從固定到可編程

可編程解決的是什么問題呢？主要是靈活性問題。早期的顯卡架構(gòu)以固定功能硬件為核心，將圖形學(xué)中的渲染流程分解為多個(gè)固定階段，并為每個(gè)階段設(shè)計(jì)專門的硬件模塊。這種設(shè)計(jì)雖然高效，卻也限制了開發(fā)者的靈活性，因?yàn)槌绦騿T只能利用顯卡廠商提供的預(yù)設(shè)功能，按部就班地完成渲染任務(wù)，無法實(shí)現(xiàn)更或個(gè)性化的效果。

隨著3D游戲快速發(fā)展，開發(fā)者對更復(fù)雜的光照、陰影、紋理映射等效果產(chǎn)生了需求，之前的完全硬件固化的渲染管線就顯得不夠靈活了。于是，可編程渲染的想法應(yīng)運(yùn)而生，就是讓開發(fā)者直接參與顯卡渲染流程的控制，設(shè)計(jì)個(gè)性化的圖形效果。為了應(yīng)對這種技術(shù)趨勢，英偉達(dá)做出了一個(gè)意義重大的決定：讓顯卡從傳統(tǒng)的固定管線升級為支持可編程著色器的架構(gòu)。這個(gè)決定好比把傳統(tǒng)自動(dòng)咖啡機(jī)升級為一個(gè)開放式的咖啡機(jī)。傳統(tǒng)的咖啡機(jī)只能做固定的預(yù)設(shè)飲品（如拿鐵、美式），而開放式的咖啡機(jī)允許用戶自定義制作咖啡的方式，比如選擇咖啡豆量、控制研磨時(shí)間以及調(diào)整牛奶或水的比例。

可編程著色器也是類似的道理，游戲開發(fā)的程序員能更自由地利用顯卡的強(qiáng)大計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)自己想要的渲染效果。然而，引入可編程的著色器意味著必須犧牲利潤以建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施，而且，不一定有太多游戲開發(fā)者采用。但英偉達(dá)當(dāng)時(shí)的技術(shù)專家戴維·柯克極力勸說黃仁勛必須支持可編程著色器：“要干這個(gè)，短期內(nèi)會(huì)增加一些成本，但隨后，人人都會(huì)渴望擁有它，人人都想追趕我們。”黃仁勛起初對此持懷疑態(tài)度。然而，當(dāng)他開始權(quán)衡不引入著色器的潛在成本時(shí)，他逐漸被說服。

從2001年起，英偉達(dá)開始逐步引入支持可編程著色器的顯卡芯片。這些顯卡允許程序員對頂點(diǎn)著色器、片段著色器（Fragment Shader）和幾何著色器（Geometry Shader）等編寫程序，以控制渲染流程的每個(gè)階段。我把他們發(fā)布的產(chǎn)品年表放在文稿里，感興趣的朋友可以查看。

-2001年，NVIDIA GeForce 3X是第一款支持可編程頂點(diǎn)著色器的芯片。-2003年，NVIDIA發(fā)布GeForce FX，繼續(xù)增加了可編程的像素著色器模塊。此外，頂點(diǎn)著色器增加了分支控制能力，同時(shí)支持靜態(tài)和動(dòng)態(tài)流控制。-2004年，伴隨著NVIDIA GeForce 6X的發(fā)布，頂點(diǎn)著色器和像素著色器都實(shí)現(xiàn)了完全的可編程性。-2006年，NVIDIA發(fā)布了GeForce 8系列，這是首個(gè)支持幾何著色器（Geometry Shader）可編程模塊的顯卡。從1999至2006年的7年間，英偉達(dá)終于把多個(gè)可編程模塊集齊，使得他們的顯卡成為首個(gè)支持多種3D渲染語言的架構(gòu)平臺(tái)。這進(jìn)一步極大地提高了顯卡的靈活性，能設(shè)計(jì)出更加復(fù)雜和個(gè)性化的3D圖形效果。

然而，這種可編程的靈活性不是沒有代價(jià)的。且不說額外的成本，單讓開發(fā)者使用都不是一件容易的事情。為了讓更多人能用上可編程顯卡，英偉達(dá)在2002年推出了專門的3D編程語言——Cg，全稱“C for Graphics”。他們還開發(fā)了一本《Cg教程》，手把手教你怎么用Cg做出各種炫酷的圖形效果。但是，盡管工具和教程都有了，學(xué)習(xí)成本還是太高。圖形開發(fā)本身就涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)原理，再加上要學(xué)新語言，推廣起來很困難。英偉達(dá)在這一時(shí)期的股價(jià)一度低迷。

黃仁勛當(dāng)時(shí)支持把固定管線變成可編程的主要原因，是為了滿足未來游戲開發(fā)者的個(gè)性化需求。但是他還有一個(gè)想法，就是“可編程”這種靈活性，可以讓那些游戲設(shè)計(jì)師之外的人也有機(jī)會(huì)使用英偉達(dá)的顯卡做些計(jì)算，從而為自己的產(chǎn)品找到新的應(yīng)用場景。注意，這是一個(gè)后續(xù)影響很重大的想法。從2001年英偉達(dá)推出GeForce 3系列開始，一些科學(xué)家和工程師就開始琢磨：能不能用這些可編程顯卡來解決我們領(lǐng)域的計(jì)算問題？這就是后來所說的GPU通用計(jì)算（General-Purpose computing on Graphics Processing Units），簡稱 GPGPU。

在2003年，兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了兩篇重要論文，驗(yàn)證了可以用某些方法對顯卡編程，解決矩陣相關(guān)的計(jì)算，并且速度可以比普通CPU要快得多。矩陣計(jì)算是諸多科學(xué)領(lǐng)域中的核心計(jì)算。很多復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型、物理系統(tǒng)，或者處理大量數(shù)據(jù)的算法的底層原理，都可以用矩陣運(yùn)算統(tǒng)一表述。舉個(gè)例子，像流體流動(dòng)、熱傳導(dǎo)或電磁場這樣的復(fù)雜現(xiàn)象，會(huì)被轉(zhuǎn)化成涉及許多變量和方程的數(shù)學(xué)模型，而這些模型通常用矩陣來表示，再通過計(jì)算矩陣來找到問題的解。

為什么顯卡對于矩陣計(jì)算很適合呢？因?yàn)榫仃囍械拿總€(gè)元素計(jì)算通常是獨(dú)立的，可以同時(shí)并行處理。而顯卡本來就是為了處理像素設(shè)計(jì)的，每個(gè)像素的處理也是獨(dú)立的，所以天然適合這種大量并行的任務(wù)。但有個(gè)問題，當(dāng)時(shí)的顯卡完全是為圖形渲染設(shè)計(jì)的，要用來做矩陣計(jì)算得“曲線救國”。你得把矩陣計(jì)算任務(wù)包裝成渲染任務(wù)，最終，GPU輸出的“渲染結(jié)果”實(shí)際上就是你想要知道的矩陣運(yùn)算的結(jié)果。

這就像你想用洗碗機(jī)洗蔬菜。洗碗機(jī)本來是洗碗的，但你可以把蔬菜裝在籃子里或小型篩網(wǎng)里再放進(jìn)去，關(guān)掉洗滌劑，也能達(dá)到清洗的目的。然而，這種曲線救國的方式不僅效率不高，而且對開發(fā)者的要求極高。開發(fā)者不僅需要完全掌握能夠?qū)PU進(jìn)行編程的應(yīng)用程序接口（API，例如OpenGL、DirectX或者英偉達(dá)的那個(gè)Cg語言），而且需要對GPU的底層極為熟悉。那么，如何降低編程的難度，讓普通程序員更好地利用GPU來實(shí)現(xiàn)自己除了圖像渲染以外的任務(wù)，就是一個(gè)很重要的問題。2000年左右，斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)專業(yè)的博士生伊恩·巴克（Ian Buck）也在思考如何將英偉達(dá)的顯卡用到其他領(lǐng)域的計(jì)算中。

他拿到了美國國防部的資金支持，組了個(gè)團(tuán)隊(duì)，在2003年推出了“Brook”。Brook提供了更簡單的編程接口，把復(fù)雜的GPU圖形編程操作包裝成便捷的并行計(jì)算工具。有了Brook，科學(xué)家們可以用更簡單的代碼來做并行計(jì)算，開始嘗試用顯卡做天氣模擬、金融建模、醫(yī)學(xué)成像等各種計(jì)算密集型任務(wù)。

這種新型客戶的涌現(xiàn)，黃仁勛也注意到了。2004年巴克博士畢業(yè)后，黃仁勛立刻邀請巴克加入英偉達(dá)，開始了一個(gè)秘密項(xiàng)目，這就是統(tǒng)一著色器。