深度剖析NVIDIA-Optimus技術(shù)

眾所周知，在CPU性能足夠、其它配置都屬主流的情況下，顯卡是影響電腦性能的決定性因素。筆記本電腦集成顯卡這幾年來雖然在性能上取得了巨大的突破，已能流暢地解碼部分1080P全高清視頻，并可玩一些低需求的3D游戲，但性能相比獨(dú)立GPU還是有很大的差距。要想在筆記本電腦，特別是超輕薄筆記本電腦上應(yīng)用高性能的獨(dú)立

GPU，在能效和性能方面獲得兩全，必需在功耗和散熱設(shè)計上下更多功夫，這成為一個讓廠商絞盡腦汁的問題。雙手互搏，筆記本電腦雙顯卡技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

筆記本電腦已取代臺式機(jī)成為全球電腦銷售的主流，為更好的滿足不同消費(fèi)者對筆記本電腦的需求，各種更具特色功能的產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。面對輕薄型筆記本電腦孱弱的性能，連輕薄時尚筆記本電腦的領(lǐng)軍人物索尼亦忍耐不住，于2006年推出了采用雙顯卡技術(shù)解決方案的VAIOSZ系列筆記本電腦。

如何兼顧性能和功耗是雙顯卡技術(shù)突破的難點(diǎn)

其原理是利用Intel的筆記本電腦芯片組945GM既集成了顯示核心，又可支持獨(dú)立的AGP/PCI-E接口的特性，讓筆記本電腦能同時擁有Intel945GM北橋芯片內(nèi)置的GMA950顯示核心和獨(dú)立的NVIDIAGeForceGo7400顯卡。這樣用戶便可根據(jù)自身的使用需要，在移動或節(jié)能使用VAIOSZ時，將筆記本電腦上的Stamina(耐力模式=長效電力)/Speed(速度模式=加強(qiáng)繪圖效能)鍵撥至Stamina端，根據(jù)系統(tǒng)彈出提示框進(jìn)入Stamina模式而重新啟動系統(tǒng)，從而讓筆記本電腦使用集成顯卡，并擁有更長的電池使用時間，以保證商務(wù)人士在旅行中也能順利完成工作。而當(dāng)需要影音娛樂、3D游戲，或使用外接電源適配器供電時，則可將Stamina/Speed鍵切換到Speed端，重啟系統(tǒng)后就能獲得更佳的3D性能。

索尼SZ筆記本電腦上的冷切換鍵

雙顯卡在VAIOSZ系列筆記本電腦上的應(yīng)用，開創(chuàng)了筆記本電腦新時代，讓用戶可以在兩個顯卡之間自由切換，同時兼顧游戲性能和電池工作時間。當(dāng)然，該技術(shù)并非十全十美，最大的缺撼是該功能屬于“冷切換”，更換顯卡必須重新啟動系統(tǒng)，比較繁瑣。

熱切換只需鼠標(biāo)一點(diǎn)

進(jìn)入2008年后，在GPU廠商的幫助下，眾多筆記本電腦廠商看到了該功能巨大的商機(jī)，紛紛開始引入毋須重啟系統(tǒng)就能實現(xiàn)切換的“熱切換”雙顯卡技術(shù)。如明基JoybookS42筆記本電腦同時內(nèi)置9600MGT獨(dú)立顯卡(高性能)和GMAX4500集成顯卡(低功耗)，只需通過改變電源管理模式可以做到雙顯卡隨時無縫切換，來適應(yīng)用戶在不同環(huán)境中的應(yīng)用需求，讓用戶可以更方便地按需選擇高性能的獨(dú)立顯卡和長電池續(xù)航時間的集成顯卡。聯(lián)想IdeaPadV350也是這樣的產(chǎn)品，IntelGM45芯片組板載X4500MHD集成顯示核心，并內(nèi)置一塊ATIMobilityRadeonHD3450獨(dú)立顯卡，通過系統(tǒng)選項可以進(jìn)行自由切換—鼠標(biāo)右擊任務(wù)欄電池圖標(biāo)選擇“可切換顯卡”選項，選擇“省電模式”是使用X4500集成顯卡，選擇“提高性能”是使用獨(dú)立顯卡。

要想使用傳統(tǒng)“熱切換”顯卡，必需安裝專用驅(qū)動，切換時必需關(guān)閉當(dāng)前顯卡正在運(yùn)行的程序，花費(fèi)時間5到10秒，以等待切換時屏幕閃爍、黑屏等現(xiàn)象后的正常顯示。

隨著熱切換技術(shù)的不斷成熟，目前類似的雙顯卡熱切換技術(shù)已被索尼、惠普、聯(lián)想、戴爾、明基、宏碁、華碩、蘋果等筆記本廠商廣泛關(guān)注與應(yīng)用，成為市場上注重能效比的筆記本電腦主流解決方案。當(dāng)然，從應(yīng)用角度來看，這樣的熱切換技術(shù)還是不夠便利，因為它不能實現(xiàn)“智能自動切換，無需人工干預(yù)”，也不能實現(xiàn)異構(gòu)SLI以有效提升筆記本電腦性能，以及在選擇獨(dú)立顯卡時仍難以做到能耗和性能兼顧。“智”“勇”雙全，NVIDIAOptimus自由切換技術(shù)

談到雙顯卡技術(shù)就不得不提雙顯卡及多顯卡技術(shù)的另一分支，以NVIDIASLI、HybridSLI技術(shù)及AMD的CrossFire、HybridCrossFireX技術(shù)為代表的技術(shù)。這類技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)是好的，但從實際的市場反應(yīng)來看卻并不成功。SLI和CrossFire技術(shù)可為高端桌面平臺提供更出色的性能解決方案，但曲高和寡。要想將這類技術(shù)現(xiàn)階段用于主流筆記本電腦平臺并不現(xiàn)實。

為此很多用戶都將目光放在了HybridSLI技術(shù)、HybridCrossFireX技術(shù)上。這種混合顯卡技術(shù)如能在筆記本電腦上的應(yīng)用，能讓筆記本電腦可獲得更高的性能。例如由ATIMobilityRadeonHD3470獨(dú)顯和MobilityRadeonHD3200集顯組成的混合交火系統(tǒng)，在3DMark06測試中，HD3200得分為1400分，HD3470得分為1900分，而混合交火后的得分可達(dá)2400分。但從目前的狀況來看，由于混合顯卡只支持入門級獨(dú)立顯卡，并且在筆記本電腦平臺上的功耗控制水平還需進(jìn)一步提升，而高端高性能筆記本電腦平臺從功耗控制設(shè)計考慮又更情愿一步到位采用中高端獨(dú)顯，讓其可應(yīng)用范疇變窄。事實上兩種Hybrid技術(shù)無論是NVIDIA的還是AMD的都很好，關(guān)鍵在于Intel只用自己的GPU，迫使NVIDIA和AMD不得不另尋他路，以避開Intel授權(quán)和限制，單獨(dú)和品牌機(jī)廠商簽署授權(quán)。

Optimus技術(shù)的基本原理圖

于是在CES2010之前，NVIDIA披露了凌駕于HybridSLI之上的筆記本顯卡技術(shù)“Optimus”，讓用戶看到了混合顯卡技術(shù)應(yīng)用的新曙光。按照NVIDIA的說法：“Optimus技術(shù)適用于搭載NVIDIAGPU的筆記本，它對用戶是無縫和透明的。它的目的是優(yōu)化移動體驗，讓用戶獲得筆記本獨(dú)立顯卡的高性能，同時仍保持出色的電池續(xù)航時間。”“考慮到Intel即將正式發(fā)布32nmArrandale移動處理器，而且突破性地自帶了圖形核心，因此Optimus極有可能是NVIDIA對此的一種優(yōu)化技術(shù)，能讓筆記本用戶同時利用處理器集成顯卡和NVIDIA獨(dú)立顯卡，從而維持自己在移動領(lǐng)域的市場地位?！?/p>

Optimus自由切換技術(shù)有何特質(zhì)呢？NVIDIA是這樣描繪它的：Optimus技術(shù)可自動優(yōu)化計算體驗以保持無限延長的工作時間，原理如同混合動力汽車自動將對車體對汽油能源的消耗無縫銜接轉(zhuǎn)化至對電力能源的消耗。它能夠智能地優(yōu)化用戶的筆記本PC，提供用戶所需要的出色圖形性能，其無需手動調(diào)節(jié)設(shè)置即可享受超長電池續(xù)航時間和華麗的視覺體驗；無論是欣賞高清影片、網(wǎng)絡(luò)沖浪或是激戰(zhàn)于3D游戲中，這項技術(shù)都可智能地提供超持久電池續(xù)航時間或出色的性能。

相比仍需手動切換的“熱切換”，采用Optimus技術(shù)的筆記本電腦，可實現(xiàn)雙顯卡的智能化切換，也就是自動切換毋須人工干預(yù)。其原理和英特爾的多核處理器類似，從其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，Optimus技術(shù)將集成顯卡當(dāng)作了一個“顯示器控制器”和“路由器(顯示器驅(qū)動插入器)”，在包含輕負(fù)載的任何狀況下，集顯這個“顯示控制器”或附加在其上的“路由器”都是開啟著的，這讓整個系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)沒有黑屏的無縫轉(zhuǎn)換。

Optimus文本引擎是關(guān)鍵技術(shù)

在進(jìn)行Office、Web等任務(wù)時，獨(dú)立顯卡的GPU將完全關(guān)閉，集成顯卡負(fù)責(zé)處理一切事物，并輸出到顯示器上。當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行大型3D游戲、高清視頻、Flash視頻、支持GPU加速和CUDA的軟件時，Optimus驅(qū)動會查詢自己的軟件檔案列表，一旦發(fā)現(xiàn)是高要求應(yīng)用程序，Optimus的智能路由功能便會立刻啟用NVIDIA獨(dú)顯，讓其負(fù)責(zé)需求較高的圖形渲染工作，并可將渲染工作內(nèi)容通過異步拷貝引擎(異步拷貝引擎可將顯存中的數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)存中，由于其所占帶寬較小，不會影響3D引擎的渲染過程而造成暫時的性能下降)回饋給集顯，由集顯繼續(xù)完成需擔(dān)當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)顯示任務(wù)。在獨(dú)顯運(yùn)行游戲、播放高清以及GPU計算應(yīng)用程序時，集顯并不會關(guān)閉，分工協(xié)作只負(fù)責(zé)2D顯示。并且，通過NVIDIA會提供的NVGPUStateViewer軟件，用戶可在屏幕上直觀的看到目前究竟是獨(dú)顯還是集顯在運(yùn)行。使用Optimus技術(shù)的筆記本電腦，電池續(xù)航時間可比原本的獨(dú)立顯卡本提升一倍。這樣NVIDIAOptimus技術(shù)就能夠智能地優(yōu)化用戶的筆記本電腦，提供用戶所需要的出色圖形性能。由于該功能只在運(yùn)行大型3D程序或全高清影音程序時啟用，使得運(yùn)用該功能的筆記本電腦可獲得較長的電池續(xù)航時間。

第三方廠商的支持與認(rèn)證必不可少

怎樣才能確保Optimus智能切換時不會誤開啟獨(dú)立GPU，而造成功耗劇增續(xù)航時間縮短呢？正常情況下，通過智能識別指定的類，Optimus的路由層可以幫助確定何時使用獨(dú)立顯卡來提高渲染性能。其默認(rèn)使用開啟獨(dú)立GPU的程序包含：

①DXCalls(DX調(diào)用)，任何的3D游戲引擎或DirectX的應(yīng)用程序都將觸發(fā)該功能。

②DXVACalls，當(dāng)在播放支持DXVA功能的視頻時，Optimus會自動啟動獨(dú)立顯卡。這是因為MPEG2格式視頻需要很強(qiáng)大的計算機(jī)處理能力來將其數(shù)據(jù)流解碼成原始的、未壓縮的視頻流。即使是現(xiàn)在的最快的CPU在解碼全尺寸的HDTV時也會出現(xiàn)能力不足，而微軟公司提供了一系列的MPEG2解碼所使用的規(guī)范DXVA(DirectXVideoAcceleation，包含DXVA1.0和DXVA2.0版本，DXVA1.0規(guī)范里定義了MPEG2和WMV硬件解碼能力，DXVA2.0里增加了H.264和VC-1硬件解碼能力)給顯卡芯片得制造商，以更好的讓顯卡進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的解碼運(yùn)算，及各種后期處理運(yùn)算，比如圖像縮放、色彩空間轉(zhuǎn)換、反交錯等的處理。對于CPU及集成GPU較弱的筆記本系統(tǒng)來說，讓獨(dú)立顯卡來完成解碼是最佳選擇，而Optimus正可適應(yīng)這種趨勢。并且，根據(jù)優(yōu)先權(quán)限理解，DXVA這種規(guī)范及相關(guān)解碼器在集成顯卡能完整支持該格式的高清信號播放時，會選擇能勝任這種解碼的集成顯卡完成任務(wù)。而當(dāng)認(rèn)為集顯性能不具備這個能力時(如支持不夠穩(wěn)定或者性能低下、容易導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或錯誤)，Optimus會自動啟用獨(dú)顯完成任務(wù)。

③CUDACalls，當(dāng)系統(tǒng)采用CUDA應(yīng)用程序時將自動觸發(fā)該功能。CUDA是一種由NVIDIA推出的通用并行計算架構(gòu)，該架構(gòu)使GPU能夠解決復(fù)雜的計算問題。它包含了CUDA指令集架構(gòu)(ISA)以及GPU內(nèi)部的并行計算引擎。開發(fā)人員現(xiàn)在可以使用C語言來為CUDA架構(gòu)編寫程序，所編寫出的程序于是就可以在支持CUDA的平臺上以超高性能運(yùn)行。并且，從NVIDIA的專家的談話中，我們可以看出NVIDIA開放的態(tài)度：“NVIDIA將積極支持DirectCompute、OpenCL等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。同時，我們也支持那些允許NVIDIA像推出CUDAC和PhysX一樣及時創(chuàng)新的標(biāo)準(zhǔn)。我們希望卓越的功能能夠盡快進(jìn)入到游戲和計算中。無論是DirectCompute、OpenCL、Bullet，還是PhysX，無所謂，我們都很高興，我們不傾向于任何一種。當(dāng)然，在無標(biāo)準(zhǔn)可循時，我們可以使用PhysX和CUDA?！边@會在一定程度上決定其使用方便性。

可切換顯卡軟件的實施

除此而外，值得關(guān)注的是，Optimus也支持AdobeFlash10.1(特別是高清和高品質(zhì)的內(nèi)容)，全新的Mercury播放引擎已成為Adobe播放器的一個重要組成部分，網(wǎng)頁內(nèi)含這種添加了附加效果及多層或超高清內(nèi)容。在流暢并實時的剪輯體驗程序時，Optimus將自動識別AdobeFlash10.1內(nèi)容，并使用獨(dú)立顯卡，以獲得對應(yīng)的播放效果，而不再把時間浪費(fèi)在等待解碼和輸出進(jìn)度條緩慢蠕動上。

那么，怎樣的配置才支持Optimus技術(shù)呢？據(jù)NVIDIA介紹，處理器方面，Intel最新的酷睿i處理器(酷睿i3/i5/i7)和AtomN4XX系列均可支持，老款Penryn核心GM45/GS45/PM45芯片組的酷睿2處理器也可以使用，Merom核心的處理器則不可以。NVIDIA顯卡方面，GeForce300M、GeForce200M以及下一代翼揚(yáng)皆支持Optimus技術(shù)，由于涉及到硬件，因此其它顯卡無法通過軟件升級實現(xiàn)Optimus自動切換技術(shù)。

軟件方面，用戶筆記本電腦需預(yù)裝Windows7或Vista操作系統(tǒng)，并正確安裝NVIDIA獨(dú)立顯卡驅(qū)動與Intel集顯驅(qū)動。最關(guān)鍵的一點(diǎn)是，Optimus之所以能自動識別系統(tǒng)負(fù)載，在于其內(nèi)置了一個數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫記錄了大量的常用軟件及游戲資料，當(dāng)其中某個軟件啟動時，Optimus無需偵測負(fù)載即可知道該用哪個顯卡。而當(dāng)用戶連接到互聯(lián)網(wǎng)時，這個數(shù)據(jù)庫還可在后臺自動更新。超越平臺，圖形之外的功能成關(guān)鍵所在

2010年1月8日，在美國的拉斯維加斯CES2010大展上，英特爾CEO歐德寧向全世界發(fā)布了一系列處理器產(chǎn)品。其中，用于筆記本電腦的集成圖形芯片技術(shù)的產(chǎn)品—“Arrandale”處理器最為引人注目。該芯片中集成兩個處理器內(nèi)核和一個圖形芯片，實現(xiàn)了把CPU(中央處理器)和GPU(圖形處理器)融合于一體。歐德寧熱情洋溢地表示，這樣的封裝將有助于改善圖形性能并減少功耗，未來將會在筆記本電腦、上網(wǎng)本和智能手機(jī)等設(shè)備中廣泛使用。

Optimus讓用戶獲得“超越圖形之外的功能”

這無疑于是對其它筆記本電腦芯片組、GPU、CPU廠商的新一輪折磨。在全球處理器、芯片組市場上，Intel一枝獨(dú)秀。如何應(yīng)對處理器在集成GPU后，Intel更為龐大的產(chǎn)業(yè)版圖，成為其它廠商需要從技術(shù)上審慎考慮的問題。

憑借CPU集成GPU，Intel信心爆棚。在2008年4月的英特爾信息技術(shù)峰會上，英特爾公司副總裁基辛格曾宣稱獨(dú)立顯卡將在兩三年內(nèi)消失，這被NVIDIA的CEO黃仁勛視為一個笑話，黃認(rèn)為“即使英特爾能夠在2010年將圖形計算能力提高10倍，仍然無法與目前英偉達(dá)的產(chǎn)品相匹敵?！?/p>

而Intel高級副總裁DadiPerlmutter近日在接受采訪時甚至表示：“我認(rèn)為誰的圖形性能更好并不會帶來明顯差別，超越圖形之外的功能才是關(guān)鍵所在?！彼J(rèn)為絕大多數(shù)人根本不需要高性能的顯卡，集顯將成主流，在主流圖形處理器中集成更多功能、延長電池續(xù)航時間才更重要。雖然為數(shù)眾多的DIYer難以認(rèn)同英特爾高管的“強(qiáng)詞奪理”，但也很難對這種說法加以辯駁。

隨著集成GPU處理器的普及，雙顯卡系統(tǒng)將更加普及

而隨著NVIDIA“Optimus”的橫空出世，業(yè)界看到了具備Intel高管終極夢想的兼具圖形(性能)和延長電池續(xù)航時間的解決方案。值得關(guān)注的是，該技術(shù)將不僅用于主流筆記本電腦平臺，還將被應(yīng)用到上網(wǎng)本平臺。在2010年3月，NVIDIA發(fā)布了面向上網(wǎng)本和入門級臺式機(jī)的新一代翼揚(yáng)圖形解決方案，從上一代的集成顯卡芯片組變成了一顆獨(dú)立的GPU。由于不需要再顧及芯片組功能，只需要專心做好GPU工作，新翼揚(yáng)對內(nèi)核進(jìn)行了重新設(shè)計，并使用了40nm工藝制造(第一代翼揚(yáng)為55nm)，支持DirectX10.1，支持最大512MBDDR3獨(dú)立顯存，芯片封裝尺英寸從35mm×35mm下降到23mm×23mm。針對12英寸上網(wǎng)本和桌面系統(tǒng)的型號提供16個流處理器(CUDA核心)，針對10英寸上網(wǎng)本的型號則為8個，8SP已能提供全高清藍(lán)光解碼能力，16SP版本則可輕松支持包括《魔獸世界》、《孢子》等在內(nèi)的主流3D游戲。支持NVIDIA的Optimus顯卡自動切換技術(shù)，由Intel集成顯卡核心負(fù)責(zé)畫面輸出，普通辦公應(yīng)用時翼揚(yáng)將被完全關(guān)閉節(jié)能，進(jìn)行視頻解碼、游戲等圖形應(yīng)用時則自動開啟翼揚(yáng)工作。由于Optimus技術(shù)的加入，續(xù)航時間保持在同一水準(zhǔn)，續(xù)航能力將達(dá)到和Intel集顯平臺同樣的10小時。

此外，由于Optimus所使用獨(dú)立顯示芯片以及內(nèi)建的顯示芯片都是走相同的路徑傳送到顯示器，因此不論是內(nèi)建或是外接顯示芯片處理過的數(shù)據(jù)，經(jīng)過IGP后就通通視為相同的東西，而不會有內(nèi)接外接的差別，所以其對Intel今年主推的WiDi(無線顯示技術(shù))同樣有良好的兼容性。NVIDIA預(yù)計，到今年夏天將有超過50款筆記本應(yīng)用Optimus技術(shù)?？偨Y(jié)：Optimus的未來之路

整體來看，Optimus技術(shù)是一項值得關(guān)注的應(yīng)用前景較廣的創(chuàng)新性技術(shù)，它可完全自動地發(fā)揮作用，無需手動更改設(shè)置值，用戶即可體驗更長的電池續(xù)航時間以及流暢的視覺效果。Optimus能夠在后臺運(yùn)行，對用戶運(yùn)行的程序沒有任何干擾，可無縫地計算出最大限度優(yōu)化筆記本計算體驗的方式。實現(xiàn)性能提升的同時，讓用戶能夠無間斷、無憂地暢享應(yīng)用程序與游戲所帶來的快樂。目前已有多家筆記本電腦廠商宣布推出支持Optimus的筆記本電腦產(chǎn)品，該技術(shù)成為新一代雙顯卡解決方案似乎已成大勢所趨。

Optimus技術(shù)仍有提升空間

超輕薄筆記本電腦及上網(wǎng)本一直是便攜用戶、商務(wù)人士、時尚用戶的首選，通過雙顯卡技術(shù)的應(yīng)用，讓選擇輕薄型筆記本電腦的用戶毋須再