圖形處理器是什么？圖形處理器（英語：graphics processing unit，縮寫：GPU），又稱顯示核心、視覺處理器、顯示芯片，是一種專門在個人電腦、工作站、游戲機和一些移動設(shè)備（如平板電腦、智能手機等）上做圖像和圖形相關(guān)運算工作的微處理器。
GPU使顯卡減少了對CPU的依賴，并進行部分原本CPU的工作，尤其是在3D圖形處理時GPU所采用的核心技術(shù)有硬件T&L（幾何轉(zhuǎn)換和光照處理）、立方環(huán)境材質(zhì)貼圖和頂點混合、紋理壓縮和凹凸映射貼圖、雙重紋理四像素256位渲染引擎等，而硬件T&L技術(shù)可以說是GPU的標志。GPU的生產(chǎn)商主要有NVIDIA和ATI。
簡介
一個光柵顯示系統(tǒng)離不開圖形處理器，圖形處理器是圖形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要元件，是連接計算機和顯示終端的紐帶。
應(yīng)該說有顯示系統(tǒng)就有圖形處理器(俗稱顯卡)，但是早期的顯卡只包含簡單的存儲器和幀緩沖區(qū)，它們實際上只起了一個圖形的存儲和傳遞作用，一切操作都必須由CPU來控制。這對于文本和一些簡單的圖形來說是足夠的，但是當要處理復(fù)雜場景特別是一些真實感的三維場景，單靠這種系統(tǒng)是無法完成任務(wù)的。所以后來發(fā)展的顯卡都有圖形處理的功能。它不單單存儲圖形，而且能完成大部分圖形功能，這樣就大大減輕了CPU的負擔，提高了顯示能力和顯示速度。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，顯卡技術(shù)含量越來越高，功能越來越強，許多專業(yè)的圖形卡已經(jīng)具有很強的3D處理能力，而且這些3D圖形卡也漸漸地走向個人計算機。一些專業(yè)顯卡具有的晶體管數(shù)甚至比同時代的CPU的晶體管數(shù)還多。比如2000年加拿大ATI公司推出的 RADEON顯卡芯片含有3千萬顆晶體管，達到每秒15億個象素填寫率。
組成
圖形處理器由以下器件組成:
(1)顯示主芯片顯卡的核心，俗稱GPU，它的主要任務(wù)是對系統(tǒng)輸入的視頻信息進行構(gòu)建和渲染。
(2)顯示緩沖存儲器用來存儲將要顯示的圖形信息以及保存圖形運算的中間數(shù)據(jù);顯示緩存的大小和速度直接影響著主芯片性能的發(fā)揮。
(3)RAMD/A轉(zhuǎn)換器把二進制的數(shù)字轉(zhuǎn)換成為和顯示器相適應(yīng)的模擬信號。
主要問題
計算能力和計算模式方面的問題
當前 GPU 的基礎(chǔ) ———傳統(tǒng) Z-buffer 算法不能滿足新的應(yīng)用需求。在實時圖形和視頻應(yīng)用中 ，需要更強大的通用計算能力 ，比如支持碰撞檢測、近似物理模擬；在游戲中需要圖形處理算法與人工智能和場景管理等非圖形算法相結(jié)合。當前的GPU 的體系結(jié)構(gòu)不能很好地解決電影級圖像質(zhì)量需要解決的透明性、高質(zhì)量反走樣、運動模糊、景深和微多邊形染色等問題 ，不能很好的支持實時光線跟蹤、Reyes(Renders everything you ever saw) 等更加復(fù)雜的圖形算法 ，也難以應(yīng)對高質(zhì)量的實時3D圖形需要的全局光照、動態(tài)和實時顯示以及陰影和反射等問題。需要研究新一代的 GPU 體系結(jié)構(gòu)突破這些限制。隨著 VLSI 技術(shù)的飛速發(fā)展 ，新一代 GPU芯片應(yīng)當具有更強大的計算能力 ，可以大幅度提高圖形分辨率、場景細節(jié) (更多的三角形和紋理細節(jié))和全局近似度。圖形處理系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是圖形和非圖形算法的融合以及現(xiàn)有的不同染色算法的融合。新一代的圖形系統(tǒng)芯片需要統(tǒng)一靈活的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、新的程序設(shè)計模型、多種并行計算模式。我們認為發(fā)展的趨勢是在統(tǒng)一的、規(guī)則并行處理元陣列結(jié)構(gòu)上 ，用數(shù)據(jù)級并行、操作級并行和任務(wù)級并行的統(tǒng)一計算模式來解決當前圖形處理系統(tǒng)芯片面臨的問題。
制造工藝方面的問題
集成電路發(fā)展到納米級工藝 ，不斷逼近物理極限 ，出現(xiàn)了所謂紅墻問題：一是線的延遲比門的延遲越來越重要。長線不僅有傳輸延遲問題 ， 而且還有能耗問題。二是特征尺寸已小到使芯片制造缺陷不可避免 ，要從缺陷容忍、故障容忍與差錯容忍等三個方面研究容錯與避錯技術(shù)。三是漏電流和功耗變得非常重要 ，要采用功耗的自主管理技術(shù)。現(xiàn)代的圖形處理器芯片在克服紅墻問題的幾個方面有了顯著的進步：利用了大量的規(guī)則的 SIMD 陣列結(jié)構(gòu)；它的分布存儲器接近了運算單元 ，減少了長線影響；它的硬件多線程掩蓋了部分存儲延遲的影響。但是隨著工藝進一步發(fā)展 ，當前 GPU 的體系結(jié)構(gòu)難以適應(yīng)未來工藝發(fā)展 ，沒有在體系結(jié)構(gòu)上應(yīng)對長線問題、工藝偏差和工藝缺陷問題的措施 ，特別是沒有考慮如何適應(yīng)三維工藝。當前最先進工藝的晶體管的柵極厚度已經(jīng)大約是五個原子，在制造時，少了一個原子就造成20 %的工藝偏差。因此工藝的偏差成為SoC設(shè)計不能不考慮的問題。特別是到 2018 年后的納電子集成電路 ，可以通過隨機自組裝產(chǎn)生規(guī)則的納米器件。因此，新一代系統(tǒng)芯片的體系結(jié)構(gòu)必須利用規(guī)則的結(jié)構(gòu)并且容忍工藝偏差 ，具有容錯、避錯和重組的能力。我們認為采用大量同構(gòu)處理器元之間的鄰接技術(shù) ，適應(yīng)納米級工藝和未來的三維工藝 ，采用新型體系結(jié)構(gòu)和相關(guān)的低功耗、容錯和避錯的設(shè)計策略 ，對于未來的圖形處理系統(tǒng)芯片具有重要的科學意義。
