圖形處理器

圖形處理器（英語：Graphics Processing Unit，縮寫：GPU）， 閣稱顯示核心（display core）、視覺處理器（video processor）、顯示晶片（display chip）抑是圖形晶片（graphics chip）， 是一種專門在個人電腦、工作站、遊戲機佮一寡行動裝置（如仔平板電腦、智慧型手機仔等等）上執行繪圖運算工作的微處理器。以圖形處理器為核心的主機板擴充卡也講是有印象抑是「顯示卡」。

彼圖形處理器是 NVIDIA 公司（NVIDIA）佇一九九九年八月發表 NVIDIA GeForce 兩百五十六（GeForce 兩百五十六）繪圖處理晶片的時陣代先提出的概念，佇咧這進前，電腦中處理影像輸出的顯示晶片，通常真少予人看做是一个獨立的運算單元。著彼種手冶天科技（ATi）亦提出視覺處理器（Visual Processing Unit）概念。圖形處理器使顯示卡減少對中央處理器（CPU）的依賴，並分擔部分原本是由中央處理器所擔當的工課，尤其是進行三維繪圖運算時間，功效閣較明顯啦。圖形處理器所採用的核心技術有硬體座標轉換佮光源、立體環境材質貼圖佮頂點混合、紋理壓縮佮膨凹對映貼圖、雙重紋理四像素兩百五十六位彩現 ia̋n-jín 等。

圖形處理器會當單獨佮專用電路板以及附屬組件組成顯示卡，抑是單獨一片晶片直接內嵌入去主機枋頂懸，抑是內底起佇咧主機板的北橋晶片內底，這馬原仔有內心 CPU 上組成 SoC 的。個人電腦領域中，佇二空空七年，百分之九十以上的新型桌頂型電腦佮筆記型電腦有一千七百八十九片，但是佇效能向往低於袂少獨立顯示卡。但二空空九年以後，AMD 佮英特爾攏各自大力發展內起佇中央處理器內高效能整合式圖形處理核心，𪜶的效能佇咧二空一二年的時陣已經勝於遐的低階獨立顯示卡，這使得袂少低坎的獨立顯示卡漸漸失去市場需求，兩大个人電腦圖形處理器研發巨頭中，AMD 以 AMD APU 產品線取代旗下大部份的低階獨立顯示核心產品線。佇手提裝置領域上，隨著一寡像平板電腦遮的裝置對圖形處理能力的需求愈來愈懸，袂少廠商像講懸通（Qualcomm）、 PowerVR、ARM、NVIDIA 等，也佇咧這个領域「顯身手」。

GPU 佮傳統無仝款 CPU，如 Intel i 五抑是 i 七處理器，其核心的數量較少，專為通用計算爾設計。相反，GPU 是一種特殊類型的處理器，有幾若百抑是千个核心，經過最佳化，會當並列執行大量計算。雖然 GPU 佇咧遊戲內底以三 D 彩現才有名，但是伊對執行分析、深度學習佮機器學習演算法尤其有用。GPU 允准某一寡計算比傳統 CPU 上執行仝款的計算速度欲十倍至一百倍。

歷史

一九七空年代

ANTIC 和 CTIA 晶片為 Atari 學八位元電腦提供硬體控制的圖形佮文字混合模式，佮其他的視訊效果的支援。ANTIC 晶片是一个特殊用途的處理器，用佇咧對映文字佮圖形數據到視訊輸出。ANTIC 晶片的設計師，Jay Miner 隨後為 Amiga 設計繪圖晶片。

一九八空年代

Commodore Amiga 是第一个佇咧市場上包含影像顯示功能佇咧其他的視訊硬體上的電腦，而且 IBM 八千五百十四圖形系統是頭一个植入二 D 顯示功能的 PC 顯示卡。

Amiga 是獨一無二的呢，因為伊是一个完整的圖形加速器，擁有差不多所有的影像產生功能，包括線段繪畫，區域填充，塊圖像傳輸，以及擁有家己一套指令集（雖然原始）的輔助繪圖處理器。佇咧早前（佮後一段時間佇大多數系統頂懸）， 一般用途的中央處理器是欲處理各方面的繪圖顯示的。

一九九空年代

一九九空年代初期，Microsoft Windows 的崛起引發著人對高效能、高解析度二維點陣圖運算（UNIX 工作站佮蘋果公司的 Macintosh 自本是這个領域的導者）的興趣。佇個人電腦市場上，Windows 的優勢地位意味對桌頂型電腦圖形廠商會當集中精神發展單一的編程介面，圖形裝置介面。

一九九一年，S 三 Graphics 推出第一款單晶片的二 D 圖像加速器，號做 S 三八十六 C 九百十一（設計師借保時捷九百十一的名來號名，以表示伊的高效能）。 其後，八十六 C 九百十一催生大量的仿效者：到一九九五年，所有主要的 PC 繪圖晶片製造商攏佇𪜶的晶片內增加二 D 加速的支援。到這个時陣來，固定功能的 Windows 加速器的效能已經超過貴參參的通用圖形輔助處理器，予遮的輔助處理器漸漸仔消失去 PC 市仔。

佇規个一九九空年代，二 D 圖形繼續加速發展。隨著製造能力的改善，繪圖晶片的整合水準嘛仝款提高。加上應用程式介面（API）的出現有助執行的多樣工課，如供微軟 Windows 三 . x 使用的 WinG 圖像程式庫，佮𪜶後來的 DirectDraw 介面，提供 Windows 九十五佮閣較懸版本的二 D 遊戲硬體加速運算。

佇一九九空年代初期佮中期，中央處理器輔助的即時三維圖像愈來愈捷看著電腦佮電視遊戲上，對大眾對大眾對硬體加速的三 D 圖像要求增加。較早大眾市場出現的三 D 圖像硬體的例有第五代視訊遊戲機，如 PlayStation 佮任天堂六十四。佇咧電腦範圍，顯明的失敗首先試看覓仔低成本的三 D 繪圖晶片做 S 三 ViRGE、ATI 的三 D Rage，和 Matrox 的 Mystique。遮的晶片主要是頂一輩的二 D 加速器頂懸加入三維功能，有的晶片為著欲便於製造佮開銷上低成本，甚至使用佮前代相容的針跤。起初，高效能三 D 圖像干焦會當做有三 D 加速功能（佮完全欠缺二 D GUI 加速功能）的獨立繪圖處理卡上運算，如三 dfx 的 Voodoo。毋過，因為製造技術閣再取得進展，影像、二 D GUI 增加速佮三 D 功能攏整合到一塊晶片頂懸。Rendition 的 Verite 是第一个會當做到按呢的晶片組。

OpenGL 是九空年代初的專業圖像 API，並成做佇個人電腦領域上圖像發展的主導力量，佮硬體發展的動力。雖然講佇 OpenGL 的影響之下，遮爾仔廣泛的硬體支援，但是彼當陣用軟體實現 OpenGL 猶原普遍。綴時間的推捒，DirectX 佇咧九零年代尾開始受著 Windows 遊戲開發商的歡迎。無仝 OpenGL，微軟堅持提供嚴格的一對一硬體支援。這種做法使到 DirectX 身為單一的圖形 API 方案並無得人心，因為真濟的圖形處理器嘛提供家己獨特的功能，啊若彼陣的 OpenGL 應用程式已經會當滿足𪜶，致使著 DirectX 往往落後於 OpenGL 一代。

綴時間的推捒，微軟開始佮硬體開發商有閣較密實的合作，並開始咧針對 DirectX 的發佈佮圖形硬體的支援。Direct 三 D 五允空是頭一个加足猛醒的 API 版本，而且佇遊戲市場內底得著快速普及，並直接佮一寡專有圖形庫的競爭，而且 OpenGL 猶是保持重要的地位。Direct 三 D 七陽支援硬體加速座標轉換和光源（T & L）。 現此時，三 D 加速器由原本只是簡單的柵格器發展到另外一个重要的階段，並加入三 D 彩現管線。NVIDIA 的 GeForce 兩百五十六（嘛叫做 NV 十）是第一个佇市場上有這種能力的顯示卡。硬體座標轉換佮光源（兩个是已經 OpenGL 擁有的功能）佇咧九空年代佇咧硬體出現，為後壁閣較幼路佮可編程的像素著色 ia̋n-jín 佮頂點著色 ia̋n-jín 設定先例。

二空空空年到這馬

隨著 OpenGL API 和 DirectX 類似功能的出現，圖形處理增加可編程對色的能力。這馬乎，逐个像素會當經過獨立的小程式處理，當中會當包含額外的圖像紋理輸入，啊若逐个幾若項頂點仝款會當佇投影去螢幕頂懸進前去予獨立的小程式處理。NVIDIA 是首家能生產支援可編程著色晶片的公司，即 GeForce 三（代號做 NV 二十）。 二空空二年十月，ATI 發表矣 Radeon 九千七百（代號做 R 三百）。 伊是世界上首一个 Direct 三 D 九九零加速器，毋過像素和頂點著色 ia̋n-jín 會當執行循環和長時間的浮點運算，就如中央處理器般逐个靈活，佮達到閣較緊的圖像陣列運算。像素著色通常被用佇噗凹紋理對映，東西透過增加紋理令𪜶看起來閣較光、烏陰、粗粗、抑是講偏圓及予人硩。

隨著繪圖處理器的處理能力增加，所以𪜶的電力需求嘛增加。高效能繪圖處理器往往比目前的中央處理器消磨閣較濟的電源。

二空一七年三月十日後因為適用佇個人研究使用的 GPU 發布，近年來嘛漸漸受著真濟研究者佮公司的關注並廣泛用佇深度學習。

繪圖處理器公司

現此時有真濟公司生產繪圖晶片。以桌頂型電腦佮筆記型電腦做例 Intel、AMD 和 NVIDIA 攏是目前市場的領導者，分別擁有百分之五十四配四、百分之二十四配八佮二十 . % 的市場佔有率。手機仔、平板電腦等等行動裝置方面，高通等公司有較高市佔率。另外咧，矽統科技佮 Matrox 等公司過去嘛捌生產圖像晶片。

類型

獨立顯示卡

獨立顯示卡（Discrete Graphics Processing Unit，dGPU，簡稱獨顯）透過 PCI Express、AGP 抑是 PCI 等擴展槽介面佮主機板連接。

咱所講的「獨立 ( 專用 )」即時指獨立顯示卡（抑是專用顯示卡）內的 RAM 干焦會當去予那卡專用，毋是指顯示卡是毋是會當對主機板上獨立移除。是因為體積佮重量的限制，供筆記型電腦使用的獨立繪圖處理器通常會透過非標準抑是獨特的介面作連接。毋過，因為邏輯介面相仝，遮的埠頭猶原會予人看做是 PCI Express 抑是 AGP，就算講𪜶佇物理上是袂當佮其他的顯示卡相換的。

一寡特別的技術，如 NVIDIA 的 SLI、NVLink 和 AMD 的 CrossFire 允准濟濟的圖形處理器共同處理影像資訊，可令電腦的圖像處理能力增加。

優點

• 相對整合顯示卡，獨立的顯示卡一般有閣較強勁的效能；
• 消磨的系統資源閣較少（目前的獨立顯示卡攏有獨立的顯示記憶體）；
• 有譬如講 CUDA 一類的佇部份領域 ( 譬如講影視後期等等 ) 會當起去輔助工作用的處理單元。

缺點

• 購置電腦需要閣較濟金錢；
• 消耗的功率閣較濟，使電腦功率增加；
• 體積閣較大；
• 部份低階獨立顯示卡效能可能不如核心顯示卡。

整合繪圖處理器

整合繪圖處理器 ( Integrated Graphics Processing Unit，iGPU )（抑是內底建顯示核心）是整合佇彼个主機板抑是 CPU 上的繪圖處理器，運作時會借用部份的系統記憶體。二空空七年裝設整合顯示卡的個人電腦約佔總出貨量的百分之九十，比起使用獨立顯示卡的方案，這種方案可能會較俗，但效能也相對較低。自早，整合繪圖處理器往往會被認為是無適合佇執行三 D 遊戲抑是精密的圖形運算。毋過，如 Intel GMA X 三千（Intel G 九百六十五晶片組）、 AMD 的 Radeon HD 四千兩百九十（AMD 八百九十 GX 晶片組）和 NVIDIA 的 GeForce 八千兩百（NVIDIA nForce 七仔三 a 晶片組）已經有能力處理對系統的需求毋是傷懸的三 D 圖像。當時較舊的整合繪圖晶片組缺若𠕇體座標轉換佮光源等等的功能，干焦有較新型號才會包含。

對二空空九年開始，整合 GPU 已經對主機板徙到 CPU 了，如 Intel 對 Westmere 架構開始將 Intel HD Graphics GPU 整合甲講 CPU 到今，Intel 共號做處理器顯示晶片。Intel Core 極致版並無整合繪圖晶片。將 GPU 整合到處理器的好處是會當減低電腦功用，提升效能。隨著內顯技術的成熟，目前的內顯已經有夠應付基本三 D 的需求，毋過猶是依賴主機板本身的 RAM。AMD 嘛推出著整合 GPU 的 AMD APU、AMD Athlon 和 AMD Ryzen with Radeon Graphics。

外部連結

• 維基共享資源上的相關多媒體資源：圖形處理器