2D视界轮回：重谈显卡2D加速设计

　　模拟2D的“辉煌”与“没落”

　　从1995年开始，24位(真彩)的2D显示技术开始普及。那时候，很多显卡都使用外置的独立RAMDAC芯片。所谓的RAMDAC芯片，它的英文全称是Random Access Memory Digital/Analog Converter，即随机存储器数字/模拟变换芯片。这颗芯片的作用就是将显示核心送过来的数据暂存，然后进行LUT*查表映射，最后将显卡的数字信号转变成模拟信号进行输出。

　　*注释：“LUT”是指一个数字调色板，它用来存储色彩修正的数据表，显示核心送过来的数据要先经过查表操作，然后才能找到要映射的“目标值”。

图1 图中标示为VIDEO字样的芯片就是TI的RAMDAC

　　RAMDAC芯片中以产自IBM和TI(德州仪器)的为佳，其线性度、频响、噪声控制都相当优秀。得益于高品质的外置RAMDAC，当时的显卡产品中有很多2D表现非常优秀的产品，如很多老玩家耳熟能详的MGA Millenium 2(图1)。由于受当时半导体技术的限制，Millenium 2的最大分辨率被限制在1600×1200@75Hz,但是在有效频响范围内(1280×960@85Hz或者更低），其通透感和清晰度甚至超过了日后的幻日系列显卡(关闭亿彩模式后测试，“亿彩”又称作GigaColor，即显卡使用10bit色深对每一个颜色通道进行处理，Windows默认为8bit)。

图2 早期2D效果非常好的 MGA Millenium 2显卡(上)和Matrox 幻日系列显卡(下)，前者使用外置式RAMDAC芯片而后者则是内置的。幻日系列显卡是目前公认2D显示效果最佳的显卡之一，原因之一就在于其使用了亿彩技术，即内部使用10bit对每一个色彩分量进行计算

　　Millenium 2的2D显示效果可以超过半导体技术远在其之上的幻日系列显卡，一个非常合乎逻辑的解释就是：由于使用外置RAMDAC，可以减少显示核心对DAC(数字模拟转换)的干扰；与此同时，外置RAMDAC靠近输出口，这样一来RGB传输线的距离比较短，所以在传输过程中串入的外界干扰就比较小。科学的设计再加上外置RAMDAC的优势，最终使得Millenium 2可以输出优秀的2D画质。

　　随着显示芯片集成度的提高，1998年之后外置RAMDAC开始从显卡上面消失。当时将RAMDAC整合到显示芯片中去的初衷是为了降低成本，而且根据当时的显示技术来说，3D对2D的影响非常有限，所以从那时起一直到现在几乎所有的显卡都是清一色的内置RAMDAC。

　　事隔多年之后，无论是显示核心的频率还是功率都远超过当初人们的预想，集成RAMDAC的负面作用也开始表现出来。大功率显示芯片对内置RAMDAC电路的影响已经不能忽略，而且当(RAMDAC的)频率超过250MHz时，多数人已经可以用肉眼发现2D输出品质的下降。事实上并非到今天工程师们才开始注意到这个问题—早在FX时代，NVIDIA就开始着手2D/3D分频的设计，其中也许就包含了这方面的考虑。

　　“平板时代”的2D信号可以免俗吗？

　　也许有朋友会说，前面你们介绍的都是模拟信号的2D问题，大家也很容易理解；但是现在都进入数字接口的时代了，我们还会有2D问题的困扰么？

　　乍看起来，2D的烦恼似乎离我们远去了，但其实不然。伴随着平板显示器的流行，DVI-D*作为信号输出的方式开始流行，但是这种方式仍然需要用到TMDS(Transition Minimized differential Signaling，最小化传输差分信号)编码芯片。

　　*注释：DVI-I的数字部分与DVI-D类似，所以我们只介绍DVI-D。

图3 专业显卡多使用外置式的TMDS芯片来保证输出质量，对于超大屏幕的显示甚至可以利用多个端口共同输出(分别输出一帧画面的不同部分)。图示为FireGL V7100(上)和Quadro FX 5500(下)

　　和RAMDAC的遭遇非常类似，TMDS芯片最初也是外置的，但是后来为了削减成本的需要集成到显示芯片内部。但因为干扰以及工作温度等问题，内置式的TMDS芯片没有外置的那么好用，对高分辨率的支持始终让人难以放心。现在敢在官方资料中注明支持1920×1200@60Hz的显卡屈指可数，从侧面也反映了这方面的问题。

　　“集成芯片”的麻烦

　　其次，温度也是一个亟待解决的麻烦。GPU/VPU(计算部分电路)可以耐热，但是RAMDAC和TMDS却要付出不小的代价—随着温度的升高，RAMDAC的可用工作频率就会下降。所谓的可用工作频率就是指在当前温度下，RAMDAC可以实现良好输出信号的最高工作频率；当输出信号的分辨率和刷新率确定之后，RAMDAC实际上就会工作在一个确定的频率下，如果这个频率高于可用频率，虽然也有输出但是输出信号的幅度就会减弱(这对信号的稳定性来说非常不利)。TMDS电路的输出驱动电路与RAMDAC的输出驱动电路属于同一个类型，因此高温也会造成TMDS的可用频率下降。例如幻日显卡上面的7301C芯片负责TMDS输出，使用范围为0～70℃。

图4 GeForce 8800GTX/GTS(G80)是首批上市的DirectX 10显卡

图5 在G80显卡的布局中，因为位宽太高所以在电路设计时GPU完全被显存包了起来。上面为Radeon X1900XTX，下边是GeForce 8800GTX。

　　如果说在以前这些问题我们还可以“勉强忍受”，那么DirectX 10顶级显卡的问世则将事态升级为不可调和的矛盾。从现有资料来看，无论是G80还是R600的晶体管集成规模和频率无疑都是空前的，5亿多个晶体管、1350MHz的Shader单元工作频率这些因素意味着巨大的干扰和发热问题。而384bit的显存位宽，只能让显存放在GPU和输出接口之间，干扰的问题会更加严重(图5)。

　　如果此时仍然使用传统的内置RAMDAC、TMDS，结果只能是糟糕到极点的2D输出质量、DVI-D没有办法点亮高分辨率LCD或者是勉强点亮后出现大量的拉丝、噪点。模拟输出则会因为强烈的干扰导致色纯和通透感严重下降，色彩暗淡且无法保证高分辨率下的清晰度。

　　最要命的是随着新一代操作系统Windows Vista的发布，这个操作系统能够支持10bit乃至更高的色深。如果G80继续使用集成RAMDAC的话，估计10bit精度是没什么指望了(干扰太多色彩细节将无法表现)。DVI-D的情况也不妙，10bit色深要求更高的输出信息量，如果依然使用内置的TMDS，在对付现有的8bit色深时已经很勉强，更别说10bit了—10bit色深所容纳的信息量是8bit的4倍。