GeForce 3: Архитектура nFinite FX и новые возможности рендеринга

Введение

Серия графических процессоров Nvidia GeForce с номером модели 3X0. Серия GeForce 3 (NV20) – третье поколение линейки графических процессоров (GPU) GeForce от Nvidia. Представленная в феврале 2001 года, она усовершенствовала архитектуру GeForce, добавив программируемые пиксельные и вершинные шейдеры, мультисэмплинг антиалиасинга и повысив общую эффективность процесса рендеринга. GeForce 3 была представлена на выставке Macworld Conference & Expo/Tokyo 2001 в Makuhari Messe и использовалась в демонстрациях в реальном времени Junior Lamp от Pixar и Doom 3 от id Software. Позже Apple объявила о получении прав на запуск новой линейки своих компьютеров. Семейство GeForce 3 включает 3 потребительские модели: GeForce 3, GeForce 3 Ti200 и GeForce 3 Ti500. Отдельная профессиональная версия с набором функций, адаптированных для систем автоматизированного проектирования (САПР), продавалась под названием Quadro DCC. На базе GeForce 3 был создан NV2A, который используется в игровой консоли Microsoft Xbox.

Архитектура

GeForce 3 была представлена через три месяца после приобретения Nvidia активов 3dfx. Она позиционировалась как nFinite FX Engine и стала первой 3D-картой, соответствующей стандарту Microsoft Direct3D 8.0. Её программируемая архитектура шейдеров позволила приложениям выполнять собственные программы визуальных эффектов на языке Microsoft Shader 1.1. Считается, что фиксированная функция T&L от GeForce 2 все еще присутствовала на чипе для совместимости с приложениями Direct3D 7.0, поскольку одиночный вершинный шейдер еще не был достаточно производительным для эмуляции этой функциональности. Что касается чистой производительности обработки пикселей и текселей, GeForce 3 имеет четыре пиксельных конвейера, каждый из которых может считывать две текстуры за такт. Это та же конфигурация, что и в GeForce 2, за исключением более медленной линейки GeForce 2 MX. Для более эффективного использования доступной пропускной способности памяти в GeForce 3 реализована подсистема памяти Lightspeed Memory Architecture (LMA). Она состоит из нескольких механизмов, уменьшающих перерисовку, экономящих пропускную способность памяти за счет сжатия буфера глубины (z-буфера) и оптимизирующих взаимодействие с DRAM. Другие архитектурные изменения включают поддержку EMBM (впервые представленной Matrox в 1999 году) и улучшения в функциональности сглаживания. Предыдущие чипы GeForce поддерживали только многократное сглаживание (SSAA) – ресурсоемкий метод, который рендерит изображение во внутреннем буфере с высоким разрешением, а затем уменьшает его до конечного разрешения вывода. GeForce 3 добавляет методы многократной выборки (MSAA) и Quincunx сглаживания, оба из которых значительно эффективнее многократного сглаживания, хотя и с некоторой потерей качества. При использовании MSAA, блоки рендеринга выполняют многократную выборку только буферов глубины и буферов трафарета, а затем используют эту информацию для получения более высокой детализации геометрии, необходимой для определения, перекрывает ли пиксель несколько полигональных объектов. Это позволяет избежать необходимости шейдеру пикселей/фрагментов генерировать несколько фрагментов для пикселей, покрываемых одним и тем же объектом на всех подпикселях. Этот метод неэффективен при работе с текстурами, имеющими переменную прозрачность (например, текстурой, изображающей сетку-рабицу). Quincunx сглаживание – это фильтр размытия, который сдвигает отрендеренное изображение на полпикселя вверх и на полпикселя влево, создавая подпиксели, которые затем усредняются по диагональной схеме, устраняя зубчатость, но также снижая общую детализацию изображения. Наконец, блоки выборки текстур в GeForce 3 были модернизированы для поддержки анизотропной фильтрации с 8 отборами, по сравнению с предыдущим ограничением в 2 отбора в GeForce 2. При включенной анизотропной фильтрации с 8 отборами, удаленные текстуры становятся заметно четче.

The GeForce 3 was introduced three months after Nvidia acquired the assets of 3dfx. It was marketed as the nFinite FX Engine, and was the first Microsoft Direct3D 8.0 compliant 3D card. Its programmable shader architecture enabled applications to execute custom visual effects programs in Microsoft Shader language 1.1. It is believed that the fixed function T&L hardware from GeForce 2 was still included on the chip for use with Direct3D 7.0 applications, as the single vertex shader was not fast enough to emulate it yet. With respect to pure pixel and texel throughput, the GeForce 3 has four pixel pipelines which each can sample two textures per clock. This is the same configuration as GeForce 2, excluding the slower GeForce 2 MX line. To take better advantage of available memory performance, the GeForce 3 has a memory subsystem dubbed Lightspeed Memory Architecture (LMA). This is composed of several mechanisms that reduce overdraw, conserve memory bandwidth by compressing the z buffer (depth buffer) and better manage interaction with the DRAM. Other architectural changes include EMBM support (first introduced by Matrox in 1999) and improvements to anti aliasing functionality. Previous GeForce chips could perform only super sampled anti aliasing (SSAA), a demanding process that renders the image at a large size internally and then scales it down to the end output resolution. GeForce 3 adds multi sampling anti aliasing (MSAA) and Quincunx anti aliasing methods, both of which perform significantly better than super sampling anti aliasing at the expense of quality. With multi sampling, the render output units super sample only the Z buffers and stencil buffers, and using that information get greater geometry detail needed to determine if a pixel covers more than one polygonal object. This saves the pixel/fragment shader from having to render multiple fragments for pixels where the same object covers all of the same sub pixels in a pixel. This method fails with texture maps which have varying transparency (e. g. a texture map that represents a chain link fence). Quincunx anti aliasing is a blur filter that shifts the rendered image a half pixel up and a half pixel left in order to create sub pixels which are then averaged together in a diagonal cross pattern, destroying both jagged edges but also some overall image detail. Finally, the GeForce 3's texture sampling units were upgraded to support 8 tap anisotropic filtering, compared to the previous limit of 2 tap with GeForce 2. With 8 tap anisotropic filtering enabled, distant textures can be noticeably sharper.

Выступление

GPU GeForce 3 (NV20) имеет ту же теоретическую пропускную способность пикселей и текселей на такт, что и GeForce 2 (NV15). GeForce 2 Ultra работает на 25% быстрее, чем оригинальный GeForce 3, и на 43% быстрее, чем Ti200; это означает, что в отдельных случаях, например, в бенчмарках Direct3D 7 T&L, GeForce 2 Ultra, а иногда даже GTS, могут превосходить GeForce 3 и Ti200, поскольку новые графические процессоры используют тот же фиксированный блок T&L, но работают на более низкой тактовой частоте. GeForce 2 Ultra также обладает значительной пропускной способностью памяти, сравнимой только с GeForce 3 Ti500. Однако при сравнении производительности в антиалиасинге GeForce 3 явно превосходит благодаря поддержке MSAA и эффективному управлению пропускной способностью памяти и скоростью заполнения. При сравнении возможностей шейдинга с Radeon 8500, обозреватели отмечали более высокую точность у видеокарты ATi.

Позиционирование продукта

Nvidia обновила линейку в октябре 2001 года с выпуском GeForce 3 Ti200 и Ti500. Это совпало с выпуском ATI Radeon 8500 и Radeon 7500. Ti500 имеет более высокие тактовые частоты ядра и памяти (240 МГц для ядра и 250 МГц для памяти) по сравнению с оригинальным GeForce 3 (200 МГц/230 МГц) и в целом соответствует Radeon 8500 по производительности. Ti200 был самым медленным и доступным вариантом в линейке GeForce3. Он имеет пониженные тактовые частоты (175 МГц/200 МГц), но превосходит Radeon 7500 по скорости и функциональности, за исключением поддержки двух мониторов. Оригинальный GeForce3 выпускался только в конфигурации с 64 МБ памяти, в то время как Ti200 и Ti500 также были доступны в версиях с 128 МБ памяти.

Прекращение поддержки

Nvidia прекратила поддержку драйверов для серии GeForce 3.

Преемник

Серия GeForce 4 (не MX), представленная в апреле 2002 года, являлась обновлением архитектуры GeForce 3. Бюджетная версия, получившая название GeForce 4 MX, по своей конструкции была ближе к GeForce 2.