PC 游戏显卡发展历程：从十多家 GPU 公司到三足鼎立

如今的 PC 游戏玩家在选择显卡时可以认为自己很幸运（当然是相对而言）。虽然只有三家 GPU 制造商，但他们生产的每款型号几乎都能保证运行您喜欢的任何游戏，尽管速度各不相同。三十多年前，情况截然不同，有十多家 GPU 公司，每家都提供自己的图形渲染方法。有些非常成功，而有些则不那么成功。

但没有哪家公司能像 3D 游戏行业的先驱 那样。它的第一款产品很棒，之后又推出了两款平淡无奇的产品，最后逐渐销声匿迹 —— 这一切都发生在五年之内。这是一个值得一提的故事！

十年的混乱开端

20 世纪 90 年代初期的 PC 游戏既让人兴奋又让人沮丧——要让硬件正常工作，需要无休止地摆弄 BIOS 和驱动程序设置，即便如此，当时的游戏对这一切的要求也非常挑剔。但随着时间的推移，PC 变得越来越受欢迎，全球数百万人自豪地拥有、Dell、和 Bell 的机器。

这些并不是专门用于游戏的。花 3,000 美元可以买到一台不错的 Intel 机器，运行速度为 66 MHz，拥有 4MB RAM 和 240MB 硬盘。但显卡呢？如果你运气好，它可能配备了 ATI Ultra Pro 2D 加速器，配备 1MB VRAM 和 Mach 32 图形芯片。但如果运气不好，那么你只能买到 SiS 或 的超低价产品。

与世嘉的 Mega Drive/ 或 Super NES 等游戏机的视觉输出相比，即使是最好的 PC 图形也只是基础但可用。然而，该平台上没有游戏将硬件推向极限。

20 世纪 90 年代初期最畅销的 PC 游戏是点击式冒险游戏，例如Myst或其他互动游戏。这些游戏都不需要强大的显卡来运行，只需要支持 8 位或 16 位色彩的显卡即可。

变革即将来临。随着 3D 图形成为街机游戏的常态，游戏的发展方向已十分明确，尽管它们使用专门的硬件来实现这一点。具有 3D 图形的 PC 游戏（如Doom）通过 CPU 处理所有渲染，而系统的显卡只是将帧转换为可以在显示器上显示的内容。

模拟 Namco 的《山脊赛车》等游戏中的图形例如，家用电脑需要具有类似功能的硬件，但零售价仅为街机的一小部分。老牌图形公司（ATI、 、S3等）的兴趣发展缓慢，为新鲜血液进入该领域留下了充足的空间。

许多初创公司纷纷涌现，设计出可以取代 CPU 进行 3D 渲染的新型图形适配器。舞台左侧是 Inc，由 Jay 和Mike Boich于 1993 年共同创立。

他们的野心简单而大胆——为附加卡开发一个芯片组，可以处理 2D 和 3D 图形加速，然后将其出售给游戏和专业行业。然而，他们并不是唯一一家这样做的公司，他们面临着来自其他 4 家新公司以及已经存在多年的公司的激烈竞争。

流出第一滴血

1995 年， 发布了其首款产品 Vérité V1000-E。作为一家无晶圆厂公司， 依靠向其他人出售许可证来制造和使用其设计。四家 OEM 供应商接受了挑战，一年后，、 Labs、 和 都推出了使用新芯片组的卡。

如今，各种显卡的架构之间差别不大，但 3D 加速器的早期迭代却截然不同。 在 V1000 上采用了一种不同寻常的方法，将中央芯片设计为 RISC CPU，类似于MIPS，充当像素管道的前端。

该芯片以 25 MHz 的频率运行，可以在一个时钟周期内执行一次 INT32 乘法。但是，纹理过滤和深度测试等标准渲染任务都需要多个周期才能完成。

理论上，在非常特殊的条件下，V1000 每秒可以输出 2500 万像素（即显卡的填充率）。对于典型的 3D 游戏，该芯片至少需要两个时钟周期才能输出单个纹理像素，从而有效地将填充率减半。

但 在第一个 Vérité 模型中还是有自己的一些优势的。它用硬件处理所有三角形设置例程，而其他所有显卡都需要 CPU 来处理这些任务。由于 PC 的中央处理器还负责 3D 游戏中的所有顶点处理，因此 V1000 的这一功能减轻了 CPU 的负担。

所有 V1000 卡均使用 PCI 总线连接主机，这在业界仍是一个相对较新的标准。它们可以利用总线控制和直接内存访问 (DMA) 等功能来提高性能。

的显卡也是完全可编程的（从技术上讲，它是有史以来第一款消费级 GPGPU），工程师为 和 DOS 开发了多个硬件抽象层 (HAL)。这些 HAL 将各种 API 的指令转换为芯片组的代码。从理论上讲，这使得 Vérité 显卡成为当时软件支持最广泛的显卡。

引入重磅武器

最精彩的部分是一款相当著名的游戏——Quake。

在 Doom 及其续集大获成功后，id 开始着手开发一款新游戏，该游戏将发生在一个完全 3D 的世界（不同于 Doom 的伪 3D 特性）。Quake 于 1996 年 6 月发布，六个月后，id 推出了一款针对 Vérité 芯片组优化的移植版，名为。

在游戏的原始版本中，所有 3D 渲染均由 CPU 处理。不过，程序员约翰·卡马克和迈克尔·亚伯拉什重写了大部分代码，以充分利用 Vérité 的功能。

当时，英特尔奔腾 166 等处理器可以以320 x 200 的分辨率以大约 30 fps 的速度运行 Quake 。借助 和 的显卡，速度可以提高到 40 fps 以上，并且游戏包含适当的双线性纹理过滤甚至抗锯齿（通过 开发并在几年后获得专利的系统）。

这听起来可能不是一个巨大的改进，但对于像 Quake 这样的快节奏游戏来说，每秒增加的每一帧和图形增强都会产生影响。不过，问题仍然存在：为什么性能没有更好？部分答案在于 V1000 缺乏对 z 缓冲区的硬件支持，因此程序员仍然必须依赖 CPU 进行深度计算，即使这样，也要尽可能少地进行计算。

作为图形加速器的首次尝试， Vérité V1000 令人印象深刻。它是市场上唯一一款同时处理 2D和3D 图形的产品，并且具有强大的性能，只要游戏避开它的弱点（例如使用 或其专有的 3D HAL 之一），它就会非常快。

然而，V1000 也存在很多错误（尤其是在不支持 DMA 的主板上），在传统 VGA 模式下运行时速度非常慢，而且 支持非常差。最终，正是 的这个弱点决定了该产品的命运。

屈居明星表现之下

另一家在 3D 领域雄心勃勃的初创公司是3Dfx ，该公司成立于 成立一年后，但早在 V1000 发布之前就发布了其首款产品 。这款 3D 专用加速器最初面向专业市场销售，由于 DRAM 价格大幅下降，它于 1996/1997 年进入家用电脑。

该图形芯片组（代号为 SST1）拥有 50 MHz 的时钟速度，可以每个时钟周期渲染一次像素并应用双线性滤波纹理 - 比一般市场上的任何其他产品都要快得多。

与 一样，3Dfx 也开发了自己的软件 Glide，用于对加速器进行编程。然而，当它出现在各种 OEM 型号中时（来自使用 Vérité V1000 的同一家公司），另一种 HAL 被引入——。本质上， 是 （一种通常用于专业市场的 API）的高度精简版本，完全是因为 id 于 1997 年初发布的另一个版本的 Quake 而诞生的。

的开发是因为 John 不喜欢使用专有软件。此版本使用标准化的开源 API 进行渲染，显著提高了受支持的显卡的性能和图形质量。3Dfx 的 驱动程序将 指令转换为 Glide 指令，使 芯片组能够完全支持 。

凭借 50 MHz 的时钟速度和对 z 缓冲区的硬件支持，使用 的显卡明显比使用 的 V1000 的任何显卡都要快。3Dfx 的第一款型号的最大分辨率限制为 640 x 480，并且始终为 16 位色彩，但即便如此，最好的 Vérité 显卡也只有任何 型号的一半快。

有人试图通过发布更新的芯片（ 或 LP）进行反击，该芯片运行电压较低，允许其时钟频率高达 30 MHz 并搭配更快的 RAM。然而，它仍然落后于 3Dfx 的产品。在 20 世纪 90 年代竞争激烈的半导体行业，就像在体育界一样，历史往往会忘记那些第二名。

步履蹒跚的第二幕

几乎立即开始着手开发 V1000 的后续产品，旨在继承第一款产品的优点，同时解决其缺点。为了在 1997 年夏季推出，工程师们重新设计了芯片设计 - 提高了 RISC 处理器的时钟速度和功能集（每个周期最多三个指令），扩展了像素引擎的功能（例如，增加了对 z 缓冲区和单周期纹理过滤的硬件支持），并从较慢的 EDO DRAM 升级到较快的 SGRAM。

在图形芯片行业中，芯片分级开始变得更加引人注目。

芯片分级是图形芯片行业越来越常见的做法，它允许制造商以不同的价格出售同一芯片的不同版本。 利用这一点，于 1997 年 9 月发布了两个版本 - 主频约为 45 MHz 的 V2100 和运行速度快 10 到 15 MHz 的 V2200。除了时钟速度外，这两款芯片之间没有区别，但大多数供应商都选择了速度更快的型号。

原因很简单——他们可以为此收取更高的价格。例如， 最初以 99 美元的价格出售采用 V2100 的 II S220（后来由于销量不佳而降价至半价），而采用 63 MHz V2200 的 3D 的4 MB 版本售价为 129 美元，8 MB 版本售价为 240 美元。

作为 V1000 的继任者，这些新芯片的改进显而易见，尽管有些低调。性能确实更好，而且附加功能提高了与市场上越来越多的 3D 游戏的兼容性。然而， 并非一帆风顺。

V2000 系列的开发一直受到众多问题的困扰，部分原因是该公司的设计流程。由于缺乏自己的制造工厂， 的大部分处理器测试都是通过软件进行的。不幸的是，在模拟中运行良好的东西在实际应用于硅片时往往无法正常转换，因此 错过了几个月的发布目标。

竞争对手的表现也好不到哪里去（3Dfx 的第二款产品 Rush实际上比原来的 更慢），但与 ATI、 和 发布的产品相比，V2000 系列的进步还不够大。

虽然新硬件最终引入了 mip-，但它只能按三角形应用，而竞争对手可以按像素应用。 还继续推广其专有软件，或许是以牺牲对 和 的更好支持为代价的，尽管这两个 API 现在都得到了适当的支持。

尽管面临这些挑战， 的工程努力仍然获得了足够多的兴趣，吸引了其他公司的进一步投资。

希望与失败

1998 年，当 仍在开发其 Vérité 图形芯片组的第三代产品时，该公司及其知识产权和员工被出售给当时正在收购多家企业的美国 DRAM 制造商美光科技。V3000 系列预计将与 V3000 系列大致相同，但时钟速度更快（IBM 计划生产该芯片）并且像素引擎得到显著改进。

然而，尽管拥有自己的制造设施和更多资源，但该项目的进展速度却不够快，无法与 3Dfx、ATI 和 的产品保持竞争力。美光公司的老板决定停止这个项目，V3000 也因此被放弃。

相反，他们制定了新的方向，并启动了 V4000 项目，计划于 2000 年推出。这款芯片组旨在整合一系列新功能，最令人印象深刻的是至少 4 MB 的嵌入式 DRAM (eDRAM)。索尼 2（2000 年 3 月推出）中的图形芯片也采用了 eDRAM，因此这并不是一个过于雄心勃勃的目标。然而，美光的目标并不是游戏机或独立显卡。

对于管理层来说，主板芯片组市场似乎更有利可图，因为 3D 加速器只对 PC 游戏玩家有吸引力。通过制造能够取代传统（且独立的）北桥和南桥芯片角色的单一处理器，美光确信他们有足够的资金和人力在同一游戏中击败英特尔、S3 和 VIA 等公司。

最终，该项目未能如愿。该项目被放弃，原因是人们担心单个芯片太大——超过 1.25 亿个晶体管。相比之下，同一时期 AMD 的 1200 CPU 仅包含 3700 万个晶体管。美光后来尝试为 处理器开发芯片组，并使用一些 eDRAM 作为 L3 缓存，但这一努力没有取得多大进展，该公司很快就完全退出了芯片组市场。

可耻的结局

至于 及其图形处理器，一切都结束了。美光从未对该 IP 做过任何事情，尽管它曾短暂地将 这个名字用于 的一系列廉价内存产品，后来又换成了新名字。

带有 Vérité 芯片的显卡只在市场上销售了几年，不过，如果你想在 Quake 中获得最佳性能和图形，那么在很短的一段时间内，它是你电脑里的首选。时间已经淘汰了几乎所有其他图形公司，现在市场由 主导，该公司在 20 多年前收购了 3Dfx。ATI 于 2006 年被AMD收购， 停止生产 显卡，但他们的图形 IP 被用于 Apple 和许多其他公司生产的现代芯片中，而 则放弃了游戏领域，转而服务于小众专业市场。

如今， 已成为图形处理器历史上的一个小注脚——它提醒我们 3D 图形成为下一个大热门，芯片设计师追求截然不同的方法的时代。虽然 早已消失，但它并没有被遗忘。

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