Vývoj grafických akcelerátorů: 1. díl
2.7.2010, Vojtěch Kubiš, článek
Dnes se podíváme na vývoj prvních grafických čipů a probereme jejich přínos pro svět počítačů. V tomto díle projdeme přes počátky akcelerované grafiky a zaměříme se na společnosti ATI a Nvidia v 90. letech.
Kapitoly článku:
- Vývoj grafických akcelerátorů: 1. díl
- ATI Technologies
- Nvidia Corporation
Ačkoli byla založena již od dva roky dříve, její první grafické řešení se objevuje v roce 1995 a je jím NV1. Výsledkem dvouletého snažení nebylo žádné ořezávátko. Čip NV1 se dostal na kartu Edge 3D společnosti Diamond (4 MB VRAM). Jejím prvotním účelem bylo zpřístupnit hry z konzolí uživatelům PC, tedy na všechny podporované 3D hry měla výkonu dost a 2D bylo samozřejmostí. A co víc, karta obsahovala Sega Saturn kompatibilní port pro joypad a integrovanou 32kanálovou zvukovou kartu. Jevila se tedy jako jedna z ideálních možností, alespoň do chvíle, než jí Microsoft doslova zlomil vaz uvedením API Direct 3D.
To bylo totiž s Quadratic Texture Map systémem, které používala NV1, nekompatibilní. 3D objekty jsou v případě Direct 3D složeny z trojúhelníků, v případě Quadratic Texture Map jsou složeny ze „zaoblených polygonů“ (útvar, kdy jsou jeho strany definovány křivkami). Ve skutečnosti Quadratic Texture Map měl oproti Direct 3D několik výhod, protože zaoblenost nemusel simulovat pomocí spousty trojúhelníků, ale pomocí křivek, což ušetřilo mnoho výpočtů. Bohužel pro Nvidii, svět stál proti ní a prodeje NV1 padly prakticky na nulu.
Z krize jí pomohla trvající spolupráce se Segou, čip NV2, který byl velmi podobný NV1, našel své uplatnění na poli, kde Microsoft (tehdy) nepůsobil, tedy v konzolích. Využíval stejného Quadratic Texture Map systému, s nímž se herní vývojáři Segy seznámili při importování konzolových her pro NV1.
Diamond Edge 3D
Nvidia se ze svého pochybení rychle ponaučila a jako podporované API zvolila Direct 3D. Vzhledem k vývoji NV2 v utajení, tedy dvou let ticha okolo společnosti Nvidia, si při ohlášení NV3 nikdo velké naděje nedělal. Aby se společnost co nejvíce odpoutala od neúspěchu NV1, vystupovala NV3 na veřejnosti pod novým názvem – RIVA 128. Název RIVA je zkratka pro Realtime Interactive Video and Animation accelerator a číslo 128 je šířka paměťové sběrnice.
Jak název napovídá, RIVA 128 zahrnovala podporu pro přehrávání videa, akcelerace 2D byla také na velice slušné úrovni, mírně sporné to bylo v případě 3D. Samotný výkon měřený počtem fps byl velmi vysoký, v určitých hrách se vyrovnala tehdy nejlepší 3dfx Voodoo Graphics, což byl pro „skoro mrtvou“ společnost nesmírný úspěch. V oblasti kvality obrazu však měla značné nedostatky. Postrádala také podporu ovladačů pro OpenGL, ačkoli samotné ovladače byly ucházející. Za další mínus by se dala označit nepříliš povedená implementace AGP.
O šest měsíců později (únor 1998) se uživatelé dočkali nové verze – RIVA 128ZX. Ta dostala ovladače s plnou podporou OpenGL, opravena byla implementace AGP a maximální paměť se zvýšila ze 4 na 8 MB. Samotné 2D a 3D jádro zůstalo nezměněno. Při výdání RIVA 128ZX Nvidia uzavírá strategické partnerství s TSMC, které trvá až dodnes. Dříve využívala 350nm výrobního procesu u SGS Thomson.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Company byla prvním a dnes i světově největším nezávislým výrobcem polovodičů. Sídlí v tchajwanském Hsinchu Science Park, kde má také většinu svých továren. Další jsou v Tainan Science Park, Singaporu nebo v čínském Shanghai. Dnes v celkem 10 továrnách vyrábí čipy společností jako jsou Qualcomm, Altera, Broadcom, Conexant, Nvidia, ATI, VIA nebo také Intel, čímž tvoří přes 50% světové produkce firem bez vlastních výrobních kapacit. Byla založena v roce 1987, v roce 1996 společně s Altera, Analog Devices a ISSI zakládá WaferTech, se sídlem v Camas, Washington. Ten o čtyři roky později odkupuje a získává tak plnou kontrolu.
Už měsíc po uvedení RIVA 128ZX hovoří Nvidia o jeho nástupci – NV4, tedy RIVA TNT. Ten se na svět dostal v červnu roku 1998. TNT je zkratka pro TwiN Texel, ačkoli shodnost s označením pro výbušný trinitrotoluen nebude náhodou. TwiN Texel znamenalo přidání druhé pixel pipeline, tedy prakticky dvojnásobnou rychlost vykreslování. RIVA TNT nabízela výkon srovnatelný s Voodoo 2 a navrch přidávala kvalitnější obraz v podobě 32bit barevného spektra.
Kvalitnějšímu obrazu pomáhal také upravený 24Bit Z-buffer a podpora pro anisotropní filtrování. Maximální pamět vzrostla na 16 MB a počet tranzistorů se blížil procesoru Intel Pentium II. To vedlo také k jejím problémům, tím prvním byla cena. Ta byla totiž vyšší než u Voodoo 2, které si s sebou navíc neslo svou dobrou pověst. Dalším byla potřeba snížit takty z původně plánovaných 110 MHz na 90 MHz. I přes to se RIVA TNT stala úspěšnou kartou a Nvidia světu opět dokázala, že vysoký výkon ve 3D už není otázkou pouze 3dfx.
Nvidia NV4 RIVA TNT die
Útočně naladěná Nvidia v březnu 1999 na Game Developer's Conference v kalifornském San Jose představila další generaci svých grafických akcelerátorů, NV5, jinak známou jako RIVA TNT2. Ta měla původně být pouze 250nm verzí klasické TNT. Došlo však na změny v podobě větší maximální paměti (32 MB), podpory AGP 4x a rychlejšího RAMDAC (z původních 250 MHz na 300 MHz).
Samotné jádro se však nezměnilo, ono to ani nebylo třeba, protože výkon díky větší RAM a vyšším taktům (125 MHz) poskočil o pořádný kousek nahoru a ačkoli jí 3dfx Voodoo 3 o kousek unikalo, mnoho zákazníků jí dalo přednost kvůli podpoře 32bit barevné hloubky.
Současně s RIVA TNT2 byly představeny její další varianty, tedy mainstreamová RIVA TNT2 M64 a low-endová VANTA. M64 se od originální TNT2 lišila pouze poloviční 64bit paměťovou sběrnicí, 3D jádro i takty zůstaly stejné. Vanta využívala také 64bit paměťové sběrnice, její jádro však bylo speciálně vyvinuto pro low-end, bylo tedy menší a levnější. Maximální kapacita paměti byla pouze 16 MB a takt byl o 25 MHz nižší. Pro vášnivé hráče Nvidia připravila také verzi RIVA TNT2 Ultra, která měla takty 150 MHz a fillrate dosahoval 300 MT/s.
Nvidia, jméno složené z písmena n, ve smyslu matematické proměnné, a latinského kořene video ze slova videre (vidět). Nabízí se také doslovný překlad španělského envidia nebo italského invidia – závist. Založil ji v roce 1993 Jen-Hsun Huang, který odešel z AMD (důvod proč AMD koupilo ATI a ne Nvidiu, jak původně plánovalo, byl právě on a jeho neshody s vedením AMD), společně s Chris Malachowsky a Curtis Priem (oba ze Sun Microsystems).
V roce 2000 se Nvidia odhodlala k nejdůležitějšímu kroku své dosavadní existence, odkoupila část krachující 3dfx. Mezi další úspěch se počítá dohoda s Microsoftem a Sony na dodávkách svých čipů pro jejich konzole Xbox a PlayStation 3. Grafické karty GeForce zaznamenaly úspěch a Nvidia získala dostatek prostředků k převzetí společností jako ULI Electronics (2005), Hybrid Graphics (2006), Portal Player (2007) a Ageia (2008). Právě díky know-how Ageia dokázala Nvidia implementovat hardwarovou podporu pro PhysX do svých GPU.
Na podzim roku 1999, tedy poměrně brzo po RIVA TNT2, byla na Intel Developer Foru představena NV10 alias GeForce 256. Ta bývá díky implementaci T&L často označována za první GPU, což není tak úplně pravda, protože T&L bylo často součástí grafických karet orientovaných na profesionální segment. Samotné T&L nebylo ve své době nějak zvlášť užitečné, jednak pro nepříliš povedenou implementaci a také pro malý počet her, které by T&L využívaly. GeForce s sebou přinesla i podporu DirectX 7 a s tím i podporu Dot3 bump-mapping, per pixel lighting a cube-mapping.
Ačkoli se výrobní proces zmenšil na 220 nm, takty nevzrostly, právě naopak, klesly o 5 MHz. To však plně vyvážila podpora pro DDR paměti (modely od ledna 2000) a přítomnost čtyř pixel pipeline. Architektura NV10 dovolila Nvidii vstoupit na pole profesionálních grafických karet se svou řadou Quadro. Ta používala stejné čipy jako GeForce, ale rozdíl byl v ovladačích, které byly přispůsobeny na práci s CAD aplikacemi.
V dalším díle se podíváme na osud společností 3dfx, Matrox, S3 a dalších, zůstaňte naladěni.
Zdroje:
wikipedia, root.cz, firingsquad.com, ati.com, 3dfx.cz
To bylo totiž s Quadratic Texture Map systémem, které používala NV1, nekompatibilní. 3D objekty jsou v případě Direct 3D složeny z trojúhelníků, v případě Quadratic Texture Map jsou složeny ze „zaoblených polygonů“ (útvar, kdy jsou jeho strany definovány křivkami). Ve skutečnosti Quadratic Texture Map měl oproti Direct 3D několik výhod, protože zaoblenost nemusel simulovat pomocí spousty trojúhelníků, ale pomocí křivek, což ušetřilo mnoho výpočtů. Bohužel pro Nvidii, svět stál proti ní a prodeje NV1 padly prakticky na nulu.
Z krize jí pomohla trvající spolupráce se Segou, čip NV2, který byl velmi podobný NV1, našel své uplatnění na poli, kde Microsoft (tehdy) nepůsobil, tedy v konzolích. Využíval stejného Quadratic Texture Map systému, s nímž se herní vývojáři Segy seznámili při importování konzolových her pro NV1.
Diamond Edge 3D
Nvidia se ze svého pochybení rychle ponaučila a jako podporované API zvolila Direct 3D. Vzhledem k vývoji NV2 v utajení, tedy dvou let ticha okolo společnosti Nvidia, si při ohlášení NV3 nikdo velké naděje nedělal. Aby se společnost co nejvíce odpoutala od neúspěchu NV1, vystupovala NV3 na veřejnosti pod novým názvem – RIVA 128. Název RIVA je zkratka pro Realtime Interactive Video and Animation accelerator a číslo 128 je šířka paměťové sběrnice.
Jak název napovídá, RIVA 128 zahrnovala podporu pro přehrávání videa, akcelerace 2D byla také na velice slušné úrovni, mírně sporné to bylo v případě 3D. Samotný výkon měřený počtem fps byl velmi vysoký, v určitých hrách se vyrovnala tehdy nejlepší 3dfx Voodoo Graphics, což byl pro „skoro mrtvou“ společnost nesmírný úspěch. V oblasti kvality obrazu však měla značné nedostatky. Postrádala také podporu ovladačů pro OpenGL, ačkoli samotné ovladače byly ucházející. Za další mínus by se dala označit nepříliš povedená implementace AGP.
O šest měsíců později (únor 1998) se uživatelé dočkali nové verze – RIVA 128ZX. Ta dostala ovladače s plnou podporou OpenGL, opravena byla implementace AGP a maximální paměť se zvýšila ze 4 na 8 MB. Samotné 2D a 3D jádro zůstalo nezměněno. Při výdání RIVA 128ZX Nvidia uzavírá strategické partnerství s TSMC, které trvá až dodnes. Dříve využívala 350nm výrobního procesu u SGS Thomson.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Company byla prvním a dnes i světově největším nezávislým výrobcem polovodičů. Sídlí v tchajwanském Hsinchu Science Park, kde má také většinu svých továren. Další jsou v Tainan Science Park, Singaporu nebo v čínském Shanghai. Dnes v celkem 10 továrnách vyrábí čipy společností jako jsou Qualcomm, Altera, Broadcom, Conexant, Nvidia, ATI, VIA nebo také Intel, čímž tvoří přes 50% světové produkce firem bez vlastních výrobních kapacit. Byla založena v roce 1987, v roce 1996 společně s Altera, Analog Devices a ISSI zakládá WaferTech, se sídlem v Camas, Washington. Ten o čtyři roky později odkupuje a získává tak plnou kontrolu.
Už měsíc po uvedení RIVA 128ZX hovoří Nvidia o jeho nástupci – NV4, tedy RIVA TNT. Ten se na svět dostal v červnu roku 1998. TNT je zkratka pro TwiN Texel, ačkoli shodnost s označením pro výbušný trinitrotoluen nebude náhodou. TwiN Texel znamenalo přidání druhé pixel pipeline, tedy prakticky dvojnásobnou rychlost vykreslování. RIVA TNT nabízela výkon srovnatelný s Voodoo 2 a navrch přidávala kvalitnější obraz v podobě 32bit barevného spektra.
Kvalitnějšímu obrazu pomáhal také upravený 24Bit Z-buffer a podpora pro anisotropní filtrování. Maximální pamět vzrostla na 16 MB a počet tranzistorů se blížil procesoru Intel Pentium II. To vedlo také k jejím problémům, tím prvním byla cena. Ta byla totiž vyšší než u Voodoo 2, které si s sebou navíc neslo svou dobrou pověst. Dalším byla potřeba snížit takty z původně plánovaných 110 MHz na 90 MHz. I přes to se RIVA TNT stala úspěšnou kartou a Nvidia světu opět dokázala, že vysoký výkon ve 3D už není otázkou pouze 3dfx.
Nvidia NV4 RIVA TNT die
Útočně naladěná Nvidia v březnu 1999 na Game Developer's Conference v kalifornském San Jose představila další generaci svých grafických akcelerátorů, NV5, jinak známou jako RIVA TNT2. Ta měla původně být pouze 250nm verzí klasické TNT. Došlo však na změny v podobě větší maximální paměti (32 MB), podpory AGP 4x a rychlejšího RAMDAC (z původních 250 MHz na 300 MHz).
Samotné jádro se však nezměnilo, ono to ani nebylo třeba, protože výkon díky větší RAM a vyšším taktům (125 MHz) poskočil o pořádný kousek nahoru a ačkoli jí 3dfx Voodoo 3 o kousek unikalo, mnoho zákazníků jí dalo přednost kvůli podpoře 32bit barevné hloubky.
Současně s RIVA TNT2 byly představeny její další varianty, tedy mainstreamová RIVA TNT2 M64 a low-endová VANTA. M64 se od originální TNT2 lišila pouze poloviční 64bit paměťovou sběrnicí, 3D jádro i takty zůstaly stejné. Vanta využívala také 64bit paměťové sběrnice, její jádro však bylo speciálně vyvinuto pro low-end, bylo tedy menší a levnější. Maximální kapacita paměti byla pouze 16 MB a takt byl o 25 MHz nižší. Pro vášnivé hráče Nvidia připravila také verzi RIVA TNT2 Ultra, která měla takty 150 MHz a fillrate dosahoval 300 MT/s.
Nvidia, jméno složené z písmena n, ve smyslu matematické proměnné, a latinského kořene video ze slova videre (vidět). Nabízí se také doslovný překlad španělského envidia nebo italského invidia – závist. Založil ji v roce 1993 Jen-Hsun Huang, který odešel z AMD (důvod proč AMD koupilo ATI a ne Nvidiu, jak původně plánovalo, byl právě on a jeho neshody s vedením AMD), společně s Chris Malachowsky a Curtis Priem (oba ze Sun Microsystems).
V roce 2000 se Nvidia odhodlala k nejdůležitějšímu kroku své dosavadní existence, odkoupila část krachující 3dfx. Mezi další úspěch se počítá dohoda s Microsoftem a Sony na dodávkách svých čipů pro jejich konzole Xbox a PlayStation 3. Grafické karty GeForce zaznamenaly úspěch a Nvidia získala dostatek prostředků k převzetí společností jako ULI Electronics (2005), Hybrid Graphics (2006), Portal Player (2007) a Ageia (2008). Právě díky know-how Ageia dokázala Nvidia implementovat hardwarovou podporu pro PhysX do svých GPU.
Na podzim roku 1999, tedy poměrně brzo po RIVA TNT2, byla na Intel Developer Foru představena NV10 alias GeForce 256. Ta bývá díky implementaci T&L často označována za první GPU, což není tak úplně pravda, protože T&L bylo často součástí grafických karet orientovaných na profesionální segment. Samotné T&L nebylo ve své době nějak zvlášť užitečné, jednak pro nepříliš povedenou implementaci a také pro malý počet her, které by T&L využívaly. GeForce s sebou přinesla i podporu DirectX 7 a s tím i podporu Dot3 bump-mapping, per pixel lighting a cube-mapping.
Ačkoli se výrobní proces zmenšil na 220 nm, takty nevzrostly, právě naopak, klesly o 5 MHz. To však plně vyvážila podpora pro DDR paměti (modely od ledna 2000) a přítomnost čtyř pixel pipeline. Architektura NV10 dovolila Nvidii vstoupit na pole profesionálních grafických karet se svou řadou Quadro. Ta používala stejné čipy jako GeForce, ale rozdíl byl v ovladačích, které byly přispůsobeny na práci s CAD aplikacemi.
V dalším díle se podíváme na osud společností 3dfx, Matrox, S3 a dalších, zůstaňte naladěni.
Zdroje:
wikipedia, root.cz, firingsquad.com, ati.com, 3dfx.cz
