显卡
电脑显卡的探秘：如何理解它的核心功能与性能？
一、引言
在电脑硬件领域，显卡的重要性不言而喻。作为电脑显示输出的核心组件，显卡负责将电脑内部的数字信号转化为我们可以看到的图像。本文将深入解析显卡的基本概念、核心功能、应用场景以及发展趋势，帮助大家更好地理解这一重要硬件。
二、显卡的基本概念及历史背景
显卡，全称为图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU），是一种专门用于处理图像的微处理器。显卡的主要任务是将电脑内部的数字信号转换为可用于显示的图像，从而实现电脑画面的输出。
显卡的发展历史可追溯到1981年，当时IBM公司推出的个人电脑标准配置中就包含了显卡。随着技术的不断发展，显卡的功能和性能得到了大幅提升，成为当今电脑的重要组成部分。
三、显卡的核心功能
图像渲染：显卡的主要功能是将电脑内部的二维几何图形数据转化为三维图像。在渲染过程中，显卡需要计算每个像素的颜色值，以实现图像的精确显示。
视频播放：显卡不仅能处理静态图像，还能高效处理视频数据。通过对视频数据进行解码和编码，显卡能实现流畅的视频播放。
游戏性能：游戏是显卡应用的主要领域之一。高性能的显卡能够提供更逼真的游戏画面、更高的帧率和更流畅的体验。
AI计算：随着人工智能的快速发展，显卡在AI计算方面的应用也越来越广泛。GPU加速计算可以大幅提升AI算法的训练速度，推动人工智能技术的进步。
四、显卡的应用场景
计算机游戏：游戏是显卡应用的主要领域之一。高性能显卡能提供更逼真的游戏画面和更高的帧率，为玩家带来极致的游戏体验。
影视制作：在影视制作领域，显卡能够提供高质量的视频输出，满足影视制作人员对画面质量的要求。
科学计算：显卡在科学计算领域的应用主要包括AI研究和计算机仿真等。高性能显卡可以加速大规模数据的计算过程，提高研究效率。
虚拟现实：显卡在虚拟现实领域的应用主要是提供逼真的三维图像渲染，让用户能够体验到更加真实的虚拟环境。
五、显卡的发展趋势
更高的性能：随着技术的不断进步，显卡的性能将持续提升，以满足不断增长的计算需求。
更多的核心：未来的显卡可能会拥有更多的核心，以提供更强大的并行计算能力。
更低的功耗：随着环保意识的提高，显卡制造商将致力于降低显卡的功耗，提高能源利用效率。
更多的功能：未来的显卡可能会集成更多的功能，如深度学习、光线追踪等，以满足各种应用的需求。
六、结论
电脑显卡作为电脑显示输出的核心组件，扮演着至关重要的角色。从基本的图像渲染到复杂的应用场景，如游戏、影视制作和科学计算，显卡都发挥着关键作用。随着技术的不断发展，显卡的性能和功能将得到进一步提升，满足不断增长的计算需求。为了充分发挥显卡的性能，选择适合自己需求的高质量显卡至关重要。同时，了解显卡的基本概念和历史背景有助于我们更好地理解和使用这一重要硬件。
参考文献：
GPU History and Evolution. (2021). Retrieved from https://www.techpowerup.com/gpu/history/
What is a Graphics Processing Unit (GPU)? (2021). Retrieved from https://www.tomshardware.com/reviews/gpu-definition-history-features,4046-10.html
百度百科的介绍
https://baike.baidu.com/item/%E6%98%BE%E5%8D%A1/133122?lemmaFrom=lemma_starMap&fromModule=lemma_starMap
显卡 （ Video card 、 Display card 、 Graphics card 、 Video adapter ）是个人计算机基础的组成部分之一，将计算机系统需要的显示信息进行转换驱动显示器，并向显示器提供逐行或隔行扫描信号，控制显示器的正确显示，是连接显示器和个人计算机主板的重要组件，是“人机”的重要设备之一，其内置的并行计算能力现阶段也用于深度学习等运算。
目录
1.1 产品介绍
2.2 工作原理及模式
3.3 分类
4.▪ 集成显卡
5.▪ 独立显卡
6.▪ 核芯显卡
7.4 结构
8.5 总线接口类型
9.▪ ISA显卡
10.▪ VESA显卡
11.▪ PCI显卡
12.▪ AGP显卡
13.▪ PCI Express显卡
14.▪ 外接PCI Express显卡
15.6 性能指标
16.▪ 显卡频率
17.▪ 显示存储器
18.▪ 显存类型
19.▪ 显存位宽
20.▪ 流处理器单元
21.7 显示器接口
22.8 当前主流显卡等级划分
产品介绍
显卡(2张)
显卡又称显示卡( Video card)，是计算机中一个重要的组成部分，承担输出显示图形的任务，对喜欢玩游戏和从事专业图形设计的人来说，显卡非常重要。主流显卡的显示芯片主要由NVIDIA（英伟达）和AMD（超威半导体^ [7] ）两大厂商制造，通常将采用NVIDIA显示芯片的显卡称为N卡，而将采用AMD显示芯片的显卡称为A卡。 [1]^
配置较高的计算机，都包含显卡计算核心。在科学计算中，显卡被称为显示加速卡。^ [1]^
显示芯片( Video chipset)是显卡的主要处理单元，因此又称为图形处理器(Graphic Processing Unit，GPU)，GPU是NVIDIA公司在发布GeForce 256图形处理芯片时首先提出的概念。尤其是在处理3D图形时，GPU使显卡减少了对CPU的依赖，并完成部分原本属于CPU的工作。GPU所采用的核心技术有硬件T&L（几何转换和光照处理）、立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等，而硬件T&L技术可以说是GPU的标志。^ [1]^
显卡所支持的各种3D特效由显示芯片的性能决定，采用什么样的显示芯片大致决定了这块显卡的档次和基本性能，比如NVIDIA的GT系列和AMD的HD系列。^ [1]^
衡量一个显卡好坏的方法有很多，除了使用测试软件测试比较外，还有很多指标可供用户比较显卡的性能，影响显卡性能的高低主要有显卡频率、显示存储器等性能指标^ [1]^ 。
工作原理及模式
显卡是插在主板上的扩展槽里的（一般是PCI-E插槽，此前还有AGP、PCI、ISA等插槽）。它主要负责把主机向显示器发出的显示信号转化为一般电气信号，使得显示器能明白个人计算机在让它做什么。显卡主要由显卡主板、显示芯片、显示存储器、散热器（散热片、风扇）等部分组成。显卡的主要芯片叫“显示芯片”（Video chipset，也叫GPU或VPU，图形处理器或视觉处理器），是显卡的主要处理单元。显卡上也有和计算机存储器相似的存储器，称为“显示存储器”，简称显存。^ [2]^
早期的显卡只是单纯意义的显卡，只起到信号转换的作用；我们一般使用的显卡都带有3D画面运算和图形加速功能，所以也叫做“图形加速卡”或“3D加速卡”。PC上最早的显卡是IBM在1981年推出的5150个人计算机上所搭载的MDA和CGA两款2D加速卡。^ [2]^
显卡通常由总线接口、PCB板、显示芯片、显存、RAMDAC、VGA BIOS、VGA功能插针、D-sub插座及其他外围组件构成，显卡大多还具有VGA、DVI显示器接口或者HDMI接口及S-Video端子和Display Port接口。^ [3]^
分类
集成显卡
配置核芯显卡的CPU通常价格不高，同时低端核显难以胜任大型游戏。集成显卡是将显示芯片、显存及其相关电路都集成在主板上，与其融为一体的元件；集成显卡的显示芯片有单独的，但大部分都集成在主板的北桥芯片中；一些主板集成的显卡也在主板上单独安装了显存，但其容量较小。集成显卡的显示效果与处理性能相对较弱，不能对显卡进行硬件升级，但可以通过CMOS调节频率或刷入新BIOS文件实现软件升级来挖掘显示芯片的潜能。集成显卡的优点是功耗低、发热量小，部分集成显卡的性能已经可以媲美入门级的独立显卡，所以很多喜欢自己动手组装计算机的人不用花费额外的资金来购买独立显卡，便能得到自己满意的性能。^ [4]^
集成显卡的缺点是性能相对略低，且固化在主板或CPU上，本身无法更换，如果必须换，就只能换主板。^ [4]^
独立显卡
独立显卡是指将显示芯片、显存及其相关电路单独做在一块电路板上，自成一体而作为一块独立的板卡存在，它需占用主板的扩展插槽(ISA、 PCI、AGP或PCI-E)。独立显卡的优点是单独安装有显存，一般不占用系统内存，在技术上也较集成显卡先进得多，但性能肯定不差于集成显卡，容易进行显卡的硬件升级。独立显卡的缺点是系统功耗有所加大，发热量也较大，需额外花费购买显卡的资金，同时(特别是对笔记本电脑)占用更多空间。由于显卡性能的不同对于显卡要求也不一样，独立显卡实际分为两类，一类专门为游戏设计的娱乐显卡，一类则是用于绘图和3D渲染的专业显卡。^ [4]^
核芯显卡
核芯显卡是Intel产品新一代图形处理核心，和以往的显卡设计不同，Intel 凭借其在处理器制程上的先进工艺以及新的架构设计，将图形核心与处理核心整合在同一块基板上，构成一个完整的处理器。智能处理器架构这种设计上的整合大大缩减了处理核心、图形核心、内存及内存控制器间的数据周转时间，有效提升处理效能并大幅降低芯片组整体功耗，有助于缩小核心组件的尺寸，为笔记本、一体机等产品的设计提供了更大选择空间。^ [4]^
需要注意的是，核芯显卡和传统意义上的集成显卡并不相同。笔记本平台采用的图形解决方案主要有“独立”和“集成”两种，前者拥有单独的图形核心和独立的显存，能够满足复杂庞大的图形处理需求，并提供高效的视频编码应用；集成显卡则将图形核心以单独芯片的方式集成在主板上，并且动态共享部分系统内存作为显存使用，因此能够提供简单的图形处理能力，以及较为流畅的编码应用。^ [4]^
相对于前两者，核芯显卡则将图形核心整合在处理器当中，进一步加强了图形处理的效率，并把集成显卡中的“处理器 南桥 北桥(图形核心 内存控制 显示输出)”三芯片解决方案精简为“处理器(处理核心 图形核心十内存控制)十主板芯片(显示输出)”的双芯片模式，有效降低了核心组件的整体功耗，更利于延长笔记本的续航时间。
低功耗是核芯显卡的最主要优势，由于新的精简架构及整合设计，核芯显卡对整体能耗的控制更加优异，高效的处理性能大幅缩短了运算时间，进一步缩减了系统平台的能耗。高性能也是它的主要优势：核芯显卡拥有诸多优势技术，可以带来充足的图形处理能力，相较前一代产品其性能的进步十分明显。^ [4]^
核芯显卡可支持DX10/DX11、SM4. 0、OpenGL 2.0，以及全高清Full HD MPEG2 / H.264 / VC-1格式解码等技术，即将加入的性能动态调节更可大幅提升核芯显卡的处理能力，令其完全满足于普通用户的需求。^ [4]^
结构
一般显卡的结构如下：^ [5]^
·电容：电容是显卡中非常重要的组成部件，因为显示画质的优劣主要取决于电容的质量，而电容的好坏直接影响到显卡电路的质襞。^ [5]^
·显存：显存负责存储显示芯片需要处理的各种数据，其容量的大小，性能的高低，直接影响着电脑的显示效果。新显卡均采用DDR6/DDR5的显存， 主流显存容量一般为2GB ~ 4GB。^ [5]^
·GPU及风扇：GPU即显卡芯片，它负责显卡绝大部分的计算工作，相当于CPU在电脑中的作用。GPU风扇的作用是给GPU散热。^ [5]^
·显卡接口：通常被叫做金手指，可分为PCI、 AGP和PCI Express三种，PCI和AGP显卡接口都基本被淘汰， 市面上主流显卡采用PCI Express的显卡。^ [5]^
·外设接口：显卡外设接口担负着显卡的输出任务，新显卡包括一个传统VGA模拟接口和一个或多个数字接口(DVI、HDMI和DP)。^ [5]^
·桥接接口：中高端显卡可支持多块同时工作，它们之间就是通过桥接器连接桥接口。
总线接口类型
ISA显卡
ISA显卡是以前最普遍使用的VGA显示器所能支持的古老显卡。^ [6]^
VESA显卡
VESA是“VideoElectronicStandardsAssociation”（视频电子工程标准协会）的缩写，由多家计算机芯片制造商于1989年联合创立。1994年底，VESA发表了64位架构的“VESA Local Bus”标准，80486的个人计算机大多采用这一标准的显卡。^ [6]^
PCI显卡
PCI（Peripheral Component Interconnect）显卡，通常被使用于较早期或精简型的计算机中，此类计算机由于将AGP标准插槽移除而必须仰赖PCI接口的显卡。已知被多数的使用于486到PentiumII早期的时代。但直到显示芯片无法直接支持AGP之前，仍有部分厂商持续制造以AGP转PCI为基底的显卡。已知最新型的PCI接口显卡，是GeForce GT 610 PCI（SPARKLE制）型号为 GRSP610L1024LC 以及 ATI HD 4350 PCI（HIS制）和HIS HD 5450 PCI（HIS制）HIS 5450 Silence 512MB DDR3 PCI DVI/HDMI/VGA 产品编号 H545H512P。^ [6]^
AGP显卡
AGP（AcceleratedGraphicsPort）是英特尔（Intel）公司在1996年开发的32位总线接口，用以增进计算机系统中的显示性能。分有AGP 1X、AGP 2X、AGP 4X及最后的AGP 8X，带宽分别为266MB/s、533MB/s、1066MB/s、以及2133 MB/s。其中AGP 4X以后已跟之前电压不兼容。其中3DLABS的“Wildcat4 7210”是最强的专业级AGP图形加速卡，而ATI公司的RadeonHD 4670、HD3850，是当年 (2007) 性能最强的消费级AGP图形加速卡。^ [6]^
PCI Express显卡
PCI Express（亦称PCI-E）是显卡最新的图形接口，用来取代AGP显卡，面对日后3D显示技术的不断进步，AGP的带宽已经不足以应付庞大的数据运算。性能最高的PCI-Express显卡是NVIDIA公司的“NVIDIA Titan V ”和AMD公司的“Radeon Pro Duo(Fiji)”。现时，2007年后出产的显卡可支持双显卡技术（NVIDIA的SLi及nvlink和AMD的CrossFire）。^ [6]^
外接PCI Express显卡
用USB或Thunderbolt高带宽线材连接到外接PCI Express显卡盒，需要用独立电源供应。^ [6]^
性能指标
显卡频率
显卡频率主要指显卡的核心频率和显存频率，均以MHz（兆赫兹）为单位。^ [1]^
(1)核心频率
显卡的核心频率是指显示核心的工作频率，其工作频率在一定程度上可以反映出显示核心的性能，但显卡的性能是由核心频率、流处理器单元、显存频率、显存位宽等多方面的情况所决定的，因此在显示核心不同的情况下，核心频率高并不代表此显卡性能强劲。比如GTS250的核心频率达到了750MHz，要比GTX260 的576MHz高，但在性能上GTX260 绝对要强于GTS250。在同样级别的芯片中，核心频率高的则性能要强一些。主流显示芯片只有AMD和NVIDIA两家，两家都提供显示核心给第三方的厂商，在同样的显示核心下，部分厂商会适当提高其产品的显示核心频率，使其工作在高于显示核心固定的频率上以达到更高的性能。^ [1]^
(2)显存频率
显存频率一定程度上反应着该显存的速度，显存频率的高低和显存类型有非常大的关系。^ [1]^
显存频率与显存时钟周期是相关的，二者成倒数关系，也就是显存频率( MHz)=1/显存时钟周期(NS)Xl000。但要明白的是，显卡制造时，厂商设定了显存实际工作频率，而实际工作频率不一定等于显存最大频率，此类情况较为常见。^ [1]^
显示存储器
显示存储器简称显存，也称为帧缓存，顾名思义，其主要功能就是暂时储存显示芯片处理过或即将提取的渲染数据，类似于主板的内存，是衡量显卡的主要性能指标之一。^ [1]^
显存与系统内存一样，其容量也是越多越好，图形核心的性能越强，需要的显存也就越大，因为显存越大，可以存储的图像数据就越多，支持的分辨率与颜色数也就越高，游戏运行起来就更加流畅。^ [1]^
主流显卡基本上具备的是6GB容量，一些中高端显卡则配备了6GB、8GB的显存容量。^ [1]^
显存类型
显存类型即显卡存储器采用的存储技术类型，市场上主要的显存类型有SDDR2、GDDR2、GDDR3和GDDR5几种，但主流的显卡大都采用了GDDR3的显存类型，也有一些中高端显卡采用的是GDDR5，与DDR3相比，DDR5类型的显卡拥有更高的频率，性能也更加强大。^ [1]^
显存位宽
显存位宽指的是一次可以读入的数据量，即表示显存与显示芯片之间交换数据的速度。位宽越大，显存与显示芯片之间数据的交换就越顺畅。通常说的某个显卡的规格是2GB 128bit，其中128bit指的就是这块显卡的显存位宽。^ [1]^
流处理器单元
在DX10显卡出来以前，并没有“流处理器”这个说法。GPU内部由“管线”构成，分为像素管线和顶点管线，它们的数目是固定的。简单来说，顶点管线主要负责3D建模，像素管线负责3D渲染。由于它们的数量是固定的，这就出现了一个问题，当某个游戏场景需要大量的3D建模而不需要太多的像素处理，就会造成顶点管线资源紧张而像素管线大量闲置，当然也有截然相反的另一种情况。这都会造成某些资源的不够和另一些资源的闲置浪费。在这样的情况下，人们在DX10时代首次提出了“统一渲染架构”，显卡取消了传统的“像素管线”和“顶点管线”，统一改为流处理器单元，它既可以进行顶点运算也可以进行像素运算，这样在不同的场景中，显卡就可以动态地分配进行顶点运算和像素运算的流处理器数量，达到资源的充分利用。^ [1]^
流处理器的数量的多少已经成为了决定显卡性能高低的一个很重要的指标，NVIDIA和AMD也在不断地增加显卡的流处理器数量使显卡的性能达到跳跃式增长，值得一提的是，N卡和A卡GPU架构并不一样，对于流处理器数的分配也不一样。双方没有可比性。^ [1]^
显示器接口
以下为常用的显示器接口：
·ADC - 苹果显示器端子
·D-sub-大多数人都称呼VGA端子，但多数的显示卡已经取消此接口，只保留DVI及HDMI
·13W3- 类比视讯接口，在早期图形工作站中普遍使用
·DVI- 数字视讯接口，与D-sub接头共存于现时市场中，可以转接成D-sub接头
·mini-DVI- 苹果所使用，就是DVI的缩小版，可以转成DVI或D-sub
·HDMI- 新型影音家电接口，显卡普遍使用，可以转为DVI接头
·DisplayPort- 与HDMI竞争的新型接口
·Mini DisplayPort-DisplayPort的演进版本
·LFH-DMS-59接口前身
·DMS-59- 一种可同时输出两组类比与两组数字信号的接口
·Thunderbolt-一种由苹果和英特尔共同开发的高速数据接口，向下兼容Mini DisplayPort设备，新一代使用USB 3.1 Type C
当前主流显卡等级划分
最高端显卡：截至2023年1月3日，最高端显卡为40系列显卡。^ [8]^
主流：由于30系列显卡刚推出不久，大多数玩家主流显卡仍为16系列与20系列显卡。
中端显卡：第九代显卡及10系列显卡。
低端显卡：7代及以下显卡
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