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(shù)創(chuàng)新和迭代。
隨著計算機領(lǐng)域進入統(tǒng)一渲染架構(gòu)時代，顯卡的重要性凸顯。并且對架構(gòu)進行了優(yōu)化，使GPU能夠完成大規(guī)模計算需求，NVIDIA CUDA技術(shù)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。
發(fā)展歷史
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(zhuǎn)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(shè)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(diào)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(shè)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(shù)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(shù)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(quán)。2009年，AMD發(fā)布了最強的單核顯卡HD5870，大幅領(lǐng)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(gòu)誕生，代表顯卡是GTX 680。升級到28納米技術(shù)的開普勒架構(gòu)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(gòu)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(gòu)，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(gòu)削減了太多邏輯控制單元，導致CUDA冗余利用率低。這一代側(cè)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(gòu)顯卡的研發(fā)，因此只能在原有的GCN架構(gòu)上縫縫補補。直到RYZEN系列處理器的成功，采用RDNA架構(gòu)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(gòu)。依靠新的Pascal架構(gòu)和臺積電的16納米技術(shù)，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(gòu)徹底擊敗AMD之后，NVIDIA仍然不滿意。2018年，圖靈架構(gòu)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(shù)。
如今，采用安培架構(gòu)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(shù)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。
組成結(jié)構(gòu)
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(gòu)、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(nèi)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(diào)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。
技術(shù)指標
核心架構(gòu)
架構(gòu)其實是影響顯卡性能的最重要指標，而新一代架構(gòu)的出現(xiàn)通常意味著產(chǎn)品的升級。你可以這樣理解架構(gòu)，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(shù)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(guān)系。顯存的頻率與顯存的時鐘周期有關(guān)，兩者是倒數(shù)關(guān)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。
產(chǎn)品分類
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(shè)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(lǐng)域。
顯卡獨立顯卡：獨立顯卡是將顯示芯片和相關(guān)設(shè)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(shè)備。獨立顯卡不占用系統(tǒng)內(nèi)存，在架構(gòu)、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(nèi)存作為主內(nèi)存，具體數(shù)量根據(jù)系統(tǒng)的需要動態(tài)調(diào)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(lǐng)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(nèi)存帶寬、大容量內(nèi)存和優(yōu)化的軟件驅(qū)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(shè)計。因此，AI顯卡和游戲卡在硬件架構(gòu)和設(shè)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(shè)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。
特征函數(shù)
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(diào)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(shù)。
DLSS：初衷是超分辨率技術(shù)，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(zhì)量設(shè)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(shù)，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。