顯卡

顯卡，全稱顯示接口卡，又稱顯示適配器，是計算機最基本的配件之一，其主要功能是負責圖形操作。顯卡主要由GPU芯片、顯存、散熱器、PCB板和接口組成，其中GPU芯片的實力直接決定了顯卡的整體性能。

顯卡的性能指標包括GPU的頻率、流處理器單元的數(shù)量、顯存的容量、位寬和速度等。顯卡根據(jù)應用場景不同可分為游戲顯卡、科學計算加速卡和渲染專業(yè)卡。

2023年，顯卡GPU芯片的主要制造商是NVIDIA、AMD和英特爾，它們都是美國電子產(chǎn)品開發(fā)公司，致力于各種核心芯片的研發(fā)。NVIDIA生產(chǎn)的顯卡有GeForce RTX、GTX等。，它們被稱為“N卡”；AMD主要開發(fā)鐳龍系列，稱為“a卡”。英特爾主要生產(chǎn)集成顯卡。市場上的高端顯卡主要在游戲體驗、畫面輸出和使用流暢度等方面進行技術創(chuàng)新和迭代。

隨著計算機領域進入統(tǒng)一渲染架構時代，顯卡的重要性凸顯。并且對架構進行了優(yōu)化，使GPU能夠完成大規(guī)模計算需求，NVIDIA CUDA技術進一步強化了這一功能。過去只能使用CPU進行計算的應用程序現(xiàn)在可以使用GPU進行計算，大大減輕了CPU的負擔。

早期發(fā)展

在微型計算機發(fā)展的早期，還沒有顯卡的概念，而是要顯示的信息由CPU計算并輸出到主板上由幾個集成電路塊組成的顯示單元，然后轉換成顯示器可以識別的信號進行輸出顯示。但是，這種顯示設備只能完成一些基本的顯示功能。

真正顯卡的誕生還要歸功于新的顯示模式的出現(xiàn)，因為在VGA標準出現(xiàn)之前，顯示器支持的最大顏色數(shù)量只有8到16種，因此計算機系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)之間幾乎沒有需要處理的數(shù)據(jù)，色調也非常簡單。然而，在VGA標準被采用后，盡管可用的顏色數(shù)量也是8到16種，但在模擬電路中，每種顏色可以用64種不同的亮度來表示。因此，系統(tǒng)支持的顏色數(shù)量已經(jīng)達到了262，144和6，777，216種，也就是我們通常所說的256和24位顏色。這時，計算機設計師將具有顯示功能的單元從主板上分離出來，并將其制作成專用顯卡。但此時顯卡體積龐大，功能單一，受接口限制速度較慢，但與板上的顯示單元相比已經(jīng)有了很大的進步。

開發(fā)期

顯卡與主板分離后，與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸主要依靠ISA和EISA總線接口。這時的顯卡叫ISA顯卡。然而，隨著CPU頻率的快速增長和計算機制造技術的發(fā)展，ISA總線的傳輸速度已成為限制顯卡速度的瓶頸。隨著PCI總線結構的出現(xiàn)，這一瓶頸已被突破。PCI總線速度最高傳輸速率可達132MB/S，顯存容量也大大增加。此時顯卡的顯示效果和運行速度都得到了很大的提升。

但是，PCI顯卡本身也有很大的缺陷。當要顯示的畫面質量過高，需要處理的數(shù)據(jù)過多時，就會出現(xiàn)停頓現(xiàn)象。對于要求更高的游戲來說，PCI顯卡也暴露了它的缺點。這時，在英特爾的倡導下，AGP作為一種新型的顯卡專用接口出現(xiàn)了。AGP采用DIME（直接內存訪問），通過一個“額外接口”使顯卡的核心芯片直接同步訪問內存，這樣AGP顯卡就可以與CPU同步獨立運行，比PCI更快。隨著AGP速度的發(fā)展，AGP顯卡可分為AGP1X、AGP2X和AGP4X。雖然PCI和AGP的帶寬是32位，但由于頻率提高到66MHz，AGP的傳輸速率可以達到266MB/S。然而，2X模式AGP的工作頻率與1X模式一樣保持在66MHz，但利用上升沿和下降沿在一個頻率周期內觸發(fā)兩次，因此傳輸帶寬再次翻倍，達到532 MB/s .至于AGP 4X模式，每個頻率周期內可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寬度為16字節(jié)，最高傳輸帶寬的理論值可達到1 GB/s以上

在這一系列技術的影響下。2000年，NVIDIA發(fā)布了具有歷史意義的Geforce 2系列，其中包括眾所周知的Geforce 2MX，它完美地取代了TNT2顯卡，Geforce2MA400幾乎是每個cs玩家的標配。然而，此時AMD和NVIDIA正在爭奪霸權。2009年，AMD發(fā)布了最強的單核顯卡HD5870，大幅領先于NVIDIA最強的單核顯卡GTX 285，甚至與小型雙核核彈GTX295打得你死我活。隨后的HD9570更容易受到NVIDIA的攻擊。因此，NVIDIA首席執(zhí)行官黃仁勛開始打磨2010年3月發(fā)布的下一代GTX 480。玩家發(fā)現(xiàn)這一代旗艦GTX 480為了性能犧牲了功耗，并以接近500 W的全功耗壓制了大核的HD5000系列

2012年，NVIDIA歷史性的開普勒架構誕生，代表顯卡是GTX 680。升級到28納米技術的開普勒架構使顯卡的核心頻率首次超過1GHz，與GTX 580相比，性能提高了50W，功耗降低了50W。自這一代開普勒芯片發(fā)布以來，NVIDIA的發(fā)展速度超過了對手。

2013年底，NVIDIA發(fā)布了基于開普勒架構的GTX 700系列顯卡，其中最引人注目的是GTX 780Ti，其性能超過了AMD的旗艦產(chǎn)品R9 290X，功耗降低了30W。英偉達火爐的帽子也被扔給了AMD。也是從這一代開始，NVIDIA開始銷售名為TITAN的特殊顯卡，面向頂級游戲玩家和研究人員。

NVIDIA下一代顯卡GTX 900系列采用Maxwell架構，升級的重點仍然是提高能耗比。NVIDIA發(fā)現(xiàn)上一代開普勒架構削減了太多邏輯控制單元，導致CUDA冗余利用率低。這一代側重于優(yōu)化CUDA單元的分組。與GTX 780相比，第一代GTX 980的性能提高了30%以上，但功耗降低了10%。當時，由于CPU的故障，AMD沒有資金維持新架構顯卡的研發(fā)，因此只能在原有的GCN架構上縫縫補補。直到RYZEN系列處理器的成功，采用RDNA架構的RX系列顯卡才得以推出。

但此時，NVIDIA已經(jīng)開發(fā)了新的Pascal架構。依靠新的Pascal架構和臺積電的16納米技術，GTX 10系列顯卡的性能提高了60%。再加上當時的采礦潮和AMD顯卡的缺乏，GTX 1060誕生了。

在Pascal的顯卡架構徹底擊敗AMD之后，NVIDIA仍然不滿意。2018年，圖靈架構顯卡發(fā)布。這一代顯卡最大的特點是增加了RT core和Tenser core，支持光線追蹤和超分辨率采樣技術。

如今，采用安培架構的RTX 3000系列顯卡將光線追蹤和DLSS推向了新的高潮，前三款顯卡RTX 3070、RTX 3080和RTX 3090的性能大幅提升。這時，AMD已經(jīng)被NVIDIA甩得太遠了。NVIDIA中的光線追蹤已經(jīng)迭代了兩次，在DLSS2.0技術的加持下，它的可用性很高。AMD近年推出的navi顯卡未能沖擊高端，此后再無大動作。

獨立顯卡

獨立顯卡的組件有:GPU芯片、顯存、散熱器、PCB板、接口、顯卡背板和圓頂。

GPU芯片:即圖形處理器，芯片的實力直接決定了顯卡的整體性能，而影響GPU芯片性能的主要參數(shù)有GPU架構、制造工藝、GPU芯片頻率、流處理器單元SP、紋理單元和光柵單元。

顯存:負責存儲顯示芯片需要處理的各種數(shù)據(jù)。主流顯存容量一般為6 GB-8 GB。目前消費級顯存已經(jīng)達到24GB，專業(yè)級顯存更大。目前常見的顯存類型有GDDR6和GDDR6X，顯存的帶寬和容量會影響顯示效果。

散熱器:GPU芯片和內存顆粒極易發(fā)熱，溫度過高會降低頻率，導致顯卡性能下降，所以顯卡基本上都需要一個好的散熱器。散熱器一般由銅熱管、鋁散熱片和冷卻風扇組成。理論上，溫度可以超過90度。

PCB板:PCB板主要負責供電。PCB板的電路越復雜，層數(shù)就越多。

接口:市場上主要使用PCI Express的圖形接口（ISA EISA VLB MCA等。都是獨立顯卡使用的接口），中高端顯卡可以支持多片同時工作，并且可以通過網(wǎng)橋連接。

顯卡背板:主要支撐散熱器（防止散熱器壓彎PCB），阻擋靜電，防止灰塵，這是背板的另一個重要作用，所以背板其實是必不可少的部件。

導流罩:對于帶渦輪風扇的散熱器來說，導流罩尤為重要，因為渦輪風扇是定向的，風很大，導流罩是封閉的，加強了風道，這種散熱器需要將風吹到機箱外面。

集成顯卡

集成顯卡是指芯片組具有集成的圖形處理芯片，使用該芯片組的主板無需單獨的顯卡即可完成基本的圖形處理功能，以滿足普通家庭娛樂和商業(yè)應用的需求。與獨立顯卡相比，集成顯卡通常沒有獨立顯存，而是使用系統(tǒng)主存的一部分作為顯存，具體數(shù)量根據(jù)系統(tǒng)需求自動動態(tài)調整。界面也不同。獨立顯卡在連接顯示器之前需要通過專用接口連接到主板上，而集成顯卡則直接集成在主板上，沒有其他接口，更加簡潔。

核心架構

架構其實是影響顯卡性能的最重要指標，而新一代架構的出現(xiàn)通常意味著產(chǎn)品的升級。你可以這樣理解架構，它就像整個顯卡的樞紐，就像城市的道路規(guī)劃一樣。在同一個城市里，如果道路規(guī)劃得好，交通擁堵的可能性就會降低，你到達目的地的時間也會縮短。幾乎所有玩家都可以區(qū)分顯卡的核心，因為NVIDIA在銷售時會以芯片型號命名顯卡型號，例如RTX 2060和RTX 2070，您一眼就可以知道哪種性能更好。

技術流程

和CPU一樣，顯卡也有進程。目前n卡（NVIDIA）最低制程為8 nm，a卡（AMD）最低制程為7 nm。更小的工藝意味著更低的功耗和發(fā)熱量，因此數(shù)字越小越好。但是，顯卡的整體性能不僅由該值決定。

容量：它指示可以保存多少數(shù)據(jù)。

頻率：在某種程度上，它反映了顯存的速度，而顯存的頻率與顯存的類型有很大關系。顯存的頻率與顯存的時鐘周期有關，兩者是倒數(shù)關系。

位寬：位寬是指一次可以讀入的數(shù)據(jù)量，即顯存和顯示芯片之間的數(shù)據(jù)交換速度。位寬越大，存儲器和顯示芯片之間的數(shù)據(jù)交換就越順暢。

流線處理：流處理器單元的數(shù)量是決定顯卡性能的一個非常重要的指標。它可以執(zhí)行頂點操作和像素操作。在不同場景下，顯卡可以動態(tài)分配流處理器的數(shù)量進行頂點運算和像素運算，從而充分利用資源。

按市場分類

專業(yè)顯卡：專業(yè)顯卡，常用于工作站，主要用于專業(yè)視覺設計和創(chuàng)作。在圖形工作站中，它在某種程度上甚至比CPU更重要。與主要面向游戲、娛樂和辦公市場的消費級顯卡相比，專業(yè)顯卡主要面向三維動畫軟件（如3DSMax、Maya、Softimage|3D等。）、渲染軟件（如LightScape、3DSVIZ等。）、CAD軟件（如AutoCAD、Pro/Engineer、Unigraphics、SolidWorks等。）等領域。

顯卡

獨立顯卡：獨立顯卡是將顯示芯片和相關設備做成獨立于電腦主板的板卡，成為專業(yè)的圖像處理硬件設備。獨立顯卡不占用系統(tǒng)內存，在架構、流處理器數(shù)量、核心頻率、顯存和位寬上明顯優(yōu)于集成顯卡。在方便性方面，獨立顯卡可以拆卸，因此如果顯卡配置較低且更換操作方便快捷，則需要將集成顯卡與主板一起更換。在價格、功耗和兼容性方面，集成顯卡優(yōu)于獨立顯卡，集成顯卡集成在CPU中，無法升級，因此不存在所謂的升級成本。獨立顯卡雖然性能強，但發(fā)熱量和功耗都比較高。

集成顯卡：與獨立顯卡相比，集成顯卡一般沒有顯存。它依靠系統(tǒng)中的部分內存作為主內存，具體數(shù)量根據(jù)系統(tǒng)的需要動態(tài)調整。一般來說，集中顯示或核顯的性能遠遠不如獨立顯卡。只有一些高端核顯可以與入門級獨立顯卡的性能相提并論，因此集中式顯示器通常不適合用于執(zhí)行3D游戲或精確的圖形操作。

用領域分類

游戲顯卡：游戲顯卡旨在滿足玩家對高清晰度、高幀率和流暢游戲體驗的需求。游戲顯卡通常具有更高的圖形處理能力和更快的渲染速度，以滿足游戲中需要處理的大量圖像和動畫數(shù)據(jù)。

專業(yè)顯卡：專業(yè)顯卡旨在滿足專業(yè)圖形應用的需求，例如3D建模、渲染、視頻編輯和CAD。專業(yè)顯卡通常具有更高的精度和更寬的色彩空間，以滿足專業(yè)圖形應用中對精細細節(jié)和色彩精度的要求。

AI/深度學習顯卡：AI顯卡主要用于深度學習等高性能計算任務，需要強大的浮點計算能力、高速內存帶寬、大容量內存和優(yōu)化的軟件驅動。游戲卡主要用于圖形渲染等娛樂用途，這需要高頻的核心時鐘、多樣的輸出接口和良好的散熱設計。因此，AI顯卡和游戲卡在硬件架構和設計上存在很大差異，這導致AI顯卡的成本遠高于游戲卡。

市場定位分類

這種分類主要針對消費級獨立顯卡，包括入門級顯卡、主流顯卡、高端顯卡和旗艦顯卡。

入門級顯卡：入門級獨立顯示器是一款性能較低的顯卡，定位于觀影和辦公級別。

主流顯卡：這個級別的顯卡也稱為性能級顯卡，性能強勁，價格實惠。

高端顯卡：高端顯卡是指價格高、性能優(yōu)的顯卡產(chǎn)品，一般面向游戲玩家、設計師等對性能要求較高的用戶。

旗艦顯卡：旗艦顯卡是指這類顯卡在所有顯卡中價格最高，性能最好。

顯卡除了輸出顯示畫面、保持畫面穩(wěn)定流暢播放等基本功能外，越來越強調高幀數(shù)和高分辨率。尤其是近年來，為游戲推出的特殊顯卡增加了光線追蹤、DLSS、FSR和XeSS等功能，使玩家在玩游戲時更具沉浸感。

光線追蹤：光線追蹤是一種計算視線觀察畫面的路徑，找到反射器和相應的光源，然后模擬照明效果的技術。

DLSS：初衷是超分辨率技術，即通過顯卡渲染一張低分辨率的圖片，然后由AI渲染一張高分辨率的圖片進行學習。

FSR：FSR用于在相同分辨率和圖像質量設置下提高游戲幀率并改善玩家的游戲體驗。

Xess：Xess是一種超級采樣技術，它使用機器學習將低分辨率幀重建為高分辨率幀，可以在低配置下顯著提高游戲的流暢性。