL、DirectX API，在带来了更佳的兼容性的同时，199美元的定价也极具性价比。凭借这张真·甜点卡，NVIDIA走出困境开始发力。

　　

华硕 V3400TNT（RIVA TNT）

　　1998年，NVIDIA发布了最新的RIVA TNT显卡，直接正面硬刚当时的Voodoo 2。RIVA TNT将像素渲染管线翻倍提升，并且支持了32位色深，核心架构为2条32bit象素流水线的渲染体系，每条象素流水线有1个TMU，在每个时钟周期内并行处理两个纹理。

　　

　　抛开当年半导体制程工艺不给力导致的温度过高问题，TNT已经在技术上展现了自己领先的一面。另外从这张显卡开始，NVIDIA正式引入了「显卡驱动」这一概念。首款NV的显卡驱动被命名为「雷管」，雷管+TNT加在一起会发生什么呢？没错，就是带来了30%以上爆炸般的性能提升，并且还顺便解决了众多兼容性的问题。

　　

华硕 V3800 RIVA TNT2 Ultra

　　

　　1999年，RIVA TNT2正式亮相，并且从高到低分别有TNT2 Ultra、TNT2以及TNT2 M64等等多款产品，以频率和相关功能的阉割来划分等级。这也可以说是NVIDIA刀法的第一次正式亮相。这代产品除了性能大涨之外，32位色的支持以及更新的AGP 4x接口的使用让它在技术层面已经甩开了对手不少，这也是奠定NVIDIA日后霸主定位的基石。从这代产品开始，显卡也陆续开始采用了主动散热的设计。

[page]GeForce时代来临[/page]

　　前面这几款产品是NVIDIA起家的产品，但相信有很多玩家对以上说的这些产品都比较陌生，而接下来我们按照发布顺序给大家继续盘点一下NVIDIA GeForce时代最重要的几款产品。相信从这里开始的产品也是很多核心老玩家们都熟悉的显卡了。

　　

华硕 V6600MX（GeForce 256 SDR）

　　1999年10月，NVIDIA产品史上甚至是显卡行业中最重要的一款产品——GeForce 256正式发布。也正是这款产品，树立了现代显卡的概念。GeForce 256最重要的特性就是首次在显卡中加入了硬件T&L（坐标转换和光照计算），并且也是首款256bit可编程GPU。硬件T&L让3D游戏中曾经需要CPU大量介入的复杂运算都被转移到了显卡上，解放了CPU资源。这一个变化也把显卡的地位扶正，它不再是给CPU打杂的辅助加速卡，而成为了游戏PC当中最重要的一个核心硬件。支持硬件级别T&L的图形芯片，也被定义成现在我们常说的GPU。

　　

华硕 V6800 Deluxe（GeForce 256 DDR）

　　

　　这块显卡的核心频率为120MHz，显存频率143MHz，使用的是32MB SDR显存，显存位宽64位，1.14GB/s带宽，支持DirectX 7.0图形API。初代的GeForce 256搭载的是SDR显存，但就在短短两个月后，NVIDIA又给这块显卡升级到了DDR显存，显存频率提升一倍。产品的快速迭代，让N卡成为了当年所有游戏玩家都梦寐以求的一款产品。

　　

　　在1999年这个时间节点上，当时的热门大作就是脱胎于半条命的CS。尽管在现在看来它的游戏画面有些不堪入目，但在当年，CS也可谓是“显卡杀手”级别的游戏。GeForce 256显卡凭借当年超强的游戏性能，在这款游戏中的表现可以说是得心应手、游刃有余，可以很轻松的跑到平均60帧以上的成绩。

　　

　　

　　这时候的3D游戏画面上已经比较成熟了，整体的游戏架构也和现在没有区别，但受制于技术和性能的限制，游戏画面普遍局限在了简单的3D上，光影效果几乎为零。

　　

华硕V7700 PRO（GeForce 2 GTS）

　　

　　2000年下半年发布的GeForce 2 系列（基于NV15核心）是GeForce 256的正统接班人。这款产品第二组纹理单元，像素流水线达到了每个四条，核心频率也有所提升。这个系列一共推出了8款产品，分别为GeForce 2 MX/MX200/MX400/GTS-V/GTS/Pro/Ti/Ultra。这个系列的产品在工艺上突破了200nm来到了180nm，后期版本的GeForce 2 Ti则使用了更先进的150nm工艺。随着半导体工艺的提升，显卡的核心频率也提升到了最高250MHz。这代产品中GeForce 2 MX是销量最好的一款甜点卡，相信很多老玩家都使用过这款产品。

　　

　　

2000年代表性游戏《生化危机3》游戏截图

　　

GeForce 3 Ti 500

　　

GeForce 3 Ti 200

　　

　　2001年10月，GeForce 3系列正式支持了DirectX 8.0，并且加入了可编程像素渲染管线。这个系列最主要的两款产品是面向高端的GeForce 3 Ti 500和面向主流价位的Ti 200。GeForce 3虽然性能大幅提升，但高达500美元的定价让人可望不可即。

　　

　　

《古墓丽影》游戏截图

　　2002年发布的GeForce 4系列早期型号基本可以说是GeForce 3的马甲产品，整个系列有12款产品,这12款产品换用了非常多款的显卡核心，一路包含了NV17、NV18、NV19、NV25、NV28。但整体来看，这些型号只是在核心频率和显存规格上有所提升，基本可以认为是挤牙膏的产品。

　　

　　GeForce 5是生命力最长的一代产品，从2002年11月发布一直到2004年4月期间一直都有新品推出。这代显卡主要分为GeForce FX和GeForce PCX两个系列。其中GeForce PCX系列是首款换用接口的显卡；GeForce FX5800是业界首款支持DDR2显存的显卡。先进的技术也使得这一代显卡取得了成功共推出了22款显卡，这一代产品全系支持DirectX 9，制造工艺也进入了130nm时代，其中GeForce FX5900的核心频率达到了475MHz，核心性能越来越强劲。

　　

华硕 V9980U（GeForce FX 5950 Ultra）

　　这个系列产品中最值得一提的就是FX 5000系列当中的中高端型号显卡FX 5950 Ultra。这款产品的公版显卡风扇设计有明显缺陷，噪音极大且散热效果不好，像上图中华硕的非公版显卡则换用了噪音更低散热更好的散热器设计。

　　

　　

在2002年，《极品飞车6》是当年非常热门的一款游戏

　

　　

　　

　　

2004年发布的《DOOM 3》也是当时号称对显卡性能要求最高的游戏

　　

　　GeForce 6000系列是首款支持DX9C与SM3.0的产品，实时位移映射和Tone映射，最多支持16纹理/通道，支持16bit和32bit FP格式、sRGB纹理，支持DirectX和S3TC压缩、支持32bpp、64bpp和128bpp渲染以及更多的新视觉效果。

　　

华硕 NE6800（GeForce 6800）

　　这个系列的高端型号GeForce 6800 Ultra使用了当时先进的GDDR3显存，显存位宽达到了256bit，图形数据处理能力更强了，满足当时玩家的需求。上图中的华硕显卡采用的是原生PCIe 1.0 X16接口，这和之前的桥接方案完全不同，显卡从这里开始基本进入了PCIe时代。

　　

　　

　　

2004~2005年，《半条命2》游戏画面，这样的画面在现在看来也不是非常落伍

　　2005年开始，GeForce 7000系列亮相，一直到2006年这段时间内开始全面布局。这代显卡支持CineFX 4.0Engine高精度渲染引擎、IntlliSample智能反锯齿系统、Pixel Shader渲染指令集，完美支持Microsoft DirectX 9.0C和OpenGL 2.0 optimizations引擎等技术特性，同时执行效率较GeForce 6系列有大幅提升。这代显卡也是最后一代APG和PCIe共存的一代，以后则全面拥抱了PCIe接口。

　　

华硕EN 7950GX2

　　

　　上图展示的华硕显卡可以说是NVIDIA的初代核弹卡7950GX2。这块显卡非常暴力的采用了堆叠式的双层PCB设计，为的就是放下两颗G71核心。此外，这颗双芯卡皇还支持SLI技术，也就是说在软件支持的情况下，最多可以让你的电脑有4颗GPU同时运行。

　　

　　

　　

　　

2006年《杀手4》，游戏画面已经非常成熟，也有一定的光影渲染

　　2006年末，GeForce 8000系列发布，这是NVIDIA首次支持DirectX 10的产品，使用的是G80核心，而这颗可信也是衍生型号最多、生命周期最长的一款。G80核心使用65纳米工艺制造，内部集成了大量流处理器，使用了更大的显存带宽，更高的频率，从而获得了极强的极强的性能。另外从G80核心开始，英伟达的SLI技术开始支持3显卡互联。

　　

华硕EN 8800GTX

　　

　　这代显卡因为性能的增加，老旧的APG8X接口已经成为了限制显卡性能的瓶颈，所以从这里开始，N卡正式走到了PCIE接口。上图为华硕的EN 8800GTX，这也是8000系列显卡中的旗舰产品。

　　2008年的GeForce 9000系列是GTX时代前最后一款产品，这代产品同样有着极为丰富的衍生产品，不过这代的G90系列核心可以看做是G80系列的小幅升级版本，这个传统甚至一直延续到了GTX200系列当中。G90系列芯片在核心参数上大幅提升，同时也迈入了65nm工艺的十代，权限产品都换上了GDDR3显存，也都统一使用了PCIe 2.0 X16接口。

　　

华硕EN 9600GT

　　

　　9600GT是这代产品中最香的一款产品，性能大幅提升的同时也有非常亲民的售价。

　　

　　

2007年底，被誉为“显卡危机”的《孤岛危机》画面截图

[page]GTX时代[/page]

　　来到GTX时代，这里提到的显卡产品相信就已经有很多关注游戏硬件的朋友们所了解了，所以接下来的盘点，我们只选择几款比较又代表性的产品来说。

　　

华硕 GT240

　　

　　GTX 200系列基本还都采用了9000系列上的G90核心，本质上可以算作半马甲卡，这个系列当中大家比较熟悉的应该是GTS 250和GT 240这两款。这代产品支持到了更新的DirectX 10.1，在GT 240上甚至还首次使用了和40nm的工艺。

　　

　　

　　

2007年《使命召唤4：现代战争》

　　

华硕 GTX 480

　　2010年发布的GTX 400系列显卡让显卡核心首次拥有了姓名，这就是大名鼎鼎的费米架构，它的核心设计思路已经基本和现在显卡架构相近：GPC单元-SM单元-CUDA核心。

　　

　　费米家族中顶级的GF100拥有4个GPC单元，每个GPC单元包含了4个SM单元，每个SM单元又拥有32个CUDA核心。这样的设计被沿用至今，也是现在显卡面向图形和通用计算的鼻祖。费米架构全面支持了DirectX 11，并且因引入了曲面细分功能的支持，这也是推动游戏画面进步非常重要的一次技术更新。

　　

　　

　　

2010年《正当防卫2》

　　

华硕 GTX 690

　　

　　GTX 600系列采用的开普勒架构也是继费米之后的全新一代架构，这代架构上最主要的核心技术包含了FXAA与TXAA抗锯齿、自适应垂直同步。

　　GTX 690应该是被很多人所熟知的一块显卡，它也被称为英伟达战术核显卡。作为GTX 600系列的顶级显卡，它本质上就是两颗低频的GK104核心封装在一张PCB的结果，这款显卡在2012年5月份发布，官方售价是999美元，这消费级显卡当中是史无前例的。

　　值得一提的是，GTX 690虽然是消费级的最高端型号，但核心代号上来看并非如此，而真正完整版的GK110核心最后被应用在了GTX TITAN显卡上

　　

　　

　　

2012年《无主之地2》

　　GTX 700系列仍然沿用了开普勒架构，这也相当于是NVIDIA的钟摆升级策略，既架构年-工艺年。而桌面端显卡为了追上笔电端显卡的命名速度，也直接跳过了GTX 800系列来到了GTX 900。

　　

华硕 STRIX GTX980

　　

　　GTX 900系列是NVIDIA升级架构的一代产品，采用了全新的麦克斯韦架构。麦克斯韦并不是一个大刀阔斧改进的架构，NVIDIA重新设计了开普勒上的SMX单元，现在称为SMM单元，每组SMM单元的CUDA核心数量有所减少，但是每个SMM单元将将拥有更多的逻辑控制电路，便于精确控制，这样的变化让麦克斯韦的每核心效能大幅的提升，另外也带来了全新的G-Sync来替代之前褒少贬多的垂直同步。

　　

　　

　　

2015年《GTA5》

　　时间来到2016年的春天，基于帕斯卡架构的GTX 10系列显卡终于亮相，这应该是目前很多玩家都在用的一代显卡。帕斯卡架构的GTX 10系列大幅提升了性能，全面支持DX12，采用了更先进的16nm FF+

　　工艺，在高端型号的产品上甚至还采用了成本高昂的HBM2显存。

　　

华硕 GTX 1060 6G-GAMING

　　帕斯卡的GPC有6个SM，每个SM只含有64个CUDA Core，但是拥有64个FP32单元32个FP64单元，FP64与FP32比例达到了1：2，双精度性能大幅度提高，而Pascal的FP32单元可以同时执行2个FP16半精度运算，因此FP16浮点性能也同样获得极大提升。在实际的测试中甚至有GTX 1060好过上代GTX 980这样的说法存在，GTX 1060这样甜点级的神卡也衍生出了3GB、5GB、6GB多种型号，至今还是游戏硬件市场中的主力军。

　　

　　

　　

2017年《绝地求生：大逃杀》

　　这款游戏的大热间接地推动了整个游戏硬件市场的发展，在当时想要流畅的吃鸡，一块GTX 1060几乎是必不可少的。而同期的网吧也不得不更新显卡配置来适应游戏需求，而网吧所使用的GTX 1060 5G版本刚好可以满足这款游戏的要求。

[page]RTX显卡开启未来[/page]

　　最后终于说到了距离我们最近一代的RTX 20系列显卡。全新的图灵架构可以说是显卡市场十年以来最大的一次变革，最重要的两个特性就是硬件级别的实时光线追踪和深度学习功能。

　　

ROG STRIX RTX 2080 SUPER猛禽

　　RTX 20系列显卡采用了全新的12nm工艺，但是核心面积部分却不降反升，这就是因为图灵架构中加入的Tensor Core和RT Core两个全新核心。前者擅长加速矩阵与矩阵乘法运算，主要为机器学习功能服务，而后者负责通用核心很难处理的光追踪部分的相关运算。二者的结合让这一代消费级显卡有了曾经多路专业显卡才有的性能，现在的图灵显卡变得更聪明也更高效，是最具革命性的一代产品。

　　在我们的测试中也发现，相较于上代的帕斯卡，图灵显卡主要的性能提升体现在DirectX 12部分，这对于现代游戏来说是非常关键的。并且目前主流的光追踪游戏基本都采用的是基于DirectX 12 API实现的光追踪，个别游戏则采用的是基于Vulkan API。

　　

　　全新技术的加入为游戏画面也带来了一次大革命，从2018年9月RTX显卡正式发布到现在，大量的主流大作都陆续加入了光追踪技术的支持，游戏画面从2D发展到3D之后，光追踪的加入成为了十年以来最大的一次进步。

　　

　　

《战地5》光追踪效果展示（地面反光）

　　

《古墓丽影：暗影》光追踪阴影

　　

　　

　　

《控制》——目前光追踪效果最佳的游戏

　　现在市面上的RTX 20系列显卡已经出到了第二代，也就是目前在售带有SUPER后缀的产品。SUPER系列在性能上有着比较大的升级，基本上让2060、2070和2080的性能往上提升了一个档位，这也是现在想要体验光追踪唯一的选择。

　　

1080p光追性能测试（RTX 2060 SUPER）

　　

2K光追性能测试（RTX 2070 SUPER）

　　我们使用目前价位比较适中的RTX 2060 SUPER和RTX 2070 SUPER分别在1080p和2K分辨率下进行性能测试，从结果上可以看到他们在自己对应的分辨率下都有着非常好的性能表现，也是我们目前最推荐的两款产品。

　　

　　如果你要选择一块出色的RTX 2060 SUPER，我们推荐的产品是华硕的猛禽。相比起一般的非公版显卡，猛禽系列在做工和性能上都更为出色，绝对性能上来说甚至不会输给一些2070。

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　　RTX 2070 SUPER可以很好地满足2K分辨率显示器的用户，我们在这里推荐的是华硕ROG的RTX 2070 SUPER猛禽。除了出色的基准性能以及光追踪性能，这块显卡在接下来三年左右都会一直表现出色，不会出现过早的性能不足。

　　购买价格：4799元

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　　本篇文章我们给大家梳理了NVIDIA显卡的发展史，因为篇幅限制，都只是简单的介绍了每代显卡的大致情况。但从这20年的发展史我们也不难看出一些规律。在新技术的应用初期，总会伴着技术无用论出现，这个情况就和现在的光追显卡极为相似。

　　我们认为光追踪技术从根本上改变了游戏内光影的渲染方式，除此之外更为整个的生产流程带来了全新的思路。从这个角度来看，光追踪技术的发展前景是非常光明的。从目前游戏的支持和最终的表现上来看，光追踪技术在短短一年三个月的时间里已经完善度非常之高，成为新的主流已经势不可挡。