Graphics processing unit

1970sEdit

Arcade systeem boards maken sinds de jaren 1970 gebruik van gespecialiseerde grafische circuits. in de vroege video game hardware, het RAM voor frame buffers was duur, zodat video chips samengesteld gegevens als het scherm werd gescand op de monitor.,

een gespecialiseerd barrel shifter circuit werd gebruikt om de CPU te helpen de framebuffer graphics te animeren voor verschillende arcade spellen uit Midway en Taito, zoals Gun Fight (1975), Sea Wolf (1976) en Space Invaders (1978). Het Namco Galaxian arcade systeem in 1979 gebruikte gespecialiseerde grafische hardware die RGB kleuren, multi-gekleurde sprites en tilemap achtergronden ondersteunt. De Galaxian hardware werd veel gebruikt tijdens de Gouden Eeuw van arcade video games, door game bedrijven zoals Namco, Centuri, Gremlin, Irem, Konami, Midway, Nichibutsu, Sega en Taito.,

Op de thuismarkt gebruikte de Atari 2600 in 1977 een video shifter, de Television Interface Adapter genaamd. De Atari 8-bit computers (1979) hadden ANTIC, een videoprocessor die instructies interpreteerde die een “display list”beschrijven—de manier waarop de scanlijnen toewijzen aan specifieke bitmap-of karaktermodi en waar het geheugen is opgeslagen (dus er hoefde geen aaneengesloten framebuffer te zijn)., 6502 machine code subroutines kunnen worden geactiveerd op scan lijnen door het instellen van een beetje op een display lijst instructie. ANTIC ondersteunde ook glad verticaal en horizontaal scrollen onafhankelijk van de CPU.

1980sEdit

de NEC µPD7220 was de eerste implementatie van een PC graphics display processor als een single Large Scale Integration (LSI) geïntegreerde schakeling chip, waardoor het ontwerp van goedkope, high-performance video graphics mogelijk werd.kaarten zoals die van Number Nine Visual Technology., Het was de eerste volledig geïntegreerde VLSI (very large-scale integration) Metal-oxide-semiconductor (NMOS) grafische display processor voor PC ‘ s, ondersteund tot 1024×1024 resolutie, en legde de basis voor de opkomende PC graphics markt. Het werd gebruikt in een aantal grafische kaarten, en was gelicentieerd voor klonen zoals de Intel 82720, de eerste van Intel ‘ s grafische verwerkingseenheden., De Williams Electronics arcade games Robotron 2084, Joust, Sinistar, en Bubbles, allemaal uitgebracht in 1982, bevatten aangepaste blitter chips voor het werken op 16-kleur bitmaps.in 1984 bracht Hitachi ARTC HD63484 uit, de eerste grote CMOS grafische processor voor PC. De ARTC was in staat om tot 4K resolutie weer te geven in monochrome modus, en het werd gebruikt in een aantal pc grafische kaarten en terminals tijdens de late jaren 1980. in 1985, de Commodore Amiga had een aangepaste grafische chip, met een blitter unit versnellen bitmap manipulatie, lijn tekenen, en gebied vullen functies., Ook inbegrepen is een coprocessor met zijn eigen eenvoudige instructie set, in staat om het manipuleren van grafische hardware registers in sync met de video beam (bijvoorbeeld voor per-scanline palet schakelaars, sprite multiplexing, en hardware windowing), of het besturen van de blitter. In 1986 bracht Texas Instruments de TMS34010 uit, de eerste volledig programmeerbare grafische processor. Het kon algemene code draaien, maar het had een grafische georiënteerde instructieset. In 1990-1992 werd deze chip de basis van de Texas Instruments Graphics Architecture (“Tiga”) Windows accelerator cards.,

in 1987 werd het IBM 8514 grafische systeem uitgebracht als een van de eerste videokaarten voor IBM PC-compatibles om vaste 2D-Primitieven in elektronische hardware te implementeren. Sharp “s X68000, uitgebracht in 1987, gebruikte een aangepaste grafische chipset met een 65.536 kleurenpalet en hardware ondersteuning voor sprites, scrollen, en meerdere speelvelden, uiteindelijk dienst als een ontwikkeling machine voor Capcom”s CP System arcade board., Fujitsu concurreerde later met de FM Towns computer, uitgebracht in 1989 met ondersteuning voor een volledig 16.777.216 kleurenpalet. In 1988 werden de eerste speciale veelhoekige 3D graphics boards geïntroduceerd in arcades met het Namco System 21 en Taito Air System.

IBM ‘ s proprietary Video Graphics Array (VGA) display standard werd geïntroduceerd in 1987, met een maximale resolutie van 640×480 pixels., In november 1988 kondigde nec Home Electronics de oprichting aan van de Video Electronics Standards Association (VESA) om een Super VGA (SVGA) computer display standaard te ontwikkelen en te promoten als opvolger van IBM ‘ s eigen VGA display standaard. Super VGA enabled graphics display resoluties tot 800×600 pixels, een 36% toename.

1990sEdit

in 1991 introduceerde S3 Graphics De S3 86C911, die de ontwerpers vernamen naar de Porsche 911 als een indicatie van de prestatieverhoging die het beloofde., De 86C911 bracht een groot aantal imitators voort: in 1995 hadden alle grote pc-grafische chipfabrikanten 2D-acceleratieondersteuning toegevoegd aan hun chips. Tegen die tijd, fixed-function Windows accelerators had overtroffen dure algemene grafische coprocessors in Windows prestaties, en deze coprocessors verdwenen uit de PC-markt.

gedurende de jaren negentig bleef de versnelling van de 2D-GUI evolueren. Naarmate de productiemogelijkheden verbeterden, verbeterde ook het niveau van integratie van grafische chips., Extra application programming interfaces (API ‘s) kwamen voor een verscheidenheid aan taken, zoals Microsoft’ s Wing graphics library Voor Windows 3.x, en hun latere DirectDraw-interface voor hardwareversnelling van 2D-games binnen Windows 95 en hoger.in het begin en midden van de jaren negentig werden real-time 3D-graphics steeds vaker gebruikt in arcade -, computer-en consolespellen, wat leidde tot een toenemende vraag van het publiek naar hardwareversnelde 3D-graphics., Vroege voorbeelden van 3D-graphics zijn te vinden in arcade-systeemborden zoals de Sega Model 1, Namco System 22, en Sega Model 2, en de vijfde generatie video game consoles zoals de Saturn, PlayStation en Nintendo 64. Arcade systemen zoals de Sega Model 2 en Namco Magic Edge Hornet Simulator in 1993 waren in staat om hardware T&L (transformeren, knippen, en verlichting) jaren voordat ze op consumenten Grafische kaarten. Sommige systemen gebruikten DSP ‘ s om transformaties te versnellen., Fujitsu, die werkte aan het Sega Model 2 arcade systeem, begon te werken aan de integratie van T&L in een enkele LSI-oplossing voor gebruik in thuiscomputers in 1995; de Fujitsu Pinolite, de eerste 3D geometrie processor voor personal computers, uitgebracht in 1997. De eerste hardware T&l GPU op thuiscomputers was de Reality-Coprocessor van de Nintendo 64, uitgebracht in 1996., In 1997, Mitsubishi bracht de 3Dpro/2MP, een volledig uitgeruste GPU geschikt voor Transformatie en verlichting, voor werkstations en Windows NT desktops; ATi gebruikt het voor hun FireGL 4000 grafische kaart, uitgebracht in 1997.

De term “GPU” werd bedacht door Sony naar de 32-bit Sony GPU (ontworpen door Toshiba) in de PlayStation video Game console, uitgebracht in 1994.

in de PC-wereld waren de S3 ViRGE, ATI Rage en Matrox Mystique de eerste mislukte pogingen voor goedkope 3D-chips. Deze chips waren in wezen de vorige generatie 2D accelerators met 3D-functies vastgeschroefd op., Velen waren zelfs pin-compatibel met de eerdere generatie chips voor het gemak van de implementatie en minimale kosten. In eerste instantie waren 3D-graphics alleen mogelijk met discrete borden die waren gewijd aan het versnellen van 3D-functies (en die volledig Geen 2D GUI-versnelling hadden), zoals de PowerVR en de 3dfx Voodoo. Echter, als productietechnologie bleef vooruitgang, video, 2D GUI versnelling en 3D-functionaliteit werden allemaal geïntegreerd in een chip. De Verite chipsets van Rendition waren een van de eersten die dit goed genoeg deden om Opmerkelijk te zijn., In 1997 ging Rendition een stap verder door samen te werken met Hercules en Fujitsu aan een “Thriller Conspiracy” project dat een Fujitsu FXG-1 Pinolite geometry processor combineerde met een vérité v2200 core om een grafische kaart te maken met een volledige T&L Motor jaren voor Nvidia”s GeForce 256. Deze kaart, ontworpen om de belasting op de CPU van het systeem te verminderen, is nooit op de markt gekomen.,

OpenGL verscheen in de vroege jaren ’90 als een professionele grafische API,maar leed oorspronkelijk aan prestatieproblemen waardoor de Glide API in de late jaren’ 90 een dominante kracht op de PC kon worden. Software-implementaties van OpenGL waren gebruikelijk in deze tijd, hoewel de invloed van OpenGL uiteindelijk leidde tot wijdverbreide hardware-ondersteuning. Na verloop van tijd ontstond er een pariteit tussen functies die in hardware worden aangeboden en functies die in OpenGL worden aangeboden., DirectX werd populair onder Windows game-ontwikkelaars tijdens de late jaren ‘ 90. in tegenstelling tot OpenGL, Microsoft drong aan op het verstrekken van strikte one-to-one ondersteuning van hardware. De aanpak maakte DirectX minder populair als een standalone grafische API in eerste instantie, omdat veel GPU ‘ s voorzien van hun eigen specifieke functies, die bestaande OpenGL-toepassingen waren al in staat om te profiteren van, waardoor DirectX vaak een generatie achter. (Zie: vergelijking van OpenGL en Direct3D.,)

na verloop van tijd begon Microsoft nauwer samen te werken met hardwareontwikkelaars, en begon de releases van DirectX te richten op die van de ondersteunende grafische hardware. Direct3D 5.0 was de eerste versie van de ontluikende API die wijdverspreid werd aangenomen in de gaming-markt, en het concurreerde rechtstreeks met veel meer-hardware-specifieke, vaak gepatenteerde grafische bibliotheken, terwijl OpenGL een sterke aanhang behield. Direct3D 7.,0 introduceerde ondersteuning voor hardware-versnelde transformatie en verlichting (T&L) voor Direct3D, terwijl OpenGL deze mogelijkheid al vanaf het begin had blootgelegd. 3D accelerator kaarten verplaatst dan alleen eenvoudige rasterizers om een andere belangrijke hardware fase toe te voegen aan de 3D rendering pijplijn. De Nvidia GeForce 256 (ook bekend als NV10) was de eerste consumentenkaart op de markt met hardware-versnelde T&L, terwijl professionele 3D-kaarten al deze mogelijkheid hadden., Hardware transformeren en verlichting, beide reeds bestaande functies van OpenGL, kwam tot de consument-niveau hardware in de ” 90s en het precedent voor latere pixel shader en vertex shader units die veel flexibeler en programmeerbaar waren.

2000 tot 2010Edit

Nvidia was de eerste die een chip produceerde die programmeerbare arcering mogelijk maakte; de GeForce 3 (codenaam NV20). Elke pixel kan nu worden verwerkt door een kort “programma” dat extra beeldtexturen als ingangen kan bevatten, en elke geometrische vertex kan ook worden verwerkt door een kort programma voordat het op het scherm werd geprojecteerd., Gebruikt in de Xbox-console, het concurreerde met de PlayStation 2, die een aangepaste Vector-eenheid gebruikt voor hardware versnelde vertex-verwerking; vaak aangeduid als VU0/VU1. De vroegste incarnaties van shader execution engines die in Xbox werden gebruikt, waren niet algemeen en konden geen willekeurige pixelcode uitvoeren. Hoekpunten en pixels werden verwerkt door verschillende eenheden die hun eigen bronnen hadden met pixel shaders met veel strengere beperkingen (omdat ze worden uitgevoerd op veel hogere frequenties dan met hoekpunten)., Pixel shading engines waren eigenlijk meer verwant aan een zeer aanpasbare functie blok en deed”t echt “lopen” een programma. Veel van deze verschillen tussen vertex en pixel shading werden pas veel later aangepakt met het Unified Shader Model.in oktober 2002, met de introductie van de ATI Radeon 9700 (ook bekend als R300), konden ’s werelds eerste Direct3D 9.0 accelerator, pixel en vertex shaders looping en lange floating point math implementeren, en werden snel zo flexibel als CPU’ s, maar ordes van grootte sneller voor image-array operaties., Pixel arcering wordt vaak gebruikt voor bump mapping, die textuur toevoegt, om een object er glanzend, dof, ruw, of zelfs rond of geëxtrudeerd.

met de introductie van de Nvidia GeForce 8-serie, en vervolgens nieuwe generieke stream processing unit GPU ‘ s werden een meer gegeneraliseerde computerapparaten., Vandaag, parallelle GPU ‘ s zijn begonnen met het maken van computationele inroads tegen de CPU, en een subveld van onderzoek, genaamd GPU Computing of GPGPU voor algemene doeleinden Computing op GPU, heeft zijn weg gevonden in gebieden zo divers als machine learning, olie-exploratie, wetenschappelijke beeldverwerking, lineaire algebra, statistieken, 3D-reconstructie en zelfs aandelenopties prijsbepaling. GPGPU was op dat moment de voorloper van wat nu een compute shader wordt genoemd (bijv., CUDA, OpenCL, DirectCompute) en daadwerkelijk misbruikt de hardware tot op zekere hoogte door het behandelen van de gegevens doorgegeven aan algoritmen als textuur kaarten en het uitvoeren van algoritmen door het tekenen van een driehoek of quad met een geschikte pixel shader. Dit brengt uiteraard enkele overheadkosten met zich mee aangezien eenheden zoals de Scan Converter betrokken zijn waar ze niet echt nodig zijn (noch zijn triangle manipulaties zelfs een punt van zorg—behalve om de pixel shader aan te roepen). In de loop der jaren is het energieverbruik van GPU ‘ s toegenomen en om dit te beheren zijn verschillende technieken voorgesteld.,

Nvidia ‘ s CUDA platform, voor het eerst geà ntroduceerd in 2007, was het vroegste algemeen aangenomen programmeermodel voor GPU computing. Meer recentelijk heeft OpenCL brede steun gekregen. OpenCL is een open standaard gedefinieerd door de Khronos groep die het mogelijk maakt voor de ontwikkeling van code voor zowel GPU ’s en CPU’ s met een nadruk op portabiliteit. OpenCL oplossingen worden ondersteund door Intel, AMD, Nvidia, en ARM, en volgens een recent rapport van Evan ‘ s Data, OpenCL is de GPGPU ontwikkeling platform meest gebruikt door ontwikkelaars in zowel de VS en Azië-Pacific.,in 2010 begon Nvidia een samenwerking met Audi om de dashboards van hun auto ‘ s aan te drijven. Deze Tegra GPU ’s werden het voeden van de auto ‘s” dashboard, het aanbieden van meer functionaliteit voor auto ‘s” navigatie-en entertainmentsystemen. Vooruitgang in GPU-technologie in auto ‘ s heeft geholpen duwen zelfrijdende technologie. AMD “s Radeon HD 6000 serie kaarten werden uitgebracht in 2010 en in 2011, AMD bracht hun 6000M serie discrete GPU’ s voor gebruik in mobiele apparaten. De Kepler lijn van grafische kaarten door Nvidia kwam uit in 2012 en werden gebruikt in de NVIDIA”s 600 en 700 serie kaarten., Een functie in deze nieuwe gpu microarchitecture opgenomen GPU boost, een technologie die past de kloksnelheid van een videokaart te verhogen of te verlagen op basis van de macht te trekken. De Kepler microarchitectuur werd vervaardigd op het 28 nm-proces.

De PS4 en Xbox One werden uitgebracht in 2013, ze gebruiken beide GPU ’s gebaseerd op AMD”s Radeon HD 7850 en 7790. Nvidia “s Kepler lijn van GPU’ s werd gevolgd door de Maxwell lijn, Vervaardigd op hetzelfde proces., 28 nm-chips van Nvidia werden vervaardigd door TSMC, de Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, die op dat moment het 28 nm-proces gebruikte. In vergelijking met de 40 nm technologie uit het verleden, dit nieuwe productieproces zorgde voor een 20 procent boost in de prestaties, terwijl het trekken van minder vermogen. Virtual reality headsets hebben zeer hoge systeemvereisten. VR-headset fabrikanten aanbevolen de GTX 970 en de R9 290X of beter op het moment van hun release. Pascal is de volgende generatie van consumenten Grafische kaarten door Nvidia uitgebracht in 2016., De GeForce 10 serie kaarten zijn onder deze generatie van grafische kaarten. Ze zijn gemaakt met behulp van het 16 nm productieproces dat verbetert op eerdere microarchitecturen. Nvidia heeft een niet-consumer kaart onder de nieuwe Volta architectuur, de Titan V. wijzigingen van de Titan XP, Pascal ‘ s high-end kaart, onder meer een toename van het aantal CUDA kernen, de toevoeging van tensor kernen, en HBM2., Tensor cores zijn kernen speciaal ontworpen voor deep learning, terwijl high-bandbreedte geheugen is on-sterven, gestapeld, lager geklokt geheugen dat een extreem breed geheugen bus die nuttig is voor de Titan V”S beoogde doel biedt. Om te benadrukken dat de Titan V is geen gaming card, nvidia verwijderd van de “GeForce GTX” achtervoegsel wordt toegevoegd aan de consument gaming kaarten.

op 20 augustus 2018 lanceerde Nvidia de RTX 20 serie GPU ’s die ray-tracing cores toevoegen aan GPU’ s, wat hun prestaties op lichteffecten verbetert. Polaris 11 en Polaris 10 GPU ‘ s van AMD worden vervaardigd door een 14-nanometer proces., Hun release resulteert in een aanzienlijke verhoging van de prestaties per watt van AMD videokaarten. AMD heeft ook de Vega GPU ’s serie uitgebracht voor de high-end markt als concurrent van NVIDIA’ s high-end Pascal kaarten, ook met HBM2 zoals de Titan V.

in 2019 bracht AMD de opvolger uit van hun Graphics Core Next (GCN) microarchitecture/instruction set. De Radeon RX 5000-serie videokaarten, die later werd gelanceerd op 7 juli 2019, was de eerste productlijn met de eerste generatie RDNA., Later kondigde het bedrijf aan dat de opvolger van de rDNA microarchitecture een refresh zou zijn. De nieuwe microarchitectuur, genaamd RDNA 2, zou in het vierde kwartaal van 2020 worden uitgebracht.

AMD onthulde de Radeon RX 6000 serie, de volgende generatie rDNA 2 Grafische kaarten met ondersteuning voor hardware-versnelde ray tracing op een online evenement op 28 oktober 2020. De line-up bestaat aanvankelijk uit de RX 6800, RX 6800 XT en RX 6900 XT. De RX 6800 en de 6800 XT werden gelanceerd op 18 November 2020 en de RX 6900 XT werd uitgebracht op 8 December 2020., De RX 6700 en RX 6700 XT varianten, die is gebaseerd op Navi 22 zal naar verwachting in de eerste helft van 2021 te lanceren.

De PlayStation 5 en Xbox Series X en Series S werden uitgebracht in 2020, ze gebruiken beide GPU ‘ s gebaseerd op de rDNA 2 microarchitectuur met eigen tweaks en verschillende GPU-configuraties in de implementatie van elk systeem.

GPU companiesEdit

veel bedrijven hebben GPU ‘ s geproduceerd onder een aantal merknamen. In 2009 waren Intel, Nvidia en AMD/ATI de marktleiders, met respectievelijk 49,4%, 27,8% en 20,6% marktaandeel., Echter, deze nummers bevatten Intel ’s geïntegreerde grafische oplossingen als GPU’ s. Niet meegerekend, NVIDIA en AMD controle bijna 100% van de markt vanaf 2018. Hun respectieve marktaandelen zijn 66% en 33%. Daarnaast produceren S3 Graphics en Matrox GPU ‘ s.Moderne smartphones gebruiken ook meestal Adreno GPU ’s van Qualcomm, PowerVR GPU’ s van Imagination Technologies en Mali GPU ‘ s van ARM.