从群雄逐鹿到两强争霸 DirectX技术回顾

　　老牌的DIY玩家想必都还记得，自从微软在上个世纪90年代后期推出了DirectX 7之后，显卡行业便从此进入了“军阀混战”的时代，最终形成了以NVidia和ATI为主的两强争霸格局。也是从那时起，我们第一次有了GPU，也就是图形处理器的概念(GPU的全称是Graphic Processing Unit)。

　　GPU的诞生，显卡新时代的推动者：DirectX 7

　　GPU这个概念是由微软发布DirectX 7之后由NVidia首先提出的，在GPU出现之前，Transform & Lighting(T&L，坐标转换和光源处理)一直是由CPU来完成的。也就是说，如果玩家想要在高端游戏中获得更好的效果，就必须选购性能更为强大的CPU。但是这种情况随着GPU的出现而有了改观，因为从此以后，这两个方面的图形处理GPU完全可以胜任，从而有效的释放了CPU的空间，以便让其来做其他方面的运算。另外，这项技术的出现，也首次使得T&L技术在民用级显卡中得到应用，并逐渐开始普及。

　　所谓Transform & Lighting(T&L，坐标转换和光源处理)我们可以这么理解，3D游戏中的任何一个物体都有一个坐标，当此物体运动时，它的坐标发生变化，这指的就是坐标转换;3D游戏中除了场景+物体还需要灯光，没有灯光就没有3D物体的表现，无论是实时3D游戏还是3D影像渲染，加上灯光的3D渲染是最消耗资源的。虽然OpenGL中已有相关技术，但此前从未在民用级硬件中出现。

　　同时期代表产品：

　　伴随着微软的DirectX 7发布，NVidia随之发布了其GeForce 256显卡，GeForce 256完全遵循微软的DirectX 7架构设计，在硬件方面支持T&L技术。除此以外，这款产品还提供了立方环境材质贴图、顶点混合、256位渲染引擎等诸多先进技术。另外，GeForce这个产品命名方式也被NVidia一直沿用至今。

　　几乎与此同时，ATI方面也推出了同样遵循了微软DirectX 7标准的产品，也就是Radeon 256显卡了。该产品的直接竞争目标就是GeForce 256，同NVidia一样，ATI的“Radeon”产品命名方式也同样沿用至今。

　　同样在DirectX 7时代，显卡芯片厂商出现了一次大清洗，NVIDIA以及ATI逐渐形成了双雄争霸的格局，而3dfx、S3等品牌逐渐退出了历史舞台。

Shader Mode技术催生DirectX 8诞生

　　正当DirectX 7大红大紫的时候，微软更上一层楼的推出了DirectX 8，从而再次推动了显卡技术的大发展，因为伴随着DirectX 8的到来，微软还尝试性的加入了新技术Shader Model 1.0。而Shader Model 1.0最大的特点是加入了两个全新的顶点单元以及渲染单元(Vertex Shader，简称VS，顶点单元;Pixel Shader，简称PS，渲染单元)。

　　催生Shader Mode技术诞生主要是由于T&L单元已经不能完全满足大型游戏开发的需要，因为虽然其能够大幅减轻CPU方面的负担，但是随着游戏场景复杂度的增加，简单的T&L单元已经无法胜任，而Shader Model 1.0的最大好处是其VS以及PS单元让GPU拥有了更大的灵活性，同时也使得GPU的可编程性大大提高，从而降低在游戏开发时的难度。

　　得益于这一系列的改进，玩家也首次在游戏中体验到了拟真的感受，尤其在3DMark 2001SE当中的Nature场景最为明显，从那以后，DirectX 8当中的Shader Model也成为了随后DirectX更新的一个重要衡量标准，直到现在一直如此。

　　而此时的显卡芯片厂商方面，除了NVidia和ATI以外，其他厂商已全然不见了踪影。作为NVidia遵循DirectX 8推出的主力产品是GeForce 3 Ti，该款产品相比GeForce 2来说，几乎是改头换面。

　　而ATI方面这次却落在了后面，没能及时跟上NVidia的脚步。为了弥补这一错误，ATI大胆的跳过了DirectX8,直接支持DirectX 8.1，推出了基于DirectX 8.1的Radeon 8500。较上代产品的改动同样翻天覆地。

　　虽然ATI的Radeon 8500设计出色，无奈在时间上NVIDIA已经领先，因此市场对其的反应平淡。不过也正是由于Radeon 8500的诞生，使得NVidia真正感受到了来自ATI的市场压力。

　　帮ATI绝地反击：DirectX 9问世

　　随着时间的推移，微软又推出了DirectX 9，在这一带的DirectX当中，Shader Model技术更进一步升华成了标准配置，版本升级到2.0，并且PS单元的渲染精度达到浮点精度，而且取消了传统的硬件T&L单元，取而代之的是在较低DirectX版本游戏运行时使用VS单元模拟执行硬件T&L单元功能。不过类似的技术改进对产品架构的改进不大。不过这时候DirectX已经成为显卡性能的标准，从显卡支持什么版本的DirectX，用户就可以分辨出显卡的性能高低。DirectX在硬件厂商以及游戏开发商当中的地位已经举足轻重。

　　借助DirectX 9，ATI先发制人的推出了Radeon 9000系列产品。想必诸多老游戏迷还记得当年Radeon 9000系列产品横扫市场时的风光。无论是早期的Radeon 9500/9700还是后来的Radeon 9550/9600/9800等产品，均成为了一代经典之作。

与ATI相反NVidia由于涉及思路产生偏差，导致GeForce FX 5000系列产品被Radeon 9000系列打的一败涂地，几无还手之力。虽然NVidia在后期推出了FX 5000系列的升级产品，但由于ATI已经在技术和市场的掌控上处于全面的优势，所以NVidia最终还是回天乏术。

　　帮助NVidia再夺宝座：升级版的Direct9.0C

　　在Direct9.0之后，微软又推出了一个升级版本–Direct9.0C。虽然只是升级版，但是该版本的Direct将Shader Model升级到了3.0，而且还加入了HDRHDR(High Dynamic Range，高动态范围)。该技术能够使得游戏画面大幅提升，临场感更强。

　　这次NVidia吸取了FX5000系列的教训，在对显卡架构进行彻底改进之后推出了GeForce 6800，提供了对Direct9.0C标准的全面支持。

　　而ATI这一次却没能抢到先机，其对等产品Radeon X800不仅在推出时间上晚了一个月，而且还没提供对Direct9.0C的支持，使得刚获得不久的胜利转瞬间易手NVidia。

　　击败ATI的GeForce 6800 Ultra的架构设计图

　　ATI的R580架构设计图，虽然出色，却生不逢时

　　在这之后的大概一年的时间里，NVIDIA又乘胜追击推出了第二代DX9.0C显卡GeForce 7800系列，坐实了领跑Direct9.0C的宝座。而ATI方面也推出了全新架构的Radeon X1800系列产品与之抗衡，不过性能表现并不占优势，所以没有对NVidia造成实质上的威胁。虽然ATI随后又推出了另外一款规格、性能出色的Radeon X1900系列产品，但无奈此时的Direct10已经呼之欲出，虽然X1900系列性能强劲，但在新技术面前终究已无回天之力，最终没有能够挽救ATI在这一局落败的命运。

　　再一次的显示革命：DirectX10统一架构

　　从前几次的DirectX技术更新可以看出，微软几乎是每隔一到两年便会推出一次DirectX更新，转眼之间，DirectX 10推出了。这一次，微软对架构进行了较大的调整，在DirectX 10当中，提出了统一架构的概念。原有的VS单元和PS单元不再进行区分，同时还加入了集合渲染的概念，统称为Shader单元。新架构有效的提升了显卡的执行效率，在游戏画面的表现上也更进一步。

　　统一架构示意图，该架构摒弃了VS单元和PS单元的概念使得显卡的执行效率进一步提高

　　除了新的统一架构概念以外，Direct10还加入了全新的几何着色单元和HDR格式等等，值得一提的是几何着色单元允许GPU能够控制集合图形数据，这项新技术增强了GPU的功能，在这之后不久，微软又推出了一个DirectX 10.1，不过这个10.1版仅能看做是10.0的修改版，所以并没有引起多大的反响。

　　鉴于微软在DirectX 10的架构上进行的巨大改动，因此NVidia也对其当时的代表作Geforce 8800GTX显卡核心架构进行了大幅度的调整。从这一代产品开始，我们已经找不到一丁点前作的影子了。

　　NVidia的经典之作Geforce 8800GTX，该显卡在架构上较前代的改动是翻天覆地的

由于DirectX 10在架构方面进行了非常大的调整，因此首发上市的NVIDIA GeForce 8800GTX显卡核心架构也进行了非常大幅度的调整，我们已经无法在这款产品上看到上一代显卡的影子。而且，NVDIAI的首款DX10显卡的发布领先了ATI半年左右，让NVIDIA再次获得了巨大的市场先机。很多DIY玩家应该还记得，当时ATI的产品只能用降价来应对。在当时来说，这大概也是无奈之举了。

　　成功中的失败：Radeon HD 2900XT

　　更令人大跌眼镜的是，ATI虽然晚于NVidia半年之后才发布了支持DX10架构产品Radeon HD 2900XT，但是其无论是设计方式还是运行效率均不及对手。使得ATI争霸性能王者宝座的挑战再次落败。虽然

　　如此，ATI的这一设计思路也并非一无是处，至少对今后的ATI产品提供了基础，随后的HD3800、4800乃至最新的HD5800系列依然延续了这种思路。

　　也就是从这一时期开始，ATI认识到不断在原有架构基础上累加晶体管数量以及Shader数量的方法已经不足以撼动NVidia的地位，于是便改变市场策略，不再正面挑战NVidia的高端产品，而是在中低端产品上下手。虽然该策略在市场角度来看无可厚非，甚至不失为一个成功的策略，但是我们不得不说，在这一句的性能之王的竞争中，ATI又落败了。

　　后浪推前浪：DirectX 11的技术变革

　　随着2009年微软推出了Windows 7操作系统，Direct X技术也再一次的更新了其版本，达到了DirectX11，该版本较前作的改进主要体现在多线程处理、Shader Model 5.0、DirectComputer11、Tessellation、HDR纹理压缩几部分。不过除了除了Tessellation是在架构方面进行大改动以外，其他方面主要都是通过指令代码等方式来实现的。

　　所谓Tessellation，其实就是DirectX 11 Tessellation的处理单元，Tessellator单元本身不具备可编程性，因此DirectX11向tesselator单元输入或者从中输出的过程是通过两个传统的管线阶段完成的：Hull Shader (HS，外壳着色器)和Domain Shader (DS，域着色器)。Hull Shader负责接收琐碎的图形数据和资料，而control points将会基于如何配置Tessellator来产生数据。这些琐碎的图形数据和资料会形成一个新的primitive单元(类似于顶点单元和像素单元)，这种primitive单元可以将平面的一段分块处理。Control points用来定义想要得到的图形(比如说一个曲面或者其他)的图形参数变量。如果您经常用Photoshop绘图软件的话，不妨把Control points理解为PS的钢笔

　　工具：用平面代替线的贝塞尔曲线功能。Hull Shader采用control points来决定如何安排tessellator处理数据，利用Tessellator生成大批量的、确定数量的点，然后将数据传送给Domain Shader，Domain Shader将这些点转换成3D处理中的顶点，最后GPU生成曲线以及多边形。

　　Tessellation是创造更多纹理细节、阴影以及平滑边缘的几何图形的最佳途径之一。如果开发者们采用Tessellation技术的话，我们可以看到非常逼真的物体效果，而且随着DX11的发布，NVIDIA以及ATI最终将会从Tessellation技术中获益。

　　ATI的DirectX 11主力级产品Radeon HD 5870

　　而在这一次的两强争霸战中，ATI并没有把Tessellator单元看得过于重要。在设计Cypress架构上，ATI的策略更像是将两个RV770整合在一颗芯片当中，进一步提升显卡在超高分辨率当中的性能表现。而DX11对于Cypress核心来说仅仅相当于其中的功能之一。Cypress设计的最成功之处在于将流处理器单元从前一代产品的800个激增到1600个而核心面积却没有大幅度增加。

　　虽然ATI设计的类似于双核的产品的确是增强显卡性能的捷径，但是其对Tessellator单元的轻视也注定了其不可能在DirectX 11技术上有太强的表现。

　　与ATI的设计思路不同，NVIDIA在GF100上花费了大量的精力以及时间进行研发。为了加强Tessellation的性能表现，NVIDIA甚至将第一版的GF100设计产品推翻重来，为的就是设计出一款

　　DX11性能强劲的产品。

　　从NVIDIA的首款统一架构的G80开始，到今天的GF100产品，这已经是NVIDIA第三代统一架构产品。与第一代、第二代产品的小幅改进不同的是，第三代GF100统一架构产品为了迎合DX11的特性，在整体设计方面进行了较大幅度的调整。

　　对于最新一代的DirectX 11架构设计来说，ATI与NVIDIA所注重的理念可以说是大相径庭。我们甚至可以这么理解，ATI是希望通过小的技术改动抢先获得发布DirectX 11的市场先机，但是NVidia则希望稳扎稳打，设计出有优秀DirectX 11性能的产品。一个注重的是市场效应，一个注重的是技术效应。

　　在未来的DirectX 11游戏当中，相信Tessellation会被大规模的采用，NVIDIA的DX11架构得益于其稳扎稳打的技术优势相信会获得不错的市场反响，而届时ATI的HD5000在技术方面则很可能会出现Shader单元的大范围空载，Tessellator单元的满负荷运行而影响游戏效果的现象。至于ATI在今年下半年推出的“南方群岛”DirectX 11显卡在这方面会否有大的改动，我们拭目以待。

　　结语：

　　纵观从上世纪90年代末开始的这场关于显示技术的群雄逐鹿之战到现在仅剩NVidia和ATI两家，其他厂商皆已成为历史。而时至今日，我们不难看出，经过十余年的争斗，NVidia似乎已经确立了在技术方面的领先，而ATI也转而面对现实，在市场方面广下功夫。今后的竞争想必更加激烈，然而无论厂商竞争如何，相信得益的最终只会是我们消费者。

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