導讀：本文帶你回顧從CPU到GPU的歷史，再展望從GPU到TPU的未來。

作者：錢綱

來源：大數據DT（ID：hzdashuju）

01 第一代、第二代GPU

1998年英偉達宣布GPU的研發成功，是計算機顯示的歷史性突破。此后，20世紀70年代末到1998年被稱為pre-GPU時代，即前GPU時代，1998年以后則被稱為GPU時代。

在前GPU時代，一些圖形處理器廠商，都研發了各自的GPU，這些GPU仍然在持續改進并被廣泛使用，其價格也非常昂貴。

現代GPU中使用的晶體管數量已遠超過CPU。2.4GHz的英特爾奔騰IV CPU用到了5500萬個晶體管，英偉達在GeForce FX GPU上的晶體管數量超過了1.25億個，而英偉達7800 GTX上的晶體管數量達到了3.2億個。

1993年1月，由黃仁勛等三人發起成立的英偉達公司在硅谷中心的圣克拉拉市創建。它是一家為電腦和游戲機生產顯卡與GPU的芯片設計公司。

黃仁勛于1963年出生于中國臺灣，幼年時隨父母移居美國。20歲時，黃仁勛結識了現在的妻子洛麗。他向洛麗承諾會在30歲時擁有一家自己的公司。1993年，30歲的黃仁勛創建了英偉達，兌現了這一諾言，也迎來了其人生的轉折點。

英偉達的顯卡產品線分為GeForce和Quadro兩大系列。1999年，GeForce首次亮相，產品覆蓋桌面與移動領域。

英偉達最初的產品NV1和NV2是基于二次曲面貼圖（Quadratic TextureMaps）來實現三維效果的，它們在微軟的Direct 3D多邊形3D圖形標準發布后，失去了市場。這一失敗讓英偉達走到了破產的邊緣，若沒有SEGA早期的700萬美元訂單，讓英偉達還能研發NV3，英偉達可能早已不存在了。

因為NV1和NV2的失敗，英偉達把命運押注在了NV3上，也是我們熟悉的Riva128顯卡。英偉達吸取了教訓，對Direct 3D和OpenGL提供了完整的支持。其三維性能在非Glide游戲里超過了voodoo。

voodoo只是純三維加速卡，而Riva128擁有完整的二維加速能力。Riva128很快成了OEM和零售商的寵兒。1998年，Riva128發布后不到一年，其出貨量一舉超越了voodoo，讓英偉達起死回生。

1998年，英偉達發布了RivaTNT，但其硬件指標不屬于voodoo2 SLI，當時的游戲基本還是以支持Glide為主，但Glide的很多超前特性在DX和OpenGL上根本沒有。TNT的二維畫質較差，很多二維用戶對它提不起興趣。相比之下，英特爾的第一款顯卡i740則具有當時最優秀的二維顯示能力并贏得了大量的市場。

1998年的晚些時候，英偉達發布了TNT2。這一款GPU對TNT的缺點進行了全面修正。TNT2給了3Dfx致命一擊。最后，3Dfx的知識產權在2000年被英偉達買斷。

英偉達的TNT2、ATI的Rage、3Dfx的Voodoo都屬于第一代現代GPU。這一代GPU獨立于CPU進行像素緩存區的更新，還能光柵化三角面片并進行紋理操作，但這一代的GPU不能進行三維頂點的空間坐標變換，它依賴CPU進行頂點坐標變換的計算。第一代GPU的功能有限，只能用于紋理組合的數學計算或者像素色值的計算。

1999年，英偉達發布了Geforce256（見圖25-1），它的核心是NV10，采用0.22微米制程工藝，有四條渲染管線，每一條管線有四個像素單元，一個材質單元，并提供SDRAM和DDR SDRAM兩種不同顯存的配置，GeForce 256同時支持Direct3D 7.0、T&L以及OpenGL1.2先進的圖形技術，以至其成為當時生命周期最長的產品。

▲圖25-1 英偉達的GPU：Geforce256

在發布Geforce256時，英偉達首創了圖形處理器一詞GPU（GrapgicProcess Unit）。在Geforce256之前，T&L由CPU或者另一個獨立處理器處理。

把T&L整合到GPU中是一大進步，原因是GPU從CPU接管了大量工作。硬件T&L引擎帶來的效果是，三維模型能用更多的多邊形來描繪，這使得三維效果更加細膩。對于Lighting來說，CPU不必計算大量的光照數據，直接通過GPU就能獲得更好的效能。

T&L是GPU的一個規格名稱，即Transforming和Lighting的首字母縮寫，含義為光影轉換。在GPU中，T&L最大的功能是處理圖形的整體角度旋轉以及光源陰影等三維效果。

在Geforce256面前，3Dfx完全沒有了反擊的可能。這是一款出類拔萃的芯片，也是世界上第一款真正的GPU。它有對硬件T&L的完整支持，以及兩倍于TNT2的性能指標。使用了DDR內存后，它的性能領先voodoo3一倍。Geforce256讓英偉達稱霸顯卡和GPU市場。

02 第三代、第四代GPU

2000年，ATI發布了繼Geforce256之后第二款真正的GPU——Radeon256。其性能較前者更優。即便與后來的Geforce2 GTS相比也絲毫不差。

2000年，英偉達發布了低端經典CPU——Geforce2 MX，它讓英偉達牢牢把持住了低端市場，而3Dfx的境況則越來越凄慘。

2000年，是顯卡廠商大洗牌的開始。S3、SIS等廠商無力與英偉達和ATI競爭，淡出了顯卡市場。英偉達的產品細分策略也讓ATI應對乏力。ATI并沒有成功地挑戰英偉達的霸主地位，但它選擇了GPU之路，避免了和其他廠商相同的命運。

4核的voodoo56000也沒有挽回3Dfx的命運，72瓦的高功耗讓它成了第一款需要外置電源的顯卡，AGP接口無法提供那么高的功率。但voodoo5 6000因其稀少，反而成了一款熱門收藏的顯卡。

2000年12月，3Dfx被英偉達收購。結束了一代神話，留給人們無盡的感嘆。

2001年，首先出現的是DX版本升級到了8.0，GeForce3則成為第一款支持DX8.0的GPU。xbox的訂單讓英偉達如虎添翼，但ATI毫不示弱。2001年中，DX升級到8.1，而Radeon 8500則成為第一款完整支持DX8.1的GPU，其性能較Geforce3有了明顯的提升。

這使ATI成為繼3Dfx后唯一有實力和英偉達競爭的廠商。但Radeon8500的驅動是令人頭痛的問題，瑕不掩瑜，Radeon 8500仍是一款優秀的產品。8500的前身Radeon7500以GeFroce2 MX的價格及超過GeForce2 Pro的性能成為低端GPU明星。

不久，制程更先進的GeFroce2Ti和pro因為它們更出色的性價比讓英偉達重新贏得了低端市場。這一年，也是ATI成立后的16年來首次出現虧損。

2001年開啟了第三代GPU時期，第三代GPU有頂點編程能力（Vertex Programmability），如GeForce 4Ti、（見圖25-2）ATI的8500等。這些GPU允許應用程序指定一個序列的指令進行頂點操作，這是GPU編程的本質。

這是一個具有開創意義的時期，這一時期確立的GPU編程思路且一直延續至今，它不但深入到工程領域改善了人們的日常生活，而且開創了諸多計算機科學的新領域，如體繪制、光照模擬、人體動畫、通用計算等。同時，Direct8和OpenGL也提供了對頂點編程能力的支持。

只是這一代GPU尚沒有支持像素級的編程能力，即片段編程能力（Fragment Programmability）。

▲圖25-2 英偉達的GPU：GeForce 4Ti

所謂頂點（Vertex），即我們熟悉的三維圖形的頂點，由于三維模型是基于坐標空間內部設計的，所以頂點信息包含了三維模型在空間內的坐標等信息。

頂點投影（Vertex Shader）就是頂點信息的運算編程器，可以通過賦予特定算法在工作中改變三維模型的外形，頂點投影的頂點運算單元可以直接檢索顯存中的材質數據。現代三維游戲的場景極為復雜。所涉及的材質和多邊形數量非常驚人。游戲開發人員必須利用頂點投影的新特性，充分發揮想象，實現漂亮的特效。

2002年，微軟為了對抗PS2，降價銷售XBOX。這讓英偉達很不滿，微軟選擇了ATI作為其下一代主機的GPU供應商。英偉達毫不示弱，同年發布了GeForce4系列產品，其低端產品GeForce4 MX440在很長一段時間內都是低端顯卡的性能標桿。

英偉達沒料到的是，這一年ATI祭出了它的極品：R300（見圖25-3）。它具有領先英偉達產品接近一倍的性能。ATI讓英偉達措手不及。從此，ATI和英偉達開始平起平坐。

▲圖25-3 ATI R300的構架

R300的出現讓英偉達措手不及。很快，英偉達就開發出了下一代產品：GeForce FX。

但英偉達太過性急，不成熟的0.13微米工藝及過高的頻率葬送了FX5800Ultra。其性能只是勉強超過了9700pro，然而其發熱和噪聲成了硬傷。它在GPU史上第一次采用了渦輪散熱。在性能只略高于9700pro的情況下，功耗居然比9700pro高兩倍。這款GPU是英偉達最失敗的產品。

2003年，ATI推出了支持DX9和DDR2的9800pro。9800XT再次勝過了FX5900。英偉達后來發布的FX5950在功耗遠超9800XT的情況下，性能仍落后于9800XT。這一年，ATI在GPU領域里領先于英偉達。

2002年末到2003年，第四代GPU即GPGPU出現了。SIGGRAPH 2003大會上，與會人士探討了利用GPU進行通用計算的設想和模型，這奠定了GPGPU的基礎。其后3年，用統一的流處理器取代GPU中原有的不同著色單元的設計釋放了GPU的計算能力，為今天的GPU編程計算打下了基礎。

英偉達的GeForceFX和ATI Radeon 9700是第四代GPU的先驅，這兩款GPU都具有頂點編程和片段編程能力。同時DirectX和OpenGL也都擴展了自身的API，用以支持頂點編程和片段編程。2003年以后，可編程的GPU正式誕生，在DirectX和OpenGL鍥而不舍的改進下，基于圖形硬件的編程技術，即GPU編程，宣告誕生。

可編程GPU也有其缺陷。因為在GPU內，任意一個元素的計算與其他同類型數據無關，這就導致了依賴數據間相關性的算法在GPU上很難實現，如射線與物體的求交運算。GPU中的控制器遠少于CPU，其控制能力有限。

另外，GPU編程必須懂得計算機圖形學知識，以及圖形處理API，其門檻較高，學習周期長。早期的GPU編程使用匯編語言，開發難度高，效率低。不過，隨著Advanced Shader Language的興起，GPU編程已經容易多了。

可編程GPU的應用非常廣泛。尤其是在科學可視化計算上，GPU的優勢極大。由于人體CT、地質勘探、氣象數據、流體力學等科學可視化計算處理的數據量極大，基于CPU的計算無法滿足實時性要求，在GPU上進行計算則效率很高。

很多CPU上非常耗時的算法都能移植到GPU上。目前，基于GPU的科學可視化研究已成為主流。

可編程GPU的通用算法前景非常好。基于GPU進行通用計算的研究目前很熱，被稱為GPGPU（General-purpose Computing>

目前，線性代數、物理仿真和光線跟蹤算法都已經成功地移植到了GPU上。這一切都是因為在2003年后，GPU正式進入了可編程階段。GPU的并行處理能力強于CPU，因此用戶可以在同一時間內讓GPU并行處理很多頂點數據。盡管GPU有很強的并行能力，但GPU無法取代CPU，這是因為GPU無法實現CPU強大的邏輯運算能力。

2004年，英偉達的GeFroce 6800Ultra讓它奪回了GPU老大的地位（見圖25-4）。ATI的X800在性能上不屬于GeFroce 6800ultra，但是不支持最新的DX。而GeFroce 6800Ultra完整支持9.0c，X800只支持9.0b。這一次，ATI又敗下陣來。

▲圖25-4 英偉達的GeFroce 6800Ultra

GeForce 6800Ultra作為面向高端市場的顯卡，渲染管線增加到16條，采用GDDR3顯存頻率達到1.1GHz，內存帶寬達到35.2GB/s，性能相對上代GPU有了巨大的提升。

2004年，ATI在中低端市場中創造了一個神話：Radeon9550。這款GPU是ATI史上最成功的產品，售價為500美元，它的Radeon 9550在性能上并不輸于Radeon 9600。通過修改BIOS，它能直接具有Radeon 9600的性能，通過修改驅動能使其成為專業GPU。

此時，英偉達在低端市場中只有FX5200，正是英偉達在低端市場中的不作為成就了Radeon9550（見圖25-5）。

▲圖25-5 ATI的Radeon9550

2005年，英偉達發布了第二代9.0c顯卡，Geforce 7800GTX，相對于6800Ultra其性能提高了40%。ATI因為制程的原因，在第四季度才推出了以R520為核的Radeon X1800，其在性能上稍勝7800GTX。這一年，GPU市場稍顯平淡。

2006年，英偉達在把顯存翻倍的同時，把7800GTX的核心頻率也拉高了25%，帶來了20%以上的性能提升，×1800的優勢瞬間消失。一代經典R580直追而上，×1900則將7800GTX 512MB擊敗，即便面對后來的7900GTX，×1900也毫不遜色。

7950GX2則作為英偉達的第一款雙PCB雙芯卡出現了。緊隨其后的ATI使用了GDDR4顯存，推出了RadeonX1950 XTX，這款DX9時代最強的單芯GPU成就了ATI最后的輝煌。2006年7月，AMD收購了ATI。

2006年年底，真正的顯存變革到來了。DX10統一了渲染架構，頂點著色引擎，此舉結束了像素渲染與引擎的分置。英偉達的8800GTX也因視窗Vista沒有發布，在沒有任何DX10游戲支持的情況下，實現了對1950XTX接近50%的性能領先。8800GTX贏得了當時媒體的種種溢美之詞。

03 GPU的新發展

2007年，AMD在8800GTX上市半年后推出了以R600為內核的2900XT，512比特的環形顯存總線讓它成了高功耗、高發熱的GPU，其性能卻沒有超過8800GTS。R600的失敗讓G80成了史上最長壽的內核，它的后代G92持續了三代顯卡。

2007年，相對2900XT的失敗，AMD推出的以RV670為核的HD3870/3850則是一款具有優秀性價比的核心，舍棄了環形總線，位寬降到了256比特。其極低的成本讓它具有了極高的殺價資本。AMD甚至制造了一款雙芯卡——HD3870X2。由于RV670的成功，AMD放棄了大核心的策略。

因為AMD的乏力，所以英偉達減慢了升級速度。2008年7月，英偉達發布了以G92為核心的9800GTX，它相對于G80沒有實質性的提升，這給了AMD機會。同年，以800SP為核的RV770成了AMD的撒手锏。HD4850迫使9800GTX一夜之間降價千元。

這一年AMD的HD4870勝過了英偉達的全新GPU：GTX260，其高端的GTX280也被AMD的4870X2擊敗。英偉達不得不臨時升級GTX260并推出了GTX260+，這才挽回一點市場，9800GTX升級為9800GTX+之后又以GTS250的身份繼續服役。G92核心極為長壽。

盡管主流市場被AMD擊敗，但GTX280和GTX295保住了英偉達GPU性能之王的地位。

GeForce GTX 280，采用65納米工藝制程，擁有240個流處理器，支持雙精度浮點運算，內存帶寬高達142GB/s，它強大的規格在高端市場中穩住了英偉達的地位。

2009年9月，AMD發布了支持Direct×11的Radeon HD 5800系列GPU，Radeon HD 5800系列帶著全新的對Direct×11的支持和過硬的規格沖擊著GeForce GTX 200系列的地位。

2010年，英偉達發布了它的全新的GPU構架，但它犯了與FX5800同樣的錯誤。以Fermi構架為核的GTX480以其巨大的功耗和發熱量聞名于世，據說發生過有人用480來煮雞蛋的事情，可見480有多熱。

相比之下，HD5870則優秀得太多了。它的雙芯版本HD5970坐穩了長達一年以上的GPU性能之王的寶座。Fermi在升級最新制程之后，改善了發熱量高的問題，也把流處理器發展到了512個。同年，英偉達在這一年收獲了新外號：核彈。因為某媒體在評測GTX580時GPU爆炸了。

2011年，英偉達重組了Fermi核心，推出了GeForce GTX 580。上一代GTX 480因為良品率低沒有采用完整的Fermi核心，原設計中的512個流處理器因此被削減。

在以GF110為核心的GeForce GTX 580中，流處理器是完整的512個，GF110在紋理采樣與算法上做了進一步優化。相對GF100核心，GeForce GTX 580在工作頻率更高的情況下，功耗和溫度也達到了均衡，在性能上超越了AMD的Radeon 6970。

2011年，英偉達為了彌補中高端GPU的空缺，正式推出了GeForce GTX560 Ti，它采用的是全新的GF114架構，GF114不在旗艦核心上進行削減，而是優化CUDA核心和SM單元，使其更貼合市場定位，這使它在中高端GPU市場中獲得了不錯的反響。

2012年，在經歷了Radeon HD 6970的低迷后，AMD重振旗鼓發布全新的基于CGN架構的Radeon HD 7970 GPU，它采用了臺積電最新的28納米工藝制程，不再使用投影分頻模式，在增加了CUDA數量的同時，使同頻運行的模式帶來的功耗相對比投影模式要低。

在AMD推出Radeon HD 7970后的三個月，英偉達在全新的Kepler架構基礎上，推出了GeForce GTX 680 GPU。無論是游戲性能、功耗以及價格方面，它都要比Radeon HD 7970強大。

從GeForce GTX 680開始，GPU Boost動態加速被引入了GPU，GPUBoost根據TDP（Thermal Design Power）范圍值提高核心頻率或者降至標準頻率，同時適用于超頻狀態。

在Kepler架構上，英偉達推出了新的TXAA抗鋸齒，相比多重采樣抗鋸齒（MSAA），畫面更出色，效能也更高，同時為了解決在幀數過低時打開垂直同步造成的幀數暴降，英偉達在新的TXAA抗鋸齒中加入自適應垂直同步（Apdative VSync）技術。

2013年，英偉達在第二代Kepler架構的基礎上推出了GeForce GTXTitan和780Ti。

第一代Kepler架構的GeForce GTX 680作為旗艦GPU在各方面表現得都不錯。在此基礎上，英偉達推出了大核心GK110，并命名為GeForceGTX Titan，首次沒有采用數字編號的命名方式，Titan的意思是代表著最高性能的GeForce顯卡。

最早使用GK110架構的GPU是英偉達的Tesla/K20/K20X。它們的單/雙精度的浮點性能在當時達到了史上最佳。

GeForce GTX Titan的整體規格和英偉達的Tesla K20X相似，擁有2688CUDA核心，優化了SMX單元，工作頻率更高，在當時性能是單卡中最強的。在當時的GPU市場上，GeForce GTX Titan的性能無與倫比，但其定價為7999元則令很多消費者望而卻步。

英偉達很快又推出了GK110完整核心架構，它擁有核心全部15組SMX單元，同時核心與顯存頻率也有所提升，GK110核心改進了功耗和溫度，以此為基礎的GeForce GTX 780Ti GPU使英偉達重新登上了GPU的王者之位。

2014～2015年，英偉達又推出了高效的Maxwell架構及在此基礎上的GPU：GeForce GTX 980和GeForce GTX 970。

從Fermi到Kepler架構，英偉達在追求性能極致的同時，努力降低GPU功耗。第一代Maxwell架構是定位稍低的GM107核心，它改進了SMX單元，提高了每瓦性能。

而第二代Maxwell架構的核心是GM204，GM204在合理控制核心面積的同時，增加了SMX的數量，提高了效率。使用Maxwell架構，即使使用28納米工藝制程，性能也能大幅度提升并降低了功耗。

英偉達推出GeForce GTX 980和GeForce GXT 970不僅是為了革新自己的核心架構，也是為了在市場上繼續打壓AMD的R9 Radeon 290X/290GPU。

英偉達在領先了九個月的情況下，AMD推出了R9 Radeon390/390X GPU，在Hawaii構架的基礎上降低了功耗，提高了頻率和顯存容量，同時經過CGN通用架構的驅動不斷優化，AMD終于挽回了一局。

在從GeForce 600系列到GeForce 900系列的GPU中，英偉達一直采用臺積電28納米制程工藝，2016年5月，英偉達推出了采用新一代16納米FinFET制程工藝的Pascal架構，晶體管數量多達72億個，核心頻率大幅度提升，用戶輕松超頻就能突破2GHz。

Pascal架構采用的是GP104核心，并非是GP100大核心，但還是帶來了GDDR5X顯存升級、異步運算改進、新的VR技術等方面的提升。

目前，英偉達采用Pascal架構的GPU有GeForce GTX 1080（見圖25-6）、GeForce GTX 1070和GeForce GTX 1060，三款GPU代表旗艦、高端、中高端三個級別。

▲圖25-6 英偉達的GeForce GTX 1080

目前，AMD只有唯一的新款——采用了Polaris架構的Radeon RX480，定位與GeForce GTX 1060相符，但是從各方面的表現來看，Radeon RX 480不如GeForce GTX 1060。

在GeForce系列前，英偉達只是在GPU廠商百花齊放的時代翻滾打拼，生存并逐步壯大，而今天風靡全球的GeForce系列GPU則把它推到了GPU的王者之位。

英偉達的GeForce產品線從誕生至今，已經走過了17個年頭。它為我們提供了很多經典產品。三維游戲因其卓越的性能給用戶帶來了超級震撼的使用體驗。

04 未來的GPU發展方向

今天，我們面臨的芯片制程工藝已經達到了7納米。半導體芯片的制程工藝眼看就要達到物理極限，而我們面臨的需要處理的信息和應用卻不減反增。大數據和人工智能的時代已經來臨。

為了應對這些新局面，人們開始從傳統的以CPU為主GPU為輔的英特爾處理器構架轉變為以GPU為主CPU為輔的新構架，盡管當前的計算系統仍是“CPU+協處理器”的混合架構。

隨著機器學習算法等AI在各應用領域中表現出優越性能后，對機器學習算法硬件上的支持就成了處理器設計的重要考量。

目前，很多機器學習算法都在GPU上運行，但GPU仍是一種通用芯片，其效能與功耗還沒有在機器學習算法上優化。這時，谷歌出手了，它要做一款專用于機器學習算法的芯片，于是便有了TPU（Tensor Processing Unit）。

簡單地說，CPU是完全通用的處理架構；GPU是通用的圖像處理構架，是準通用處理架構；而TPU則有明確的目標和處理邏輯，它徹底犧牲了通用性，得到了特定應用的極端效率。

谷歌在它的數據中心使用了幾年的TPU（見圖25-7），性能指標非常好，將硬件性能提前了7年，為摩爾定律的3倍。TPU的高性能來源于三個方面：控制發熱量、容忍低精度運算、數據本地化。

▲圖25-7 在谷歌數據中心應用的TPU

▲圖25-8 TPU的構架

從CPU到GPU再到TPU，處理器經過了從通用構架到準通用架構再到專用構架的道路。未來的處理器將是為了各種不同應用專門設計的，誰都不知道GPU會在AI和比特幣上有如此之大的應用，也沒有人知道GPU的前景會如此好。

那么TPU呢？目前我們只看到它的早期應用就有了如此光輝的前景，我們無法預知TPU未來的應用，更無法預知未來的處理器會是什么樣子的。

關于作者：錢綱，現就職于美國德州儀器公司，從事半導體工藝及半導體器件的開發與研究工作。科學網人氣作者，其作品在線獲得超過千萬人次的瀏覽量。錢綱的作品以涉及歷史、科技的雜文、隨筆為主。主要作品有美國歷史及人物紀事《美國往事》，硅谷歷史《硅谷簡史》等。

本文摘編自《芯片改變世界》，經出版方授權發布。

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總結

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