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GDDR3將3D繪圖應用性能發揮到極限

上網時間 : 2006年09月11日

記憶體頻寬對快速提升桌上型和筆記型電腦中繪圖系統的3D渲染性能具有關鍵作用。過去5年來，高階繪圖系統中的記憶體頻寬每年增加30%。繪圖記憶體系統頻寬已超越了PC主記憶體。為滿足這些頻寬要求，必須為繪圖記憶體定義專門的I/O標準。而自2005年起，新的GDDR3標準在繪圖市場上取得了突破性進展。

最早的繪圖記憶體與標準的通用DRAM有很大的區別。這些早期的繪圖記憶體透過專用功能支援3D渲染和顯示處理。歷經一代代發展，繪圖記憶體逐步轉向通用的標準DRAM。邏輯處理功能最終全部轉移到GPU內進行處理，繪圖記憶體則專注於作為DRAM的核心功能。因此，對這種繪圖記憶體的頻寬需求急劇成長。

在1990年代末，通用的標準DRAM已無法滿足繪圖處理器的頻寬需求。記憶體成為系統瓶頸，因此，x32 GDDR記憶體遂應運而生。當時，英飛凌(前西門子半導體公司)推出了雙倍數據速率繪圖RAM，其32Mb DDR-SGRAM大幅提升了速度；而2001年，英飛凌再度推出了128Mbit(4Mx32)的繪圖DDR記憶體。

英飛凌的128Mb GDDR採用BGA封裝，與TSOP或TQFP封裝相較，BGA封裝具有尺寸優勢，它在繪圖卡上所需空間僅有TQFP封裝的一半，因此相當適合筆記型繪圖系統。BGA封裝的第二大優勢是能顯著減少所有訊號與地址線上的電氣寄生效應。電氣寄生效應的降低是提高數據速率的必要條件。

隨著128Mb GDDR的推出，GDDR標準也宣告結束，因為GDDR標準無法滿足日益提高的頻寬要求。繪圖產業需要一個更先進、為更高數據速率最佳化的新標準。而GDDR3則是替代GDDR的全新標準。

GDDR3標準

GDDR3標準借鑒了通用DDR2的多種特性，並進一步最佳化以獲得更高的數據速率和更低的功耗。與GDDR相較，GDDR3的主要創新表現為：工作電壓從2.5V下降到1.8V；內部訊號端接取代了GDDR中未端接的訊號線；動態控制阻抗的輸出驅動器；4位元預取和單向單端數據閘控。這些特性實現了更高的數據速率、更好的訊號完整性和更低的功耗，因此GDDR3記憶體可獲得比GDDR和DDR2標準高得多的數據速率。

內部訊號端接：隨著傳輸頻率的上升，訊號線必須用電阻端接，以防止反射訊號干擾正常訊號而影響訊號品質。GDDR端接是透過外部電阻實現的，該電阻焊接在靠近記憶體的PCB上。外部端接可以略微擴展GDDR的頻率範圍，但該類端接方案不能滿足提升到高達800MHz甚至更高頻率範圍的GDDR3所需的訊號完整性。因此GDDR3使用內部訊號端接，其端接電阻整合在記憶體晶片內部。

支援可靠高速的點對點傳輸的另外一個重要功能特性是具有自適應阻抗的Vddq端接。GDDR3的I/O介面是一個匯流排兩端都被端接的偽開漏邏輯電路：一端是40歐姆阻抗的動態控制驅動器，另外一端是具有60歐姆訊號線端接的接收器。

在互動式3D遊戲中，繪圖運算可分成幾個順序執行的基本步驟。在第一個步驟中，根據遊戲者所下的指令結果運算產生3D場景。3D場景代表虛擬3D世界中所有物體的排列和位置資訊。這部份運算是由PC中的CPU完成的。然後CPU將3D場景傳遞給GPU。GPU的任務是將3D場景轉換成顯示器可以顯示的2D影像。GPU執行的這個任務被稱為3D渲染。

在產生實際影像時必須考慮很多效果，如顏色、紋理、多個擴展光源、陰影、反射、透明、光線吸收、不透明材料等。要實現這些效果就要求強大的運算能力以及寬的記憶體介面，以便在最短等待時間內完成對記憶體的隨機存取。所有這些運算必須即時完成，其每秒運算能力必須超過40個訊框。



表1：GDDR、GDDR3和DDR2標準比較
整合與獨立型繪圖設備

一般來說，繪圖系統可以分成兩大類，即整合繪圖系統和獨立繪圖系統。在整合繪圖系統中，繪圖處理單元嵌入在位於筆記型和桌上型電腦主機板上的PC晶片組內。對於紋理儲存和緩衝記憶體，這些整合系統使用PC的主記憶體。這一做法從兩方面限制了3D繪圖渲染性能。首先，最大記憶體頻寬受限於標準主記憶體頻寬，其次，繪圖系統必須與CPU以及PC上同時存取記憶體的其它客戶程式共享這個頻寬。

獨立繪圖系統由實際上分開且獨立工作的繪圖處理單元，以及與獨立GPU直接相連的專用繪圖記憶體組成。獨立繪圖系統透過標準的PCI-E(以前是AGP)匯流排與PC晶片組連接。這些獨立GPU的3D處理性能目前已遠超過整合繪圖處理器性能，對記憶體頻寬的要求也是如此。基準測試顯示，獨立繪圖系統的性能超過整合系統3到20倍。記憶體I/O技術和記憶體頻寬在實現這個性能飛躍中具有關鍵作用。

高階繪圖卡使用專門的x32結構繪圖記憶體。如今這些系統採用500到800MHz時脈頻率的GDDR3記憶體，組成高達512MB的訊框緩衝記憶體。這些配置向GPU提供的記憶體頻寬高達410Gbps，相當於目前最先進的PC主記憶體頻寬的12倍。最新的高階筆記型電腦繪圖系統採用500MHz GDDR3記憶體組成256MB訊框緩衝記憶體，向GPU提供的記憶體頻寬仍可達到這些筆記型電腦中主記憶體頻寬的5倍。

主流繪圖系統通常採用x16結構的記憶體元件。大多數新的主流繪圖系統採用時脈頻率約400MHz的DDR2 I/O技術。這些系統的性能仍明顯高於整合繪圖系統。

整合與獨立型繪圖系統前景

據Mercury Research公司調查，PC中獨立繪圖系統的市場佔有率在過去幾年中約為40%~45%。像Windows Vista這類3D作業系統可能會提高對普通PC的3D渲染性能需求，因此可能會影響獨立繪圖系統的市場佔有率。

Mercury也預測，2005年的獨立繪圖系統市場有1.5億套，而整合繪圖系統有1.6億套。其中2,200萬套獨立繪圖系統銷售給筆記型電腦，8,300萬套獨立繪圖系統銷售給桌上型電腦。

今後對不斷增加的記憶體頻寬的要求仍將繼續。提高影像品質的新技術推動了頻寬的增加。即將來臨的高解析度顯示將進一步提升解析度和每訊框被渲染和顯示的畫素數量。像可渲染每個密集光源之光暈效應的高動態範圍渲染(HDRR)等新興渲染技術，正不斷提高對每畫素執行運算的複雜度。

除了PC繪圖系統外，繪圖DRAM還存在著其它一些既有和即將出現的市場。新一代主要遊戲機都將使用GDDR3繪圖記憶體。家庭內使用的媒體中心和媒體網路閘道也將包含強大的繪圖性能，因此也需要繪圖記憶體。像Windows Vista這種新3D作業系統將把3D渲染性能的需求擴展到幾乎每台新的PC中。

作者：Christoph Bilger

繪圖記憶體行銷經理

英飛凌科技

posted by C.H. Chen @ 7:52 PM