顯示卡知識詳解:視訊記憶體型別

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  顯示卡知識詳解:視訊記憶體型別
  視訊記憶體是顯示卡上的關鍵核心部件之一，它的優劣和容量大小，會直接關係到顯示卡的最終效能表現。可以說顯示晶片決定了顯示卡所能提供的功能和其基本效能，而顯示卡效能的發揮，則在很大程度上取決於視訊記憶體。無論顯示晶片的效能如何出眾，最終其效能都要通過配套的視訊記憶體來發揮。
  視訊記憶體，也被叫做幀快取。它的作用，是用來儲存顯示卡晶片處理過或者即將提取的渲染資料。如同計算機的記憶體一樣，視訊記憶體是用來儲存要處理的圖形資訊的部件。我們在顯示屏上看到的畫面，是由一個個的畫素點構成的，而每個畫素點都以 4 至 32 甚至 64 位的資料來控制它的亮度和色彩，這些資料必須通過視訊記憶體來儲存，再交由顯示晶片和 CPU 調配，最後把運算結果轉化為圖形輸出到顯示器上。
  顯示卡的工作原理是：在顯示卡開始工作（圖形渲染建模）前，通常是把所需要的材質和紋理資料傳送到視訊記憶體裡面。開始工作時（進行建模渲染），這些資料通過 AGP 匯流排進行傳輸，顯示晶片將通過 AGP 匯流排提取儲存在視訊記憶體裡面的資料。除了建模渲染資料外，還有大量的頂點資料和工作指令流需要進行交換，這些資料通過 RAMDAC 轉換為模擬訊號，輸出到顯示端，最終就是我們看見的影象。
  顯示晶片效能的日益提高，其資料處理能力越來越強，使得視訊記憶體資料傳輸量和傳輸率也要求越來越高，顯示卡對視訊記憶體的要求也更高。對於現在的顯示卡來說，視訊記憶體是承擔大量的三維運算所需的多邊形頂點資料以及作為海量三維函數的運算的主要載體，這時視訊記憶體交換量的大小、速度的快慢，對於顯示卡核心的效能發揮，都是至關重要的。而如何有效地提高視訊記憶體的效能，也就成了提高整個顯示卡效能的關鍵。作為顯示卡的重要組成部分，視訊記憶體一直隨著顯示晶片的發展而逐步改變著。從早期的 EDORAM、MDRAM、 SDRAM、SGRAM、VRAM、WRAM 等，到今天廣泛採用的 DDR SDRAM 視訊記憶體，經歷了很多代的進步。
  目前，市場中所採用的視訊記憶體型別，主要有 SDRAM、DDR SDRAM、DDR SGRAM 三種。
  SDRAM 顆粒，目前主要應用在低端顯示卡上，頻率一般不超過 200MHz，在價格和效能上，它比 DDR 都沒有什麼優勢，因此逐漸被 DDR 取代。
  DDR SDRAM 是市場中的主流，一方面，是工藝的成熟，批次的生產，導致成本下跌，使得它的價格便宜；另一方面，它能提供較高的工作頻率，帶來優異的資料處理效能。
  至於 DDR SGRAM，它是顯示卡廠商特別針對繪圖者需求，為了加強圖形的存取處理以及繪圖控制效率，從同步動態隨機存取記憶體（SDRAM ）所改良而得的產品。SGRAM 允許以方塊（Blocks）為單位，個別修改或者存取記憶體中的資料，它能夠與中央處理器（CPU）同步工作，可以減少記憶體讀取次數，增加繪圖控制器的效率。儘管它穩定性不錯，而且效能表現也很好，但是它的超頻效能很差勁。
  1) FPM 視訊記憶體
  FPM DRAM（Fast Page Mode RAM），快速頁面模式記憶體。是一種在 486 時期被普遍應用的記憶體（也曾應用為視訊記憶體）。72 線、5V 電壓、頻寬 32bit、基本速度 60ns 以上。它的讀取週期是從 DRAM 陣列中某一行的觸發開始，然後移至記憶體地址所指位置，即包含所需要的資料。第一條資訊必須被證實有效後存至系統，才能為下一個週期作好準備。這樣就引入了「等待狀態」，因為 CPU 必須傻傻的等待記憶體完成一個週期。FPM 之所以被廣泛應用，一個重要原因，就是它是種標準而且安全的產品，而且很便宜。但其效能上的缺陷，導致其不久就被 EDO DRAM 所取代，此種視訊記憶體的顯示卡，現在已不存在了。
  2) EDO 視訊記憶體
  EDO（Extended Data Out）DRAM。與 FPM 相比，EDO DRAM 的速度要快 5%，這是因為 EDO 內設定了一個邏輯電路，藉此 EDO 可以在上一個記憶體資料讀取結束前，將下一個資料讀入記憶體。設計為系統記憶體的 EDO DRAM 原本是非常昂貴的，只是因為 PC 市場急需一種替代 FPM DRAM的產品，所以被廣泛應用在第五代 PC 上。EDO 視訊記憶體可以工作在 75MHz 或更高，但是其標準工作頻率為 66MHz，不過其速度還是無法滿足顯示晶片的需要，也早成為「古董級」產品。
  3) SGRAM 視訊記憶體
  SGRAM 是 Synchronous Graphics DRAM 的縮寫，意思是同步圖形 RAM。是一種專為顯示卡設計的視訊記憶體，也是一種圖形讀寫能力較強的視訊記憶體，由 SDRAM 改良而成。它改進了過去低效能視訊記憶體傳輸率較低的缺點，為顯示卡效能的提高創造了條件。SGRAM 讀寫資料時，不是一一讀取，而是以「塊（Block）」為單位，從而減少了記憶體整體讀寫的次數，提高了圖形控制器的效率。但其設計製造成本較高，更多的是應用於當時較為高階的顯示卡。目前，此類視訊記憶體也已基本不被廠商採用，被 DDR 視訊記憶體所取代。
  4) SDRAM 視訊記憶體
  SDRAM 即 Synchronous DRAM（同步動態隨機記憶體）。曾經是 PC 電腦上最為廣泛應用的一種記憶體型別，即便在今天，SDRAM 仍舊還在市場佔有一席之地。既然是「同步動態隨機記憶體」，那就代表著它的工作速度是與系統匯流排速度同步的。SDRAM 記憶體又分為 PC66、PC100、PC133等不同規格，而規格後面的數位，就代表著該記憶體最大所能正常工作系統匯流排速度，比如 PC100，那就說明此記憶體可以在系統匯流排為 100MHz 的電腦中同步工作。
  與系統匯流排速度同步，也就是與系統時鐘同步，這樣就避免了不必要的等待週期，減少資料儲存時間。同步還使儲存控制器知道在哪一個時鐘脈衝期由資料請求使用，因此資料可在脈衝上升期便開始傳輸。SDRAM 採用 3.3 伏工作電壓，168Pin 的 DIMM 介面，頻寬為 64 位。SDRAM 不僅應用在記憶體上，在視訊記憶體上也較為常見。
  SDRAM 可以與 CPU 同步工作，無等待週期，減少資料傳輸延遲。優點：價格低廉，曾在中低端顯示卡上得到了廣泛的應用。SDRAM 在 DDRSDRAM 成為主流之後，就風光不再。目前，則只能在最低端的產品或舊貨市場，才能看到此類視訊記憶體的產品了。
  5) DDR 視訊記憶體
  DDR 視訊記憶體分為兩種：一種是大家習慣上的 DDR 記憶體，嚴格的說，DDR 應該叫 DDR SDRAM。另外一種，則是 DDR SGRAM，此類視訊記憶體應用較少、不多見。
  6) DDR SDRAM
  人們習慣稱 DDR SDRAM 為 DDR。DDR SDRAM 是 Double Data Rate SDRAM 的縮寫，是雙倍速率同步動態隨機記憶體的意思。DDR SDRAM是在 SDRAM 基礎上發展而來的，仍然沿用 SDRAM 生產體系，因此對於記憶體廠商而言，只需對製造普通 SDRAM 的裝置稍加改進，即可實現 DDR記憶體的生產，可有效的降低成本。
  SDRAM 在一個時鐘週期內只傳輸一次資料，它是在時鐘的上升期進行資料傳輸；而 DDR 記憶體則是一個時鐘週期內傳輸兩次次資料，它能夠在時鐘的上升期和下降期各傳輸一次資料，因此，稱為雙倍速率同步動態隨機記憶體。DDR 記憶體可以在與 SDRAM 相同的匯流排頻率下，達到更高的資料傳輸率。
  與 SDRAM 相比：DDR 運用了更先進的同步電路，使指定地址、資料的輸送和輸出主要步驟既獨立執行，又保持與 CPU 完全同步；DDR 使用了 DLL（Delay Locked Loop，延時鎖定迴路提供一個資料濾波訊號）技術，當資料有效時，儲存控制器可使用這個資料濾波訊號來精確定位資料，每 16 次輸出一次，並重新同步來自不同記憶體模組的資料。DDL 本質上不需要提高時脈頻率，就能加倍提高 SDRAM 的速度，它允許在時鐘脈衝的上升沿和下降沿讀出資料，因而其速度是標準 SDRA 的兩倍。DDR SDRAM 是目前應用最為廣泛的視訊記憶體型別，90% 以上的顯示卡都採用此類視訊記憶體。
  7) DDR SGRAM
  DDR SGRAM 是從 SGRAM 發展而來，同樣也是在一個時鐘週期內傳輸兩次次資料，它能夠在時鐘的上升期和下降期各傳輸一次資料。可以在不增加頻率的情況下，把資料傳輸率提高一倍。DDR SGRAM 在效能上要強於 DDR SDRAM，但其仍舊在成本上要高於 DDR SDRAM，只在較少的產品上得到應用。而且其超頻能力較弱，因其結構問題，超頻容易損壞。
  8) DDR2 視訊記憶體
  DDR2 視訊記憶體可以看作是 DDR 視訊記憶體的一種升級和擴充套件，DDR2 視訊記憶體把 DDR 視訊記憶體的「2bit Prefetch（2 位預取）」技術升級為「4bitPrefetch（4 位預取）」機制，在相同的核心頻率下，其有效頻率比 DDR 視訊記憶體整整提高了一倍，在相同視訊記憶體位寬的情況下，把視訊記憶體頻寬也整整提高了一倍，這對顯示卡的效能提升是非常有益的。從技術上講，DDR2 視訊記憶體的 DRAM 核心可並行存取，在每次存取中處理 4 個資料而非 DDR 視訊記憶體的2 個資料，這樣，DDR2 視訊記憶體便實現了在每個時鐘週期處理 4bit 資料，比傳統 DDR 視訊記憶體處理的 2bit 資料提高了一倍。相比 DDR 視訊記憶體，DDR2視訊記憶體的另一個改進之處在於，它採用 144Pin 球形針腳的 FBGA 封裝方式，替代了傳統的 TSOP 方式，工作電壓也由 2.5V 降為 1.8V。
  由於 DDR2 視訊記憶體提供了更高頻率，效能相應得以提升，但也帶來了高發熱量的弊端。加之結構限制，無法採用廉價的 TSOP 封裝，不得不採用成本更高的 BGA 封裝（DDR2 的初期產能不足，成本問題更甚）。發熱量高、價格昂貴成為採用 DDR2 視訊記憶體顯示卡的通病，如率先採用 DDR2 視訊記憶體的 GeForce FX 5800/5800Ultra 系列顯示卡，就是比較失敗的產品。基於以上原因，DDR2 並未在主流顯示卡上廣泛應用。
  9) DDR3 視訊記憶體
  DDR3 視訊記憶體，可以看作是 DDR2 的改進版，二者有很多相同之處。例如，採用 1.8V 標準電壓、主要採用 144Pin 球形針腳的 FBGA 封裝方式。不過 DDR3 核心有所改進：DDR3 視訊記憶體採用 0.11 微米生產工藝，耗電量較 DDR2 明顯降低。此外，DDR3 視訊記憶體採用了「Pseudo Open Drain」介面技術，只要電壓合適，顯示晶片可直接支援 DDR3 視訊記憶體。當然，視訊記憶體顆粒較長的延遲時間（CAS latency）一直是高頻率視訊記憶體的一大通病，DDR3 也不例外。DDR3 的 CAS latency 為 5/6/7/8，相比 DDR2 為 3/4/5。客觀地說，DDR3 相對於 DDR2 在技術上並無突飛猛進的進步，但 DDR3 的效能優勢仍比較明顯：
  （1）功耗和發熱量較小：吸取了 DDR2 的教訓，在控制成本的基礎上，減小了能耗和發熱量，使得 DDR3 更易於被使用者和廠家接受。
  （2）工作頻率更高：由於能耗降低，DDR3 可實現更高的工作頻率，在一定程度彌補了延遲時間較長的缺點，同時還可作為顯示卡的賣點之一，這在搭配 DDR3 視訊記憶體的顯示卡上已有所表現。
  （3）降低顯示卡整體成本：DDR2 視訊記憶體顆粒規格多為 4M X 32bit，搭配中、高階顯示卡常用的 128MB 視訊記憶體便需 8 顆。而 DDR3 視訊記憶體規格多為 8M X 32bit，單顆顆粒容量較大，4 顆即可構成 128MB 視訊記憶體。如此一來，顯示卡 PCB 面積可減小，成本得以有效控制，此外，顆粒數減少後，視訊記憶體功耗也能進一步降低。
  （4）通用性好：相對於 DDR 變更到 DDR2，DDR3 對 DDR2 的相容性更好。由於針腳、封裝等關鍵特性不變，搭配 DDR2 的顯示核心和公版設計的顯示卡，稍加修改便能採用 DDR3 視訊記憶體，這對廠商降低成本大有好處。
  目前，DDR3 視訊記憶體在新出的大多數中、高階顯示卡上，得到了廣泛的應用。
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