显卡

定义

显卡是一种以图形处理器为核心的计算机扩展卡，插在主板的扩展插槽上，其职责是协助中央处理器完成图像信息的运算，并把系统要显示的内容转换为逐行或隔行扫描的电信号送往显示设备^[1]。它通常也被称作显示卡、图形卡或显示适配器^[3]。

按电路所在位置划分，图形硬件集成于主板、中央处理器或片上系统的形态称为集成显卡，而作为独立扩展卡存在的形态称为独立显卡或专用显卡，这一称呼正是为了与之区别^[1]。当下主流的独立显卡中，图形芯片主要由英伟达与AMD两家设计，采用前者芯片的产品俗称 N 卡，采用后者芯片的产品俗称 A 卡^[3]。

原理

一块显卡通常由总线接口、电路板、显示芯片、显存、数模转换部件、固件与各类显示接口组成，另配供电模块和散热装置^[3]。显示芯片即图形处理器，是决定显卡档次的核心处理单元；显存则用来存放芯片已经处理或即将读取的图形数据，作用类似计算机内存^[1]。一帧画面所需的显存容量大致可按分辨率与颜色位数估算：

$显存容量 = \frac{水平分辨率 \times 垂直分辨率 \times 颜色位数}{8 \text{ bit}}$^[4]

图形渲染要把大量顶点与像素逐一计算，天然适合并行处理，而擅长串行逻辑的中央处理器难以胜任实时绘制三维场景。图形处理器拥有数百乃至上千个算术逻辑单元，以单指令多线程方式让一组线程在同一周期执行相同指令，从而获得很高的吞吐能力^[5]。早期显卡的核心技术包括硬件坐标转换与光源处理、纹理压缩与凹凸映射贴图等，后来渲染流程改由顶点着色器与像素着色器承担，再由统一渲染架构把两者合并，提高了单元的利用效率^[5]。

发展历程

1981 年 IBM 推出的 5150 个人电脑搭载单色显示适配器与彩色图形适配器，被视作个人计算机中较早的图形处理部件；1987 年 VGA 标准问世，可支持 720×400 的文字模式与 640×480、16 色的绘图模式，为兼容起见今天的显卡仍遵循这一标准^[5]。这一阶段图形运算仍由中央处理器完成，图形卡主要起信号输出作用^[5]。

1994 年 3DLabs 发布面向个人电脑的三维图形加速芯片 Glint 300SX，此后多家厂商推出类似产品，但彼此缺乏统一标准^[5]。1999 年 8 月，英伟达在发布 GeForce 256 时提出图形处理器的概念，该芯片在硬件上支持变换与光照，并兼容 DirectX 与 OpenGL 等图形接口，通常被视为图形处理器时代的开端^[2]。

2001 年微软发布 DirectX 8，引入顶点着色器与像素着色器，显卡进入着色器阶段^[5]。2005 年 ATI 为游戏主机设计的 Xenos 采用了统一渲染架构，2006 年英伟达发布的 GeForce 8800 GTX 则是首款采用该架构的桌面图形处理器，与之同期的 CUDA 使显卡的并行算力可用于图形之外的计算^[5]。2011 年特斯拉计算卡发布，面向计算的显卡产品线被独立出来^[5]。

接口形式也随带宽需求更替：英特尔 1996 年推出 32 位 AGP 接口，AGP 1X 至 8X 的带宽依次为 266MB/s、533MB/s、1066MB/s 和 2133MB/s；此后 PCI Express 取代 AGP，并支持多显卡协同技术^[1]。

应用

显卡最直接的用途是驱动显示设备输出画面，带有三维运算与图形加速能力的型号也被称为图形加速卡或三维加速卡^[3]。电子游戏与新媒体对图像性能的需求，长期是推动显卡技术更新的主要市场力量^[1]。在视频游戏、三维动画和视频编辑中，独立显卡因拥有独立的显存、散热与供电调节，可将负载从处理器和系统内存分担出去，整机表现也随之改善^[1]。

图形之外的通用计算是另一类用途。利用 CUDA 等开发工具，显卡的并行算力可被用于科学计算、超级计算机与人工智能中的神经网络加速^[5]。在部分计算任务上，图形处理器的速度可比传统中央处理器快 10 倍至 100 倍，因此被广泛用于分析与机器学习算法^[2]。

局限

集成显卡的图形单元需与中央处理器共享系统资源，性能通常低于独立显卡，且固化在主板或处理器上，一般无法更换，只能依靠调频或刷新固件做有限的软件层面挖掘^[3]。即便独立显卡，其性能也受芯片规格、运行频率与显存容量等因素制约，更换芯片型号往往意味着整卡替换。

在通用计算方面，图形处理器存在固有限制。以 21 世纪 00 年代后期的硬件为例，其浮点表示与精度并非完全遵循 IEEE 标准，原生 64 位双精度运算支持不足且精度运算通常较慢；同时可并发的逻辑线程数量有限，与主存及中央处理器之间的通信延迟较高、带宽有限^[6]。这类芯片功耗与发热可观，单卡功耗可达 150W 量级，需要配套散热与供电^[6]。

架构定位也带来适用边界：图形处理器擅长把复杂数学问题拆成大量简单重复的任务，灵活性要求较低，并且不能脱离中央处理器的调度管理独立工作^[7]。因此它适合高并行、少依赖的数据集，而对分支复杂、串行性强的任务并不占优^[6]。

参见

• 图形处理器 —— 显卡的核心处理芯片，决定显卡的运算能力与档次。

• 显存 —— 显卡上存放图形数据的存储器，容量影响高分辨率下的表现。

• 中央处理器 —— 显卡的协作与调度方，两者分工完成整机运算。

• 集成显卡 —— 与独立显卡相对的另一类图形硬件形态。

• PCI Express —— 当代显卡普遍采用的总线接口。

• CUDA —— 使显卡并行算力可用于通用计算的开发平台。