تاریخچه کارت‌های گرافیک انویدیا (قسمت اول)

انویدیا (Nvidia) در سال ۱۹۹۳ توسط جن-سون هوانگ (مدیر عامل فعلی شرکت)، کریس مالاچوسکی و کورتیس پریم در سانتا کلارای کالیفرنیا شکل گرفت. هوانگ پیش از تاسیس انویدیا به عنوان طراح ریزپردازنده در AMD کار می‌کرد و دو موسس دیگر شرکت نیز به عنوان مهندس برای سان مایکروسیستمز مشغول به کار بودند.

بلافاصله پس از تاسیس، انویدیا کار بر روی اولین محصول خود یعنی NV1 را شروع کرد. توسعه‌ی NV1 دو سال به طول انجامید و در نهایت به صورت رسمی در سال ۱۹۹۵ عرضه شد. اولین محصول انویدیا که در زمان خود چیپ نوآورانه‌ای محسوب می‌شد، می‌توانست از پس پردازش دو بعدی و سه بعدی برآمده و در عین حال توانایی پردازش صدا را نیز با خود به همراه داشته باشد. پس از تصمیم سگا به استفاده از چیپ NV1 در کنسول خود با نام ساترن، انویدیا پشتیبانی از دسته‌ی بازی کنسول سگا را به چیپ خود اضافه کرد. این موضوع باعث می‌شد تا کارت‌های گرافیک دسکتاپ این شرکت هم بتوانند به صورت سخت افزاری از کنترلر سگا پشتیبانی کنند.

یکی از جنبه‌های منحصر به فرد شتاب دهنده‌ی گرافیکی NV1، استفاده‌ی آن از رویه‌های درجه‌ی دوم به عنوان پایین‌ترین سطح هندسی برای پردازش گرافیکی بود. این موضوع باعث می‌شد سازندگان بازی‌های ویدئویی هنگام طراحی بازی‌هایشان برای NV1 با مشکلات زیادی مواجه باشند. معضل طراحی برای NV1 با عرضه‌ی اولین نسخه از API دایرکت ایکس مایکروسافت از این هم پیچیده‌تر شد، چرا که مایکروسافت در API خود از چندضلعی به عنوان پایین‌ترین سطح هندسی استفاده می‌کرد.

کارت‌های دسکتاپ انویدیا در آن زمان از رابط متداول PCI با پهنای باند ۱۳۳ مگابایت بر ثانیه استفاده می‌کردند. NV1 می‌توانست از حافظه‌ی EDO با سرعت کلاک ۷۵ مگاهرتز استفاده کند و شتاب‌دهنده‌ی گرافیکی آن قادر بود از حداکثر رزولوشن ۱۶۰۰ در ۱۲۰۰ پیکسل و رنگ ۱۶ بیت پشتیبانی کند.

به لطف فروش کنسول ساترن سگا و کارت‌های گرافیک دسکتاپ، انویدیا توانست در بازار باقی بماند؛ اما این به هیچ وجه به معنای موفقیت کارت NV1 نبود. عملکرد گرافیکی و صوتی کارت انویدیا چندان رضایت بخش نبود و اجزای سخت افزاری مختلف به کار رفته در آن باعث می‌شد قیمت نهایی کارت نسبت به رقبا زیاد باشد.

انویدیا کار بر روی NV2 را به عنوان جانشینی برای NV1 آغاز کرد، اما اختلافات با سگا باعث شد تا سگا از تکنولوژی PowerVR شرکت Imagination Technologies در کنسول جدید خود با نام دریم کست استفاده کند و در نتیجه NV2 کنسل شد.

ریوا ۱۲۸ که از آن با نام NV3 نیز یاد می‌شود، در سال ۱۹۹۷ عرضه شد و به طرز قابل توجهی از NV1 موفق‌تر بود. انویدیا در این کارت به جای استفاده از رویه‌های درجه‌ی دوم، به استفاده از چندضلعی به عنوان پایین‌ترین سطح هندسی روی آورد که بسیار متداول‌تر بود. این کار باعث می‌شد تا پشتیبانی از ریوا ۱۲۸ توسط بازی‌ها آسان‌تر شود. پردازنده‌ی گرافیکی ریوا ۱۲۸ همچنین برای نگاشت بافت نیز از چندضلعی استفاده می‌کرد. این تکنیک باعث می‌شد تا فریم‌ها با سرعت بالاتری رندر شوند، اما در عوض کیفیت تصویر دچار افت شود.

GPU جدید انویدیا در دو مدل در دسترس بود: Riva 128 و Riva 128ZX. ریوا ۱۲۸ زد ایکس از تراشه‌ی با کیفیت‌تری استفاده می‌کرد و به انویدیا این امکان را می‌داد تا فرکانس RAMDAC را در آن افزایش دهد. هر دو مدل از حافظه‌ی SDRAM با سرعت کلاک ۱۰۰ مگاهرتز و باس ۱۲۸ بیتی استفاده می‌کردند. مجموع این مشخصات باعث می‌شد کارت‌های انویدیا پهنای باندی برابر با ۱.۶ گیگابایت بر ثانیه داشته باشند. چیپ‌های ریوا ۱۲۸ زد ایکس البته از VRAM بیشتری نسبت به ریوا ۱۲۸ برخوردار بودند و سرعت کلاک‌شان بیشتر بود.

این دو GPU به دلیل قابلیت پردازش همزمان دو بعدی و سه بعدی نسبتاً محبوب بودند؛ اما نسبت به رقیب خود یعنی کارت‌های 3dfx سرعت پایین‌تری داشتند.

در سال ۱۹۹۸، انویدیا از کارت جدید خود با نام Riva TNT (با نام رمز NV4) رونمایی کرد. درست مانند NV3، کارت جدید هم از قابلیت پردازش همزمان دو بعدی و سه بعدی بهره می‌برد. انویدیا پشتیبانی از رنگ ۳۲ بیتی (True Color) را نیز به کارت‌های ریوا تی‌ان‌تی اضافه کرده بود و مقدار حافظه‌ی آن را به ۱۶ مگابایت افزایش داده بود. اگرچه اسلات AGP در آن زمان در حال مشهور و متداول‌تر شدن بود، اما هنوز هم تعداد زیادی از سیستم‌ها فاقد آن بودند؛ لذا انویدیا تصمیم گرفت کارت‌های NV4 را به صورت عمده با رابط PCI عرضه کند و در کنار آن به عرضه‌ی محدود کارت‌های با رابط AGP نیز بپردازد.

همزمان با عرضه‌ی کارت‌های تی‌ان‌تی، انویدیا برای بهبود سازگاری و عملکرد کارت‌های خود، تلاش ویژه‌ای را بر روی بروزرسانی منظم درایورهای گرافیکی معطوف کرد.

در زمان عرضه‌ی Riva TNT، کارت Voodoo2 از 3dfx عنوان سریع‌ترین کارت گرافیک بازار را در اختیار داشت، اما قیمت آن نسبت به کارت انویدیا بالاتر بود و علاوه بر آن، برای پردازش ۲ بعدی نیاز به کارتی مجزا داشت. نیاز به کارت دو بعدی مجزا در دهه‌ی ۹۰ میلادی بسیار معمول بود و Riva TNT با داشتن قابلیت پردازش همزمان دو بعدی و سه بعدی، به طرز قابل توجهی مقرون به صرفه‌ به شمار می‌رفت.

انویدیا قصد داشت تا Riva TNT را با سرعت کلاک ۱۲۵ مگاهرتز عرضه کند تا در جنگ عملکرد نیز در مقابل Voodoo2 پیروز میدان باشد، اما هسته‌ی پردازنده در چنین سرعتی به شدت داغ می‌شد و پایدار نبود. در عوض انویدیا مجبور شد کارت را با سرعت کلاک ۹۰ مگاهرتز برای پردازنده و ۱۱۰ مگاهرتز برای RAM عرضه کند. با این حال، Riva TNT همچنان عملکرد رقابتی در برابر رقبا از خود نشان می‌داد و با عرضه‌ی درایورهای جدید انویدیا با نام چاشنی (Detonator) عملکرد این کارت رقابتی‌تر نیز شد.

به طور کلی Riva TNT به دلیل عملکرد خوب و ویژگی‌هایش، بسیار موفق ظاهر شد. پشتیبانی درایوری خوب انویدیا نیز باعث شد افراد بسیاری به سمت این شرکت جذب شوند؛ چرا که در آن زمان مشکلات سازگاری سخت افزاری و کار کردن با درایورها کابوسی برای کاربران بود.

در سال ۱۹۹۹، انویدیا بار دیگر تلاش کرد تا عنوان سریع‌ترین پردازنده‌ی گرافیکی را از چنگ 3dfx در بیاورد. این بار Riva TNT2 (با نام رمز NV5) این وظیفه را بر عهده داشت. Riva TNT2 از لحاظ معماری به نسل قبل از خود شباهت داشت، اما به لطف موتور رندرینگ بهبود یافته‌ی خود می‌توانست در سرعت‌های کلاک برابر، ۱۰ تا ۱۷ درصد سریع‌تر از Riva TNT ظاهر شود. انویدیا همچنین پشتیبانی از اسلات‌های AGP 4X را نیز به کارت جدید خود اضافه کرد که باعث می‌شد پهنای باند کارت دوبرابر شود و مقدار VRAM آن نیز به ۳۲ مگابایت افزایش پیدا کند. اما شاید قابل توجه ترین تغییر، استفاده‌ی انویدیا از فناوری ساخت ۲۵۰ نانومتری در Riva TNT2 بود که به انویدیا این اجازه را می‌داد تا سرعت کلاک کارت جدید خود را تا ۱۷۵ مگاهرتز افزایش دهد.

اصلی‌ترین رقیب Riva TNT2 کارت Vodoo3 از 3dfx بود. این دو کارت به مدت چند سال عملکرد مشابهی از خود نشان می‌دادند و در نهایت مشخص نبود که کدام شرکت پیروز این راند از رقابت شده است.

در اواخر سال ۱۹۹۹، انویدیا از GeForce 256 (با نام رمز NV10) رونمایی کرد. تا پیش از این کارت، تمامی کارت‌های گرافیکی با نام شتاب‌دهنده‌ی گرافیکی (graphics accelerators) یا کارت ویدئویی (video cards) شناخته می‌شدند؛ اما انویدیا برای اولین بار از عبارت GPU برای اشاره به GeForce 256 استفاده کرد و از این رو انویدیا را می‌توان به عنوان مبدع GPU (یا حداقل مبدع کلمه‌ی GPU!) به حساب آورد.

انویدیا کارت GeForce 256 را همراه با قابلیت‌های جدید بسیاری از جمله پردازش سخت افزاری T&L عرضه کرد. این قابلیت به کارت گرافیک اجازه می‌داد تا محاسباتی که پیش از این پردازش آن معمولاً به CPU سپرده می‌شد را انجام دهد. از آنجایی که موتور T&L در کارت گرافیک برای انجام تنها یک نوع پردازش خاص طراحی شده بود (بر خلاف CPU که برای انجام وظایف مختلف طراحی می‌شود)، توان آن تقریبا ۵ برابر یک پردازنده‌ی پنتیوم III با کلاک ۵۵۰ مگاهرتز (که در آن زمان بالارده محسوب می‌شد) بود.

طراحی جی‌فورس از جهات دیگر نیز با تی‌ان‌تی تفاوت داشت. برای مثال GeForce 256 به جای دو پایپ لاین پیکسل، از چهار پایپ لاین استفاده می‌کرد. هرچند GeForce 256 نمی‌توانست به سرعت کلاک Riva TNT2 دست پیدا کند، اما به دلیل استفاده از پایپ لاین‌های بیشتر، ۵۰ درصد از نسل قبل خود سریع‌تر عمل می‌کرد. این کارت همچنین اولین کارت گرافیک انویدیا به شمار می‌رود که از ۳۲ تا ۶۴ مگابایت DDR SDRAM استفاده می‌کرد. فرآیند ساخت ترانزیستورهای GPU نیز در این کارت به ۲۲۰ نانومتر رسید. سرعت کلاک هسته‌ی GeForce 256 به ۱۲۰ مگاهرتز می‌رسید و سرعت RAM آن بین ۱۵۰ تا ۱۶۶ مگاهرتز متغییر بود.

GeForce 256 در یک زمینه‌ی دیگر نیز «اولین» بود. در این کارت برای اولین بار انویدیا از شتاب دهنده‌ی سخت افزاری برای پخش فایل‌های ویدئویی استفاده کرد؛ هرچند این قابلیت تنها به پخش فایل‌های MPEG-2 محدود می‌شد.

انویدیا نسل بعد از GeForce 256 را GeForce2 نامید. علیرغم عدم تغییر معماری GeForce2 نسبت به نسل قبل، انویدیا توانسته بود با استفاده از فناوری ساخت ۱۸۰ نانومتری، تعداد TMUهای (واحد نگاشت بافت) متصل به هر پایپ لاین را دوبرابر افزایش دهد. انویدیا در کارت‌های GeForce2 از سه نوع هسته‌ی مختلف با نام‌های NV11، NV15 و NV16 استفاده می‌کرد. هر سه‌ی این هسته‌ها معماری مشابهی داشتند، با این تفاوت که NV11 تنها دارای دو پایپ لاین پیکسل بود، در حالی که NV15 و NV16  هر کدام چهار  پایپ لاین پیکسل داشتند. علاوه بر این، NV16 در سرعت کلاک بالاتری کار می‌کرد.

کارت‌های سری GeForce2 همچنین اولین کارت‌های گرافیک انویدیا بودند که از قابلیت اتصال چند مانیتور به صورت همزمان پشتیبانی می‌کردند. GPUهای GeForce2 در دو مدل با حافظه‌ی SDR و DDR عرضه می‌شدند.

در سال ۲۰۰۱، GeForce3 (با نام رمز NV20) به عنوان اولین کارت سازگار با DirectX 8 انویدیا از راه رسید. هسته‌ی این کارت از ۶۰ میلیون ترانزیستور ۱۵۰ نانومتری که با سرعت ۲۵۰ مگاهرتز کار می‌کردند تشکیل شده بود. انویدیا در این کارت‌ها ساب‌سیستم جدیدی برای حافظه‌ی کارت گرافیک با نام Lightspeed Memory Architecture (LMA) معرفی کرد. LMA طراحی شده بود تا زد بافر را کاهش داده و در نتیجه نیاز به پهنای باند بالا را برطرف کند.

به طور کلی GeForce3 عملکرد بهتری از GeForce2 از خود نشان می‌داد، اما به دلیل پیچیدگی فرآیند ساخت GPU، قیمت تمام شده‌ی آن نسبتا بالا بود.

انویدیا در سال ۲۰۰۱ بار دیگر به بازار کنسول‌های خانگی بازگشت و این بار قرار بود در قلب کنسول ایکس باکس مایکروسافت جای بگیرد. مایکروسافت برای ساخت کنسول ایکس باکس (اولین ایکس باکس، ملقب به Original Xbox) از قطعاتی کاملاً مشابه با کامپیوترهای مدرن آن زمان استفاده می‌کرد و در نتیجه GPU کنسول نیز در واقع مدل دستکاری شده‌ای از GeForce3 بود. درست مانند NV20، تراشه‌ی NV2A درون ایکس باکس نیز دارای چهار پایپ لاین پیکسل و دو TMU به ازای هر پایپ لاین بود. انویدیا همچنین وظیفه‌ی طراحی سخت افزار صوتی ایکس باکس با نام MCPX یا SoundStorm را نیز بر عهده داشت.

این مطلب ادامه دارد ...