Технологии: Эволюция графики "AMD/ATI" путь развития Часть Первая⁠⁠

AMD. Второй по величине производитель дискретных графических процессоров, давний и бессменный противник NVIDIA. Как появились и развивались видеокарты AMD/ATI.

Wonder и Mach: 2D, ничего более

Компания ATI была основана задолго до NVIDIA — в 1985 году. О 3D-ускорителях графики тогда речи не шло, под «графической картой» понималась плата для вывода 2D-изображения.

Дебютной серией карт ATI стала линейка, позже получившая название Wonder. Первая модель, выпущенная в 1986 году, имела 64 КБ памяти и могла выводить как монохромное, так и цветное изображение. В первом случае поддерживалось разрешение до 720x348 точек, во втором — 320×200 при четырех цветах или вдвое меньше при 16 цветах.

Последняя модель серии под названием Wonder XL24 была выпущена в 1992 году. Она имела до 1 МБ памяти и поддерживала изображение разрешением 800x600 при 16-битной глубине цвета. Для подключения карт Wonder к системе использовалась шина ISA.

С начала 90-х линейку Wonder постепенно сменила серия 2D-ускорителей Mach, которые были призваны разгрузить ЦП системы от «рисования» интерфейса системы и программ. Новые модели Mach выпускались вплоть до 1996 года. Последняя модель Mach 64 имела от 1 до 4 МБ видеопамяти и поддерживала вывод картинки с разрешением до 1280x1024. Ранние модели использовали шину ISA, более поздние перешли на PCI.

3D Rage: переход в 3D

Первая карта с поддержкой 3D-ускорения была выпущена ATI в апреле 1996 года под именем 3D Rage. Чип карты производился по техпроцессу 500 нм и работал на частоте 40 МГц. Он сочетал в себе блок работы с 2D-графикой от Mach 64 с 3D-ускорителем, в составе которого один пиксельный конвейер, растровый блок (ROP) и текстурный модуль (TMU). По 64-битной шине чип соединялся с 2 МБ памяти EDO RAM, обладавшей пропускной способностью чуть больше 500 МБ/c.

Как и поздние Mach 64, карта имела исполнение PCI. В отличие от NVIDIA STG-2000, модель работала с треугольными полигонами. 3D Rage стала одной из первых карт с поддержкой DirectX 5, но OpenGL для игровых приложений был недоступен. Для демонстрации способностей карты была разработана специальная версия игры MechWarrior 2: 31st Century Combat, использующая ускорение Direct3D.

Спустя пять месяцев была выпущена обновленная 3D Rage II. Частоту ядра увеличили в полтора раза, а в качестве памяти могла использоваться как EDO RAM, так и более быстрые SGRAM/SDRAM объемом от 2 до 8 МБ. Благодаря этим изменениям и обновленным драйверам под новую (на тот момент) Windows 95, модель до двух раз опережала предшественника. Наряду с PCI карте добавили поддержку шины AGP 1x. К тому же графический чип 3D Rage II распаивался и на материнские платы — это был первый прообраз встроенной графики ATI.

3D Rage Pro: эпоха DirectX 6

В марте 1997 года ATI представила новую модель — 3D Rage Pro. Чип, лежавший в основе карты, получил новый движок полигонального рендеринга, поддержку прозрачности, тумана и бликов, таким образом став одним из первых с поддержкой DirectX 6. Он производился по техпроцессу 350 нм, что позволило достичь частоты в 75 МГц. Как и предшественник, карта могла использовать один из трех типов памяти, объем которой варьировался от 4 до 16 МБ.

Хотя 3D Rage Pro поддерживала шину PCI, она проектировалась в первую очередь для нового интерфейса AGP. Первые модели работали в режиме AGP 1x, но с выходом RIVA 128 от NVIDIA компания решила задействовать режим AGP 2x, чтобы лучше противостоять сопернику.

По производительности 3D Rage Pro был на уровне конкурента, однако сырые драйвера досаждали просадками производительности в Direct3D, а поддержка OpenGL для игр все также отсутствовала. Доработанные драйвера вышли позже, когда RIVA 128 и другая конкурирующая карта Voodoo Graphics от 3dfx стали массовыми. В итоге 3D Rage Pro не удалось завоевать популярность, хотя технически модель была достаточно продвинутой для своего времени.

В августе 1998 года была выпущена Rage XL, представляющая собой недорогую карту на базе 3D Rage Pro с памятью SDRAM.

3D Rage 128: упор на 32-битный цвет

К началу 1998 года карты Voodoo пользовались огромной популярностью. В феврале была выпущена Voodoo 2, продолжившая дело первой модели. В июне NVIDIA ответила на нее своей RIVA TNT. Конкурент от ATI вышел на рынок последним — это была пара моделей Rage 128.

В чипе Rage 128 было удвоено количество конвейеров, ROP и TMU — точно так же, как и в RIVA TNT. Благодаря новой технологии SuperScalar Rendering чип обрабатывает два пикселя в двух конвейерах одновременно. Rage 128 имеет два отдельных кэша для текстур и пикселей, повышающих эффективность работы подсистемы памяти.

За счет техпроцесса 250 нм частота ядра достигла 100 МГц. Шину памяти расширили до 128 бит, вследствие чего полоса пропускания возросла до 1.6 ГБ/c у старшей модели Rage 128 GL. Младшая Rage 128 VR получила урезанную до 64 бит шину. Карты оснащались от 8 до 32 МБ памяти SGRAM или SDRAM. Помимо дискретных карт, чип Rage 128 VR распаивался на материнские платы в качестве встроенной графики.

Rage 128 показывала сравнимую с RIVA TNT производительность, а при использовании 32-битного цвета даже опережала ее. К тому же поддержка OpenGL в этот раз имелась уже со старта. Погубило модель слишком позднее появление: выйди карта на полгода раньше, ей удалось бы отвоевать гораздо большую часть рынка.

В начале 1999 года появились более быстрые RIVA TNT2 и Voodoo 3, на что ATI ответила новыми моделями Rage 128 с приставками Pro и Ultra — но опять с опозданием в полгода. Картам добавили поддержку шины AGP 4x, ускорили ядро и память на четверть, что помогло приблизиться к оппоненту. Однако на носу была гораздо быстрая GeForce 256, и ATI нужно было чем-то ответить прямо здесь и сейчас…

Этим ответом стала первая двухчиповая карта компании — Rage Fury MAXX, выпущенная в октябре 1999 года. Два чипа от Rage 128 Pro рендерили кадры по очереди, что позволяло практически вдвое повысить производительность. Каждый из чипов имел 32 МБ памяти SDRAM.

Производительность карты приближалась к GeForce 256, но последняя все же была быстрее и выглядела предпочтительнее за счет поддержки аппаратной трансформации и освещения (T&L) и DirectX 7, которого у ATI еще не было.

Первый Radeon: DirectX 7, и даже немного больше

Битва с GeForce 256 была проиграна, но ATI не собиралась сдаваться. В ее недрах кипела разработка нового графического ядра, которое было быстрее GeForce 256 и с успехом соревновалось бы со следующим поколением конкурента. Встречайте, первый чип для карт нового семейства Radeon — R100.

R100 получил новый геометрический движок Charisma Engine, имеющий некоторые возможности более поздних вершинных шейдеров, что позволяло ATI заявлять о поддержке шейдерных эффектов. В Charisma Engine входит аппаратный блок T&L, движки смешения вершин и интерполяции по ключевым кадрам. У чипа два пиксельных конвейера, на каждый из которых приходится один блок ROP и три TMU.

Чип производился по техпроцессу 180 нм и работал на частоте до 183 МГц. ГП обладал полной совместимостью с DirectX 7, но также поддерживал некоторые функции DirectX 8: глубину резкости, размытие в движении и полноэкранное сглаживание. Шина памяти 128-битная, возможно использование как SDRAM, так и вдвое более быстрой DDR c пропускной способностью до 5.8 ГБ/c. Она используется более эффективно благодаря технологии сжатия Z-буфера под названием Hyper-Z. Radeon с памятью DDR была выпущена в апреле 2000 года, одновременно с первыми GeForce 2. Карта обладала 32 или 64 МБ памяти и чаще всего была наравне с продуктами NVIDIA при использовании 32-битного цвета, но отставала при 16-битном. Спустя два месяца была выпущена более медленная модель с памятью SDR, которая превосходила GeForce 2 MX. Позже для того, чтобы отличить карты от более новых моделей, обе Radeon вдобавок к имени получили цифровой индекс 7200.

Voodoo 4 и 5 в этот раз появились позже конкурентов. К тому времени многие игры научились использовать аппаратный T&L, которого у карт от 3dfx не было. В итоге новые модели от 3dfx чаще всего были медленнее конкурирующих решений при более высокой цене. NVIDIA воспользовалась упадком компании и в конце 2000 года купила 3dfx. С того момента на рынке остались только два серьезных конкурента — NVIDIA и ATI.

В феврале 2001 года была выпущена бюджетная Radeon VE, позже получившая номер 7000. В ее основе упрощенный чип RV100 c 64-битной шиной памяти, который является «половинкой» R100 без движка Charisma Engine и блока T&L.

Radeon 8500: продвинутый DirectX 8

В феврале 2001 года NVIDIA выпускает первую карту с поддержкой DirectX 8 — GeForce 3. В ответ на это спустя полгода ATI выпускает две новые модели: Radeon 7500 и 8500.

В составе Radeon 7500 обновленный чип RV200. Он представляет из себя R100, перенесенный на техпроцесс 150 нм, за счет чего удалось в полтора раза повысить частоту ядра. Использование памяти более быстрой DDR позволило увеличить полосу пропускания до 7.3 ГБ/c.

А вот основой Radeon 8500 стала действительно новая разработка. Чип R200 получил движок Charisma Engine II, в котором нестандартные средства для работы с геометрией сменили два вершинных шейдера. На каждый из четырех конвейеров приходится по одному блоку ROP и пиксельному шейдеру версии 1.4, которые позволяют заявлять о полной поддержке DirectX 8.1. Таким образом, R200 обладает более совершенной программируемой шейдерной архитектурой, чем его конкурент NV20.

ГП получил поддержку TruForm — технологии, позволяющей увеличивать геометрическую сложность сцены посредством разбиения существующих полигонов на более мелкие. По сути, TruForm является собственной реализацией N-патчей DirectX 8 и предком современной тесселяции. Чип обзавелся поддержкой адаптивного сглаживания SmoothVision. А 128-битная шина памяти с быстрыми чипами DDR позволили достигнуть пропускной способности в 8.8 ГБ/c. Благодаря обновленной технологии Hyper-Z II чип более эффективно распоряжается ей по сравнению с предшественниками.

Radeon 8500 и его слегка замедленная версия 8500LE навязали соперничество семейству GeForce 3, хотя топовая модель Ti 500 была немного быстрее. Обе карты выпускались в двух версиях — с 64 и 128 МБ памяти.

Radeon 9700: первый DirectX 9

Следующих новинок ATI пришлось ждать целый год. К августу 2002 года семейство GeForce 4 уже распространилось, и пара новых моделей Radeon 9000 как раз противопоставлялась младшим GeForce 4 MX.

ATI не стала повторять ошибки NVIDIA с отсутствием шейдеров в бюджетной видеокарте. Чип RV250 получил вдвое меньше вершинных блоков и TMU по сравнению с R200, но сохранил 128-битную шину памяти, а также четыре пиксельных конвейера с ROP и пиксельным шейдером на каждом. Это позволяло ему быть быстрее конкурента при сохранении поддержки новых игр, использующих DirectX 8. А вот прямого конкурента GeForce 4 Ti компания разрабатывать не стала. Эпоха DirectX 8 подходила к закату, и ATI решила сосредоточить силы на новом чипе с поддержкой DirectX 9, который превосходил бы текущий топ NVIDIA и составил конкуренцию следующему. Встречайте, первая карта с поддержкой DirectX 9: Radeon 9700 Pro на базе чипа R300.

R300 получил восемь пиксельных и четыре вершинных шейдера, которые значительно переработаны для поддержки шейдерной модели 2.0. Компанию им составляют восемь блоков ROP, столько же TMU и 256-битная шина памяти DDR с пропускной способностью 17.3 ГБ/c. Чип получил более качественную анизотропную фильтрацию и поддержку шины AGP 8x. Теперь доступно адаптивное сглаживание SmoothVision 2.0 на базе MSAA, которое работает значительно быстрее более ранних методов. Из-за энергопотребления, превысившего возможности шины AGP, карте впервые понадобилось дополнительное питание с помощью разъема MOLEX.

В октябре 2002 года линейка карт на чипе расширяется обычным Radeon 9700 и парой Radeon 9500/9500 Pro. Первая модель отличается от 9700 более низкими частотами, а 9500 Pro — еще и урезанной до 128 бит шиной. Radeon 9500 без приставки Pro «пострадал» больше всего: количество пиксельных шейдеров, ROP и TMU ему урезали вдвое. Впрочем, карты этого поколения славились возможностью разблокировки нерабочих блоков: программно или с помощью перепаивания резисторов. Таким образом, благодаря ловкости рук младшую карту можно было превратить в аналог старшей.

Ответ NVIDIA последовал лишь в начале 2003 года. Линейка GeForce FX5000 также поддерживала DirectX 9 и технически даже в чем-то превосходила оппонента из-за усовершенствованной шейдерной модели 2.0a. Однако перегнать топовые Radeon 9700 в новом API первые карты серии не смогли. Лишь в мае 2003 года с выходом FX5900 на чипе NV35 картам на базе R300 пришлось «подвинуться». Однако за два месяца до этого на рынке уже появился его преемник R350 с более высокими частотами.

R350 представляет собой оптимизированную и разогнанную версию R300. На нем основан обновленный флагман компании — Radeon 9800 Pro. Помимо более высоких частот чипа и памяти, карты отличаются объемом памяти: модели с 64 МБ теперь нет, зато доступна новая с 256 МБ. Старшая версия встречается с как с памятью DDR, так и с новой GDDR2. Вместе с топом был выпущен и Radeon 9800SE, повторяющий конфигурацию Radeon 9500. Чуть позже появились модели Radeon 9800 и 9800XL с полным чипом, но сниженными относительно флагмана частотами.

За средний сегмент «отдувался» упрощенный чип RV350, представляющий собой «половинку» от R300/350 по всем блокам. Память у него 128-битная. На RV350 основаны Radeon 9600 Pro, 9600 и 9550. Radeon 9550 SE и 9600 SE также используют RV350, но с урезанной до 64 бит шиной памяти. Бюджетные модели серии Radeon 9200 базируются на RV280, который поддерживает лишь DirectX 8.1 — это реинкарнация чипа RV250, использовавшегося в Radeon 9000.

В сентябре 2003 года выходит Radeon 9800XT на чипе R360, который отличается от R350 только частотой. Ядро достигает 412 МГц, а память — пропускной способности в 23.2 ГБ/c, что помешало стать лидером выпущенной спустя месяц GeForce FX 5950 Ultra. Со сниженной частотой R360 нашел применение и в поздних Radeon 9800 Pro.

Radeon X: появление CrossFire

Карты следующего поколения вышли у конкурентов почти одновременно. В конце апреля 2004 года NVIDIA выпускает первых представителей топовой линейки GeForce 6800, на что ATI в начале мая отвечает новинками серии Radeon X800. В отличие от NVIDIA, которая использовала чип-мост HSI для реализации карт с новомодным интерфейсом PCI-E, ATI создала две версии одного чипа с разными интерфейсами — R420 (AGP 8x) и R423 (PCI-E x16). Отличались и способы подвода дополнительного питания: для AGP-карт — пара MOLEX, для PCI-E карт — один разъем 6-pin.

Внутреннее устройство новых ГП ATI достаточно схоже с конкурирующим NV40 от NVIDIA. Пиксельные шейдеры имеют по два вычислительных векторных ALU. Четыре таких шейдера и четыре TMU сгруппированы в пулы квадов, которые работают с фрагментами картинки размером 2х2 пикселя. В чипе четыре пула, что дает 16 пиксельных шейдеров и 16 TMU. Компанию им составляют шесть вершинных шейдеров и 16 блоков ROP — точно так же, как и в NV40.

Интерфейс памяти 256-битный. Используется GDDR3, пропускная способность которой у топовой модели достигает 35.8 ГБ/c. Чип получил поддержку шейдеров версии 2.0b, временного сглаживания на базе MSAA и метода компрессии текстур 3Dc, предназначенного для сжатия карт нормалей. Благодаря 130 нм техпроцессу потолок частот ГП удалось увеличить до 520 МГц, что вкупе с увеличенным количеством блоков ускорило новые карты до двух раз по сравнению с прошлым поколением.

Старшие модели X800 XT и X800 XT PE были наравне с конкурентной GeForce 6800 Ultra в большинстве новых игр, но иногда уступали в старых проектах. Для обеспечения превосходства по производительности в сентябре 2004 года ATI выпускает линейку Radeon X850 на чипе R480 (а через полгода — на его AGP-клоне R481), который является оптимизированным и разогнанным вариантом R420/R423. Модели серии X850 первыми получили поддержку технологии CrossFire, которая позволяла объединить две карты для увеличения графической производительности. Для этого требовалась особая карта CrossFire Edition, которая соединялась с обычной картой посредством специального кабеля.

Одновременно был выпущен чип R430, представляющий еще одну вариацию R420/R423, перенесенную на 110 нм техпроцесс. Он стал основой обычной X800, а также X800XL — первой карты компании, получившей разновидность с 512 МБ памяти. ГП обладает нативной поддержкой интерфейса PCI-E, а для реализации AGP-вариантов используется чип-мост Rialto.

Таким образом, линейка Radeon X800 стала довольно обширной: различные модели основывались на четырех разных чипах R4xx, отличаясь между собой частотами и количеством активных блоков. Основная масса карт оснащалась 256 МБ памяти, хотя встречались и модели со 128 МБ.

Вместе с серией X850 ATI запускает бюджетные линейки карт X600 и X300. В их основе чипы RV380 и RV370, которые являются слегка улучшенным вариантом RV350, применявшимся в прошлых сериях Radeon 9600 и 9500. В отличие от предшественника, оба чипа обладают интерфейсом PCI-E, а RV370 вдобавок производится по более тонкой 110 нм технологии. Интересной особенностью RV370 была поддержка технологии HyperMemory, позволяющей использовать для нужд ГП часть системной оперативной памяти. В середине 2005 года на базе RV370 была выпущена пара бюджетных карт Radeon X550 c интерфейсом AGP.

В декабре 2004 года компания анонсирует первые модели линейки X700 на базе нового чипа RV410. Он является «половинкой» R430 по всем блокам, за исключением вершинных шейдеров — их, как и в старшем чипе, шесть штук. Шина памяти 128-битная. Основная масса карт X700 получила полный чип, упрощению подверглись лишь модели с приставками LE и SE: обе получили 64-битную шину, а вторая — еще и урезанный по блокам чип. В январе 2007 года на базе X700 SE были выпушены две бюджетные модели серии Radeon X550 с интерфейсом PCI-E.

Radeon X1000: запоздалый DirectX 9.0c

Большинство карт прошлой серии были немного быстрее GeForce 6000, но в козырях последней была поддержка шейдеров версии 3.0, которые спустя год после выхода конкурирующих линеек понемногу станут появляться в играх. В июле 2005 NVIDIA выпустила следующее поколение карт GeForce 7000. Тогда ATI стало окончательно ясно, что пора прекращать делать ставку на шейдеры 2.x и начинать ориентироваться на третьи шейдеры.

ATI запустила новую линейку карт с поддержкой DirectX 9.0c и шейдеров версии 3.0 в октябре 2005 года, представив сразу семь видеокарт линеек X1800, X1600 и X1300. В их основе три разных чипа: бюджетный RV515, средний RV530 и старший RV520. Все ГП получили поддержку адаптивного сглаживания прозрачных текстур.

Строение чипов подобно предшественникам, хотя есть и несколько важных отличий. У топового чипа R520 все также четыре пула квадов. В каждом из которых четверка TMU и пиксельных шейдеров, которые стали сложнее: теперь в каждом из них, помимо пары векторных ALU, имеется еще два скалярных ALU для простых операций. Используются пулы более эффективно благодаря новому блоку Ultra-Threading Dispatch Processor, который распределяет работу между ними.

Число вершинных шейдеров в чипе возросло до восьми, хотя блоков ROP 16. Контроллер памяти получил внутреннюю двунаправленную кольцевую 512-битную шину, позволившую передавать данные с меньшими задержками, но внешняя шина памяти осталась 256-битной. Применение более быстрых чипов GDDR3 увеличило полосу пропускания до 48 ГБ/c. Чипы производились по 90 нм техпроцессу, что позволило достичь 625 МГц ядру топовой модели.

R520 лег в основу топовой линейки Radeon X1800. Карты на его основе оснащались 256 или 512 МБ памяти и полным чипом, за исключением вышедшей позднее X1800 GTO с одним отключенным пулом квадов. В отличие от прошлой линейки, в этот раз топовые модели обоих производителей получились примерно равными по силам: 7800GTX и X1800 XT опережали друг друга с переменным успехом.

Средний чип RV530 получил 12 пиксельных и 5 вершинных шейдеров, 4 ROP и 4 TMU. Шина памяти у него 128-битная, возможно использование как GDDR3, так и DDR2. ГП стал основой пары моделей серии Radeon X1600. Младший RV515 имел аналогичную шину памяти и столько же блоков ROP и TMU, но намного меньше шейдеров: 4 пиксельных и 2 вершинных. Чип применялся в линейке карт Radeon X1300, младшая из которых получила урезанную до 64 бит шину. Карты линейки использовали память DDR или DDR2.

В январе 2006 года компания решает усилить свои позиции запуском карт новой серии Radeon X1900. Они базируются на новом чипе R580, основное отличие которого от R520 — увеличение количества пиксельных шейдеров с 16 до 48. Это обеспечило рост производительности в новых играх со сложной графикой. Спустя два месяца последовал ответ от NVIDIA в лице 7900 GTX, который вновь уравнял обоих конкурентов.

В конце августа ATI выпускает первую модель серии Radeon X1950 на чипе R580+. Главное отличие от обычного R580 — новая память GDDR4, которая позволила увеличить полосу пропускания до 64 ГБ/c. В октябре выходят еще две карты серии на этом чипе, а также модели на новых 80 нм чипах.

RV570 и RV560 представляют собой упрощенный R580 на новом техпроцессе 80 нм с меньшим количеством активных блоков — 36 пиксельных шейдеров и 12 ROP/TMU у старшей модели и 24 пиксельных шейдера вкупе с 8 ROP/TMU у младшей. Новые чипы получили отдельный интерфейс для CrossFire, благодаря которому отпала необходимость в главной карте и стало возможным объединить любые модели с поддержкой технологии и одинаковым ГП специальными мостиками.

RV570 стал основой карт X1950 с приставками PRO и GT, RV560 — моделей X1650 с суффиксами GT и XT, а также X1700 SE.

Бюджетные чипы также получили обновления по 80 нм технологии. RV530 превратился в RV535, а RV515 — в RV516. На базе первого была выпущена X1650 PRO, второй нашел применение в X1550 и X1650SE.

Линейка Radeon X1000 стала последней с раздельными пиксельными и вершинными шейдерами. Следующая линейка карт получила суффикс HD, и обзавелась универсальной шейдерной архитектурой.

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ...