超能课堂(51)：NVIDIA显卡17年的GeForce军团之路
在微软刚发布Direct 3D多边形3D图形标准前后的一段时间，NVIDIA初代产品NV1、NV2是基于Quadratic Texture Maps（二次曲面贴图）实现的3D效果，主要在应用于世嘉家用游戏机，但由于市场竞争激烈，加上微软Direct 3D标准逐渐成为市场主流所需，初代产品以失败告终。接下来的RIVA系列，NVIDIA吸取了初代产品沉重的教训，以Direct 3D和OpenGL API为核心研发芯片，NVIDIA在倒悬之危阶段过后完美打了一场翻身仗。
1995年的NVIDIA LOGO
NVIDIA凭借着这一仗，顺势在1999年建立了GeForce产品线，为垄断图形芯片半壁江山奠下基础。2016年的今天，GeForce产品线已经延续了17年了，本文时间旅车将从GeForce显卡开端出发，让我们一起来回顾下这段属于NVIDIA的时光吧！
1999年GeForce显卡定义GPU：GeForce 256
1999年，NVIDIA首创定义GPU词汇，发布第一款GeForce产品——GeForce 256显卡，GeForce 256继前代RIVA TNT2显卡最大的改变是率先增加T&L引擎的支持，由于显卡采用T&L引擎能够分担处理器运算负载，对于支持T&L引擎第一人称射击（Quake）这种具有革命意义的电子游戏来说，GeForce 256的效能可以完全发挥出来，而其他3dfx、S3 Graphics等厂商而言，通通望尘莫及，而唯一能与之抗衡的，只有一年后才出现的ATI Radeon 256显卡。
GeForce 256 DDR SDRAM版本
GeForce 256核心采用0.22微米（RIVA TNT2 Model 64）旧制程工艺，拥有四条渲染管线，每一条管线包括四个像素单元，一个材质单元，并提供SDRAM和DDR SDRAM两种不同显存级别的配置选择，GeForce 256芯片同时支持Direct3D 7.0、T&L以及OpenGL1.2先进的图形技术，以至成为当时生命周期最长的产品。
2000年GeForce系列第二代：GeForce2 GTS
GeForce第二代产品主要分为低端的GeForce2 MX系列、中高端的GeForce2 GTS、以及首款移动端的GeForce2 GO系列，从这一代开始，GeForce系列划分出来多种型号有了更明确的等级阶梯，从而更满足各层面的消费群体。
GeForce 2 GTS
在GeForce 256的基础上，NVIDIA对GeForce2 GTS身上额外增加了第二个TMU，渲染管线依然是四条，核心频率几乎翻倍（达到200Mhz），但是在显存带宽上稍显不足，在Direct3D游戏表现上不如OpenGL的。面向更高端的市场，GeForce 2 GTS是GTS版本核心和显存频率增强版，而面对一般消费者，推出GeForce2 MX版本，MX版本是在GTS版本基础上调整，第一是保留原本架构的情况下，移除渲染管线，第二是在显存类型和位宽做调整，因为GeForce2 MX的效能和价位非常适应市场需求，还一直延续到了GeForce4 MX版本。
2001年全球第一款支持DX8的显卡：GeForce3
NVIDIA在2001年初率先公布支持DirectX 8的GeForce3显卡，最大的改进是带来了Pixel Shader、Vertex Shader、FSAA(全景反锯齿效果)等技术，硬件规格上，GeForce3没有与GeForce2 GTS拉开太大的差距，优势全体现在了DirectX 8先进的API技术上，另外GeForce3支持可编程的T&L引擎，对于很多游戏开发者来说是非常有利的。
GeForce 3
GeForce3系列在同一年发布了多款不同级别的产品，其中10月份发布的GeForce3 Ti 200相对GeForce 3削减了核心和显存频率，在供电部分也做了部分调整，相应地为了降级产品的成本,而在面向高端市场，GeForce3 Ti 500独当一面，凭着0.15微米制程工艺，采用8层PCB板优良的电气性能，达到了更高的效能的高度。从RIVA TNT时代，NVIDIA早就意识到驱动程序的重要性，到GeFocre3时代，“雷管”驱动相对其他厂商来讲，已经比较成熟了，从GeForce3 Ti 500与Radeon 8500的对决中，即使Radeon 8500显卡理论效能会更高，但是单单凭借着“雷管”驱动的优异支持，NVIDIA在那一段时间内都有很大优势。
2002年Ti代号的辉煌时代：GeForce4 Ti 4200
GeForce4(核心代号NV25)系列在GeForce3(核心代号NV20)的基础架构上做微调与改进，GeForce4桌面显卡主要分成定位高端市场的Ti系列与定位低端的MX系列，NVIDIA的目标很明确，就是为了取代GeForce3系列应对Radeon 8500所带来的冲击力，在GeForce4发布后较长一段时间内，NVIDIA一直处于优势风头，直到ATI发布首款支持Direct X9.0的Radeon 9700显卡。
GeForce4 Ti 4200 AGP 8X
GeForce4 Ti系列显卡作为消费级主流产品于2002年亮相，它有着4*2优异架构得以延续，新一代的T&L引擎，以及支持Accuview高效率反锯齿技术。由于GeForce4 Ti 4200/4400/4600系列的显卡架构都是NV25核心代号，采用的都是同一个完整的架构，区别只是在供电部分以及用料上，所以许多厂商推出GeForce4 Ti 4200的超频版都能轻松达到4600的性能，GeForce4 Ti 4200可谓是NVIDIA历史上性价比最高的显卡。
2003年不尽人意的FX系列：GeForce FX 5800、FX 5900
在GeForce4 Ti系列抢占一大波风头的一段时间内，对手ATI一直沉默未发，直到发布支持DirectX 9.0的Radeon 9700，DirectX 9.0所带来的浮点高精度，高效能的纹理效果，对游戏画面带来剧变是非常震撼的。为了应对Radeon 9700，NVIDIA在其发布几个月后上市FX 5800（同样完整支持DirectX 9.0）系列显卡，采用三星刚刚量产的GDDR2更高带宽的显存，但是所带来的严重散热和功耗问题注定是个失败的产品。
GeForce FX 5900
为了改变FX 5800系列的所带来的负面市场影响，以及应对ATI来势汹汹的Radeon 9800 Pro，NVIDIA这次选择了技术更成熟DDR显存，发布核心代号为NV35的FX 5900系列，在内存带宽、以及图形质量优化等方面做改进，同时改进了散热和功耗问题，NVIDIA的努力改进使得FX高端系列在市场上可以和ATI Radeon 9800系列足以抗衡。值得一提的是，定位稍低的FX 5200系列，因为它是当时同级别中唯一支持DirectX 9的型号，所以在消费级市场中也能获得不错的反响，这种情况直到Radeon 9550上市才弥补了ATI显卡在低端入门市场上的空缺。
2400年性能与技术跃进：GeForce 6800
NVIDIA经历过上一代FX高端一系列问题之后，NVIDIA痛改前非，为了应付ATI的Radeon X800系列，NVIDIA推出GeForce 6系列第一个型号是GeForce 6800 Ultra高端显卡。从GeForce 2系列一直到GeForce FX高端系列，都是4*2的渲染管线架构，效能固然高，但是不能带来剧变。GeForce 6800 Ultra作为面向高端市场的显卡，渲染管线首次突破性增长到16条，采用GDDR3显存频率达到1.1GHz，内存带宽达到35.2GB/s,性能相对上代旗舰GeForce FX 5950 Ultra提升巨大。
GeForce 6800 Ultra
GeForce 6系列除了本身性能的提高之外，还有多项技术支持和改进。SLI(Scalable Link Interface)技术最早是由曾经独大的显卡厂商3dfx推出，SLI技术可以将两张显卡桥接起来工作从而获得翻倍的性能提升，3dfx的Voodoo2显卡曾经借助SLI技术在业界上获得无以伦比的声誉，但是在90年代末3dfx走下坡路以至最后被NVIDIA收购吞并。NVIDIA凭借着新的PCI-E接口开创了出应用范围广、工作效能高的SLI模式，并且GeForce 6全型号都支持该项技术。另外GeForce 6系列支持PureVideo技术，轻松减低处理器的资源占用，利用显卡处理高解析视频。
2005-2006年首款消费级双芯单卡：GeForce 7800GT、GeForce 7950 GX2
NVIDIA曾经在NV30时代因为过早使用GDDR2显存，良品率低导致在其在高端市场错失了许多机会。NVIDIA在第七代图形处理器早期的GeForce 7800（G70）系列中，全部采用的是0.11微米工艺制程，而对手ATI Radeon X1800(R520)系列采用刚刚起步的90纳米工艺制程，90纳米的R520在晶体管数量上输给了G70，但是因为90纳米制程带来更良好的电气性能，R520能工作在更高的工作频率。总体来说性能上两者可以说是不相仲伯，各有千秋，但是却能看出两家显卡厂商在新旧工艺制程的选择时的想法。
GeForce 7950 GX2
在GeForce 6系列时代，NVIDIA SLI技术支持从前期只支持高端显卡，到后来覆盖全型号的支持，NVIDIA对这项技术的宣传是非常到位的。7系旗舰卡GeForce 7950 GX2支持Quad SLI技术，两颗G71核心所提供5.56亿晶体管，理论计算能力固然高,但是在更多实际中的使用场景中，并没有达到预期的期望，因为在缺失驱动程序和应用程序的完善下，性能不能完全发挥出来，但是对手ATI高端的X1950XTX显卡采用80纳米制程、更高带宽的GDDR4显存，在架构技术上的领先获得的高端消费市场响应相比NVIDIA要更好。
2007年革命性架构的诞生：GeForce 8800 GTX
2006年下半年，ATI因为财政问题被AMD收购。而在上一代NVIDIA GeForce 7系列，在和对手ATI在市场上虽然平起平坐，但是在图形架构和技术上落后于对方。因此NVIDIA在发布拥有统一渲染架构的G80，流处理器统一管理渲染管线和像素着色器，G80完全支持DirectX 10，同时带来HDR(高动态范围光照)的MSAA和CSAA抗锯齿，画质也进一步得到显著的提升。
GeForce 8800 GTX
因为ATI被收购缘故，整合新的图形处理器部门(AMD-ATI)的HD 2900新系列显卡相比NVIDIA G80上市延迟了半年，由于DirectX 10的应用程序在AMD HD 2900新系列上市之前并不普及，所以NVIDIA实际上在这段时间也没有占据太多便宜。而GeForce 8800系列分为Ultra、GTX和GTS三个版本同时来对抗，因为G80革命性的架构和技术代表着最高性能，HD 2900系列就算是采用多项新技术也无法占据绝对的优势，但是在同等价位上还是有一点优势的。
2008年GeForce 8系列架构完美改进：GeForce 9600GT
由于GeForce 8800 Ultra/GTX系列长期占据高端显卡市场，AMD-ATI在推出HD 2900系列也无力挽回的局面下，ATI在新的RV670核心上，两颗RV670核心整合变成HD 3870X2显卡，在性能上足以超过GeForce 8800 Ultra昔日霸主。
GeForce 9600GT
GeForce 9600GT基于GeForce 8800GT基础上改进，在工艺制程上依旧采用65纳米TSMC，流处理器方面作了削减只有64个，ROPS依然保留16个，功耗相对降低，GeForce 9600GT相比GeForce 8800GT具有更好的性价比,而在性能、功耗方面的优势远远大于对手HD 3850,同时在高效率的SLI模式下，两张9600GT显卡在各方面领先HD 3870X2，从中端到高端市场，NVIDIA对自己产品系列，在市场作出了正确的引导战略。
2009年全新的GeForce系列：GeForce GTX 280
NVIDIA在发售基于G80核心系列多款显卡长达1年半后，终于迎来了全新的GeForce GTX 200系列显卡，同时在这一代开始，显卡的命名方式也发生了改变，便有了代表不同级别的GTX、GTS、GT以及G的命名。系列首款高端显卡卡是GeForce GTX 280，采用65纳米工艺制程，拥有240个流处理器，支持双精度浮点运算，同时内存带宽高达142GB/s，强大的规格在高端市场中足以稳固住NVIDIA的地位。
GeForce GTX 280
NVIDIA一直是以产品升级快、GPU主导未来的理念引导着市场，GeForce GTX 200系列是一个拥有图形处理和并行计算的结构体系，CUDA基础架构的引入，同时PhysX物理引擎的支持，NVIDIA的理念得以传承延续对于NVIDIA本身和消费而言，是未来计算机核心发展憧憬的方向。
2010年革命性的DX11时代:GeForce GTX 480
AMD早在2009年9月份抢先发布了支持DirectX 11的旗舰显卡Radeon HD 5800系列显卡，Radeon HD 5800系列带着全新的DirectX 11和过硬的规格冲击着GeForce GTX 200系列的地位，这种情况一直持续了半年之久，NVIDIA终于发布新一代旗舰GeForce GTX 470/480显卡，其强大的性能迅速抢占市场，但由于完整的GF100核心所带来的高功耗与热量也是令人发指。
GeForce GTX 480
DirectX 10的代表作游戏《Crysis》堪称硬件杀手，画面强大但是因为DirectX 10运行效率差导致旗舰显卡也无法流畅运行。DirectX 11有着Tessellation、DirectCompute 11等技术在提高画面质量的同时，运行效率也在提高。GF100核心虽然来得迟，但因为NVIDIA对DirectX 11重新优化设计，所以相比HD 5800系列在DirectX 11上具有压倒性的优势。
2011年Fermi核心重新整合：GeForce GTX 580、560 Ti
在上一代GTX 480因为良品率较低没有采用完整的Fermi核心，原本设计的512个流处理器因此被削减。在GF110核心的GeForce GTX 580中，流处理器是完整的512个，GF110在纹理采样与算法上作优化，而相对GF100核心，在GeForce GTX 580工作频率更高的情况下，功耗和温度也得到了均衡，在性能上超越了对手AMD Radeon 6970。
GeForce GTX 580
在第九代的GeForce4 Ti图形处理器，在NVIDIA的历史上可谓称得上最辉煌的时代。在进入DX11时代的第二个年头，NVIDIA为了弥补中高端显卡市场的空缺，正式推出，它采用的是全新的GF114架构，GF114和GF104一样，并不是一味在旗舰核心上作削减，而是从CUDA核心和SM单元作优化调整，从而使得GeForce GTX 560Ti更贴合市场定位，它不仅是对GeForce4 Ti辉煌历史的致敬，而且实际上在中高端显卡市场中获得不错的响应。
2012年全新的Kepler架构：GeForce GTX 680
在经历了Radeon HD 6970的低迷时代后，AMD重振旗鼓发布全新CGN架构的Radeon HD 7970显卡，而NVIDIA在3个月之后推出第一代Kepler架构的，采用全新的台积电28纳米工艺制程，同时不再使用Shaderf分频模式，增加CUDA数量的同时，同频运行的模式带来的功耗相对比Shaderf模式要低，GeForce GTX 680刚面市的时候，无论是游戏性能、功耗以及价格方面，优势都要比Radeon HD 7970要大。
GeForce GTX 680
从这一代显卡开始，加入了GPU Boost动态加速，GPU Boost根据TDP范围值进行提高核心频率或者降至标准频率，同时适用于超频状态。另外NVIDIA随着Kepler架构推出新的TXAA抗锯齿，相比MSAA（多重采样抗锯齿），画面更出色以及效能会更高，同时为了解决帧数过低打开垂直同步时候造成的帧数暴降，NVIDIA加入Apdative VSync(自适应垂直同步)技术。
2013年第二代Kepler架构：GeForce GTX Titan、780Ti
第一代Kepler架构的GeForce GTX 680作为旗舰显卡在各方面表现都不错，NVIDIA推出大核心GK110，并命名为GeForce GTX Titan，首次没有采用数字编号的命名方式，NVIDIA对Titan的定义就是代表着最高性能的GeForce显卡。使用GK110架构最早的显卡是NVIDIA Tesla /K20，K20X的单/双精度的浮点性能在当时达到了史上最高纪录。而GeForce GTX Titan的整体规格和NVIDIA Tesla K20X相似，拥有2688CUDA核心，优化了SMX单元，相对工作频率会更高，性能足以稳固最强单卡的地位。
GeForce GTX Titan
而对于在当时显卡格局来讲，GeForce GTX Titan的性能是无人撼动的，但是定价7999元令很多消费者望尘莫及。直至AMD推出Hawaii核心的，性能能比肩GeForce GTX Titan，终结无人能敌的地位。NVIDIA紧接着推出GK110完整核心架构的，拥有核心全部15组SMX单元，同时核心与显存频率也有提升，GK110核心改进均衡了功耗和温度，GeForce GTX 780Ti的推出再次助NVIDIA夺回显卡性能王者地位。
2014-2015年高效率的Maxwell架构：GeForce GTX 980、970
NVIDIA从Fermi到Kepler架构，一直在追求极致性能的同时，想办法降低显卡功耗。第一代Maxwell架构是定位稍低的GM107核心，改进了SMX单元，提高了每瓦性能。而第二代Maxwell架构核心是GM204，GM204合理控制核心面积的同时，增加了SM单元数量，架构效率提高了。Maxwell架构的出现，即使使用28纳米工艺制程，性能提升幅度较大而功耗又能明显降低。
GeForce GTX 980
NVIDIA推出GeForce GTX 980、970不仅是为了革新自己核心架构，而且能够在市场上继续打压AMD的R9 Radeon 290X/290显卡，NVIDIA足足领先了九个月的情况下，AMD终于推出R9 Radeon 390/390X显卡，在Hawaii基础上降低了功耗提高频率和显存容量，同时经过CGN通用架构的驱动不断优化，AMD才挽回了一定的局面。
2016年工艺和架构全面升级：GeForce GTX 1080
从GeForce 600系到GeForce 900系列显卡，一直采用的是台积电28nm制程工艺，今年5月份NVIDIA终于迎来采用新一代16nm FinFET制程工艺的Pascal架构，晶体管数量多达72亿，同时核心频率大幅度提升，玩家轻松超频就能突破2GHz。虽说现今的Pascal架构采用的是GP104核心，而并非是GP100大核心，但是还是带来GDDR5X显存升级、异步运算改进、新的VR技术等提升。
GeForce GTX 1080
NVIDIA目前采用Pascal架构的显卡已经有GeForce GTX 1080、GeForce GTX 1070和GeForce GTX 1060，三款显卡代表着从旗舰、高端、中高端三个级别，反观AMD，目前今年只有唯一的新卡——采用Polaris架构的Radeon RX 480，定位与GeForce GTX 1060相符，但是在目前从各方面表现来看，Radeon RX 480是不如GeForce GTX 1060，这是客观的事实存在。AMD今年的步伐可能更难前行了，只能期待下未来的Vega 10、Vega11的大核心了。
总结：绿色军团的步伐，跨度大而且速度快
GeForce系列产品路线
NVIDIA在GeForce系列以前，曾经在显卡厂商百花齐放的时代翻滚打拼，生存并逐步壮大，才有了今天风靡全球的GeForce系列显卡和极度狂热的信仰N粉。近这几年来，GeForce系列显卡更新换代的速度更快了，而且每一代旗舰显卡面世都代表着当前游戏显卡的最高性能。
从NVIDIA的GeForce产品线诞生到现在，已经快走过17个年头了。这当中有许多值得回味的经典产品，或许你有着当年用着GeForce 256显卡玩着《Quake》时惊叹3D游戏所带来的震撼感受，又或许你有着经典的GeForce4 Ti 4200显卡疯狂超频战三代的经历，看完NVIDIA的GeForce历史后，如果觉得意犹未尽的话，无论你是一直以来忠实的N粉，还是已经逝去的N粉，都可以在下方评论区尽情分享你的GeForce故事！
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