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learn.lianglianglee.com/专栏/深入浅出计算机组成原理/30 GPU（上）：为什么玩游戏需要使用GPU？.md.html
周伟 d9c5ffd627 u
2022-05-11 19:04:14 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>30 GPU（上）：为什么玩游戏需要使用GPU？</h1>
<p>讲完了 CPU，我带你一起来看一看计算机里的另外一个处理器，也就是被称之为 GPU 的图形处理器。过去几年里，因为深度学习的大发展，GPU 一下子火起来了，似乎 GPU 成了一个专为深度学习而设计的处理器。那 GPU 的架构究竟是怎么回事儿呢？它最早是用来做什么而被设计出来的呢？</p>
<p>想要理解 GPU 的设计，我们就要从 GPU 的老本行图形处理说起。因为图形处理才是 GPU 设计用来做的事情。只有了解了图形处理的流程，我们才能搞明白，为什么 GPU 要设计成现在这样；为什么在深度学习上，GPU 比起 CPU 有那么大的优势。</p>
<h2>GPU 的历史进程</h2>
<p>GPU 是随着我们开始在计算机里面需要渲染三维图形的出现，而发展起来的设备。图形渲染和设备的先驱，第一个要算是 SGI（Silicon Graphics Inc.）这家公司。SGI 的名字翻译成中文就是“硅谷图形公司”。这家公司从 80 年代起就开发了很多基于 Unix 操作系统的工作站。它的创始人 Jim Clark 是斯坦福的教授，也是图形学的专家。</p>
<p>后来，他也是网景公司（Netscape）的创始人之一。而 Netscape，就是那个曾经和 IE 大战 300 回合的浏览器公司，虽然最终败在微软的 Windows 免费捆绑 IE 的策略下，但是也留下了 Firefox 这个完全由开源基金会管理的浏览器。不过这个都是后话了。</p>
<p>到了 90 年代中期，随着个人电脑的性能越来越好，PC 游戏玩家们开始有了“3D 显卡”的需求。那个时代之前的 3D 游戏，其实都是伪 3D。比如，大神卡马克开发的著名<a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Wolfenstein_3D">Wolfenstein 3D</a>（德军总部 3D），从不同视角看到的是 8 幅不同的贴图，实际上并不是通过图形学绘制渲染出来的多边形。</p>
<p>这样的情况下，游戏玩家的视角旋转个 10 度，看到的画面并没有变化。但是如果转了 45 度，看到的画面就变成了另外一幅图片。而如果我们能实时渲染基于多边形的 3D 画面的话，那么任何一点点的视角变化，都会实时在画面里面体现出来，就好像你在真实世界里面看到的一样。</p>
<p>而在 90 年代中期，随着硬件和技术的进步，我们终于可以在 PC 上用硬件直接实时渲染多边形了。“真 3D”游戏开始登上历史舞台了。“古墓丽影”“最终幻想 7”，这些游戏都是在那个时代诞生的。当时，很多国内的计算机爱好者梦寐以求的，是一块 Voodoo FX 的显卡。</p>
<p>那为什么 CPU 的性能已经大幅度提升了，但是我们还需要单独的 GPU 呢？想要了解这个问题，我们先来看一看三维图像实际通过计算机渲染出来的流程。</p>
<h2>图形渲染的流程</h2>
<p>现在我们电脑里面显示出来的 3D 的画面，其实是通过多边形组合出来的。你可以看看下面这张图，你在玩的各种游戏，里面的人物的脸，并不是那个相机或者摄像头拍出来的，而是通过<a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Polygonal_modeling">多边形建模</a>（Polygon Modeling）创建出来的。</p>
<p><img src="assets/0777aed6775051cfd83d0bb512de8722.png" alt="img" /></p>
<p><a href="https://www.ebalstudios.com/blog/polygon-modeling-basics">图片来源</a></p>
<p>3D 游戏里的人脸，其实是用多边形建模创建出来的</p>
<p>而实际这些人物在画面里面的移动、动作，乃至根据光线发生的变化，都是通过计算机根据图形学的各种计算，实时渲染出来的。</p>
<p>这个对于图像进行实时渲染的过程，可以被分解成下面这样 5 个步骤：</p>
<ol>
<li>顶点处理（Vertex Processing）</li>
<li>图元处理（Primitive Processing）</li>
<li>栅格化（Rasterization）</li>
<li>片段处理（Fragment Processing）</li>
<li>像素操作（Pixel Operations）</li>
</ol>
<p>我们现在来一步一步看这 5 个步骤。</p>
<h3>顶点处理</h3>
<p>图形渲染的第一步是顶点处理。构成多边形建模的每一个多边形呢，都有多个顶点（Vertex）。这些顶点都有一个在三维空间里的坐标。但是我们的屏幕是二维的，所以在确定当前视角的时候，我们需要把这些顶点在三维空间里面的位置，转化到屏幕这个二维空间里面。这个转换的操作，就被叫作顶点处理。</p>
<p>如果你稍微学过一点图形学的话，应该知道，这样的转化都是通过线性代数的计算来进行的。可以想见，我们的建模越精细，需要转换的顶点数量就越多，计算量就越大。<strong>而且，这里面每一个顶点位置的转换，互相之间没有依赖，是可以并行独立计算的。</strong></p>
<p><img src="assets/04c3da62c382e45b8f891cfa046169de.jpeg" alt="img" /></p>
<p>顶点处理就是在进行线性变换</p>
<h3>图元处理</h3>
<p>在顶点处理完成之后呢，我们需要开始进行第二步，也就是图元处理。图元处理，其实就是要把顶点处理完成之后的各个顶点连起来，变成多边形。其实转化后的顶点，仍然是在一个三维空间里，只是第三维的 Z 轴，是正对屏幕的“深度”。所以我们针对这些多边形，需要做一个操作，叫剔除和裁剪（Cull and Clip），也就是把不在屏幕里面，或者一部分不在屏幕里面的内容给去掉，减少接下来流程的工作量。</p>
<p><img src="assets/4a20559c43f93177d7a99081a0cd0e1d.jpeg" alt="img" /></p>
<h3>栅格化</h3>
<p>在图元处理完成之后呢，渲染还远远没有完成。我们的屏幕分辨率是有限的。它一般是通过一个个“像素（Pixel）”来显示出内容的。所以，对于做完图元处理的多边形，我们要开始进行第三步操作。这个操作就是把它们转换成屏幕里面的一个个像素点。这个操作呢，就叫作栅格化。<strong>这个栅格化操作，有一个特点和上面的顶点处理是一样的，就是每一个图元都可以并行独立地栅格化。</strong></p>
<p><img src="assets/e60a58e632fc05dbf96eaa5cbb7fb2a6.jpeg" alt="img" /></p>
<h3>片段处理</h3>
<p>在栅格化变成了像素点之后，我们的图还是“黑白”的。我们还需要计算每一个像素的颜色、透明度等信息，给像素点上色。这步操作，就是片段处理。<strong>这步操作，同样也可以每个片段并行、独立进行，和上面的顶点处理和栅格化一样。</strong></p>
<p><img src="assets/490f298719e81beb1871c10566d56308.jpeg" alt="img" /></p>
<h3>像素操作</h3>
<p>最后一步呢，我们就要把不同的多边形的像素点“混合（Blending）”到一起。可能前面的多边形可能是半透明的，那么前后的颜色就要混合在一起变成一个新的颜色；或者前面的多边形遮挡住了后面的多边形，那么我们只要显示前面多边形的颜色就好了。最终，输出到显示设备。</p>
<p><img src="assets/312b8e4730ac04d36c99ee7c56bbba1f.jpg" alt="img" /></p>
<p>经过这完整的 5 个步骤之后，我们就完成了从三维空间里的数据的渲染，变成屏幕上你可以看到的 3D 动画了。这样 5 个步骤的渲染流程呢，一般也被称之为<strong>图形流水线</strong>（Graphic Pipeline）。这个名字和我们讲解 CPU 里面的流水线非常相似，都叫<strong>Pipeline</strong>。</p>
<p><img src="assets/bf6554dffdf501182ac45bc59d30648f.jpeg" alt="img" /></p>
<h2>解放图形渲染的 GPU</h2>
<p>我们可以想一想，如果用 CPU 来进行这个渲染过程，需要花上多少资源呢？我们可以通过一些数据来做个粗略的估算。</p>
<p>在上世纪 90 年代的时候，屏幕的分辨率还没有现在那么高。一般的 CRT 显示器也就是 640×480 的分辨率。这意味着屏幕上有 30 万个像素需要渲染。为了让我们的眼睛看到画面不晕眩，我们希望画面能有 60 帧。于是，每秒我们就要重新渲染 60 次这个画面。也就是说，每秒我们需要完成 1800 万次单个像素的渲染。从栅格化开始，每个像素有 3 个流水线步骤，即使每次步骤只有 1 个指令，那我们也需要 5400 万条指令，也就是 54M 条指令。</p>
<p>90 年代的 CPU 的性能是多少呢？93 年出货的第一代 Pentium 处理器，主频是 60MHz，后续逐步推出了 66MHz、75MHz、100MHz 的处理器。以这个性能来看，用 CPU 来渲染 3D 图形，基本上就要把 CPU 的性能用完了。因为实际的每一个渲染步骤可能不止一个指令，我们的 CPU 可能根本就跑不动这样的三维图形渲染。</p>
<p>也就是在这个时候，Voodoo FX 这样的图形加速卡登上了历史舞台。既然图形渲染的流程是固定的，那我们直接用硬件来处理这部分过程，不用 CPU 来计算是不是就好了？很显然，这样的硬件会比制造有同样计算性能的 CPU 要便宜得多。因为整个计算流程是完全固定的，不需要流水线停顿、乱序执行等等的各类导致 CPU 计算变得复杂的问题。我们也不需要有什么可编程能力，只要让硬件按照写好的逻辑进行运算就好了。</p>
<p>那个时候，整个顶点处理的过程还是都由 CPU 进行的，不过后续所有到图元和像素级别的处理都是通过 Voodoo FX 或者 TNT 这样的显卡去处理的。也就是从这个时代开始，我们能玩上“真 3D”的游戏了。</p>
<p><img src="assets/852288ae6b69b7e649c81f90c9fd7cdb.jpeg" alt="img" /></p>
<p>不过，无论是 Voodoo FX 还是 NVidia TNT。整个显卡的架构还不同于我们现代的显卡，也没有现代显卡去进行各种加速深度学习的能力。这个能力，要到 NVidia 提出 Unified Shader Archicture 才开始具备。这也是我们下一讲要讲的内容。</p>
<h2>总结延伸</h2>
<p>这一讲里，我带你了解了一个基于多边形建模的三维图形的渲染过程。这个渲染过程需要经过顶点处理、图元处理、栅格化、片段处理以及像素操作这 5 个步骤。这 5 个步骤把存储在内存里面的多边形数据变成了渲染在屏幕上的画面。因为里面的很多步骤，都需要渲染整个画面里面的每一个像素，所以其实计算量是很大的。我们的 CPU 这个时候，就有点跑不动了。</p>
<p>于是，像 3dfx 和 NVidia 这样的厂商就推出了 3D 加速卡，用硬件来完成图元处理开始的渲染流程。这些加速卡和现代的显卡还不太一样，它们是用固定的处理流程来完成整个 3D 图形渲染的过程。不过，因为不用像 CPU 那样考虑计算和处理能力的通用性。我们就可以用比起 CPU 芯片更低的成本，更好地完成 3D 图形的渲染工作。而 3D 游戏的时代也是从这个时候开始的。</p>
<h2>推荐阅读</h2>
<p>想要了解 GPU 的设计构造，一个有效的办法就是回头去看看 GPU 的历史。我建议你好好读一读 Wikipedia 里面，关于 GPU 的条目。另外，也可以看看 Techspot 上的<a href="https://www.techspot.com/article/650-history-of-the-gpu/">The History of the Mordern Graphics Processor</a>的系列文章。</p>
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