神技还是鸡肋那些显卡上被遗忘的技术

OverLord

我是谁我在哪儿我要做什么？眼镜遮蔽型3D显示技术

这里的3D立体显示技术不是指显卡生成的3D、立体感的画面，而是让画面“脱离”显示器的平面，立体地展示在人们眼前的一种显示技术方案（图2）。

英伟达和AMD都曾提出了自己的3D显示解决方案，它们固然有所差异，但原理都是让左右眼看到不同的信号（模拟现实世界中左右眼分别看到的略有差别的视角），从而欺骗大脑“生成”3D画面。因此3D显示技术的关键在于对左/右眼画面的分帧送达，常见的实现方式有色分法（红蓝眼镜）、光分法（偏振式）、时分法（快门式），均需要搭配相应的眼镜观看，这一路线最终发展出了VR眼镜或称VR头戴式显示器（图3）。其中，红蓝眼镜成本低廉但是效果非常有限，只能够让玩家体验到最基本的景深效果，眼镜片带来的严重的色偏甚至让玩家不能看清楚物体本身的颜色，短时间佩戴也会造成头晕目眩的问题。

偏振式与快门式3D技术的实现方式相差很大。偏振式3D的原理是用特殊薄膜贴在3D显示器表面和眼镜上，以不同的光线振动方向分离左侧影像和右侧影像，左/右眼镜片只能透过适合自己偏振方向的光线，从而实现分帧显示。偏振式3D平台无需发射器、眼镜电池，更简单易用，而且画面不会闪烁，但画面分辨率会减半，而且最佳观赏角度很有限。

在快门式3D平台上，3D眼镜的两块镜片都内置遮蔽功能，它与显示平台同步分帧信号。例如显示左眼画面时，左边镜片透光，右侧镜片遮蔽，这样可以确保左右眼只收到属于各自的画面，形成立体视觉。快门式3D平台需要高刷新率显示器，如果刷新率不够或同步不稳定、镜片遮蔽和透光转换速度较慢，都会造成用户看到的3D画面出现闪烁，其眼镜比较复杂，且需要与PC连接以同步信号，佩戴使用比较累赘。

英伟达3DVision

英伟达一共推出了两种3D显示技术，分别是3D Vision技术和3D Vision Discover技术。其中3D Vision技术是通过时分法来实现的，时分法的优势是成像效果更好，不過成本较高;3D Vision Discover采用的是色分法的成像原理，只要佩戴红蓝眼镜后可以看到基础的3D显示效果。

具体来说，3D Vision技术是让英伟达GeForce显卡在计算游戏时（通过双摄像头实现的效果）将每一帧分别计算出两个不同的画面，然后将其输出到显示器上，然后通过专用的3D Vision眼镜让用户的左、右眼分别看到不同（对应）的画面，很显然，这是一种快门式3D显示技术。这一技术不仅需要配备专用的3D Vision眼镜（图4），同时还必须使用当时较为昂贵的超高刷新率显示器，门槛相当高。

基于红蓝有色眼镜（图5）的3D Vision Discover技术无需改变放映设备直接就可以实现，成本低廉，不过容易让人眼感觉视觉疲劳。不过它有一个独特的优势，就是当时很多电影院的3D显示就是基于色分法（图6），因此无论更符合很多用户的习惯，对立体视频源的兼容性也较好。

AMD HD3D

AMD的3D显示技术名称为HD3D（图7），影响力比英伟达3D Vision系列小得多。AMD HD3D采用快门式3D眼镜采用的主动式快门设计，达到不“闪”的效果，它要求画面刷新率必须保证在60Hz以上（单眼），同时显示器画面的实际切换速度要两倍于用户感受到的画面（图8），也就是说显示器刷新率要达到120Hz才可以（因为要交替显示双眼显示内容）。

与英伟达当初的策略不同，其时AMD的HD3D技术属于开放式标准（英伟达 3DVision不开放授权），可以兼容众多第三方硬件设备、解决方案。这么比较起来，AMD的HD3D技术更有前途。

不过，无论是否属于开放标准，都难以摆脱3D显示的痼疾，红蓝眼镜的效果不佳（图9），只能用于简单体验3D显示。快门式3D显示设备效果较好，但成本不菲——当时具备120Hz刷新率的显示器价格通常在3000元以上（图10），这还不够，3D眼镜的价格通常也在1000元级别。更不要谈具备3D显示技术的显卡还要不菲的开销。

你以为这就是阻碍3D显示技术普及的全部了吗？答案是否定的，除了硬件投资之外，人体自身的生理特征也是“阻碍”3D显示技术的一个重要因素，这就是3D游戏眩晕症。3D游戏眩晕症的诱因和人的生理结构有关。人通过听觉、视觉、触觉来获得外界环境的信息，经过长期的进化，人类的各种感觉器官是高度协调合作的。比如在内耳中有个叫“前庭器”的器官，它负责感受身体的平衡，如人体的运动方向和加速度。在眼睛里也有专门的视神经来感受运动。这些运动感受器官都是非常敏感的，它们将感受到的运动信息传送到神经中枢，由神经中枢控制人体进行适当的反应，来应对运动对人体造成的影响。

当人体感受到的运动幅度或频率超过某适当的值时，神经中枢会产生不适的感觉，比如头晕、恶心，从客观上达到阻止当前运动继续的目的。这其实是一种自我保护机制，因为大幅度、高频率的运动是可能对人体造成损伤的。经过漫长的进化，这反应机制一已经编码进了人类的DNA中。但这种自我保护机制的强度却是有明显的个体差异的，有人格外敏感些，比如那些容易晕车的人;有人不太敏感，比如那些不容易晕车的人（图11）。

在3D显示技术的“加持”下，视神经感受到了大幅度、高频率的运动，本来如果游戏的画面不那么逼真，神经中枢会自动鉴别出运动的虚假性，并抑制视觉传来的神经冲动。但由于画面逼真，神经中枢信以为真，与此同时其他运动感受器官（如耳前庭器）却没感受到任何运动，这种情形对神经中枢而言是非常矛盾和不祥的，有很大的不可预知性，因此神经中枢强烈地发出眩晕指令，希望人体能停下来，摆脱这种不祥的局面。这一点在更封闭的VR眼镜（图12）使用中表现的更明显，很多人晕VR也是同样的原因。

也就是说，无论采用何种3D显示技术，都无法避免让部分用户的身体无法“接受”这种高速、高频的运动画面，生理上产生强烈抗拒。经过几年的竞争，3D显示技术很快便归于沉寂，以至于显示技术制造商后期都取消了对该技术的持续支持。

多卡互联？再也不联！

曾几何时，多卡互联技术成为了性能王者的不二法则，想要最好的3D加速性能？多装几块显卡吧！

这一切要从1998年说起，当时的显卡王者还是3DFX公司（后被英伟达收购）。它推出了一个全新的技术：SLI（Scalable LinkInterface），中文为可扩展的链接接口，是一种将两张或以上的显卡连在一起并单一输出显示的技术（图13）。

具体来说，它采用线性分割的技术解决方案，其中一张显卡负责奇数的扫描帧线，另一张显卡负责偶数的扫描帧线，然后“组合”成一个完整图面。这种技术现在来看非常简单粗暴，它的加速对象只是像素填充，对三角形的生成没有任何“加成”。当然也情有可原，当时的几何图形运算都是交由CPU处理，显卡并不具备这个功能。

此外，SLI技术是利用模拟信号进行数据传输的，信号容易被干扰，合成的画面可能会出现问题。最先使用SLI技术的显卡是PCI接口的Voodoo 2，其后主板开始使用AGP接口，而一台电脑只拥有一个AGP接口（图14），这就让SLI技术无处使用。

2004年之后，PCIe接口的普及应用让SLI有了重生的机会。恰逢ATI（AMD显卡的前身）的Radeon R300系列如日中天，击败了英伟达的GeForce系列成为GPU性能的王者。英伟達为了挽回性能王者的头衔，将收购3DFX得到的SLI技术进行改造，重新推出（图15）。首批支持该SLI技术的显卡是GeForce 6800和QuadroFX40 0 0。而首张支持英伟达 SLI技术的主板则基于英特尔的E7525芯片组（双卡PCIe模式是PCIe ×16+PCIe ×8）。原本，SLI技术只被GTX 6600 GT以上的显卡支持。为了推广SLI技术，英伟达逐步开放限制，令到整个GeForce 6系列的显卡都支持SLI技术。

在英伟达的SLI技术种两张显卡并不能实现1+1=2的效果，这是因为两张显卡的地位并不相同，它们有着主副之分。主显卡会分派运算指令给副显卡，副显卡则会将结果通过MIO接口传回主卡，然后合并运行输出。理想情况下，它们可以最多实现1.8张显卡的效能（图16）。

不仅如此，SLI技术还分成不同的技术细节，例如Split Frame Rendering是将画面分为上下半部，并各自由一颗GPU运算，然后再组合成同一个图面;AlternateFrame Rendering则是将帧分成单、双数，分别交给不同的两张显卡处理（图17）;SLIAntialiasing - Redefining Image Quality模式可以增强画面质量，也就是两张显卡分别进行抗锯齿验算，然后将结果合并输出，达到更好的抗锯齿效果。之后还有一个SLI of SFR技术，它于2006年推出，采用的门槛极高，总共要四路显卡才可以实现，几乎没有实用价值。

但是，具体到用那个SLI技术，是由驱动程序判断游戏来实现的，也就是说如果游戏不支持、或者支持程度有限，都会对SLI多卡互联技术的性能产生影响。用哪一个SLI模式是由驱动侦测电脑游戏的可执行文件来决定，英伟达驱动程序里已内置一组定义数据库，没有被定义的就会采用兼容模式，即使用单颗GPU而不运行SLI。而用户也可以从驱动程序设置接口中的“3D Settings”，自行新增未被定义的游戏要用哪种SLI模式，或是修改已定义的数据库。建议定时更新显卡驱动程序，来增加SLI预先支持游戏的数量。

既然英伟达推出了多卡互联技术，它的老对手AMD当然不会坐以待毙，CrossFire应运而生（图18）。CrossFire技术于2005年6月1日正式发布，其技术原理最初与英伟达的SLI技术颇为相似，之后开始开放使用软件交火模式。同英伟达一样，CrossFire也可以以多种模式运行，如Scissor（等同于SplitFrame Rendering模式）、Alternate Frame Rendering、CrossFire Super AA（与SLIAntialiasing - Redefining Image Quality相似）和英伟达基本一致，SuperTiling模式则更为优秀，它将画面分割成很多“小格子”，让两个显示核心分别处理小格内的3D内容，比上下分屏的负载更平衡，利用效率颇佳，只不过它只能运行与D3D上，不能支持OpenGL。

后来，CrossFire技术更进一步，实现了混合交火，尤其是板载核心和独立核心，即不同规格的3D显示核心混合使用，用以提升性能，不过兼容性并不理想。

无论是SLI技术还是CrossFire技术，想法和初衷是很好的，通过简单的1+1获得更多的性能。但是它的弊端也很明显，首先是投入成本很大，收益却不成正比（1+1<2），而且要配备更大功率的电源，否则有烧机的危险。因此，现在无论是AMD还是英伟达，都对多卡互联技术没有丝毫的兴趣，也不再维护更新这个技术了。

切换显卡原来这么难用！

在前些年的移动市场上，AMD和英伟达无论如何“呼风唤雨”，最终都要归于英特尔平台之上。而英特尔的笔记本电脑平台都会“提供”自家显卡，即便笔记本使用了独立显卡也不例外。

这就引起了一个问题，内置显卡处理一些要求较低的画面时性能足够，功耗更小;而要玩游戏时肯定是独显更适合。我们应该怎样协调这些显卡之间的关系呢？英伟达推出了自己的切换技术：Optimus优驰（图19）。Optimus优驰技术专门为搭载英伟达独立显卡的英特尔平台笔记本打造，它是由驱动程序根据当前应用的需求选择是否切换独立显卡，不过理想很丰满、现实却很骨感。

第一代优驰技术问世于2006年，它的切换方式现在看起来颇为可笑——你可以理解为硬切换，它需要单独的逻辑电路实现切换工作，用户在切换显卡的时候，必须关机重新开启（不是重启）才可以完成。不仅使用不便，硬件额外的成本也需要最终用户承担。

到了2008年，英伟达推出了第二代优驰技术（图20），最大的改变就是用户不需要关机重开这个步骤，而是依靠驱动层级的软件调试切换，实用性相比第一代优驰技术有了改善。然而它与“无缝调用”之间的差距依然很大。首先是驱动程序的安装非常麻烦，当时的Windows操作系统，无论是Windows XP还是Windows Vista，都不允许安装多个显卡驱动程序，也就是说一台电脑只允许同时存在一个显卡驱动。于是厂商不得已设计了显卡驱动程序的中介层用来管理和切换两个显卡的驱动程序。然而这个专用的中介层程序都是专用的，也就意味着设备无法像我们现在这样随时更新显卡驱动程序，必须依靠“定制”的驱动程序（包含显卡驱动及中介层程序）才能实现更新，非常麻烦。

如果说这还可以忍受，那么另一点就很难接受了，尽管第二代优驰技术不需要关机重开就能切换显卡了，但是在调用切换时还是需要花费约10秒钟的时间，期间屏幕会出现闪烁、黑屏等现象。而且最麻烦的地方在于，如果你想切换显卡，在此之前你需要关闭一切正在调用显卡资源的应用，包括游戏、视频播放，甚至Flash视频（网页）！

显然，这仍然和我们今天的显卡无缝调用的技术（非切换）不可同日而语，但已经是它的“巅峰”了。最终这个技术随着时间流逝而淡出人们的视野。

好不一定要用！HBM显存技术

HBM显存技术出现之时甚至会让人觉得，这就是显卡显存的未来。然而好就一定会被采用、普及吗？现实告诉我们并非如此，至少它不是一个铁律。

如果单纯从技术角度去观察，HBM显存（图21）的技术明显比GDDR显存更好。随着显卡芯片的快速发展，人们对传输带宽的要求也在不断提高。理论上，GDDR5乃至GDDR6已经不能对带宽的需要，技术发展进入了瓶颈期——每秒增加1GB/s的帶宽将会带来更多的功耗，动辄以百瓦特计的功耗着实让人吃不消。

HBM的出现仿佛恰如其时。GDDR的显存附着在显卡电路板上，并围绕在核心芯片四周，而HBM是一种“片上”显存，将DRAM芯片直接安装在GPU显示核心的基板上（图22），这种设计会让信息交换的时间大大缩短。而且，这种技术不仅缩小了显卡的PCB尺寸，还有效降低了显卡的从功耗。更为重要的是相对于板卡线路，这种连接方式可以实现大得多的连接位宽，能以极低的频率实现超大显存带宽。例如英伟达GeForce RTX3090配置的GDDR6X为384bit位宽，但同架构专业芯片A100配置的HBM2显存可以做到5120bit的位宽！性能可想而知。

按理说是百利无一害的设计，为何经过几年的发展，反而没有显卡再采用了呢？原因主要还在于成本——HBM显存的成本之高令人咋舌，而且要与GPU芯片集成生产也降低了良品率（图23），加上消费级GPU不能充分发挥HBM显存的理论性能优势，所以很快变得无人问津。

当然，这也不能否认HBM显存的技术规格之先进，如果有朝一日可以让HBM显存的成本大幅度降低，达到近似于GDDR显存的程度（哪怕是贵一些），HBM显存技术依旧有机会成为“现在进行时”。

其实，那些被“遗忘”的显示技术还有很多，只不过这几个是最具代表性的，其他还有如跟随品牌消失的3DFXglide等独有API、实际基本没有用到过的显卡访问内存能力等，它们的“失败”主要集中在单纯的“技术导向”——即“我们有什么技术可以用在哪里，而不是我们有什么使用需求，所以我们要用什么技术手段解决。”