神技還是雞肋那些顯卡上被遺忘的技術(shù)

OverLord

我是誰(shuí)我在哪兒我要做什么？眼鏡遮蔽型3D顯示技術(shù)

這里的3D立體顯示技術(shù)不是指顯卡生成的3D、立體感的畫(huà)面，而是讓畫(huà)面“脫離”顯示器的平面，立體地展示在人們眼前的一種顯示技術(shù)方案（圖2）。

英偉達(dá)和AMD都曾提出了自己的3D顯示解決方案，它們固然有所差異，但原理都是讓左右眼看到不同的信號(hào)（模擬現(xiàn)實(shí)世界中左右眼分別看到的略有差別的視角），從而欺騙大腦“生成”3D畫(huà)面。因此3D顯示技術(shù)的關(guān)鍵在于對(duì)左/右眼畫(huà)面的分幀送達(dá)，常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方式有色分法（紅藍(lán)眼鏡）、光分法（偏振式）、時(shí)分法（快門式），均需要搭配相應(yīng)的眼鏡觀看，這一路線最終發(fā)展出了VR眼鏡或稱VR頭戴式顯示器（圖3）。其中，紅藍(lán)眼鏡成本低廉但是效果非常有限，只能夠讓玩家體驗(yàn)到最基本的景深效果，眼鏡片帶來(lái)的嚴(yán)重的色偏甚至讓玩家不能看清楚物體本身的顏色，短時(shí)間佩戴也會(huì)造成頭暈?zāi)垦５膯?wèn)題。

偏振式與快門式3D技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式相差很大。偏振式3D的原理是用特殊薄膜貼在3D顯示器表面和眼鏡上，以不同的光線振動(dòng)方向分離左側(cè)影像和右側(cè)影像，左/右眼鏡片只能透過(guò)適合自己偏振方向的光線，從而實(shí)現(xiàn)分幀顯示。偏振式3D平臺(tái)無(wú)需發(fā)射器、眼鏡電池，更簡(jiǎn)單易用，而且畫(huà)面不會(huì)閃爍，但畫(huà)面分辨率會(huì)減半，而且最佳觀賞角度很有限。

在快門式3D平臺(tái)上，3D眼鏡的兩塊鏡片都內(nèi)置遮蔽功能，它與顯示平臺(tái)同步分幀信號(hào)。例如顯示左眼畫(huà)面時(shí)，左邊鏡片透光，右側(cè)鏡片遮蔽，這樣可以確保左右眼只收到屬于各自的畫(huà)面，形成立體視覺(jué)。快門式3D平臺(tái)需要高刷新率顯示器，如果刷新率不夠或同步不穩(wěn)定、鏡片遮蔽和透光轉(zhuǎn)換速度較慢，都會(huì)造成用戶看到的3D畫(huà)面出現(xiàn)閃爍，其眼鏡比較復(fù)雜，且需要與PC連接以同步信號(hào)，佩戴使用比較累贅。

英偉達(dá)3DVision

英偉達(dá)一共推出了兩種3D顯示技術(shù)，分別是3D Vision技術(shù)和3D Vision Discover技術(shù)。其中3D Vision技術(shù)是通過(guò)時(shí)分法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，時(shí)分法的優(yōu)勢(shì)是成像效果更好，不過(guò)成本較高;3D Vision Discover采用的是色分法的成像原理，只要佩戴紅藍(lán)眼鏡后可以看到基礎(chǔ)的3D顯示效果。

具體來(lái)說(shuō)，3D Vision技術(shù)是讓英偉達(dá)GeForce顯卡在計(jì)算游戲時(shí)（通過(guò)雙攝像頭實(shí)現(xiàn)的效果）將每一幀分別計(jì)算出兩個(gè)不同的畫(huà)面，然后將其輸出到顯示器上，然后通過(guò)專用的3D Vision眼鏡讓用戶的左、右眼分別看到不同（對(duì)應(yīng)）的畫(huà)面，很顯然，這是一種快門式3D顯示技術(shù)。這一技術(shù)不僅需要配備專用的3D Vision眼鏡（圖4），同時(shí)還必須使用當(dāng)時(shí)較為昂貴的超高刷新率顯示器，門檻相當(dāng)高。

基于紅藍(lán)有色眼鏡（圖5）的3D Vision Discover技術(shù)無(wú)需改變放映設(shè)備直接就可以實(shí)現(xiàn)，成本低廉，不過(guò)容易讓人眼感覺(jué)視覺(jué)疲勞。不過(guò)它有一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，就是當(dāng)時(shí)很多電影院的3D顯示就是基于色分法（圖6），因此無(wú)論更符合很多用戶的習(xí)慣，對(duì)立體視頻源的兼容性也較好。

AMD HD3D

AMD的3D顯示技術(shù)名稱為HD3D（圖7），影響力比英偉達(dá)3D Vision系列小得多。AMD HD3D采用快門式3D眼鏡采用的主動(dòng)式快門設(shè)計(jì)，達(dá)到不“閃”的效果，它要求畫(huà)面刷新率必須保證在60Hz以上（單眼），同時(shí)顯示器畫(huà)面的實(shí)際切換速度要兩倍于用戶感受到的畫(huà)面（圖8），也就是說(shuō)顯示器刷新率要達(dá)到120Hz才可以（因?yàn)橐惶骘@示雙眼顯示內(nèi)容）。

與英偉達(dá)當(dāng)初的策略不同，其時(shí)AMD的HD3D技術(shù)屬于開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)（英偉達(dá) 3DVision不開(kāi)放授權(quán)），可以兼容眾多第三方硬件設(shè)備、解決方案。這么比較起來(lái)，AMD的HD3D技術(shù)更有前途。

不過(guò)，無(wú)論是否屬于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，都難以擺脫3D顯示的痼疾，紅藍(lán)眼鏡的效果不佳（圖9），只能用于簡(jiǎn)單體驗(yàn)3D顯示?？扉T式3D顯示設(shè)備效果較好，但成本不菲——當(dāng)時(shí)具備120Hz刷新率的顯示器價(jià)格通常在3000元以上（圖10），這還不夠，3D眼鏡的價(jià)格通常也在1000元級(jí)別。更不要談具備3D顯示技術(shù)的顯卡還要不菲的開(kāi)銷。

你以為這就是阻礙3D顯示技術(shù)普及的全部了嗎？答案是否定的，除了硬件投資之外，人體自身的生理特征也是“阻礙”3D顯示技術(shù)的一個(gè)重要因素，這就是3D游戲眩暈癥。3D游戲眩暈癥的誘因和人的生理結(jié)構(gòu)有關(guān)。人通過(guò)聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)來(lái)獲得外界環(huán)境的信息，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的進(jìn)化，人類的各種感覺(jué)器官是高度協(xié)調(diào)合作的。比如在內(nèi)耳中有個(gè)叫“前庭器”的器官，它負(fù)責(zé)感受身體的平衡，如人體的運(yùn)動(dòng)方向和加速度。在眼睛里也有專門的視神經(jīng)來(lái)感受運(yùn)動(dòng)。這些運(yùn)動(dòng)感受器官都是非常敏感的，它們將感受到的運(yùn)動(dòng)信息傳送到神經(jīng)中樞，由神經(jīng)中樞控制人體進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，來(lái)應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)人體造成的影響。

當(dāng)人體感受到的運(yùn)動(dòng)幅度或頻率超過(guò)某適當(dāng)?shù)闹禃r(shí)，神經(jīng)中樞會(huì)產(chǎn)生不適的感覺(jué)，比如頭暈、惡心，從客觀上達(dá)到阻止當(dāng)前運(yùn)動(dòng)繼續(xù)的目的。這其實(shí)是一種自我保護(hù)機(jī)制，因?yàn)榇蠓?、高頻率的運(yùn)動(dòng)是可能對(duì)人體造成損傷的。經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的進(jìn)化，這反應(yīng)機(jī)制一已經(jīng)編碼進(jìn)了人類的DNA中。但這種自我保護(hù)機(jī)制的強(qiáng)度卻是有明顯的個(gè)體差異的，有人格外敏感些，比如那些容易暈車的人;有人不太敏感，比如那些不容易暈車的人（圖11）。

在3D顯示技術(shù)的“加持”下，視神經(jīng)感受到了大幅度、高頻率的運(yùn)動(dòng)，本來(lái)如果游戲的畫(huà)面不那么逼真，神經(jīng)中樞會(huì)自動(dòng)鑒別出運(yùn)動(dòng)的虛假性，并抑制視覺(jué)傳來(lái)的神經(jīng)沖動(dòng)。但由于畫(huà)面逼真，神經(jīng)中樞信以為真，與此同時(shí)其他運(yùn)動(dòng)感受器官（如耳前庭器）卻沒(méi)感受到任何運(yùn)動(dòng)，這種情形對(duì)神經(jīng)中樞而言是非常矛盾和不祥的，有很大的不可預(yù)知性，因此神經(jīng)中樞強(qiáng)烈地發(fā)出眩暈指令，希望人體能停下來(lái)，擺脫這種不祥的局面。這一點(diǎn)在更封閉的VR眼鏡（圖12）使用中表現(xiàn)的更明顯，很多人暈VR也是同樣的原因。

也就是說(shuō)，無(wú)論采用何種3D顯示技術(shù)，都無(wú)法避免讓部分用戶的身體無(wú)法“接受”這種高速、高頻的運(yùn)動(dòng)畫(huà)面，生理上產(chǎn)生強(qiáng)烈抗拒。經(jīng)過(guò)幾年的競(jìng)爭(zhēng)，3D顯示技術(shù)很快便歸于沉寂，以至于顯示技術(shù)制造商后期都取消了對(duì)該技術(shù)的持續(xù)支持。

多卡互聯(lián)？再也不聯(lián)！

曾幾何時(shí)，多卡互聯(lián)技術(shù)成為了性能王者的不二法則，想要最好的3D加速性能？多裝幾塊顯卡吧！

這一切要從1998年說(shuō)起，當(dāng)時(shí)的顯卡王者還是3DFX公司（后被英偉達(dá)收購(gòu)）。它推出了一個(gè)全新的技術(shù)：SLI（Scalable LinkInterface），中文為可擴(kuò)展的鏈接接口，是一種將兩張或以上的顯卡連在一起并單一輸出顯示的技術(shù)（圖13）。

具體來(lái)說(shuō)，它采用線性分割的技術(shù)解決方案，其中一張顯卡負(fù)責(zé)奇數(shù)的掃描幀線，另一張顯卡負(fù)責(zé)偶數(shù)的掃描幀線，然后“組合”成一個(gè)完整圖面。這種技術(shù)現(xiàn)在來(lái)看非常簡(jiǎn)單粗暴，它的加速對(duì)象只是像素填充，對(duì)三角形的生成沒(méi)有任何“加成”。當(dāng)然也情有可原，當(dāng)時(shí)的幾何圖形運(yùn)算都是交由CPU處理，顯卡并不具備這個(gè)功能。

此外，SLI技術(shù)是利用模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，信?hào)容易被干擾，合成的畫(huà)面可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。最先使用SLI技術(shù)的顯卡是PCI接口的Voodoo 2，其后主板開(kāi)始使用AGP接口，而一臺(tái)電腦只擁有一個(gè)AGP接口（圖14），這就讓SLI技術(shù)無(wú)處使用。

2004年之后，PCIe接口的普及應(yīng)用讓SLI有了重生的機(jī)會(huì)。恰逢ATI（AMD顯卡的前身）的Radeon R300系列如日中天，擊敗了英偉達(dá)的GeForce系列成為GPU性能的王者。英偉達(dá)為了挽回性能王者的頭銜，將收購(gòu)3DFX得到的SLI技術(shù)進(jìn)行改造，重新推出（圖15）。首批支持該SLI技術(shù)的顯卡是GeForce 6800和QuadroFX40 0 0。而首張支持英偉達(dá) SLI技術(shù)的主板則基于英特爾的E7525芯片組（雙卡PCIe模式是PCIe ×16+PCIe ×8）。原本，SLI技術(shù)只被GTX 6600 GT以上的顯卡支持。為了推廣SLI技術(shù)，英偉達(dá)逐步開(kāi)放限制，令到整個(gè)GeForce 6系列的顯卡都支持SLI技術(shù)。

在英偉達(dá)的SLI技術(shù)種兩張顯卡并不能實(shí)現(xiàn)1+1=2的效果，這是因?yàn)閮蓮堬@卡的地位并不相同，它們有著主副之分。主顯卡會(huì)分派運(yùn)算指令給副顯卡，副顯卡則會(huì)將結(jié)果通過(guò)MIO接口傳回主卡，然后合并運(yùn)行輸出。理想情況下，它們可以最多實(shí)現(xiàn)1.8張顯卡的效能（圖16）。

不僅如此，SLI技術(shù)還分成不同的技術(shù)細(xì)節(jié)，例如Split Frame Rendering是將畫(huà)面分為上下半部，并各自由一顆GPU運(yùn)算，然后再組合成同一個(gè)圖面;AlternateFrame Rendering則是將幀分成單、雙數(shù)，分別交給不同的兩張顯卡處理（圖17）;SLIAntialiasing - Redefining Image Quality模式可以增強(qiáng)畫(huà)面質(zhì)量，也就是兩張顯卡分別進(jìn)行抗鋸齒驗(yàn)算，然后將結(jié)果合并輸出，達(dá)到更好的抗鋸齒效果。之后還有一個(gè)SLI of SFR技術(shù)，它于2006年推出，采用的門檻極高，總共要四路顯卡才可以實(shí)現(xiàn)，幾乎沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。

但是，具體到用那個(gè)SLI技術(shù)，是由驅(qū)動(dòng)程序判斷游戲來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是說(shuō)如果游戲不支持、或者支持程度有限，都會(huì)對(duì)SLI多卡互聯(lián)技術(shù)的性能產(chǎn)生影響。用哪一個(gè)SLI模式是由驅(qū)動(dòng)偵測(cè)電腦游戲的可執(zhí)行文件來(lái)決定，英偉達(dá)驅(qū)動(dòng)程序里已內(nèi)置一組定義數(shù)據(jù)庫(kù)，沒(méi)有被定義的就會(huì)采用兼容模式，即使用單顆GPU而不運(yùn)行SLI。而用戶也可以從驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置接口中的“3D Settings”，自行新增未被定義的游戲要用哪種SLI模式，或是修改已定義的數(shù)據(jù)庫(kù)。建議定時(shí)更新顯卡驅(qū)動(dòng)程序，來(lái)增加SLI預(yù)先支持游戲的數(shù)量。

既然英偉達(dá)推出了多卡互聯(lián)技術(shù)，它的老對(duì)手AMD當(dāng)然不會(huì)坐以待斃，CrossFire應(yīng)運(yùn)而生（圖18）。CrossFire技術(shù)于2005年6月1日正式發(fā)布，其技術(shù)原理最初與英偉達(dá)的SLI技術(shù)頗為相似，之后開(kāi)始開(kāi)放使用軟件交火模式。同英偉達(dá)一樣，CrossFire也可以以多種模式運(yùn)行，如Scissor（等同于SplitFrame Rendering模式）、Alternate Frame Rendering、CrossFire Super AA（與SLIAntialiasing - Redefining Image Quality相似）和英偉達(dá)基本一致，SuperTiling模式則更為優(yōu)秀，它將畫(huà)面分割成很多“小格子”，讓兩個(gè)顯示核心分別處理小格內(nèi)的3D內(nèi)容，比上下分屏的負(fù)載更平衡，利用效率頗佳，只不過(guò)它只能運(yùn)行與D3D上，不能支持OpenGL。

后來(lái)，CrossFire技術(shù)更進(jìn)一步，實(shí)現(xiàn)了混合交火，尤其是板載核心和獨(dú)立核心，即不同規(guī)格的3D顯示核心混合使用，用以提升性能，不過(guò)兼容性并不理想。

無(wú)論是SLI技術(shù)還是CrossFire技術(shù)，想法和初衷是很好的，通過(guò)簡(jiǎn)單的1+1獲得更多的性能。但是它的弊端也很明顯，首先是投入成本很大，收益卻不成正比（1+1<2），而且要配備更大功率的電源，否則有燒機(jī)的危險(xiǎn)。因此，現(xiàn)在無(wú)論是AMD還是英偉達(dá)，都對(duì)多卡互聯(lián)技術(shù)沒(méi)有絲毫的興趣，也不再維護(hù)更新這個(gè)技術(shù)了。

切換顯卡原來(lái)這么難用！

在前些年的移動(dòng)市場(chǎng)上，AMD和英偉達(dá)無(wú)論如何“呼風(fēng)喚雨”，最終都要?dú)w于英特爾平臺(tái)之上。而英特爾的筆記本電腦平臺(tái)都會(huì)“提供”自家顯卡，即便筆記本使用了獨(dú)立顯卡也不例外。

這就引起了一個(gè)問(wèn)題，內(nèi)置顯卡處理一些要求較低的畫(huà)面時(shí)性能足夠，功耗更小;而要玩游戲時(shí)肯定是獨(dú)顯更適合。我們應(yīng)該怎樣協(xié)調(diào)這些顯卡之間的關(guān)系呢？英偉達(dá)推出了自己的切換技術(shù)：Optimus優(yōu)馳（圖19）。Optimus優(yōu)馳技術(shù)專門為搭載英偉達(dá)獨(dú)立顯卡的英特爾平臺(tái)筆記本打造，它是由驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)當(dāng)前應(yīng)用的需求選擇是否切換獨(dú)立顯卡，不過(guò)理想很豐滿、現(xiàn)實(shí)卻很骨感。

第一代優(yōu)馳技術(shù)問(wèn)世于2006年，它的切換方式現(xiàn)在看起來(lái)頗為可笑——你可以理解為硬切換，它需要單獨(dú)的邏輯電路實(shí)現(xiàn)切換工作，用戶在切換顯卡的時(shí)候，必須關(guān)機(jī)重新開(kāi)啟（不是重啟）才可以完成。不僅使用不便，硬件額外的成本也需要最終用戶承擔(dān)。

到了2008年，英偉達(dá)推出了第二代優(yōu)馳技術(shù)（圖20），最大的改變就是用戶不需要關(guān)機(jī)重開(kāi)這個(gè)步驟，而是依靠驅(qū)動(dòng)層級(jí)的軟件調(diào)試切換，實(shí)用性相比第一代優(yōu)馳技術(shù)有了改善。然而它與“無(wú)縫調(diào)用”之間的差距依然很大。首先是驅(qū)動(dòng)程序的安裝非常麻煩，當(dāng)時(shí)的Windows操作系統(tǒng)，無(wú)論是Windows XP還是Windows Vista，都不允許安裝多個(gè)顯卡驅(qū)動(dòng)程序，也就是說(shuō)一臺(tái)電腦只允許同時(shí)存在一個(gè)顯卡驅(qū)動(dòng)。于是廠商不得已設(shè)計(jì)了顯卡驅(qū)動(dòng)程序的中介層用來(lái)管理和切換兩個(gè)顯卡的驅(qū)動(dòng)程序。然而這個(gè)專用的中介層程序都是專用的，也就意味著設(shè)備無(wú)法像我們現(xiàn)在這樣隨時(shí)更新顯卡驅(qū)動(dòng)程序，必須依靠“定制”的驅(qū)動(dòng)程序（包含顯卡驅(qū)動(dòng)及中介層程序）才能實(shí)現(xiàn)更新，非常麻煩。

如果說(shuō)這還可以忍受，那么另一點(diǎn)就很難接受了，盡管第二代優(yōu)馳技術(shù)不需要關(guān)機(jī)重開(kāi)就能切換顯卡了，但是在調(diào)用切換時(shí)還是需要花費(fèi)約10秒鐘的時(shí)間，期間屏幕會(huì)出現(xiàn)閃爍、黑屏等現(xiàn)象。而且最麻煩的地方在于，如果你想切換顯卡，在此之前你需要關(guān)閉一切正在調(diào)用顯卡資源的應(yīng)用，包括游戲、視頻播放，甚至Flash視頻（網(wǎng)頁(yè)）！

顯然，這仍然和我們今天的顯卡無(wú)縫調(diào)用的技術(shù)（非切換）不可同日而語(yǔ)，但已經(jīng)是它的“巔峰”了。最終這個(gè)技術(shù)隨著時(shí)間流逝而淡出人們的視野。

好不一定要用！HBM顯存技術(shù)

HBM顯存技術(shù)出現(xiàn)之時(shí)甚至?xí)屓擞X(jué)得，這就是顯卡顯存的未來(lái)。然而好就一定會(huì)被采用、普及嗎？現(xiàn)實(shí)告訴我們并非如此，至少它不是一個(gè)鐵律。

如果單純從技術(shù)角度去觀察，HBM顯存（圖21）的技術(shù)明顯比GDDR顯存更好。隨著顯卡芯片的快速發(fā)展，人們對(duì)傳輸帶寬的要求也在不斷提高。理論上，GDDR5乃至GDDR6已經(jīng)不能對(duì)帶寬的需要，技術(shù)發(fā)展進(jìn)入了瓶頸期——每秒增加1GB/s的帶寬將會(huì)帶來(lái)更多的功耗，動(dòng)輒以百瓦特計(jì)的功耗著實(shí)讓人吃不消。

HBM的出現(xiàn)仿佛恰如其時(shí)。GDDR的顯存附著在顯卡電路板上，并圍繞在核心芯片四周，而HBM是一種“片上”顯存，將DRAM芯片直接安裝在GPU顯示核心的基板上（圖22），這種設(shè)計(jì)會(huì)讓信息交換的時(shí)間大大縮短。而且，這種技術(shù)不僅縮小了顯卡的PCB尺寸，還有效降低了顯卡的從功耗。更為重要的是相對(duì)于板卡線路，這種連接方式可以實(shí)現(xiàn)大得多的連接位寬，能以極低的頻率實(shí)現(xiàn)超大顯存帶寬。例如英偉達(dá)GeForce RTX3090配置的GDDR6X為384bit位寬，但同架構(gòu)專業(yè)芯片A100配置的HBM2顯存可以做到5120bit的位寬！性能可想而知。

按理說(shuō)是百利無(wú)一害的設(shè)計(jì)，為何經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，反而沒(méi)有顯卡再采用了呢？原因主要還在于成本——HBM顯存的成本之高令人咋舌，而且要與GPU芯片集成生產(chǎn)也降低了良品率（圖23），加上消費(fèi)級(jí)GPU不能充分發(fā)揮HBM顯存的理論性能優(yōu)勢(shì)，所以很快變得無(wú)人問(wèn)津。

當(dāng)然，這也不能否認(rèn)HBM顯存的技術(shù)規(guī)格之先進(jìn)，如果有朝一日可以讓HBM顯存的成本大幅度降低，達(dá)到近似于GDDR顯存的程度（哪怕是貴一些），HBM顯存技術(shù)依舊有機(jī)會(huì)成為“現(xiàn)在進(jìn)行時(shí)”。

其實(shí)，那些被“遺忘”的顯示技術(shù)還有很多，只不過(guò)這幾個(gè)是最具代表性的，其他還有如跟隨品牌消失的3DFXglide等獨(dú)有API、實(shí)際基本沒(méi)有用到過(guò)的顯卡訪問(wèn)內(nèi)存能力等，它們的“失敗”主要集中在單純的“技術(shù)導(dǎo)向”——即“我們有什么技術(shù)可以用在哪里，而不是我們有什么使用需求，所以我們要用什么技術(shù)手段解決?！?/p>