集成显卡前尘往事：从只能点亮屏幕，到玩3A游戏

PC/服务器领域过去的“集成显卡”，现在的“核心显卡”，一度被戏称为“亮机卡”——因为相比于“独立显卡”，其图形计算性能不值一提，能满足操作系统图形界面的最基础性能要求就不错的，不要说用来玩游戏、做设计。Mnwesmc

不过这两年，处理器厂商的核显竞争似乎内卷了起来。Intel的11代酷睿处理器96EU规模的Xe核显，在图形计算跑分上已经赶超笔记本上的入门级GPU（英伟达GeForce MX350）；今年AMD这边的Ryzen 6000系列处理器RDNA 2核显（Radeon 680M）性能都超越10年前的GPU卡皇（Radeon HD 7970）了...实在是不得不让人惊叹时代发展之迅猛。Mnwesmc

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现在的AMD Ryzen 6000系列移动处理器，靠核显跑1080p高画质的《艾尔登法环》，游戏帧率就能上40fps；更不用说应付常规的网游和竞技类游戏。Intel很快要发布的13、14代酷睿预计还会在核显规格上持续内卷，让核显性能再上台阶。Mnwesmc

抛开苹果M1 Max/Ultra这种芯片不谈，虽说集显和真正的高性能独显比起来，性能仍然是不值一提的；但以前的“亮机卡”现在都能玩3A游戏了。这核显的发展究竟经历了怎样的过程？作为EE历史课系列，本文尝试回顾过去这几十年，“集成显卡”的发展史。Mnwesmc

“集成显卡”的定义问题

按照我们分析历史事物的常规，首先还是要来定义一下究竟什么是“集显”。中文称其为“集成显卡”，实际英文是Integrated Graphics Processor（或iGPU）。在中文语境里，“显卡”一词似乎已经转义为指代GPU，而不再特指板卡形态的硬件。“集成显卡”原本就不是板卡，而是一颗芯片、一片die或者die上的一部分。本文也沿用这种约定俗成的说法。Mnwesmc

而“核显”（核心显卡）可以认为是集显的某种进化形态。更早以前的集显虽然说是“集成”的，但它主要是和北桥芯片集成在一起，和CPU离得还是比较远的；而从2010年开始，Intel将GPU和CPU放到了同一颗芯片上，“核显”这个说法就出现了——也就进化成了真正的“集显”。Mnwesmc

这是我们探讨集显进化史的基础。实际上，和CPU放在一起的GPU，无论如何都没有了板卡形态，但中文仍然亲切地称呼它为“核心显卡”。Intel官方也沿用了“集成显卡”“核心显卡”这样的说法，我们也就不再做严格区分了。Mnwesmc

前“集显”时代

早在1995年（或之前）就已经有集成的图形控制器问世了。Weitek、矽统（SiS）都有这样的芯片产品。比如说矽统的SiS6204，应当就是第一颗针对Intel处理器、应用于PC的集成图形控制器，与北桥芯片是集成到了一起的；而再略早一点的Weitek则面向SPARC平台推出过对应的产品。Mnwesmc

可见自古以来，“集显”最早就在于表达，从事图形计算工作的处理单元与其他处理器放在一起；虽然这里的“显”究竟是graphcis controller还是graphics processor还是可以做区分的。当时GPU这个词都还没有出现，且图形单元的构成也还远不像现在这么复杂。Mnwesmc

矽统当年发布的集显包含最高分辨率支持到1280x1024 1680万色的集成VGA，以及带视频解码器接口（Philips SAA 7110）的64位BitBLT引擎，支持色彩空间转换、视频缩放、色键视频覆盖等。最初似乎只有矽统、ALi（扬智科技）两家公司获得了面向Intel奔腾处理器生产芯片组的第三方授权。Mnwesmc

1999年SGI（硅图，Silicon Graphics Inc）发布两款工作站产品，采用Intel奔腾处理器，以及自己设计的Cobalt集显——据说这颗芯片的成本比一般的CPU还好高。SGI首款集显的价值在于采用UMA统一内存架构，即图形处理器和CPU共享系统内存，虽然当时的UMA和现在我们常说的UMA（如苹果M1芯片的UMA）差异还是比较大的。Mnwesmc

同年，Intel自己发布了代号为Whitney的i810芯片组——其中就包含Intel自己发布的首颗集显——位于北桥芯片内部（代号为i752），集显时代大概应该是从这个时候正式拉开序幕的。Mnwesmc

Intel在独显市场的失利

从PC GPU的市场份额来看，现在市占率最高的并不是英伟达，而是Intel——从Jon Peddie Research今年一季度的数据来看，Intel在PC GPU市场的份额达到了60%，相对的英伟达是21%，AMD为19%（这份数据也需要考虑到AMD的集显）。这当然主要归功于Intel这么多年都在推自家的集显或核显产品。毕竟大部分PC用户并不需要高算力的独立GPU。Mnwesmc

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来源：Jon Peddie ResearchMnwesmc

现在我们知道，Intel前不久发布了自家的独立显卡产品，打算和英伟达、AMD一较高下。不过这可不是Intel进驻GPU或独立显卡的开端。这家公司在其发展历程中，始终与图形计算处理器、加速卡有着千丝万缕的联系。Mnwesmc

早在上世纪80年代，Intel看到NEC、日立等公司的独立图形控制器产品生意挺红火，也打算进驻这一市场。1986年Intel发布82786图形协处理器（并且在此之前就和NEC有过图形技术授权合作）。后来持续有多家公司（AIB显卡厂商）基于这颗芯片推出了板卡产品。不过其实Intel和同期的竞争对手比起来是没有技术优势的。Mnwesmc

1998年，相对更知名的i740独显问世——这是一颗主频220MHz、2-8MB VRAM显存的独立显卡，支持DirectX 5.0和OpenGL 1.1。Intel其实很清楚其显存容量相比同期竞争对手过小的问题。Intel的想法是充分利用彼时AGP接口的一大特性：板卡可以去用主内存。i740上的小显存只用作frame buffer帧缓冲，而所有的图形纹理都放在系统主内存里。这样一来i740的成本也就比较低了。Mnwesmc

不过这么做的弊端也很明显：内存读取速度缓慢，成为性能的巨大瓶颈；而且还和CPU争抢带宽资源。加上Intel糟糕的驱动，i740算是相当失败的产品。即便Intel后续要求主板厂商捆绑销售，也未能挽回其颓势。Mnwesmc

i740产品开发同期，还是有些行业八卦可以聊的。1995年，大名鼎鼎的洛克希德马丁（Lockheed Martin）开设了一个新的部门叫Real3D（据说是因为模拟器图形技术比较花钱，洛克希德马丁决定回点血）。Real3D的首个客户就是世嘉。凭借世嘉在街机市场的巨大成功，Real3D的图形加速器产品出货量相当之大。Mnwesmc

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同期Intel正准备在这一领域一展拳脚。所以协同当时的另一家公司（Chips and Technologies），一起和Real3D展开合作。这就是后来i740诞生的背景。与此同时Intel也购入了Real3D的部分股权。Mnwesmc

如前所述，i740失败了。Intel就把Real3D从洛克希德马丁那里买了下来。之后有一段Real3D遗产的八卦故事，包括ATI抢了一部分人、3dfx和Real3D打专利官司、Intel把Real3D的全部IP都卖给了3dfx（后来自然成为了英伟达的一部分），后续又有ATI参与的专利官司等...Mnwesmc

然后Intel就退出了独立显卡市场，毕竟i740销量不怎么样，还闹出一大堆的破事。在此之后，Intel主攻方向就变成了集显...若说Intel在独显市场的尝试，后续还有个Larrabee项目——但产品以胎死腹中告终，这些将来我们可以在单独探讨Intel的GPU历史话题中再做分享。Mnwesmc

据说i740的失败，以及Real3D的一系列变故，给Intel造成了不小的打击。当时Intel内部甚至传出不会再涉足独显的传言。不过2007年Larrabee项目、2012年的Xeon Phi，以及现如今的Arc独显，都说明Intel和GPU藕断丝连的关系始终在持续。跑题了，我们继续回到集显这个话题；起码在i740以后，Intel的图形计算主战场都转向了集显与核显。只不过这些应该也是集显得以发展的必要条件。Mnwesmc

Intel集显上半场发展简史

1999年的i810芯片组，及其中的i752集显，可以说是i740的迭代——可见技术仍然是有延续性的。受限于篇幅，我们不打算细致介绍Intel自1999年发布首颗集显以后都经过了怎样的迭代路径。不过其中仍有一些标志性事件值得单独拿出来谈一谈。Mnwesmc

2001年有几个重要事件。第一是矽统针对其集显产品加入了T&L（Transform, Clipping, and Lighting）支持——这是图形计算领域的一项重要特性，包括3D场景的2D化、只保留场景中可见的部分、基于光照信息转化场景中各个面的色彩信息。从这个时候开始，“集成显卡”称谓才真正变得名正言顺；至少它在功能上完整了不少。Mnwesmc

第二件事情是英伟达针对AMD处理器平台，推出了nForce 220集显，当然也是集成到主板芯片组里面的。不久后英伟达就和在技术转向后的Intel发生矛盾，两家公司打起了旷日持久的官司。英伟达后来于2012年退出了集显市场，致彼时该市场只剩下AMD、Intel和威盛。Mnwesmc

第三件事则是2001年，Intel建立Extreme Graphics集显家族——这个系列的集显名称沿用到了2004年。初代Extreme Graphics集成在i830芯片组内部，配套的处理器是奔腾III-M。二代Extreme Graphics出现了笔记本平台版，配套奔腾M处理器。这时期的集显基本就是亮机卡，顶多可以玩一些老游戏。其实即便是2004年的GMA 900集显（i915芯片组），内部都还没有顶点着色器（vertex shader），需要依靠CPU来做这部分工作；且主内存带宽低，性能自然不需要太多指望。Mnwesmc

从2002年开始，ATI也开始造集显，初代IGP 320（ATI A3）。如果以Intel的集显产品型号为依据，则PC市场的集显后续经历了GMA系列（2004年起)、HD Graphics系列（2010年起）、Iris系列（锐炬，2013年起）。从2010年的HD Graphics开始，集显开始有了“核显”基因。Mnwesmc

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从集显走向“核显”

早在2006年AMD收购ATI之际，AMD就期望要造所谓“真正的集成GPU”，就是将CPU和GPU放到同一颗芯片，甚至同一片die上（虽然感觉这在移动领域似乎一点也不新鲜）。但以当时的技术来看，AMD和ATI不同的fab厂、不同的设计工具，还有企业文化方面的差异，都让这样的工作充满挑战。Mnwesmc

2010年，Intel率先把32nm工艺的CPU die，和45nm工艺的GPU die放到了同一个封装内，CPU和GPU算是正式会师了，这对于降低延迟还是有相当价值的。而且HD Graphics在性能上相比更老的GMA有了不小的提升：23个EU（执行单元），最高900MHz 43.2GFLOPS算力，能够以最高40fps速率解码H.264 1080p视频。Mnwesmc

当时Intel已经开始宣称核显要面向休闲和主流PC游戏。似乎对于这颗Westmere架构处理器，很多人才承认它作为iGPU的名副其实；这才算是“integrated”集成。Mnwesmc

2011年，Sandy Bridge架构处理器（2代酷睿）问世，随之而来的是第二代HD Graphics核显。而且这次的核显更进了一步，GPU和CPU真正放到了同一颗die上。AMD也是在这一年将APU理念付诸实践。从架构来看，Sandy Bridge处理器上的GPU已经可以和CPU共享L3 cache，我们在此前的UMA解读文章里，详细介绍过这种架构。Mnwesmc

翌年HD Graphics 4000核显伴随Ivy Bridge处理器（3代酷睿）出现的时候，有关Intel核显性能的宣传就全面开启了——当时的不少媒体口径都在说“堪比独显”（感觉和现在上演的是同一个剧本）。不过即便HD 4000性能的确大幅攀升，还能以低画质畅玩《英雄联盟》，但也仅限于此了。即便这在当时也称得上惊艳了，集显的风是从这个时候全面吹起来的。Mnwesmc

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左边那片小die就是Broadwell的eDRAMMnwesmc

在Xe核显（11代酷睿）之前，近代Intel核显发展相对激进的应该是Broadwell（5代酷睿，2014年）——这一代的Iris Pro锐炬核显基于GT3e架构，片上特别配了128MB的集成eDRAM，核显规格称得上豪华。据说其性能达到了GeForce GT 730的水平——虽然现在听起来不算什么。Mnwesmc

值得一提的是，除了API方面的支持迭代、架构变化、规模增大，历代核显也在多媒体支持上有显著提升，包括各类格式的编解码硬件加速——这好像也是当代集显乃至独显内卷的重要组成部分。谁让苹果在这方面那么爱堆料呢。Mnwesmc

集显发展史上的其他故事

Intel集显发展史上有一款十分有趣的处理器，代号Kaby Lake-G（8代酷睿，2018年）。这颗芯片的有趣之处在于，同时集成在一个封装内的核显，乃是AMD的Radeon RX Vega M。Intel官方推出了一款搭载AMD核显的Intel处理器，听起来有没有很新奇？Mnwesmc

从Kaby Lake-G的外形来看，这代芯片总共有3片die，一片是Intel CPU，一片是AMD GPU，还有一片是4GB HBM2显存，有没有感觉十分高级？这款处理器同时也是Intel比较早期的2.5D高级封装（EMIB）试水产品。从堆料来看，核显性能应该是同一代酷睿核显的2.5倍。Mnwesmc

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采用AMD核显的Intel处理器Kaby Lake-GMnwesmc

从当年的实测性能来看，Kaby Lake-G图形算力应该和笔记本GeForce GTX 1050差不多，有些测试还超过了1050——现在的大部分核显都还做不到这样的程度，应该算是核显方面彼时最有诚意之作了吧；只是这样的合作在历史上都是不可多得的。Mnwesmc

不过集显的发展故事也不仅限于PC设备。随便举几个例子，2004年高通发布MSM6150/6550，其中就有ATI的Imageon“集显”（也就是后来的Adreno GPU）；2005年德州仪器的OMAP2420“集显”是来自Imagination的PowerVR GPU，应用于诺基亚N95手机；扩展开去，现在的手机AP SoC都应该说是集成了“显卡”的芯片。Mnwesmc

游戏主机、掌机市场的核显就更为常见了：比如任天堂的Switch游戏机基于英伟达的Tegra处理器；2013年，PS4和Xbox One X都采用AMD的APU；那么实际在更多市场都有类似的应用，比如奥迪2008年就把英伟达的Tegra芯片加到了汽车的信息娱乐系统中。Mnwesmc

这方面的基因造就了现在苹果Mac所用的M系列芯片都是“核显”，且核显性能按照苹果的说法是媲美GeForce RTX 3090这种民用市场的独显最高配的，当属“集显”或“核显”的究极形态了吧。不过苹果封闭生态的特殊性，以及其盈利方式与传统芯片公司的差异决定了他可以这么做；但其他芯片公司大概率是无法发展这种程度的“核显”的。Mnwesmc

AMD的APU理念，与苹果的篇章续写

我们没有以AMD处理器为线索，来写这段集显发展史可能是不对的。AMD收购ATI以后，就在努力打造APU芯片——也就是将CPU和GPU放到同一颗die上，并构建UMA统一内存架构为基础的HSA联盟。这段历史我们详细撰文阐述过，也挺有意思。Mnwesmc

2011年AMD推出的首款APU代号Llano，结合了4颗K10 CPU，以及Radeon HD 6000系列GPU，放在同一颗die上。这颗芯片基于GlobalFoundries的32nm工艺。Mnwesmc

当时AMD的理念是期望GPU日常能够频繁参与到通用计算工作中来，随时把有高度并行需求的密集型数值计算任务交给GPU去做，让CPU和GPU真正作为同一颗芯片来用。只不过AMD的号召力不足以支撑起这样的生态，除了在游戏主机领域得到普及，PC平台的APU生态是事实上失败的。Mnwesmc

不过APU客观上促成了集显性能的内卷。所以AMD都是基于强核显性能这一理念来推APU芯片的，Intel也对应地在每一代做核显性能加强。所以我们才能在这两年看到PC处理器核显性能的持续飞跃。Mnwesmc

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今年的RDNA 2核显勉强都能玩3A游戏了；12CU规格的Radeon 680M，算力单元规模相当于Radeon RX 6400（虽然存储系统还是差远了）。虽说和历史上出现过的一些核显怪胎不同，但还是让英伟达的入门级独显首次感到了白色恐怖。Mnwesmc

另外比较有趣的是，AMD虽然未能在APU with HSA的理念上真正有所斩获，但苹果续写了这个故事。苹果在M1芯片发布之际就在宣传UMA统一内存架构——这不是什么新东西；只不过以苹果的半封闭生态，及苹果的生态号召力，苹果GPU参与更多通用计算工作加速显得更为寻常。Mnwesmc

而且苹果芯片发家于手机AP SoC，基因里有着天然的“核显”属性，GPU就是和CPU放在同一片SoC芯片上的。这么算来，M1 Max/Ultra也都属于“核显”范畴，以其规模堆砌程度，应当还没有核心芯片可与之在绝对性能上相提并论。或许苹果的M1 Ultra正是AMD当年APU理念缔造之初的终极目标，包括统一内存架构，以及接近高端独显显存带宽的内存带宽（800GB/s）水平。虽说苹果的GPU究竟能干嘛，那又是另一个话题了。Mnwesmc