本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自Chips and Cheese

是时候来聊聊英伟达GeForce 6系列显卡了。

2025 年开头，显卡畛域就吵杂高出。英特尔的 Arc B580 标明，制造一款显存（VRAM）进步 8GB 的中端显卡仍是可行的。AMD 的 RDNA 4 络续了 AMD 永久以来的一种作念法，即在追求高端产物之后，又合计终究不太值得。英伟达在 2025 年也推出了新一代产物，他们的 5000 系列显卡如故发布，但市面上却一直莫得现货。不外，数字越大越好，是以面前是时候来聊聊英伟达 GeForce 6 系列显卡了。

每一代游戏玩家都对更高质料的图形后果有所需求。莫得东说念主比英伟达更明晰这少许，因此英伟达 GeForce 6000 系列显卡旨在以足够高的帧率提供接近电影级的画质，以接济交互式游戏体验。GeForce 6000 显卡，简称 GeForce 6 系列，在设想时洽商到了图形渲染的高度并行性。与此同期，它们在可编程性方面达成了庞大飞跃，为达成复杂的游戏内殊效开辟了令东说念主新生的新可能。

概述

图形渲染波及在打算最终像素情态之前，将过甚坐标从三维空间调节到二维屏幕空间，这一进程被称为光栅化。这两个阶段本体上都是并行任务，而况能很好地适配领有无数实施单位阵列的硬件。因此，英伟达GeForce 6 系列是一种大范围并行处理的建造。它领有无数的固定功能图形硬件，但该显卡的委果实力在于其一系列过甚着色器中枢和像素着色器中枢。这些可编程组件实施由游戏提供的着色器要道，而不是实施预设功能。它们还充任基本的构建模块，使英伟达好像针对不同的功耗、价钱和性能方针进行彭胀。英伟达 GeForce 6000 系列中最高端的芯片 NV40 配备了 6 个过甚着色器中枢和 16 个像素着色器中枢。

摘自英伟达发表于电气与电子工程师协会（IEEE）的论文

一台高度并行的机器需要一个高带宽的内存子系统来为其提供数据接济。英伟达 GeForce 6 系列产物最高可配备 256 位的 GDDR3 动态速即存取存储器，这使得它的内存总线宽度比典型的台式机中央处理器要宽得多。该显卡具有一个可被通盘像素着色器中枢和过甚着色器中枢分享的二级纹理缓存，这使得赢得到的纹理数据好像在短期内被重叠使用。英伟达那时并未走漏缓存的大小，但他们的方针是在有好多未掷中情况同期发生时达到 90% 的掷中率，而不是像中央处理器缓存那样时常追求 99% 的掷中率。该显卡通过流行的加快图形接口（AGP）与主机系统进行通讯，但也能接济行将推出的外设部件互连高速递次。

过甚着色器中枢（Vertex Shader Core）

过甚着色器要道将坐标从三维空间调节到二维屏幕空间。这听起来可能是一项简便的任务，无非即是进行相机矩阵乘法和透视除法运算。但可编程的过甚着色器带来了新的妙技。举例，一个过甚着色器不错对纹理进行采样，并将其用作置换贴图。除了接济纹理走访以外，英伟达 GeForce 6000 的过甚着色器中枢还接济分支、轮回和函数调用。在委果的中央处理器以外，往常在其他建造上，这些功能中的大部分都是难以思象的，这展示了显卡发展的令东说念主新生之处。

过甚着色器的实施从一个领有 512 个条方针领导速即存取存储器中索要领导开动。英伟达使用来自驱动要道时局的 128 位过甚领导，这些领导会被调节为 123 位的里面时局。因此，该领导速即存取存储器的容量苟简为 8 千字节。DirectX 9 的过甚着色器 3.0 递次规矩至少要有 512 个领导插槽，而况英伟达的过甚着色器中枢领导集架构与 DirectX 9 的高档着色器话语领导轮廓契合。由于存在领导限定，着色器要道不会像中央处理器要道那样时常因领导缓存未掷中而导致性能蚀本。此外，走访领导速即存取存储器不像缓存那样需要进行标签比较，从而检朴了功耗。

从梅萨（Mesa）代码中预计出的英伟达 GeForce 6000 过甚着色器领导布局

DirectX 9过甚着色器的高档着色器话语领导大致可分为标量领导和矢量领导两类。标量领导包括诸如求平淡根倒数之类的非常运算。矢量领导频频波及像乘加这么的基本运算，而况对由四个32位值构成的128位矢量进行操作。英伟达GeForce 6000的过甚着色器活水线针对这种建树进行了高度优化，而况具有零丁的矢量活水线和标量活水线。每条领导集架构领导都同期指定了一个标量运算和一个矢量运算，使得过甚着色器中枢好像在一个领导流中从两个维度欺诈并行性。DirectX 9着色器要道指定的矢量提供了矢量级别的并行性。英伟达的编译器发现的任何标量+矢量双领导辐照契机都能提供迥殊的并行性。

并行性的第三个来源是多线程，它起到了荫藏延长的作用。矢量运算插槽不错收受纹理采样领导。过甚着色器对内存的走访相对来说仍不常见，是以过甚着色器中枢并莫得一个与其纹理赢得单位绑定的一级纹理缓存。英伟达瞻望，一个着色器要道需要20到30条领导来荫藏纹理赢得延长，而仅靠单个线程很难达成这少许。因此，每个过甚着色器中枢最多不错追踪三个线程，并在它们之间进行切换以荫藏延长。

领导输入可来自寄存器或常量速即存取存储器。两者都由 128 位矢量要求构成，以匹配矢量实施宽度。寄存器文献分为输入寄存器、输出寄存器和临时寄存器。输入寄存器和输出寄存器各有 16 个要求，从着色器要道的角度来看，它们隔离为只读和只写。临时寄存器文献接济读写操作，有 32 个要求。DirectX 9 的过甚着色器 3.0 标准允许一个着色器要道最多可寻址 32 个寄存器，但英伟达可能会在多个线程之间分享寄存器文献。要是是这么，一个过甚着色器要道应使用不进步 10 个临时寄存器，以达成最大占用率。

像素着色器中枢（Pixel Shader Core）

像素着色器，或称为片断着色器，承担了无数用功的责任，因为渲染一个场景频频波及处理的像素数目远多于过甚数目。相应地，英伟达 GeForce 6000 显卡最多可领有 16 个像素着色器中枢。像素着色器中枢本身和过甚着色器中枢雷同具有高度可编程性，具备分支接济等诸多特色。然而，像素着色器中枢的构建神志大不沟通，以欺诈像素层面频频存在的更高并行性。

英伟达 GeForce 6000 的像素着色器使用 128 位领导，不外由于硬件相反，其编码与过甚着色器所使用的编码有很大区别。英伟达选拔接济多达 65536 条像素着色器领导，远远进步了 DirectX 9 规矩的最低 512 个领导插槽的标准。使用通盘领导插槽将耗尽 1 兆字节的存储空间，因此像素着色器中枢可能会使用领导缓存。

“片断处理器每条活水线有两个 32 位浮点数着色器单位，片断会先经过这两个着色器单位和分支处理器，然后再轮回复返通盘活水线以实施下一组领导。”——《英伟达 GeForce 6 系列 GPU 架构》，作家埃米特・基尔加里夫（Emmet Kilgariff）和拉姆迪马・费尔南多（Ramdima Fernando）

英伟达的过甚着色器中枢的运行神志很像带有三向同步多线程功能来荫藏延长的中央处理器，而像素着色器中枢则在多个线程间领受单领导多数据实施模子。这种并行性，频频被称为单领导多线程，是在通过使用多重量矢量在单个线程内达成的单领导多数据的基础上应用的。英伟达并非追踪三个零丁的线程，而是将好多像素着色器调用分组为一个矢量，并在硬件中有用地轮回处理这些 “线程”。这种模式使英伟达好像以低资本同期处理数千个 “线程”，因为并吞矢量中的线程必须实施沟通的领导，且不可采选与其他线程不同的零丁实施旅途。独一正在处理的数据是不同的。

对于这种单领导多线程线程模子，要道员必须属意领导不合带来的性能损耗。要是一个矢量内的不同线程在条件分支上选拔了不同的标的，像素着色器中枢将实施分支的两个标的，同期屏蔽掉非活动线程。这与过甚着色器中枢的多领导多数据实施模子造成了昭彰对比，过甚着色器中枢的实施模子即使在并吞中枢中运行的线程分支标的不同期，也允许无损耗的分支操作。英伟达冷漠在进步 1000 个像素的区域内保捏分支的一致性，或者苟简 256 个 2x2 像素的四边形区域，这潜入着矢量长度会终点长。

同期处理如斯多的任务对于荫藏延长至关进攻，但这也给芯片里面存储带来了压力。DirectX 9 允许像素着色器寻址 32 个临时寄存器，这些寄存器的宽度依然为 128 位。要同期处理 256 个线程，迪士尼彩乐园每个像素着色器中枢将需要 128 千字节的寄存器文献容量，而这在畴昔几年内的GPU中都难以达成。英伟达 GeForce 6000 使用的是较小的寄存器文献，其大小未知。英伟达潜入，要是像素着色器要道使用四个或更少的 128 位寄存器，就不错让同期处理的线程数目达到最大值。大致估算一下，256 个线程，每个线程使用四个寄存器，将需要 16 千字节的寄存器文献容量。

像素着色器中枢的两个 128 位矢量单位在不同的活水线阶段交替陈列。每个周期，这两个单位都不错实施四次 32 位浮点数运算，不外独一位于下方的阿谁单位不错进行乘加运算。位于上方的单位好像处理非常函数运算以及纹理地址打算。纹理运算在这两个实施单位阶段之间发出。32 位浮点数运算的峰值微辞量为每个周期 12 次运算。举例，通过在上方阶段发出一次矢量 32 位浮点数乘法运算，不才方阶段发出一次 32 位浮点数乘加运算，就不错达到这一微辞量。

从着色器要道的角度来看，上方和下方的矢量单位合起来每个周期不错完成两次矢量运算。与过甚着色器中枢比较，像素着色器的规矩 “双领导辐照” 布局使得上方的单位好像将其运算肃除传递给下方的单位。因此，两条互相依赖的领导不错达成 “双领导辐照”。除了对两个矢量单位的领导进行交叉编排外，英伟达的编译器还不错将作用于矢量元素不同子集的运算打包到一条领导中，这普及了单个线程内矢量单位的欺诈率。半精度浮点数运算以致不错进一步普及微辞量。对于图形渲染而言，完好的 32 位精度往往并非必需，尤其是在处理像素情态的时候。像素着色器中枢中的两个矢量实施单位都能以双倍速率实施半精度浮点数运算。使用半精度浮点数还能使这些数值对寄存器文献的占用减少一半，这反过来也不错普及占用率，进而更好地荫藏延长。

输入寄存器未绘图出来，但通盘的着色器要道都会使用输入寄存器，并将其打算肃除写入输出寄存器。纹理采样是像素着色的一个进攻部分，因此与过甚着色器中枢比较，像素着色器中枢有一条经过优化的纹理采样旅途：每个中枢都有一个一级纹理缓存，由芯片级的二级纹理缓存提供接济。

超越像素着色

像素着色器要道频频输出像素情态，但情态施行上仅仅一些数值。英伟达 GeForce 6000 坚决的大范围并行打算才能大部分聚拢在其像素着色器阵列中，而且其领有的高浮点运算才能（每秒十亿次浮点运算，GFLOPs）对于非像素干系的任务来说也终点出色。此外，像素处理活水线的活泼性使得豪阔创造力的要道员险些不错欺诈它完成任何事情。

举例，后光追踪是一种与光栅化在本体上截然有异的图形渲染模式，它波及到在场景中追踪后光的旅途。由于对打算才能的要求，后光追踪在很猛进度上局限于离线应用。然而，英伟达GeForce 6系列的可编程像素着色器好像胜任及时渲染的任务，至少对于简便场景来说是如斯。

来自斯坦福大学对于布鲁克（Brook）应用要道编程接口（API）的展示内容

其可能性不仅限于不同的图形渲染时候。可编程着色器的坚决功能推进了一些新应用要道编程接口的发展，这些接口并非胜利面向图形畛域。斯坦福大学的布鲁克（Brook）应用要道编程接口针对 GPU 上的通用打算。它的编程模子与 GPU 针对并行任务进行优化的神志轮廓联络。要闇练这么一种模子可能需要一些时刻来符合，尤其是因为大多数要道员一直以来学习的都是串行实施模子。但从事高度并行和高度司法的数据处理的策动东说念主员和其他开导东说念主员应该选藏这些应用要道编程接口。

辛苦仍然存在

本场比赛，76 人能够取胜着实不易，这离不开队内多位球员的出色发挥。然而，当家球星恩比德的表现却引发了诸多争议，即便球队赢下了比赛，他却陷入了颇为尴尬的境地，全场正负值为 - 18，位列全场所有球员的最末位。

鹈鹕一胜难求，最近7连败，眼看就要被东部垫底的奇才超越，成为真正的联盟倒数第1。而除了鹈鹕外，还有一支球队最近连战连败，那就是太阳队，这段时间他们已经遭遇了3连败，战绩来到14胜14负，排名西部第11，居然跌出了附加赛区域，关键太阳这波3连败有些莫名其妙，不久前惨败给了掘金27分，另外两场输给了步行者和活塞。

在 GPU 上运行任何并行任务仍然存在要紧抵制：着色器要道通过绑定的纹理来走访内存；与 CPU 端的内存分拨比较，纹理的大小有限；与完好规格的 IEEE 754 递次达成比较，浮点精度往往不及；着色器在不使浮现停顿的情况下只可实施很短的时刻；在着色器实施时期无法修改纹理等等。

开导东说念主员还必须在 CPU 和 GPU 的内存空间之间传输数据，以便为 GPU 提供数据并赢得肃除。后者可能会出现问题，因为 GPU 经过优化，是为了将像素着色器的输出四肢一帧图像呈面前屏幕上，然后马上用后续的一帧隐敝它。从 GPU 将数据复制回 CPU 可能会遭遇主机接口的限定。

英伟达无疑闭塞到了这些局限性，而况正在勇猛处罚这些问题。GeForce 6 系列除了接济 AGP 接口外，还将接济行将推出的 PCI Express 递次。PCI Express 增多的带宽使 GPU 更接近成为一个易于使用的并行加快器。

结语

GeForce 6 系列的像素和过甚着色器活水线比以往任何时候都愈加活泼，这标明英伟达正厚爱对待可编程着色器。对于现时的游戏责任负载而言，GeForce 6 系列引入的好多功能可能看起来有些实足。很难思象有东说念主会编写一个包含轮回、函数调用和分支，且长度达数百条领导的着色器要道。GeForce 6 系列的功能标明，英伟达在基本图形渲染以外的特色方面张开竞争。这是解脱固定功能硬件这一更大趋势的一部分，而况对 GPU 的发展有着令东说念主新生的真谛真谛。也许很快，咱们就不会再称这些显卡为 GPU 了，因为它们能作念的远不啻渲染图形。

尽管英伟达 GeForce 6000 系列显卡具有可编程性，但其仍然终点凝视图形处理才能。英伟达的着色器领导集架构依旧与 DirectX 9 标准轮廓干系，这确保了游戏中的着色器要道能在该硬件上邃密运行。而且这款硬件终点坚决；高端的 GeForce 6000 芯片领有进步 2 亿个晶体管。这收成于海外营业机器公司先进的 130 纳米制程工艺才得以达成。要提供如斯坚决的处理才能，也需要可靠的供电接济，因此高端显卡使用了一双莫仕（Molex）连合器。莫仕连合器是经过期刻检会的递次连合器，其粗针脚和电线好像可靠地为多样外围建造供电而不会溶解。

总之，GPU正以惊东说念主的速率发展。2005 年是令东说念主新生的一年。图形渲染时候正与国度经济王人头并进，向着 2008 老迈进，毫无疑问，每个东说念主都在期待着阿谁光明的畴昔。

*声明：本文系原作家创作。著述内容系其个东说念主不雅点，本人转载仅为分享与接头，不代表本人唱和或招供，如有异议，请干系后台。

思要赢得半导体产业的前沿洞见、时候速递、趋势认知迪士尼彩乐园2邀请码，选藏咱们！

• 英伟
• 迪士尼彩乐园2邀请码
• 系列
• GeForce
• 6000