Графический процессор

История современных 3D-акселераторов, предназначенных для домашнего, а не профессионального использования, всерьез началась с компании 3Dfx. Видеокарты на основе процессора Voodoo Graphics (он же Voodoo 1) производства 3Dfx появились в продаже в 1997 году и надолго сделали название производящей их компании синонимом слова 3D-акселератор. Платы на этом процессоре были видеоакселераторами в чистом виде, то есть для работы требовали уже установленной в системе видеокарты. Типичное рабочее разрешение для Voodoo I составляло 512х384 пикселов, максимальное – 640х480 при 16-битной глубине цвета, поддерживалось до 4 МБ видеопамяти.

Поддержало репутацию 3Dfx и следующее поколение — Voodoo 2. Отличия были кардинальными: вдвое большее количество текстурных блоков, что позволяло использовать мультитекстурирование (наложение более одной текстуры за такт). Тактовые частоты чипов (на плате их было два) и памяти повысились. Размер видеопамяти увеличился до 8-12 Мбайт, что позволяло использовать большие разрешения. Впервые в истории появилась видеокарта, реализующая трилинейную фильтрацию.

Конкуренцию 3Dfx составляла с самого начала присутствовавшая на этом рынке компания ATI, хотя ее первый процессор — Rage 3D — проигрывал Voodoo I. Но в 1999 году в продаже появились карты на базе чипа Rage 128 и Rage 128 PRO (они же Rage Fury и Rage Fury PRO). PRO представлял собой разогнанный вариант обычного Rage 128 (частоты 140/160 и 103/103 МГц соответственно). В них впервые появилась аппаратная поддержка MPEG-2.

Еще один игрок на этом рынке — компания nVidia, начинавшая с весьма приличного процессора Riva128 и Riva128ZX, в 1999 году выпустила серьезный чипсет Riva TNT, в котором появилась поддержка шины AGP, 32-битного цвета, разрешения до 1920х1440 пикселов. А на процессорах TNT2 выпускался знаменитый видеоакселератор Creative 3DBlaster TNT2 Ultra.

Заметными в истории графических процессоров были G400 производства Matrox, которые, хоть и несколько проигрывали в скорости 3D-графики, но сочетание с великолепным качеством обработки двухмерного изображения сделало карты на этом чипе очень популярными среди тех, кому нужны от компьютера не только игры. Оценена была и «двуголовость» некоторых карт на этом процессоре — он мог поддерживать 2 монитора. Видеокарты на следующей версии этого процессора, G400MAX, уже позиционировались как профессиональные, и потому стоили (и стоят до сих пор) очень недешево, а покупали их в основном профессионалы-полиграфисты и верстальщики, не признающие мониторов дешевле 1000 долларов и разрешений ниже 1600х1200.

Термин GPU был впервые использован компанией nVidia в августе 1999 в отношении главного чипа видеокарты нового поколения GeForce 256. От предшествующих графических чипов его отличала поддержка технологии Transform&Lighting. Эта технология заключалась в преобразовании координат виртуальных трехмерных объектов в плоские координаты, отображаемые на мониторе, и вычислении освещенности этих объектов. Это очень ресурсоемкие и сложные вычисления, особенно при большом количестве объектов. Ранее они выполнялись на центральном процессоре, отнимая значительную часть процессорного времени, либо на отдельных процессорах освещения и трансформации. Поэтому, благодаря появлению графических процессоров, с одной стороны, с CPU снималась часть нагрузки, что позволяло использовать его для решения других задач. С другой стороны, появилась возможность увеличения количества объектов и степени их прорисовки, что позволило добиться нового уровня реалистичности в 3D-приложениях, особенно в компьютерных играх.
Плата GeForce 256 была дорогой и непроизводительной на приложениях, которые не использовали возможностей аппаратного T&L, и по-прежнему пользовались услугами ЦП для ручных вычислений. Поэтому другие производители видеокарт, например, ATI, 3dfx Interactive, Matrox, не поддержали новой технологии и пророчили ей скорое забвение. Ситуация изменилась с выходом игр, поддерживающих аппаратно реализованную технологию T&L — Quake III Arena, Unreal Tournament и др. Ввиду неоспоримых преимуществ аппаратного T&L перед программным вскоре он стал де-факто стандартом при программировании трехмерных игр. Компания ATI выпустила платы Radeon с его поддержкой, а два других конкурента вынуждены были уйти с рынка игровых видеоадаптеров.
Новым этапом в развитии графических процессоров стало появление пиксельных и вершинных шейдеров. Шейдеры представляют собой программы, написанные на языке, похожем на язык ассемблера, и позволяющие непосредственно управлять GPU, которые ранее не были программируемыми. Вершинные шейдеры позволяют определять параметры пикселя (освещенность, прозрачность, отражающую способность, координаты, текстуру и т.д.), исходя из параметров вершин треугольника, содержащего его. Пиксельные шейдеры позволяют работать с каждым пикселем индивидуально, уже после проведения геометрических преобразований. Поддержка программируемых шейдеров на аппаратном уровне впервые была реализована в 2000 году, в GPU nVidia GeForce 2 и ATI Radeon R100 (позднее переименован в Radeon 7200). Однако программная часть поддержки была плохо реализована. В результате, после согласования спецификаций, программируемые шейдеры стали поддерживаться DirectX 8.0, и первыми видеокартами, в которых можно было в полной мере пользоваться их преимуществами, стали видеокарты с чипами GeForce 3 и Radeon 8500.

Дальнейшее развитие графических процессоров обоих производителей происходило эволюционным путем: увеличивались тактовые частоты, добавлялась поддержка новых шейдерных моделей, улучшались технологии фильтрования и сглаживания. Все это позволяло добиваться новых уровней реалистичности при прорисовке объемных сцен.

На 2006 основными производителями графических процессоров для домашних ПК являются ATI Technologies и nVidia. Процессоры 2006 изготавливаются, как правило, по 130 или 90 нм технологии и работают на частоте 400-600 МГц.