图形处理器（计算机术语）

图形处理器

计算机术语

当前图形处理器的通用计算取得长足发展，为适应通用计算图形处理器在硬件体系结构和软件支持方面完成相应调整和改变，面对各种应用领域中数据规模增大的趋势，多GPU系统和GPU集群的研究应用日趋增多.以流处理器及图形处理器硬件体系为依据，介绍学术和工业领域中流处理器及图形处理器体系变化趋势.从软件编程环境、硬件计算与通信等方面展开讨论，阐述通用计算中图形处理器的关键问题，包括编程模型及语言的发展和方向，存储模型的量化研究、访存模式和行为的优化以及分布式存储管理的热点问题，典型通信原型系统的对比及通信难点的分析，GPU片内和片间的负载均衡，可靠性和容错计算，GPU功耗评测及低功耗优化的研究进展.综述在海量数据处理、智能计算、复杂网络、集群应用领域中图形处理器的研究进展及成果.总结在通用计算发展中存在的技术问题和未来挑战。

简介

一个光栅显示系统离不开图形处理器，图形处理器是图形系统结构的重要元件，是连接计算机和显示终端的纽带。

应该说有显示系统就有图形处理器(俗称显卡)，但是早期的显卡只包含简单的存储器和帧缓冲区，它们实际上只起了一个图形的存储和传递作用，一切操作都必须由CPU来控制。这对于文本和一些简单的图形来说是足够的，但是当要处理复杂场景特别是一些真实感的三维场景，单靠这种系统是无法完成任务的。所以后来发展的显卡都有图形处理的功能。它不单单存储图形，而且能完成大部分图形功能，这样就大大减轻了CPU的负担，提高了显示能力和显示速度。随着电子技术的发展，显卡技术含量越来越高，功能越来越强，许多专业的图形卡已经具有很强的3D处理能力，而且这些3D图形卡也渐渐地走向个人计算机。一些专业显卡具有的晶体管数甚至比同时代的CPU的晶体管数还多。比如2000年加拿大ATI公司推出的RADEON显卡芯片含有3千万颗晶体管，达到每秒15亿个象素填写率。

组成

图形处理器由以下器件组成：

(1)显示主芯片显卡的核心，俗称GPU，它的主要任务是对系统输入的视频信息进行构建和渲染。

(2)显示缓冲存储器用来存储将要显示的图形信息以及保存图形运算的中间数据;显示缓存的大小和速度直接影响着主芯片性能的发挥。

(3)RAMD/A转换器把二进制的数字转换成为和显示器相适应的模拟信号。

主要问题

计算能力和计算模式方面的问题

当前GPU的基础———传统Z-buffer算法不能满足新的应用需求。在实时图形和视频应用中，需要更强大的通用计算能力，比如支持碰撞检测、近似物理模拟；在游戏中需要图形处理算法与人工智能和场景管理等非图形算法相结合。当前的GPU的体系结构不能很好地解决电影级图像质量需要解决的透明性、高质量反走样、运动模糊、景深和微多边形染色等问题，不能很好的支持实时光线跟踪、Reyes(Renderseverythingyoueversaw)等更加复杂的图形算法，也难以应对高质量的实时3D图形需要的全局光照、动态和实时显示以及阴影和反射等问题。需要研究新一代的GPU体系结构突破这些限制。随着VLSI技术的飞速发展，新一代GPU芯片应当具有更强大的计算能力，可以大幅度提高图形分辨率、场景细节(更多的三角形和纹理细节)和全局近似度。图形处理系统发展的趋势是图形和非图形算法的融合以及现有的不同染色算法的融合。新一代的图形系统芯片需要统一灵活的数据结构、新的程序设计模型、多种并行计算模式。我们认为发展的趋势是在统一的、规则并行处理元阵列结构上，用数据级并行、操作级并行和任务级并行的统一计算模式来解决当前图形处理系统芯片面临的问题。

制造工艺方面的问题

集成电路发展到纳米级工艺，不断逼近物理极限，出现了所谓红墙问题：一是线的延迟比门的延迟越来越重要。长线不仅有传输延迟问题，而且还有能耗问题。二是特征尺寸已小到使芯片制造缺陷不可避免，要从缺陷容忍、故障容忍与差错容忍等三个方面研究容错与避错技术。三是漏电流和功耗变得非常重要，要采用功耗的自主管理技术。现代的图形处理器芯片在克服红墙问题的几个方面有了显著的进步：利用了大量的规则的SIMD阵列结构；它的分布存储器接近了运算单元，减少了长线影响；它的硬件多线程掩盖了部分存储延迟的影响。但是随着工艺进一步发展，当前GPU的体系结构难以适应未来工艺发展，没有在体系结构上应对长线问题、工艺偏差和工艺缺陷问题的措施，特别是没有考虑如何适应三维工艺。当前最先进工艺的晶体管的栅极厚度已经大约是五个原子，在制造时，少了一个原子就造成20%的工艺偏差。因此工艺的偏差成为SoC设计不能不考虑的问题。特别是到2018年后的纳电子集成电路，可以通过随机自组装产生规则的纳米器件。因此，新一代系统芯片的体系结构必须利用规则的结构并且容忍工艺偏差，具有容错、避错和重组的能力。我们认为采用大量同构处理器元之间的邻接技术，适应纳米级工艺和未来的三维工艺，采用新型体系结构和相关的低功耗、容错和避错的设计策略，对于未来的图形处理系统芯片具有重要的科学意义。

供应商

ATI

1985年8月20日ATI公司成立，同年10月ATI使用ASIC技术开发出了第一款图形芯片和图形卡，1992年4月ATI发布了Mach32图形卡集成了图形加速功能，1998年4月ATI被IDC评选为图形芯片工业的市场领导者，但那时这种芯片还没有GPU的称号，很长的一段时间ATI都是把图形处理器称为VPU，直到AMD收购ATI之后其图形芯片才正式采用GPU的名字。

NVIDIA

NVIDIA公司在1999年发布Geforce256图形处理芯片时首先提出GPU的概念。从此NVIDIA显卡的芯就用GPU来称呼。GPU使显卡减少了对CPU的依赖，并进行部分原本CPU的工作，尤其是在3D图形处理时。GPU所采用的核心技术有硬体T&L、立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等，而硬体T&L技术可以说是GPU的标志。

型号举例

AMD

AMD笔记本电脑显卡产品主要是MobilityRadeon系列，该系列产品具备一定的3D性能，其产品主要有R9（高端）、R7（中端）、R5（低端）三个系列：

MobilityRadeonR9M200系列的MobilityRadeonR9M295X/M280/M275X//M265X；

MobilityRadeonR9M300系列的MobilityRadeonR9M395X/M385X/M375X//M365X；

MobilityRadeonR7M200系列的MobilityRadeonR7M270/M265fM260X/M260;

MobilityRadeonR7M300系列的MobilityRadeonR7M380/M370/M365/M360X/M340；

MobilityRadeonR5M200系列的MobilityRadeonR5M255/M230；

MobilityRadeonR5M300系列的MobilityRadeonR5M335/M330/M320/M315等。

nVIDIA

nVIDIA笔记本电脑显卡产品主要包括GeForce900M系列移动显卡、GeForce800M系列移动显卡、GeForce700M系列移动显卡等。

其中GeForce9800M系列移动显卡主要包括GeForceGTX980M/GTX970M/GTX960M/GTX950M/940M/930M/920M/910M等。

GeForce800M系列移动显卡主要包括GeForceGTX880M/GTX870M/GTX860M/GTX850M/840M/830M/820M等。

GeForce700M系列移动显卡主要包括GeForceGTX780M/GTX770M/GTX765M/GTX760M/GT755M/750M/GT745M/GT740M/GT730M/GT720M/等。

参考资料

1.图形处理器通用计算关键技术研究综述·中国知网