芯片图形性能：图形处理芯片编年史

芯片图形性能：图形处理芯片编年史该芯片集成了所有CRT控制功能（称为CRTC）以及弧形，线条，圆形和特殊字符的图形基元。GDC的复杂指令集，图形绘图和DMA传输功能可使处理器软件开销最小化。它可以驱动高达4Mb的位图图形内存，这在当时是相当多的。VLSI技术蓬勃发展，拥有数量惊人的晶体管（30 000到40 000）的器件构建起了CMOS，NMOS的前身。CMOS价格昂贵且功能尺寸更大。NMOS芯片可以具有小至5微米的栅极。μPD7220采用5 V电源供电，功率为1.5 W，采用40引脚陶瓷封装。1982年，NEC改变了新兴计算机图形市场的格局，其美国分公司NEC Information Systems推出了μPD7220图形显示控制器（GDC）（见下图）。该项目于1979年启动，并在1981年2月的IEEE国际固态电路会议上发表了一篇论文。图：NEC的μPD7220是第一款集成图形控制器芯片（Drahtlos，Wiki

来源：本文由公众号半导体行业观察（ID：icbank）翻译自「electronicdesign」，作者：Jon Peddie William Wong James Morra，谢谢。

图形控制器几乎从一开始就成为计算机系统的重要组成部分，并且从提供对低分辨率显示器的有限支持，到提供实时光线跟踪支持的平台，一直在稳步发展。早期，显示控制器的许多功能始于PC，以支持游戏和其他应用程序。这些技术后来被迁移到手机，以及超级计算机中。

本文从NEC的μPD7220图形显示控制器开始，介绍了历史上多款具有里程碑意义的图形处理芯片。

1、NECμPD7220图形显示控制器：第一个图形处理器芯片

1982年，NEC改变了新兴计算机图形市场的格局，其美国分公司NEC Information Systems推出了μPD7220图形显示控制器（GDC）（见下图）。该项目于1979年启动，并在1981年2月的IEEE国际固态电路会议上发表了一篇论文。

图：NEC的μPD7220是第一款集成图形控制器芯片（Drahtlos，Wikipedia）

在PC图形显示系统出现之前，有两大类型：高端CAD系统挂在大型IBM和DEC大型机上，低端微机系统则基于刚刚成熟的英特尔4004 CPU，这是PC的先驱。

VLSI技术蓬勃发展，拥有数量惊人的晶体管（30 000到40 000）的器件构建起了CMOS，NMOS的前身。CMOS价格昂贵且功能尺寸更大。NMOS芯片可以具有小至5微米的栅极。μPD7220采用5 V电源供电，功率为1.5 W，采用40引脚陶瓷封装。

该芯片集成了所有CRT控制功能（称为CRTC）以及弧形，线条，圆形和特殊字符的图形基元。GDC的复杂指令集，图形绘图和DMA传输功能可使处理器软件开销最小化。它可以驱动高达4Mb的位图图形内存，这在当时是相当多的。

在μPD7220之前，每个图形设备都有自己的绘图原语库，IBM的2250（1974）和Tektronix的4010（1972）是最受欢迎的。μPD7220建立了一个易于使用的低级指令集，应用程序开发人员可以轻松地将其嵌入到程序中，从而加快绘图时间。

该芯片迅速流行起来，并成为一些“哑”终端和图形终端的基础（“哑”终端是一个无法编程并只显示图像或文本的终端）。控制器可以支持1024 x 1024像素分辨率和四个颜色平面。一些系统使用多个7220来获得更多的颜色深度。1983年6月，英特尔推出了82720，它是μPD7220的克隆版。

1987年，μPD7220被更新的更快版本μPD72120取代。看到它的成功，以及新兴的计算机图形市场，日立和TI几年后也推出了图形处理器。

2、IBM的EGA和VGA启动了芯片克隆战争

IBM于1981年推出了基于英特尔8080的个人计算机（PC），它配备了一个称为彩色图形适配器（CGA）的附加板（AIB）（如下图所示）。CGA AIB具有16 KB的视频内存，可以驱动NTSC-TV监视器或专用的4位RGB CRT监视器，例如IBM 5153彩色显示器。它没有专用控制器，使用半打LSI芯片进行组装。中心的大芯片是CRT时序控制器（CRTC），通常是摩托罗拉的MC6845。

图：CGA附加板和16KB的视频内存（hiteched）

这些AIB长33厘米（13英寸），高10.7厘米（4.2英寸）。IBM 于1984年推出了第二代增强型图形适配器（EGA）（如下图所示），它取代并超越了CGA的功能。1987年，EGA被VGA取代。

图：IBM的EGA插件板取代了CGA。注意形状因子和布局与CGA的相似性

EGA开创了一个新的行业。它不是一个集成芯片，但它的I / O记录良好，并且成为了历史上最易被克隆的AIB之一。在IBM推出EGA AIB一年后，“Chips and Technologies”推出了一个芯片组，它复制了IBM AIB可以做的事情。一年之内，低成本克隆版本占据了40％以上的市场份额。其他芯片公司如ATI，NSI，Paradise和Tseng Labs也生产了EGA克隆芯片，并推动了基于克隆的电路板的爆炸式增长（如下图所示）。到1986年，有超过20家这样的供应商，而且名单一直在增长。Everex则获得了C＆T的许可，因此它可以为其PC生产EGA芯片。

图：随着集成EGA控制器的出现，AIB开始变小（旧计算机）

EGA控制器真的没什么特别的。它提供640×350像素分辨率，16种颜色（来自64位颜色的6位调色板）和1：1.37的像素长宽比。它能够通过改变分辨率来调整帧缓冲器的输出宽高比，为其提供三种额外的硬连线显示模式：640 x 350分辨率，两种颜色，宽高比为1：1.37 640 x 200像素分辨率为16种颜色和1：2.4宽高比，320×200像素分辨率，16种颜色和1：1.2宽高比。一些EGA克隆版本扩展了EGA功能，包括640 x 400像素分辨率，640 x 480像素分辨率，甚至720 x 540像素分辨率，连接显示器的硬件检测以及与旧CGA显示器配合使用的特殊400线交错模式。

EGA的重大突破，以及它吸引如此多克隆的原因是：它的图形模式是位图平面，而不是上一代隔行扫描CGA和Hercules AIB。视频存储器分为四页（640×350像素分辨率，两种颜色，有两页）。

每个比特代表一个像素。如果红色页面中的某个位被启用，而其他页面中没有相应的位，则屏幕上的该位置会出现一个红色像素。如果该像素的所有其他位也被启用，它将变为白色，依此类推。

基于标准，EGA从基于字符的图形转移到真正的位图。类似于微型计算机的模块，如Commodore PET和Radio Shack TRS80，以及直接来自IMSI和Color Graphics的制造商，但他们没有使用集成的VLSI芯片。EGA是最后一个拥有数字输出的AIB，VGA带有模拟信号和更大的调色板。

PGA

在以前的文章中讨论的NEC 7220和Hitachi 63484 ACRTC进入了专业市场。IBM，行业领导者和标准制定者认可了这一点，并在同年推出了商用/消费类EGA，它还推出了专业的图形AIB PGA。PGA提供640×480像素的高分辨率，256种颜色，4 096种颜色的调色板。刷新率为60 Hz。与EGA一样，PGA也不是集成芯片。

8514

IBM于1987年停止使用PGA，取而代之的是更高分辨率的8514，并打破了AIB的首字母缩略词。8514可以生成1024×768像素，256色和43.5 Hz隔行扫描。8514是一项重大突破，是IBM首款集成高分辨率VLSI图形芯片。

VGA

IBM的视频图形阵列是在体积和寿命方面有史以来最重要的图形芯片。VGA于1987年与IBM PS / 2系列计算机以及8514一起推出。两个AIB共享一个输出连接器，几十年来成为VGA连接器的行业标准。VGA连接器是导致视频电子标准协会（VESA）于1989年成立的催化剂之一。

小结：

EGA实际上是基础控制器，后来成为商用和消费PC图形芯片。

到1984年，计算机市场已经整合为两个主要平台：PC和工作站。由于推出了PC，微型计算机在20世纪80年代初就已经消亡。游戏控制台仍然是基于电视的客厅设备，而称为服务器的大型机器正在取代大型机。超级计算机仍以每年三到四个的速度生产。所有这些机器都使用了某种类型的图形。然而，到1988年，他们都使用标准图形芯片，有时使用其中几种（如下图所示）。