处理器供应商赚钱的关键是销售功能日益增强的处理器的能力。而图形处理器供应商则用升级来保持成功。这些升级将越来越偷偷地依赖于CPU曾经运用过的功能。

　　要 点
　　·　CPU和GPU（图形处理设备）的发展使两个系统模块进入更加直接的对抗。
　　·　从AGP（图形加速端口） 的快速单向带宽转向有更快双向传输能力的PCI Express是系统转型的关键。
　　·　基于Windows的系统现在在硬件协助视频解码与编码能力方面领先于Mac OS系统。
　　·　静态与动态图像编辑是GPU可以伸出援助之手的另一个领域。而在Mac OS领域则已是事实。
　　·　在未来,GPU不仅要具备渲染功能,还要能完成基于多边形字符的动画功能。但尚不清楚哪种芯片能处理字符间的物理互动。

打开大门迎接变化

　　历史上看,CPU 与“图形加速器”各有其名,它们是很不相同却共栖共生的器件。CPU 由软件驱动,

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　　Kirk 继续说：“在可编程管线中,每一个这类操作都抽象为其内存存取和算术运算。程序员仍编写计算与硬连线管线相同结果的程序......但出现的机会却多得多”（参考文献 8）。除了 CPU 和 GPU 的发展以外,平台变换的另一个关键之处是互连它们的总线的改进。以今天的术语,多个竞争性外设要共享 PCI 带宽,它的速度慢得像糖浆流动一样,对于1.05Gbps的单向峰值带宽而言为32b和33MHz。专为图形而定制的 AGP（图形加速端口）总线的最高速度扩展可达 16.8 Gbps 峰值带宽（8 x 型）,但这只是单向速度,即从 CPU 至 GPU。经过AGP 总线从 GPU 返回 CPU 的数据流动要慢得多,峰值速度只有 1 x AGP（2.1 Gbps,或 PCI 的两倍）,上行的 AGP 信息量也因相干性和所用的 PCI 设备而经受窥探。

　　在 PCI Express 第 1版 中,每一个四信号的“通路”都支持同步与双向的 2 Gbps 数据传送（原带宽为 2.5 Gbps,去掉 8/10 b 编码开销）。换句话说,它支持总计达 4 Gbps的峰值带宽。今天 PC 中一般的 PCI Express 实现方法是专门将一个 16 路连接到图形子系统,因此在 CPU 和 GPU 之间建立起一个真正令人惊愕的带宽。过去,将信息送给 GPU 作中间处理是没有意义的,因为即使 GPU 能够处理速度快于 CPU的数据,但将结果传回 CPU 会发生不可接受的延迟。向 PCI Express 的转换显然能够缓解 AGP 上行的瓶颈问题。2005年7月下旬 Intel 开发者论坛（www.intel.com/idf）上的演讲为即将到来的 PCI Express 第 2版 规范铺平了道路,它的单路带宽将再次翻倍。

第一次转换

　　当几年前 DVD-ROM驱动器开始出现在 PC 中时,它主要还是用于播放视频 DVD,那时 GPU 供应商就看到了第一次打破纯图形盒子的绝好机会。这对笔记本电脑尤其具备吸引力,因为它使用的 CPU 功能低于台式系统。而且由于笔记本电脑是电池供电的,因此对功耗的考虑就更多一些。硬连线 MPEG-2 解码的功耗要高于软件为中心的方案。这样,GPU 从开始做最后一步彩色空间变换,后来更扩展到前级的运算,如 iDCT（反向离散余弦变换）和运动补偿,承担了处理 480 线分辨率 DVD 解码的大部分重担。（现在更扩展到包括 720 线和 1080 线分辨率的 HDTV。）台式机与笔记本电脑的差异今天仍然存在。例如,Intel 945G 台式内核逻辑芯片组内的图形内核要完成彩色空间变换、iDCT 和运

　　在 2004 年春季的 Intel 开发者论坛上,Pinnacle 系统公司（现在是 Avid 的一个分部）做了两次联合演示,一次与 ATI公司,另一次与 ATI公司 和 Intel公司。两次演示均强调了在高分辨率视频编辑应用中 PCI Express 对 AGP 的关键性优势（图 4）。典型的应用情境是在 GPU 上对多源视频流进行编辑与合并。（这些视频流可以是压缩或未压缩的,每个未压缩视频流需要高达 250 M B/s的总线带宽。）视频流置放在系统硬盘、主机内存以及连接的高分辨率视频录像机中。GPU 将完成的最终产品送回 CPU 作归档。在最后这个步骤中,AGP 有限的上行带宽是一个瓶颈,这是 PCI Express 替换的一个问题。这种情况下,经 GPU 加速的视频编码就很有吸引力了。其他有吸引力的应用如 PVR（个人录像机）应用,以及通过局域网（LAN）或广域网（WAN）向一台不支持源视频属性的网络家电作编码转换和流视频。DirectX VA 现在是一种视频解码中心的 API。但据微软的 Blythe 称：“未来肯定会支持API 的视频编码。”

下一个前沿

　　 简单讲,GPU直到被用作 MPEG-2 解码之前一直用于处理图像。DVD 的正确回放要求 GPU 对 480 线的视频（标准或宽频比率）按照输出设备的分辨率与尺寸进行换算。另外,还要求 GPU 对视频作去隔行处理,以匹配显示器的逐行扫描特性。开始时,去隔行处理使用的是相对简单的“bob”和“weave”算法,但随着 C

超越图形的游戏

　　除了渲染与图像处理以外,什么将是 GPU 从 CPU 那里夺取控制权的下一个应用前沿？亦或有量身定制功能的新处理器该从何处出现呢？Blythe 的Meltdown揭示出了三个 GPU 开发方向：贴皮(skinning),注意它是简单的 1～4 骨架,基于 GPU 的贴皮已经很普遍;变形（morphing）,如用 GPU 计算面部动作;最后是微粒系统与流体的仿真。Blythe 也对 Kirk 在 Hot Chips 上的主题演讲做出自己的反应,他说：“我们的目标还是更靠近游戏这边,我们已经掌握了将像素显示在屏幕上的方法,随着时间的流逝,我们达到了能在屏幕上得到足够像素的地步。于是,我开始希望提高像素的质量。”Blythe 称,微软下一个关注领域是寻找更好的方法为像素着色、更好的照明模型,或者更好的纹理映射运算。现在,该公司还开始努力获得更好的人物几何模型、更好的动画以及更出色的特效,如水、火和树叶。他说：“基本上,我尝试做的事就是让屏幕看起来更加栩栩如生。这就是我们的终极目的,或者是未来要发生的最富性价比的进步。”

　　微软也正在寻找各种方法以提高人物几何尺寸复杂性的质量,这样,他们就能有更好的轮廓边缘或投射出更好的阴影。Blythe 称,在图像质量提高以后,对最终用户体验贡献最大的下一组因素就是更好的物理仿真,例如建立更逼真的流体,以及能显示物体真实互动的可破坏环境。这些任务需要非传统的图形计算才能完成,如要同时解算普通微分方程和偏微分方程以及线性系统。因此,Blythe 称对微软来说,寻找解决这些问题的最佳方法是很有意义的。“如果我可以将它们表述为数据并行类问题,则 GPU 就可以着手解决。如果它们有更多这类控制级并行机制,则 CPU 可能会是最佳处理地点。然后就会有物理处理器。对此我无法讲得太多,因为就处理的类型来说有一个问题,即更靠近 CPU 还是更靠近 GPU。”

　　GPU Gems 系列丛书中全是简化渲染、动画以及物体元素互动的思路。这些物体可能包括树木、枝和叶;牧场上被风吹拂的草叶;头发飘逸的头;水和其它流体;火;以及大气效果,如雾和烟。这里的“简化”这个词很重要,例如,即使对今天最先进的 CPU 和 GPU 来说,如果要分别生成烟雾中的每个粒子,并计算它与所有其他微粒的互相作用,代价也会过于高昂。所以,需要一种视觉上可以比较的,但运算更简单的办法。GPU Gems 的第六章就讨论了一个火焰效果,它是 Nvidia 团队为 GeForce FX 5900 Ultra GPU 的发布而制作一个演示,名为 Vulcan（图 5）。该章作者 Hubert Nguyen 说：“当我们着手做演示时,我们首先尝试了两种很有希望的方案：完全程序化的火焰,以及使用屏幕空间、有失真的 2D 火焰。”

　　Nguyen 称全程序化方案只需耗用很少内存就可以建立一个不错的火焰效果。但是,要生成非常符合规定的火焰,该演示程序就要显示数千个微粒,而处理所有这些顶点与像素会给 CPU 和 GPU 增加沉重的负担。2D 有失真的火焰则采用 GPU 生成的摄动功能,将一个火焰形状作变化,赋予它一种真实的动感。失真包括渲染至纹理的多个过程,以及移动 2D 纹理坐标。虽然它消耗的内存多于微粒系统技术（因为演示过程必须分配多个渲染目标）,但该章称建立的烛光火烟效果堪称完美。然而,该效果具有对准屏幕的性质,因此它对运动与相机视角的变化很敏感。（顶视与底视都要限制,而 2D方向 的相机推进和拉开运动有时无法工作。）而且该章称,烟雾整合也是一个挑战。

　　Nguyen 写道：“程序技术有很大的优点,但它们无法满足我们的目标,即在一个实时、用户可控的环境中创建一个今人信服的、带烟的旺火。”因此,该团队转向视频纹理精灵(video-textured sprite),即基于视频的连续镜头,使火焰更加逼真。“尽管完全程序化以及物理火焰生成显然是未来的趋势,但有些最新电影,如《指环王》等,仍然采用了基于精灵的火烟特效”（参考文献 13）。在 Nguyen 对未来趋势的评论中,CPU 和 GPU 的发展趋势必然是更好地管理充分展开的实时微粒动画所需的复杂处理作业,以及其它计算密集型运算,如基于光线追踪的实时发光。如微软在其 Hot Chips 2005 上演示了对运行在未来 Xbox 360 游戏机控制台上 DirectX 9 变体增加的扩展,它支持在系统的 ATI设计的 GPU 上对微粒物理计算的执行。

　　但是,一些公司（如 Ageia公司,其即将面世的处理器为 PhysX）的官员则相信,仍然存在着对专用物理处理器的强制性需求。举个例子：一个游戏中不仅需要描绘出人物,而且还有相互间的互动,以及微粒物体的变形,如当人物走过一个烟雾层时的情景。Ageia 公司软件产品营销总监 Suneil Mishra 表示：“双核机器可以展示出单 CPU 系统上做不到的物理效果,PhysX 处理器则能产生出纯软件方法无法实现的真实与效果质量。双核处理器能够处理数百个实时物体的互动,而单核 CPU 则只能实现几十个,Ageia 的 PhysX 处理器能够同时产生数万个流体微粒和刚体物体。这种性能与质量上的飞跃使游戏玩家能够感受到完全不同的真实体验,以及由于效果与游戏而产生的投入感。”

　　Mishra 指出,GPU 最近一直专注于模仿一些物理效果,如火、水、头发或衣服,以及有限的动态互动或运动的灵巧虚拟影像。他进一步指出,这些案例虽然有说服力,但毕竟有限,其他 GPU 则正蚕食着一小部分物理仿真管线。他声称,Ageia 的物理处理器能够处理一个环境中成千个真实物体的实际互动,使游戏者通过动态的游戏,体验到真正的物理现实。此时,不仅事物的外观真实,而且动作和感觉也很到位。Mishra 说：“我们完全期待 GPU 保持性能的增长,完成更多的基本物理运作的同时,对高级物理效果和互动的支持将继续保持超越 GPU ,这只是由于它们的芯片结构问题。”Ageia 的 PhysX 处理器面向物理仿真算法的加速需求。按照 Mishra 的说法,在数万个实际互动物体的负荷下,对内存和浮点带宽的要求会让大多数可编程 GPU 败下阵来。

参考文献
　　1. Kirk, David, "Multiple cores, multiple pipes, multiple threads: Do we have more parallelism than we can handle?" IEEE Hot Chips Conference, Aug 16, 2005, www.hotchips.org.
　　2. Dipert, Brian, "Master of some: direct-view-display technology," EDN, March 3, 2005, pg 38.
　　3. Quinnell, Richard, "Microdisplay technologies: Projection systems lose contrast," EDN, April 14, 2005, pg 35.
　　4. Blythe, David, "DirectX Graphics Futures," Microsoft Meltdown Conference, July 2005.
　　5. Riley, H Norton, "The von Neumann Architecture of Computer Systems," September 1987, www. csupomona.edu/~hnriley/www/VonN.html.
　　6. Tamasi, Tony, "GeForce 7800-Full Throttle Graphics," Nvidia Editor''s Day, June 9, 2005.
　　7. Dipert, Brian, "Mac (under) the knife: piecing together the PowerPC puzzle," EDN, Sept 15, 2005, pg 44.
　　8. Fernando, Randima, Editor, GPU Gems: Programming Techniques, Tips, and Trends for Real-Time Graphics, ISBN 0-321-22832-4, Addison-Wesley, 2004. 
　　9. Dipert, Brian, "Video quality: A hands-on view," EDN, June 7, 2001, pg 83.
　　10. http://us.creative.com/corporate/pressroom/releases/welcome.asp?pid=6402.
　　11. www.apple.com/macosx/features/coreimage.
　　12. www.apple.com/finalcutstudio/motion.
　　13. Fernando, Randima, Editor GPU Gems: Programming Techniques, Tips, and Trends for Real-Time Graphics, ISBN 0-321-22832-4, Addison-Wesley, 2004.

参考文献:
www.gocyberlink.com/eng/press_room/view_886.html.