存儲(chǔ)器帶寬對(duì)快速提高臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦中PC圖形系統(tǒng)的三維渲染性能起著關(guān)鍵的作用。過(guò)去5年來(lái)，高端圖形系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器帶寬每年增加30%。圖形存儲(chǔ)器系統(tǒng)的帶寬至今已超過(guò)了PC主內(nèi)存的帶寬。為了滿(mǎn)足這種突出的帶寬要求，非常有必要為圖形存儲(chǔ)器定義專(zhuān)門(mén)的I/O標(biāo)準(zhǔn)。英飛凌技術(shù)公司在設(shè)計(jì)與制造高性能圖形存儲(chǔ)器方面已經(jīng)有很悠久的歷史了。2005年新的GDDR3標(biāo)準(zhǔn)在圖形市場(chǎng)上有了突破性進(jìn)展。

圖形存儲(chǔ)器的發(fā)展歷史

最早的圖形存儲(chǔ)器與標(biāo)準(zhǔn)的通用DRAM有很大的區(qū)別。這些早期的圖形存儲(chǔ)器通過(guò)專(zhuān)門(mén)的功能支持三維渲染和顯示處理。經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，圖形存儲(chǔ)器逐步轉(zhuǎn)向通用的標(biāo)準(zhǔn)DRAM。邏輯處理功能最終全部轉(zhuǎn)移到GPU內(nèi)進(jìn)行處理，圖形存儲(chǔ)器則專(zhuān)注于其作為DRAM的核心功能。因此，對(duì)這種圖形存儲(chǔ)器的帶寬需求急劇增長(zhǎng)。

到90年代晚期，通用的標(biāo)準(zhǔn)DRAM不再能夠滿(mǎn)足圖形處理器必需的帶寬要求。存儲(chǔ)器成為系統(tǒng)的瓶頸，此時(shí)誕生了x32 GDDR存儲(chǔ)器。英飛凌是首家推出雙倍數(shù)據(jù)速率圖形RAM的公司。英飛凌的32Mb DDR SGRAM是當(dāng)時(shí)全球速度最快的圖形存儲(chǔ)器。2001年，該公司推出了后續(xù)設(shè)計(jì)——128Mb(4Mx32)圖形DDR。

英飛凌公司推出的128Mb GDDR是業(yè)界首款采用BGA封裝的圖形存儲(chǔ)器。與TSOP或TQFP封裝相比，BGA封裝有兩大內(nèi)在優(yōu)勢(shì)。首先是尺寸上的優(yōu)勢(shì)。與以前使用的TQFP封裝相比，新的BGA封裝在圖形卡上只需要一半的空間，因此應(yīng)用于筆記本圖形系統(tǒng)中時(shí)很理想并且非常成功。BGA封裝的第二大優(yōu)勢(shì)是能夠顯著減小所有信號(hào)與地址線上的電氣寄生效應(yīng)。電氣寄生效應(yīng)的降低是提高數(shù)據(jù)速率的必要條件。

隨著128Mb GDDR的推出，GDDR標(biāo)準(zhǔn)也宣告結(jié)束，因?yàn)镚DDR標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法滿(mǎn)足日益提高的帶寬要求。圖形工業(yè)需要一個(gè)更加先進(jìn)、為更高數(shù)據(jù)速率優(yōu)化的新標(biāo)準(zhǔn)。GDDR2與新標(biāo)準(zhǔn)無(wú)緣，也從來(lái)沒(méi)有大批量生產(chǎn)過(guò)。GDDR3是代替GDDR的標(biāo)準(zhǔn)。2004年英飛凌成功地向市場(chǎng)推出了256Mb的GDDR3產(chǎn)品，隨后在2005年又推出了采用最小的FBGA封裝的512Mb GDDR3，時(shí)鐘頻率最高達(dá)800MHz。

GDDR3圖形存儲(chǔ)器標(biāo)準(zhǔn)

GDDR3標(biāo)準(zhǔn)借鑒了通用的DDR2的很多特性，并經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化獲得更高的數(shù)據(jù)速率和更低的功耗。

與GDDR相比，GDDR3的主要?jiǎng)?chuàng)新表現(xiàn)為：工作電壓從2.5V下降到1.8V；片內(nèi)信號(hào)端接取代了GDDR中未端接的信號(hào)線；動(dòng)態(tài)控制阻抗的輸出驅(qū)動(dòng)器；4位預(yù)取和單向單端數(shù)據(jù)選通。所有這些特性的綜合效果就是更高的數(shù)據(jù)速率、更好的信號(hào)完整性和更低的功耗。由于這些變化，GDDR3存儲(chǔ)器可以獲得比GDDR和DDR2標(biāo)準(zhǔn)高得多的數(shù)據(jù)速率。

表1：GDDR、GDDR3和DDR2標(biāo)準(zhǔn)的比較

片內(nèi)信號(hào)端接：隨著傳輸頻率的上升，信號(hào)線必須用電阻端接，以防止反射信號(hào)干擾正常信號(hào)而影響信號(hào)質(zhì)量。GDDR端接是通過(guò)外部電阻實(shí)現(xiàn)的，該電阻焊接在靠近存儲(chǔ)器的PCB上。外部端接可以略微擴(kuò)展GDDR的頻率范圍，但該類(lèi)端接方案不能滿(mǎn)足提升到高達(dá)800MHz甚至更高頻率范圍的GDDR3所需的信號(hào)完整性。因此GDDR3使用片內(nèi)信號(hào)端接，其端接電阻集成在存儲(chǔ)器芯片內(nèi)部。

支持可靠高速的點(diǎn)到點(diǎn)傳輸?shù)牧硗庖粋�(gè)重要功能特性是具有自適應(yīng)阻抗的Vddq端接。GDDR3的I/O接口是一個(gè)總線兩端都被端接的偽開(kāi)漏邏輯電路：一端是40歐姆阻抗的動(dòng)態(tài)控制驅(qū)動(dòng)器，另外一端是具有60歐姆信號(hào)線端接的接收器。

三維圖形渲染系統(tǒng)中的基本功能和任務(wù)分配

在交互式三維游戲中圖形的計(jì)算可以分成幾個(gè)按順序執(zhí)行的基本步驟。在第一個(gè)步驟中，根據(jù)游戲者給出的指令結(jié)果計(jì)算生成三維場(chǎng)景。三維場(chǎng)景代表虛擬三維世界中所有物體的排列和位置信息。這部分計(jì)算是由PC中的CPU完成的。然后CPU將三維場(chǎng)景傳遞給GPU。GPU的任務(wù)是將三維場(chǎng)景轉(zhuǎn)換成顯示器可以顯示的二維圖像。GPU執(zhí)行的這個(gè)任務(wù)被稱(chēng)為三維渲染。

在產(chǎn)生實(shí)際圖像時(shí)必須考慮很多效果，如顏色、紋理、多個(gè)擴(kuò)展光源、陰影、反射、透明、光線吸收、不透明材料等等。要實(shí)現(xiàn)所有這些效果就要求強(qiáng)大的計(jì)算能力以及特別快速和很寬的存儲(chǔ)器接口，以便能在最短的等待時(shí)間內(nèi)完成對(duì)存儲(chǔ)器的隨機(jī)訪問(wèn)。存儲(chǔ)器帶寬和容量的主要驅(qū)動(dòng)因素是必須被存儲(chǔ)并快速可用的參數(shù)數(shù)量以及高度重復(fù)計(jì)算的中間結(jié)果的存儲(chǔ)。不要忘記所有這些計(jì)算必須實(shí)時(shí)完成，每秒計(jì)算能力必須超過(guò)40幀。

集成與獨(dú)立的圖形設(shè)備

一般來(lái)說(shuō)，圖形系統(tǒng)可以分成兩大類(lèi)，即集成圖形系統(tǒng)和獨(dú)立圖形系統(tǒng)。在集成圖形系統(tǒng)中，圖形處理單元嵌入在位于筆記本和臺(tái)式機(jī)主板上的PC芯片組內(nèi)。對(duì)于紋理存儲(chǔ)和緩存，這些集成系統(tǒng)使用PC的主內(nèi)存。這一做法從兩方面限制了三維圖形渲染性能。首先，最大存儲(chǔ)器帶寬受限于標(biāo)準(zhǔn)主內(nèi)存帶寬，其次，圖形系統(tǒng)必須與CPU以及PC機(jī)上同時(shí)訪問(wèn)內(nèi)存的其它客戶(hù)程序共享這個(gè)帶寬。從“湯姆的硬件指南”執(zhí)行的基準(zhǔn)測(cè)試可以清楚地