GeForce_8_Series

**GeForce 8 系列**，代號 **G80**，是 NVIDIA 的第八代 GeForce 顯示晶片。在 7900 GTX 發布後八個月，NVIDIA 於 2006 年 11 月推出 GeForce 8800 GTX，它是建基於 G80 核心。G80 是全球首款支援 DirectX 10 的顯示晶片，核心的架構和技術比前代 GeForce 7 系列顯示晶片有很大的不同。縱使它是為 DirectX 10 而設計，但由於架構的改進，G80 在 DirectX 9 環境下仍可以發揮出強大的效能。

## DirectX 10 的改進

雖然 DirectX 受人歡迎，但是 DirectX 9 的規格始終為遊戲開發者帶來限制。在圖形 API 誕生前，當時的程式開發者能利用指令來控制顯示卡。但不同的架構就需要不同的指令，這就造成相容性問題。為此，業界為了統一規格，就發展出最普遍的 DirectX 和 OpenGL 兩種規格。縱使 API 能解決相容性問題，但是衍生出新的問題。在 3D 環境中，所有東西都以物件方式存在，而物件的運算則順序由程式、API 和驅動程式之間傳輸。而 CPU 必須參與這個過程。物件愈多，CPU 負荷愈重。所以物件數量不能過多，但畫面品質就不能大幅提升。
新的 DirectX 10 則解決了這個問題。當物件第一次運算時，CPU 會參與這個過程，但到了第二次時，CPU 不會再參與這個過程。物件數量就能大幅提升，畫質就能相應提高。

除了以上措施能減低 CPU 負擔，DirectX 10 亦新增了兩個減低 CPU 負擔的功能。

### 紋理陣列

以往，多紋理轉換動作使用大量 CPU 資源。DirectX 10 的紋理陣列功能能解決這個問題。在每個紋理陣列中，最多可以儲存 512 個同樣大小的紋理。紋理的最高解析度由 DirectX 9 的 4096x4096 提升至 8192x8192。每一個 Shader 能使用 128 個紋理，為上一代 DirectX 9 的 8 倍。Render Targets 由 4 個增加到 8 個。所以在 DirectX 10 中，物件有更多細節，更富真實感。

### 繪製斷言

在一個 3D 場景中，物件會遮住其他物件，不會在畫面顯示。預早偵測出不會在畫面顯示的物件，能減少不必要的運算，增加資源。雖然以往的顯示核心已擁有這個功能，但始終有些物件不會被預早偵測。程式設計者會採用**繪製斷言**這個技術，將物件製作成方塊，當方塊不能在前景中顯示，就可以省下該物件的運算。過往這個過程需要 CPU 介入，但在 DirectX 10 中，顯示核心完全負責這個過程，增加 CPU 資源。

### Shader Model 4.0

DirectX 10 採用 Shader Model 4.0 版本，進一步減少資源限制。例如 Register 的資源不足問題。

以下為減少資源限制的措施的列表：

* Temporary Registers Buffers : 4096
* Constant Registers Buffers : 65536

### Higher Level Shading Lanagage(HLSL)

它在 DirectX 9 中首次出現。在 DirectX 10 中，會採用 HLSL 10 版本。亦新增**紋理陣列**功能（請參考上面）。

改進列表：

* 常數快取：彩現過程中需要很多常數，來定義各樣的參數，例如身件的位置，光線的顏色，觀察者的位置等等。在彩現過程中，常數會不斷被更新。更新時就需要到常數快取。DirectX 10 的常數快取容量是 DirectX 9 的 16 倍，而且架構更有效率。
* Views：以往在頂點著色器的快取無法被像素著色器利用，反之亦然。這就限制了很多資源的利用。DirectX 10 就解決了這個問題。當資源被著色器建立後，就成為資料塊，並且用 Views 結構標示出來。這樣資源就可以以不同方式利用得到。例如圖形資料被像素著色器處理成紋理資料，頂點著色器能將紋理資料處理成幾何資料。這樣資源就能夠被靈活運用。
* Integer and Bitwise Instructions：不用將浮點數據轉換成整數數據就能直接進行整數演算法，GPGPU 的處理能力就能提高。
* Switch Statement：支援轉換陳述，簡易著色編程的線路計算。

### HDR

DirectX 10 支援兩種新的 HDR 模式。第一種採用 11-Bit 紅色和綠色、10-Bit 藍色。另一種採用 5-Bit 共享運算，另加每一種顔色以 9-Bit 作尾數運算。新的 HDR 模式能增加資源使用效率。DirectX 10 亦支援 FP32，提高 HDR 品質。G80 提供全新的 128bit 精度的 HDR 運算，並可與抗鋸齒技術同時運作，讓 HDR+AA 不再是 ATI 的專利。

### Geometry Shader（幾何著色引擎）

DirectX 10 首次加入 Geometry Shader，功用是將點、線、及三角連接起來，以為此過程由頂點著色器負責。它能有效提升模板陰影特效、動態立方體貼圖和位移貼圖的執行效率。它能減少 CPU 的負擔，增加系統資源。當頂點著色引擎產生出一組頂點數據後，隨後的幾何著色引擎能將數據化成最高 1024 個頂點，即是將數據頂點數據增多。幾何著色引擎亦可將多餘的頂點數據除去，增加顯示核心的運算效率。

幾何著色引擎能使位移貼圖技術配合鑲嵌圖形技術。位移貼圖十分常見，通常用於非即時 3D 彩現中。位移貼圖的原理是首先建構一個簡單的平面模型，然後增加頂點數量。顯示核心會根據一張灰階紋理，去將該平面模型立體化。而鑲嵌圖形技術則會把一個模型鑲嵌更多多邊形，增加細節。

上一代的 DirectX 9 並不可以完好的支援鑲嵌圖形技術。DirectX 10 的幾何著色引擎就解決了這個問題。位移貼圖技術和鑲嵌圖形技術可一同進行運算，物件表面更真實。

此外，幾何著色引擎的運算結果能直接傳送到顯示記憶體中，不用通過像素著色引擎，提升效率。將來，顯示核心能集中處理物理運算。

### 其它 DirectX 10 的改進

* Alpha to coverage：複雜的幾何圖形通常會被透明多邊形代替，例如樹葉和鐵絲網這些重複性很高的物件。想像一塊平面，標示透明和不透明地方後，彩現後就成為鐵絲網。但透明和不透明的連接地方會有很多鋸齒，雖然利用 Alpha 彩現可以解決問題，但效能損失十分大。Alpha to coverage 能減少效能損失。
* 陰影帖圖過濾：減少陰影的鋸齒，使之更柔和。
* Access to Multi-sampling Sub-Samples：可以存取 MSAA 的子樣本，並控制它。

## 產品架構

GeForce 8 採用統一管線結構。傳統顯示核心的架構分為頂點著色引擎和像素著色引擎。當頂點著色引擎負荷很重時，像素著色引擎可能閒置著，反之亦然。這就造成顯示核心運算能力不被充分發揮，浪費資源。DirectX 10 將頂點著色、幾何著色和像素著色合併成一個彩現流程。所以每一個統一流處理器都能處理頂點、幾何和像素數據，不會有閒置問題，效率顯著提升。

G80 顯示核心擁有 128 個流處理器，每 16 個為一組，每一組有 8 個材質過濾單元和 4 個材質定址單元，每一組流處理器都擁有 L1 和 l2 緩衝記憶體。G80 可同時執行過千個執行緒，NVIDIA 稱之為 GigaThread 技術。某程度上，NVIDIA 參考了 ATI 的設計，使其顯示核心能進行異類運算工作，例如物理運算和影像編碼。

物理運算方面，G80 已作出強化，NVIDIA 稱之為 Quantum Effects 技術，效率比 CPU 高很多。

NVIDIA 終於加入 Early-Z 技術，它的目的與繪製斷言相似，但原理不一樣。現先介紹一下 Z 快取技術，通過測試像素深度和快取資料比較，可測量到每一個像素的最後位置。若像素被其他像素遮擋住，被遮擋住的像素的數據則會被去掉。但很多無用的像素數據沒有去掉，依然通過像素流水線，造成資源浪費。基於以往的技術限制，要預先偵測無用像素數據，必需通過整條像素流水線。Early-Z 技術能解決這個問題。像素數據在進入像素著色器前，會預先被偵測，若果是無用的數據，就不用通過像素單位，省下資源。理論上，支援 Early-Z 技術的 8800GTX 比 7900 GTX 快 4 倍去篩選無用的像素數據。

G80 可平行計算材質數據，而不用像以往的顯示核心般，存有等待時間。

### Lumenex 引擎

G80 的強化畫質引擎稱為 Lumenex，它支援 Anti-Aliasing（反鋸齒技術）、High Dynamic Range 和 Anisotropic Filtering（各向異性過濾）。反鋸齒方面，將同時利用覆蓋採樣和幾何採樣。這個新模式稱為 Coverage Sample Anti-aliasing (CSAA)，程度分為 8x、8xQ、16x 和 16xQ。其中的 Q 版本畫質較高。CSAA 16x 的畫質比常規反鋸齒 4x 好，但是效能趺幅相近。縱使 CSAA 16x 影像品質高，但當遊戲採用大量模板陰影時，會影響到 CSAA 運算效率。

各向異性過濾方面，G80 加入了 Angular LOD 控制，能有效加強銳利度。

影像輸出方面，G80 支援 10-Bit（十億種色彩）影像輸出，比上一代的 8-Bit（一干六百萬種色彩）影像輸出品質大幅提升。但比 ATI 遲了一代。

### 第二代 PureVideo HD

GeForce 8800 系列顯示卡都支援 HDCP（High-bandwidth Digital Content Protection）。HDCP 會保護 HDTV、Blu-Ray 及 HD-DVD 的影像內容，防止非法拷貝。不支援 HDCP 的顯示卡，解析度會強行由 1080p 降至 540p。

暫時只有 8800GT 和 8800GTS (G92,512MB) 高階顯示卡支援新一代 PureVideo HD 技術，首次支援高畫質影訊雜訊消除和邊緣強化技術。在 HQV 影像測試中，取得 128 分高分，為現時最佳成績。它除了支援 720p、1080i 及 1080p 等解析度外，並支援 H.264 、VC-1、WMV-HD 及 MPEG-HD 硬體解碼。

而 G84 和 G86 所支援的 PureVideo HD 技術更強，將所有影像解碼工作交由顯示核心（VP2）負責，大幅降低 CPU 佔用率。亦新加入 BitStream Processor，能夠完全硬體解碼 H.264 及部分硬體解碼 VC-1 的影片。最後，加入了 AES128 運算引擎，就能硬體解碼 AACS，由於 Windows Vista 的關係，這種解碼方式將被頻繁使用，硬體解碼就變得必要。

## 產品型號

### 桌面平臺

#### GeForce 8100

是整合於 MCP78S 晶片組中的顯示核心，有 16 個流處理器，核心頻率為 500 MHz，不支援 PureVideo 功能。

#### GeForce 8200

同 GeForce 8100 一樣是整合於 MCP78S 晶片組中的顯示核心，規格相同，但支援 PureVideo 功能。

#### GeForce 8300

是 GeForce 8 系列的最低階獨立顯示卡。只會出現於 OEM 市場，並不會出現於零售市場。8300 GS 把記憶體頻寬降至 64bit，更不支援 PureVideo 功能。

#### GeForce 8400 系列

起初 8400 GS (G86) 的 PureVideo HD 是不可以支援 VC-1 硬體解碼。之後，NVIDIA 推出了採用新核心的 8400 GS 顯示卡。核心代號是 G98，是繼 G92 後的第二款採用 65nm 工藝製造的顯示核心。核心由聯電生產，核心頻率是 567MHz。新的核心，已新增支援 VC-1 硬體解碼。所以，新的 8400 GS 已完整支援，H.264 和 VC-1 解碼。但是，HDCP Key Rom 仍然未整合到顯示核心中，須要另加晶片支援。HDMI 方面，音訊訊號須透過 SPIDF 輸入，顯示核心仍然不像 HD 系列顯示卡般，能直接處理音訊訊號。另外，新版本的 8400 GS 顯示核心只有 8 個流處理器，效能會比第一代差。

在 2008 年初，第三版的 8400GS 推出。這次使用與 8600GT 一樣的 G84 核心，流處理器數量與 G86 一樣。廠商亦會使用較高速的顯示記憶體。

#### GeForce 8500 系列

這個系列採用 G86 顯示核心，定位是主流級。它擁有 16 個統一流處理器，8 個 Texture Filtering Unit，8 個 Texture Address Unit 和 4 個光柵操作單元。目前只有一款形號，就是 GeForce 8500 GT。對於 HDCP 的支援，廠商可自由選擇是否支援。顯示記憶體方面，G86 核心最高支援 GDDR4 記憶體，而記憶體頻寬只有 128bit，是高端 G80 的三分一。影像方面，支援第二代的 PureVideo HD。

#### GeForce 8600 系列

這個系列採用 G84 顯示核心，定位是中階。它擁有 32 個統一流處理器，16 個 Texture Filtering Unit，16 個 Texture Address Unit 和 8 個光柵操作單元。值得注意的是，在 G80 核心中，每個可編程運算單元有 4 個 Texture Addressing Unit；而在 G84 和 G86 核心中，每個可編程運算單元有 8 個 Texture Addressing Unit。所以 G84 和 G86 核心不是單純的從 G80 簡化而成。整個 8600 系列有兩款顯示卡形號，它們是 Geforce 8600 GTS 和 8600 GT 版本。當中的分別是 GTS 版本顯示核心和記憶體的頻率較高。還有，GTS 版本是強制性支援 HDCP，而 GT 版本則可有可無。顯示記憶體方面，G84 核心最高支援 GDDR4 記憶體，而記憶體頻寬只有 128bit，是高端 G80 的三分一。影像方面支援第二代的 PureVideo HD。

#### GeForce 8800 系列

G80 於 2006 年 11 月 8 日推出。高階形號為 GeForce 8800，核心擁有 6 億 8 千 1 百萬個電晶體，為上一代 G70 的兩倍。現時有三個高階形號，分別是 Ultra、GTX 和 GTS 版本。G80 採用 90 奈米製程由 TSMC 代工。GTX 版本會取代 GeForce 7950 GX2，GTS 版本則取代 GeForce 7900 GTX。GeForce 8800 GTX (G80-300) 擁有 128 個統一流處理器，64 個 Texture Filtering Unit，32 個 Texture Address Unit 和 24 個光柵操作單元。核心頻率是 575MHz，但部份流處理器的頻率是 1.35GHz，運算效能高達 519 gigaflops。G80 最高支援 384-Bit 顯示記憶體頻寬，最高顯示記憶體容量為 768MB，預設顯示記憶體頻率是 1.8GHz。 顯示卡長 10.5 吋，功耗達 185W，需要兩組外接 6 pin 電源。

* GeForce 8800 GTX 需採用 450W 電源供應器驅動，若只插入一個電源介面，顯示卡會降低核心頻率。縱使卡上擁有兩個 MIO 介面，但現時只需接上一個介面即可開啟 SLI 模式。顯示卡板上多了一顆晶片，名為 NVIO-1。它負責所有顯示輸出，包括類比和數位輸出。未來若追加新顯示輸出格式，例如 HDMI 和 VideoPort，就只需推出新的 NVIO 晶片，不需更改顯示核心設計。
* GeForce 8800GTS (G80-100) 是 G80 核心的平價版本，核心與 GTX 版本相同，規格差異請看下表。它擁有 96 個統一流處理器，48 個 Texture Filtering Unit、24 個 Textyre Address Unit 和 20 個光柵操作單元。顯示卡長 9 吋，功耗是 150W，需採用 400W 電源供應器驅動，只需一組外接電源。卡上擁有一個 MIO 介面。
* GeForce 8800 Ultra (G80-450) 是新近推出的 GTX 升級版，Geforce 8800 Ultra 的 ASIC 版本由 8800 GTX 的 A2 版本升級到 A3 版本，但仍舊只有 128 個統一流處理器，64 個 Texture Filtering Unit，32 個 Texture Address Unit 和 24 個光柵操作單元。核心頻率提高至 612MHz，部份流處理器的頻率是 1.5GHz，運算效能高達 576 gigaflops。顯示記憶體容量與 GTX 同為 768MB，但因使用 - 0.8ns 記憶體顆粒，預設顯示記憶體頻率高達 2.16GHz。至於採用新製程的 G80-400 核心，就在耗電一環稍有進步。建議零售價與規格一樣驚人，達 829 美元。另外，它支援三路 SLI。

下一代 G92 核心的首張產品是 8800 GT，2007 年 10 月 29 日推出。核心以 65 奈米製程生產，熱量更低，效能更高。顯示記憶體方面，支援 256-bit 頻寬。雖然頻寬比舊有的 320-bit 少，但成本可以大幅下降，只需要 8 顆記憶體就可以實現。事實亦證明，256-bit 的效能與 320-bit 不相伯仲。值得注意的是，在 9800 GT 推出後，有廠商的 8800 GT 顯示卡只支援 128-bit 記憶體頻寬，流處理器的數量亦由 112 下降到 96 個，效能比 9600 GSO 更差，NVIDIA 表示對此並不知情。G92 核心亦支援新的顯示卡介面 PCI-E 2.0。影片播放加速方面，是第一張 NVIDIA 的高端顯示卡支援 PureVideo HD 技術。經過測試在預設頻率下效能已更勝同廠產品 8800 GTS 320MB 及 8800 GTS 640MB，以及 ATI 的 HD 2900 XT 512MB 及 HD 2900 Pro 512MB。而採用 G92 核心的新板 8800 GTS，流處理器的數量亦有所提升，由 96 個增加到 128 個。紋理拾取單元的數量亦倍增。

### 行動平臺

* GeForce 8200M G，是整合於 MCP77MV 和 MCP79MV 行動晶片組中的顯示核心，擁有 8 個流處理器，核心頻率 500 MHz。
* GeForce 8400M G，核心編號 G86M，擁有 8 個流處理器，核心頻率 400 Mhz，最大顯示記憶體 64MB。
* GeForce 8400M GS，核心編號 G86M，擁有 16 個流處理器，最大顯示記憶體 128MB，其他規格與 8400M G 相同。
* GeForce 8400M GT，核心編號 G86M，擁有 16 個流處理器，核心頻率 600 Mhz，最大顯示記憶體 256MB。
* GeForce 8600M GS，核心編號 G84M，擁有 16 個流處理器，其他規格與 8400M GT 相同。該顯示卡曾傳出散熱不良的問題，曾多次召回更換。下面核心代號相同的 8600M GT 和 8700M GT 也受牽連。
* GeForce 8600M GT，核心編號 G84M，擁有 32 個流處理器，核心頻率 475 Mhz，最大顯示記憶體 512MB。
* GeForce 8700M GT，核心編號 G84M，擁有 32 個流處理器，核心頻率 625 Mhz，其他規格與 8600M GT 相同。
* GeForce 8800M GTS，採用下一代 65 奈米顯示核心 G92M，擁有 64 個流處理器，核心頻率 500 Mhz，512 位元最大顯示記憶體頻寬。
* GeForce 8800M GTX，採用下一代 65 奈米顯示核心 G92M，擁有 96 個流處理器，核心頻率 500 Mhz，512 位元最大顯示記憶體頻寬。

## 參考條目

* GeForce 8 系列規格列表
* GeForce 8 M 系列規格列表
* Radeon R600

## 參考

## 外部連結

* NVIDIA 的 GeForce 8 系列（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Guru 3d Review of Geforce 8（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 中關村線上 - 離電影畫質有多遠？詳談 DX10 最新特效（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）