PC/服務(wù)器領(lǐng)域過去的“集成顯卡”，現(xiàn)在的“核心顯卡”，一度被戲稱為“亮機卡”——因為相比于“獨立顯卡”，其圖形計算性能不值一提，能滿足操作系統(tǒng)圖形界面的最基礎(chǔ)性能要求就不錯的，不要說用來玩游戲、做設(shè)計。rzbesmc

不過這兩年，處理器廠商的核顯競爭似乎內(nèi)卷了起來。Intel的11代酷睿處理器96EU規(guī)模的Xe核顯，在圖形計算跑分上已經(jīng)趕超筆記本上的入門級GPU（英偉達(dá)GeForce MX350）；今年AMD這邊的Ryzen 6000系列處理器RDNA 2核顯（Radeon 680M）性能都超越10年前的GPU卡皇（Radeon HD 7970）了...實在是不得不讓人驚嘆時代發(fā)展之迅猛。rzbesmc

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現(xiàn)在的AMD Ryzen 6000系列移動處理器，靠核顯跑1080p高畫質(zhì)的《艾爾登法環(huán)》，游戲幀率就能上40fps；更不用說應(yīng)付常規(guī)的網(wǎng)游和競技類游戲。Intel很快要發(fā)布的13、14代酷睿預(yù)計還會在核顯規(guī)格上持續(xù)內(nèi)卷，讓核顯性能再上臺階。rzbesmc

拋開蘋果M1 Max/Ultra這種芯片不談，雖說集顯和真正的高性能獨顯比起來，性能仍然是不值一提的；但以前的“亮機卡”現(xiàn)在都能玩3A游戲了。這核顯的發(fā)展究竟經(jīng)歷了怎樣的過程？作為EE歷史課系列，本文嘗試回顧過去這幾十年，“集成顯卡”的發(fā)展史。rzbesmc

“集成顯卡”的定義問題

按照我們分析歷史事物的常規(guī)，首先還是要來定義一下究竟什么是“集顯”。中文稱其為“集成顯卡”，實際英文是Integrated Graphics Processor（或iGPU）。在中文語境里，“顯卡”一詞似乎已經(jīng)轉(zhuǎn)義為指代GPU，而不再特指板卡形態(tài)的硬件。“集成顯卡”原本就不是板卡，而是一顆芯片、一片die或者die上的一部分。本文也沿用這種約定俗成的說法。rzbesmc

而“核顯”（核心顯卡）可以認(rèn)為是集顯的某種進(jìn)化形態(tài)。更早以前的集顯雖然說是“集成”的，但它主要是和北橋芯片集成在一起，和CPU離得還是比較遠(yuǎn)的；而從2010年開始，Intel將GPU和CPU放到了同一顆芯片上，“核顯”這個說法就出現(xiàn)了——也就進(jìn)化成了真正的“集顯”。rzbesmc

這是我們探討集顯進(jìn)化史的基礎(chǔ)。實際上，和CPU放在一起的GPU，無論如何都沒有了板卡形態(tài)，但中文仍然親切地稱呼它為“核心顯卡”。Intel官方也沿用了“集成顯卡”“核心顯卡”這樣的說法，我們也就不再做嚴(yán)格區(qū)分了。rzbesmc

前“集顯”時代

早在1995年（或之前）就已經(jīng)有集成的圖形控制器問世了。Weitek、矽統(tǒng)（SiS）都有這樣的芯片產(chǎn)品。比如說矽統(tǒng)的SiS6204，應(yīng)當(dāng)就是第一顆針對Intel處理器、應(yīng)用于PC的集成圖形控制器，與北橋芯片是集成到了一起的；而再略早一點的Weitek則面向SPARC平臺推出過對應(yīng)的產(chǎn)品。rzbesmc

可見自古以來，“集顯”最早就在于表達(dá)，從事圖形計算工作的處理單元與其他處理器放在一起；雖然這里的“顯”究竟是graphcis controller還是graphics processor還是可以做區(qū)分的。當(dāng)時GPU這個詞都還沒有出現(xiàn)，且圖形單元的構(gòu)成也還遠(yuǎn)不像現(xiàn)在這么復(fù)雜。rzbesmc

矽統(tǒng)當(dāng)年發(fā)布的集顯包含最高分辨率支持到1280x1024 1680萬色的集成VGA，以及帶視頻解碼器接口（Philips SAA 7110）的64位BitBLT引擎，支持色彩空間轉(zhuǎn)換、視頻縮放、色鍵視頻覆蓋等。最初似乎只有矽統(tǒng)、ALi（揚智科技）兩家公司獲得了面向Intel奔騰處理器生產(chǎn)芯片組的第三方授權(quán)。rzbesmc

1999年SGI（硅圖，Silicon Graphics Inc）發(fā)布兩款工作站產(chǎn)品，采用Intel奔騰處理器，以及自己設(shè)計的Cobalt集顯——據(jù)說這顆芯片的成本比一般的CPU還好高。SGI首款集顯的價值在于采用UMA統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)，即圖形處理器和CPU共享系統(tǒng)內(nèi)存，雖然當(dāng)時的UMA和現(xiàn)在我們常說的UMA（如蘋果M1芯片的UMA）差異還是比較大的。rzbesmc

同年，Intel自己發(fā)布了代號為Whitney的i810芯片組——其中就包含Intel自己發(fā)布的首顆集顯——位于北橋芯片內(nèi)部（代號為i752），集顯時代大概應(yīng)該是從這個時候正式拉開序幕的。rzbesmc

Intel在獨顯市場的失利

從PC GPU的市場份額來看，現(xiàn)在市占率最高的并不是英偉達(dá)，而是Intel——從Jon Peddie Research今年一季度的數(shù)據(jù)來看，Intel在PC GPU市場的份額達(dá)到了60%，相對的英偉達(dá)是21%，AMD為19%（這份數(shù)據(jù)也需要考慮到AMD的集顯）。這當(dāng)然主要歸功于Intel這么多年都在推自家的集顯或核顯產(chǎn)品。畢竟大部分PC用戶并不需要高算力的獨立GPU。rzbesmc

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來源：Jon Peddie Researchrzbesmc

現(xiàn)在我們知道，Intel前不久發(fā)布了自家的獨立顯卡產(chǎn)品，打算和英偉達(dá)、AMD一較高下。不過這可不是Intel進(jìn)駐GPU或獨立顯卡的開端。這家公司在其發(fā)展歷程中，始終與圖形計算處理器、加速卡有著千絲萬縷的聯(lián)系。rzbesmc

早在上世紀(jì)80年代，Intel看到NEC、日立等公司的獨立圖形控制器產(chǎn)品生意挺紅火，也打算進(jìn)駐這一市場。1986年Intel發(fā)布82786圖形協(xié)處理器（并且在此之前就和NEC有過圖形技術(shù)授權(quán)合作）。后來持續(xù)有多家公司（AIB顯卡廠商）基于這顆芯片推出了板卡產(chǎn)品。不過其實Intel和同期的競爭對手比起來是沒有技術(shù)優(yōu)勢的。rzbesmc

1998年，相對更知名的i740獨顯問世——這是一顆主頻220MHz、2-8MB VRAM顯存的獨立顯卡，支持DirectX 5.0和OpenGL 1.1。Intel其實很清楚其顯存容量相比同期競爭對手過小的問題。Intel的想法是充分利用彼時AGP接口的一大特性：板卡可以去用主內(nèi)存。i740上的小顯存只用作frame buffer幀緩沖，而所有的圖形紋理都放在系統(tǒng)主內(nèi)存里。這樣一來i740的成本也就比較低了。rzbesmc

不過這么做的弊端也很明顯：內(nèi)存讀取速度緩慢，成為性能的巨大瓶頸；而且還和CPU爭搶帶寬資源。加上Intel糟糕的驅(qū)動，i740算是相當(dāng)失敗的產(chǎn)品。即便Intel后續(xù)要求主板廠商捆綁銷售，也未能挽回其頹勢。rzbesmc

i740產(chǎn)品開發(fā)同期，還是有些行業(yè)八卦可以聊的。1995年，大名鼎鼎的洛克希德馬?。↙ockheed Martin）開設(shè)了一個新的部門叫Real3D（據(jù)說是因為模擬器圖形技術(shù)比較花錢，洛克希德馬丁決定回點血）。Real3D的首個客戶就是世嘉。憑借世嘉在街機市場的巨大成功，Real3D的圖形加速器產(chǎn)品出貨量相當(dāng)之大。rzbesmc

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同期Intel正準(zhǔn)備在這一領(lǐng)域一展拳腳。所以協(xié)同當(dāng)時的另一家公司（Chips and Technologies），一起和Real3D展開合作。這就是后來i740誕生的背景。與此同時Intel也購入了Real3D的部分股權(quán)。rzbesmc

如前所述，i740失敗了。Intel就把Real3D從洛克希德馬丁那里買了下來。之后有一段Real3D遺產(chǎn)的八卦故事，包括ATI搶了一部分人、3dfx和Real3D打?qū)＠偎?、Intel把Real3D的全部IP都賣給了3dfx（后來自然成為了英偉達(dá)的一部分），后續(xù)又有ATI參與的專利官司等...rzbesmc

然后Intel就退出了獨立顯卡市場，畢竟i740銷量不怎么樣，還鬧出一大堆的破事。在此之后，Intel主攻方向就變成了集顯...若說Intel在獨顯市場的嘗試，后續(xù)還有個Larrabee項目——但產(chǎn)品以胎死腹中告終，這些將來我們可以在單獨探討Intel的GPU歷史話題中再做分享。rzbesmc

據(jù)說i740的失敗，以及Real3D的一系列變故，給Intel造成了不小的打擊。當(dāng)時Intel內(nèi)部甚至傳出不會再涉足獨顯的傳言。不過2007年Larrabee項目、2012年的Xeon Phi，以及現(xiàn)如今的Arc獨顯，都說明Intel和GPU藕斷絲連的關(guān)系始終在持續(xù)。跑題了，我們繼續(xù)回到集顯這個話題；起碼在i740以后，Intel的圖形計算主戰(zhàn)場都轉(zhuǎn)向了集顯與核顯。只不過這些應(yīng)該也是集顯得以發(fā)展的必要條件。rzbesmc

Intel集顯上半場發(fā)展簡史

1999年的i810芯片組，及其中的i752集顯，可以說是i740的迭代——可見技術(shù)仍然是有延續(xù)性的。受限于篇幅，我們不打算細(xì)致介紹Intel自1999年發(fā)布首顆集顯以后都經(jīng)過了怎樣的迭代路徑。不過其中仍有一些標(biāo)志性事件值得單獨拿出來談一談。rzbesmc

2001年有幾個重要事件。第一是矽統(tǒng)針對其集顯產(chǎn)品加入了T&L（Transform, Clipping, and Lighting）支持——這是圖形計算領(lǐng)域的一項重要特性，包括3D場景的2D化、只保留場景中可見的部分、基于光照信息轉(zhuǎn)化場景中各個面的色彩信息。從這個時候開始，“集成顯卡”稱謂才真正變得名正言順；至少它在功能上完整了不少。rzbesmc

第二件事情是英偉達(dá)針對AMD處理器平臺，推出了nForce 220集顯，當(dāng)然也是集成到主板芯片組里面的。不久后英偉達(dá)就和在技術(shù)轉(zhuǎn)向后的Intel發(fā)生矛盾，兩家公司打起了曠日持久的官司。英偉達(dá)后來于2012年退出了集顯市場，致彼時該市場只剩下AMD、Intel和威盛。rzbesmc

第三件事則是2001年，Intel建立Extreme Graphics集顯家族——這個系列的集顯名稱沿用到了2004年。初代Extreme Graphics集成在i830芯片組內(nèi)部，配套的處理器是奔騰III-M。二代Extreme Graphics出現(xiàn)了筆記本平臺版，配套奔騰M處理器。這時期的集顯基本就是亮機卡，頂多可以玩一些老游戲。其實即便是2004年的GMA 900集顯（i915芯片組），內(nèi)部都還沒有頂點著色器（vertex shader），需要依靠CPU來做這部分工作；且主內(nèi)存帶寬低，性能自然不需要太多指望。rzbesmc

從2002年開始，ATI也開始造集顯，初代IGP 320（ATI A3）。如果以Intel的集顯產(chǎn)品型號為依據(jù)，則PC市場的集顯后續(xù)經(jīng)歷了GMA系列（2004年起)、HD Graphics系列（2010年起）、Iris系列（銳炬，2013年起）。從2010年的HD Graphics開始，集顯開始有了“核顯”基因。rzbesmc

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從集顯走向“核顯”

早在2006年AMD收購ATI之際，AMD就期望要造所謂“真正的集成GPU”，就是將CPU和GPU放到同一顆芯片，甚至同一片die上（雖然感覺這在移動領(lǐng)域似乎一點也不新鮮）。但以當(dāng)時的技術(shù)來看，AMD和ATI不同的fab廠、不同的設(shè)計工具，還有企業(yè)文化方面的差異，都讓這樣的工作充滿挑戰(zhàn)。rzbesmc

2010年，Intel率先把32nm工藝的CPU die，和45nm工藝的GPU die放到了同一個封裝內(nèi)，CPU和GPU算是正式會師了，這對于降低延遲還是有相當(dāng)價值的。而且HD Graphics在性能上相比更老的GMA有了不小的提升：23個EU（執(zhí)行單元），最高900MHz 43.2GFLOPS算力，能夠以最高40fps速率解碼H.264 1080p視頻。rzbesmc

當(dāng)時Intel已經(jīng)開始宣稱核顯要面向休閑和主流PC游戲。似乎對于這顆Westmere架構(gòu)處理器，很多人才承認(rèn)它作為iGPU的名副其實；這才算是“integrated”集成。rzbesmc

2011年，Sandy Bridge架構(gòu)處理器（2代酷睿）問世，隨之而來的是第二代HD Graphics核顯。而且這次的核顯更進(jìn)了一步，GPU和CPU真正放到了同一顆die上。AMD也是在這一年將APU理念付諸實踐。從架構(gòu)來看，Sandy Bridge處理器上的GPU已經(jīng)可以和CPU共享L3 cache，我們在此前的UMA解讀文章里，詳細(xì)介紹過這種架構(gòu)。rzbesmc

翌年HD Graphics 4000核顯伴隨Ivy Bridge處理器（3代酷睿）出現(xiàn)的時候，有關(guān)Intel核顯性能的宣傳就全面開啟了——當(dāng)時的不少媒體口徑都在說“堪比獨顯”（感覺和現(xiàn)在上演的是同一個劇本）。不過即便HD 4000性能的確大幅攀升，還能以低畫質(zhì)暢玩《英雄聯(lián)盟》，但也僅限于此了。即便這在當(dāng)時也稱得上驚艷了，集顯的風(fēng)是從這個時候全面吹起來的。rzbesmc

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左邊那片小die就是Broadwell的eDRAMrzbesmc

在Xe核顯（11代酷睿）之前，近代Intel核顯發(fā)展相對激進(jìn)的應(yīng)該是Broadwell（5代酷睿，2014年）——這一代的Iris Pro銳炬核顯基于GT3e架構(gòu)，片上特別配了128MB的集成eDRAM，核顯規(guī)格稱得上豪華。據(jù)說其性能達(dá)到了GeForce GT 730的水平——雖然現(xiàn)在聽起來不算什么。rzbesmc

值得一提的是，除了API方面的支持迭代、架構(gòu)變化、規(guī)模增大，歷代核顯也在多媒體支持上有顯著提升，包括各類格式的編解碼硬件加速——這好像也是當(dāng)代集顯乃至獨顯內(nèi)卷的重要組成部分。誰讓蘋果在這方面那么愛堆料呢。rzbesmc

集顯發(fā)展史上的其他故事

Intel集顯發(fā)展史上有一款十分有趣的處理器，代號Kaby Lake-G（8代酷睿，2018年）。這顆芯片的有趣之處在于，同時集成在一個封裝內(nèi)的核顯，乃是AMD的Radeon RX Vega M。Intel官方推出了一款搭載AMD核顯的Intel處理器，聽起來有沒有很新奇？rzbesmc

從Kaby Lake-G的外形來看，這代芯片總共有3片die，一片是Intel CPU，一片是AMD GPU，還有一片是4GB HBM2顯存，有沒有感覺十分高級？這款處理器同時也是Intel比較早期的2.5D高級封裝（EMIB）試水產(chǎn)品。從堆料來看，核顯性能應(yīng)該是同一代酷睿核顯的2.5倍。rzbesmc

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采用AMD核顯的Intel處理器Kaby Lake-Grzbesmc

從當(dāng)年的實測性能來看，Kaby Lake-G圖形算力應(yīng)該和筆記本GeForce GTX 1050差不多，有些測試還超過了1050——現(xiàn)在的大部分核顯都還做不到這樣的程度，應(yīng)該算是核顯方面彼時最有誠意之作了吧；只是這樣的合作在歷史上都是不可多得的。rzbesmc

不過集顯的發(fā)展故事也不僅限于PC設(shè)備。隨便舉幾個例子，2004年高通發(fā)布MSM6150/6550，其中就有ATI的Imageon“集顯”（也就是后來的Adreno GPU）；2005年德州儀器的OMAP2420“集顯”是來自Imagination的PowerVR GPU，應(yīng)用于諾基亞N95手機；擴展開去，現(xiàn)在的手機AP SoC都應(yīng)該說是集成了“顯卡”的芯片。rzbesmc

游戲主機、掌機市場的核顯就更為常見了：比如任天堂的Switch游戲機基于英偉達(dá)的Tegra處理器；2013年，PS4和Xbox One X都采用AMD的APU；那么實際在更多市場都有類似的應(yīng)用，比如奧迪2008年就把英偉達(dá)的Tegra芯片加到了汽車的信息娛樂系統(tǒng)中。rzbesmc

這方面的基因造就了現(xiàn)在蘋果Mac所用的M系列芯片都是“核顯”，且核顯性能按照蘋果的說法是媲美GeForce RTX 3090這種民用市場的獨顯最高配的，當(dāng)屬“集顯”或“核顯”的究極形態(tài)了吧。不過蘋果封閉生態(tài)的特殊性，以及其盈利方式與傳統(tǒng)芯片公司的差異決定了他可以這么做；但其他芯片公司大概率是無法發(fā)展這種程度的“核顯”的。rzbesmc

AMD的APU理念，與蘋果的篇章續(xù)寫

我們沒有以AMD處理器為線索，來寫這段集顯發(fā)展史可能是不對的。AMD收購ATI以后，就在努力打造APU芯片——也就是將CPU和GPU放到同一顆die上，并構(gòu)建UMA統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)為基礎(chǔ)的HSA聯(lián)盟。這段歷史我們詳細(xì)撰文闡述過，也挺有意思。rzbesmc

2011年AMD推出的首款A(yù)PU代號Llano，結(jié)合了4顆K10 CPU，以及Radeon HD 6000系列GPU，放在同一顆die上。這顆芯片基于GlobalFoundries的32nm工藝。rzbesmc

當(dāng)時AMD的理念是期望GPU日常能夠頻繁參與到通用計算工作中來，隨時把有高度并行需求的密集型數(shù)值計算任務(wù)交給GPU去做，讓CPU和GPU真正作為同一顆芯片來用。只不過AMD的號召力不足以支撐起這樣的生態(tài)，除了在游戲主機領(lǐng)域得到普及，PC平臺的APU生態(tài)是事實上失敗的。rzbesmc

不過APU客觀上促成了集顯性能的內(nèi)卷。所以AMD都是基于強核顯性能這一理念來推APU芯片的，Intel也對應(yīng)地在每一代做核顯性能加強。所以我們才能在這兩年看到PC處理器核顯性能的持續(xù)飛躍。rzbesmc

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今年的RDNA 2核顯勉強都能玩3A游戲了；12CU規(guī)格的Radeon 680M，算力單元規(guī)模相當(dāng)于Radeon RX 6400（雖然存儲系統(tǒng)還是差遠(yuǎn)了）。雖說和歷史上出現(xiàn)過的一些核顯怪胎不同，但還是讓英偉達(dá)的入門級獨顯首次感到了白色恐怖。rzbesmc

另外比較有趣的是，AMD雖然未能在APU with HSA的理念上真正有所斬獲，但蘋果續(xù)寫了這個故事。蘋果在M1芯片發(fā)布之際就在宣傳UMA統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)——這不是什么新東西；只不過以蘋果的半封閉生態(tài)，及蘋果的生態(tài)號召力，蘋果GPU參與更多通用計算工作加速顯得更為尋常。rzbesmc

而且蘋果芯片發(fā)家于手機AP SoC，基因里有著天然的“核顯”屬性，GPU就是和CPU放在同一片SoC芯片上的。這么算來，M1 Max/Ultra也都屬于“核顯”范疇，以其規(guī)模堆砌程度，應(yīng)當(dāng)還沒有核心芯片可與之在絕對性能上相提并論?；蛟S蘋果的M1 Ultra正是AMD當(dāng)年APU理念締造之初的終極目標(biāo)，包括統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)，以及接近高端獨顯顯存帶寬的內(nèi)存帶寬（800GB/s）水平。雖說蘋果的GPU究竟能干嘛，那又是另一個話題了。rzbesmc