Тайна 3dfx Voodoo: изучаем архитектуру GPU из 90-х «по винтикам»

Недавно мне подарили настоящую легенду — STB 3dfx Voodoo 3 с двумя TMU, 16'ю мегабайтами видеопамяти и 2D-ускорителем. Как настоящий гик и любитель покопаться в ретро-железе, я сразу же нашел даташит и начал изучать внутреннюю архитектуру этого игрового монстра. И поверьте, здесь есть на что посмотреть!

В сегодняшней статье мы во всех деталях изучим архитектуру оригинальной 3dfx Voodoo, узнаем почему Nvidia выиграла в гонке видеокарт и почему игры с API Glide выглядели гораздо красивее, чем с D3D/OpenGL! Если любите настоящие технарские статьи без нейрослопа и рерайта — жду вас под катом!

❯ Предыстория

Думаю многие мои читатели знают, что 3dfx стала одним из пионеров 3D-графики на ПК для геймеров. Их видеокарты не отличались поддержкой «шейдеров‭», как Rendition Verite, долгое время толком не поддерживали OpenGL, а первые модели для работы требовали отдельную 2D-видеокарту. Однако их успех был обусловлен двумя главными факторами: масштабируемость и производительность.

Первая 3dfx Voodoo появилась в 1996 году и несмотря на высокую цену в ~300$, почти сразу стала хитом. Во первых, из конкурентов у Voodoo был разве что NVidia NV1, Rendition Verite и PowerVR Midas. NV1 сразу провалился из-за использования растеризатором квадов вместо привычных разработчикам треугольников, PowerVR был достойным конкурентом, но его TBDR-растеризатор сильно терял филлрейт и подтормаживал при отрисовке полупрозрачных поверхностей типа заборов и решеток (чего в играх всегда хватало), и только Verite был реальным конкурентом. Однако Verite не поддерживал ни OpenGL, ни D3D (который тогда был в зачаточном состоянии) и требовал освоения весьма сложного графического API — SSpeedy3D.

Дело в том, что в те годы каждый производитель видеокарт предлагал своё графическое API для взаимодействия с видеокартой. У S3 это был Metal, у ATi — CIF, а у 3dfx — Glide. И в отличии от других API, Glide был максимально близок к стандартному и простому OpenGL, только с изначальным упором на игры. В те годы, разработчики игр были вынуждены адаптировать свой движок для каждой видеокарты отдельно и благодаря своей простоте и продуманности, Glide стал неким стандартом — любой уважающий себя движок вплоть до 2000-го года обязательно поддерживал видеокарты 3dfx.

Однако в 1997 году, у 3dfx уже появились серьезные конкуренты в лице ATi и Nvidia. 3dfx Voodoo мало того что сама стоила ~200-250$, так ещё и для работы требовала дополнительную внешнюю 2D-видеокарту, которая стоила еще баксов 50. За ~150$, Nvidia предлагала новенькую Riva 128 с 4МБ видеопамяти, встроенным 2D-ускорителем, а также аппаратным декодером DVD-видео. ATi Rage Pro стоила примерно столько-же, по тестам была чуток медленнее, чем Nvidia, но также предлагала ноутбучные версии с поддержкой LVDS. Так что ноутбуки с чипами ATi с натяжкой можно было назвать игровыми.

3dfx решила проблему необходимости 2D-видеокарты весьма интересным костылем: компания выпустила Voodoo Rush — связку из 2D-видеочипа от Alliance Semiconductor и обычной Voodoo 1. Ирония была в том, что на видеокарты ставили как 2D-чипы AT25, так и 3D-чипы AT3D — и получалось что в системе было аж два видеочипа с поддержкой 3D-ускорения (и AT3D был не так уж и плох).

Ещё через год, в 1998 году, 3dfx выпустила Voodoo 2, которая стала ещё круче за счёт масштабируемости. Во первых, к GPU стало возможным подключить второй текстурный юнит, благодаря чему стало возможным наносить сразу две текстуры за один проход. А во вторых, теперь можно было объединить сразу две видеокарты с помощью технологии SLI, благодаря чему общая производительность теоретически увеличивалась в два раза. Причём SLI был реализован просто и гениально: первая видеокарта рисовала четные сканлайны, вторая — нечетные, и всё это делалось асинхронно, благодаря чему увеличивался общий филлрейт.

Однако Voodoo 2 всё ещё требовала внешнюю 2D-видеокарту и на момент 1998 года это было уже ни в какие ворота. S3 Savage, ATi Rage 128, NVidia Riva TNT, Matrox G200, Trident 3DImage, Rendition Verite V2200, Intel i740, SiS 6326 — абсолютно все эти видеокарты имели в себе приличный 2D-ускоритель. Причем Riva TNT также поддерживала мультитекстурирование, вплотную подбиралась к Voodoo 2 в бенчмарках и, в отличии от видеокарты от 3dfx, поддерживала рендеринг в 24х-битном формате. Это был главный конкурент Voodoo 2, который местами его заметно превосходил.

В 1999 году появилась 3dfx Voodoo 3, в которой наконец-то появилось 2D-ядро, а благодаря переходу на более продвинутый техпроцесс удалось засунуть сам GPU и два текстурных юнита в один чип. Кроме того, инженерам 3dfx удалось повысить частоту работы видеоядра с 90МГц до 130+. Наконец, благодаря интеграции всех компонентов в один кристалл, стало возможным сделать бюджетную видеокарту — Velocity 100, которая представляла из себя Voodoo 3 с уменьшенным объёмом видеопамяти с 16МБ до 8, а также одним отключенным текстурным юнитом (который включается обратно твиком в реестре :)). Эта версия стоила ~80$ и стала первой доступной Voodoo «для всех‭».

Но... было уже поздно. 3dfx Voodoo 3 была популярной за счёт остаточной славы и поддержки играми Glide, но с точки зрения функционала, видеокарты от Nvidia и ATi их давно уже уделывали вчистую. В 1999 году, у Nvidia в GeForce 256 уже появился T&L, кубмапы (возможность реализации полноценных отражений), бамп-маппинг и некоторые другие продвинутые техники. Voodoo 4, вышедшая в 2000 году перед банкротством компании, не смогла спасти ситуацию — она хоть и поддерживала 24х-битный цвет, но отсутствие T&L сильно било по производительности в играх с заметно возросшей полигональностью. По итогу, 3dfx обанкротилась и была выкуплена мелким зеленым стартапом — Nvidia :)

❯ Аппаратная архитектура

Как я уже говорил ранее, видеокарты 3dfx не имели каких-то архитектурных особенностей типа возможности загрузки микрокода в GPU или тайлового рендеринга. На практике это были простейшие Fixed-Function сканлайн-растеризаторы, где внешний вид каждого треугольника задавался набором регистров, и кроме отрисовки примитивов GPU больше ничего не умел. Почти во всех остальных картах того периода архитектура была точно такой-же и функционально Voodoo не так сильно отличался от условного S3 ViRGE или Intel i740, просто инженерам 3dfx удалось выжать максимальную производительность.

Однако на аппаратном уровне, видеокарты 3dfx заметно отличались от современников за счет того, что состояли как минимум из трех чипов:

1. TMU — тот самый текстурный юнит, о котором я говорил в вводной части статьи. В его задачи входит сэмплинг текстур, при этом он занимается не просто выборкой пикселей из видеопамяти, но и мип-маппингом, фильтрацией, а также перспективной коррекцией. В Voodoo 2 на одной видеокарте может быть сразу 3 TMU — что позволяет рисовать геометрию аж с 3-мя текстурами одновременно за один проход. Чисто технически, TMU тоже является полноценным растеризатором, так что его можно считать «мини-GPU‭».

   Если игра рисует примитив с мультитекстурированием (например стенку с наложенной текстурой кирпича и пыли) — рендеринг работает параллельно: сначала первый TMU нарисует стенку с кирпичом, затем второй нарисует с пылью — в конце FBI смешает их и получится пыльная кирпичная стена! Без мультитекстурирования, игре пришлось бы сначала нарисовать кирпичную стенку, затем включить дорогой альфа-блендинг в режиме умножения ((SRCCOLOR * DESTCOLOR) + (DESTCOLOR * 0)) и нарисовать эту же стенку с текстурой пыли ещё раз.

   Кроме того, TMU умел в проективные текстуры и всякие трюки с UV-координатами, благодаря чему можно было реализовать проективные попиксельные тени в реальном времени, металлические поверхности за счёт сферических карт отражений (помните отражающиеся машинки в NFS HP?) и некоторые другие фишки.

2. FBI — сам GPU, выполняющий роль растеризатора и управляющий текстурными юнитами, а также линейным доступом к видеопамяти. Даже у FBI образца 1996 года был весьма богатый функционал: и освещение по Гуро, и попиксельный туман, и дизеринг, и Z-буфер/стенсил-буфер, и даже полноэкранное сглаживание! В общем, было всё необходимое для игр, разве что линии с антиальясингом не поддерживались.

   Но были и минусы — FBI первых версий не поддерживал float'ы и оперировал исключительно целыми числами и fixed-point арифметикой, а ещё у него не было понятия Clip-Space — всё рисовалось исключительно в абсолютных экранных координатах. Но об этом чуть позже.

3. RAMDAC — чип, выводивший фреймбуфер из видеопамяти на экран. Работало это весьма забавно: когда пользователь использует 2D-окружение — RAMDAC в 3dfx Voodoo отключается и VGA-сигнал с 2D-видеокарты коммутируется напрямую на VGA-разъём в Voodoo. Когда пользователь запускает 3D-игру (а в первых 3dfx Voodoo 3D-режим был эксклюзивным) — FBI переключал линии на свой RAMDAC. Получается что в ПК работало сразу два RAMDAC'а одновременно :)

Не менее интересной была и организация памяти. Дело в том, что все 4/8/16 мегабайт видеопамяти были отдельно поделены между TMU и FBI. Каждому TMU отдельно отводилось по 2-16 мегабайт VRAM, которые использовались только для хранения текстурных данных. У FBI была своя память объёмом в 2-4МБ, которая использовалась для фреймбуфера, Z-буфера и Stencil-буфера. От объёма VRAM для TMU зависело сколько текстур и какого разрешения можно загрузить на текущем уровне в игре, а от объёма памяти для FBI зависело максимальное разрешение изображения и возможность использования техник типа Stencil-зеркал или теней.

Главной проблемой 3dfx Voodoo был примитивный конвейер, который по большей части ложился на процессор. Для отрисовки каждого треугольника, процессору приходилось:

1. Посчитать степень освещенности каждого треугольника по алгоритму Гуро и Фонгу. То есть как минимум N ⋅ L.

2. Перемножить каждую вершину модели на матрицу модели-вида-проекции, чтобы получить позицию треугольника в пространстве экрана — так называемом Clip-Space. Каждую координату нужно было вручную поделить на W-компоненту вершины.

3. Затем ему нужно было произвести так называемый процесс клиппинга — разбиения наполовину-видимых треугольников, которые пересекают ближнюю плоскость отсечения (или «нос‭» игрока, если говорить простыми словами). Самый простой пример — это оружие в Quake: если клиппинг не делать, то задняя (невидимая нам) часть пушки просто инвертирует свои координаты и будет отображаться «перевернутой‭» уходя вдаль, хотя она должна просто скрыться из виду. Это самый тяжелый алгоритм, поскольку требует поиска точки пересечения треугольника с границей экрана и разбиения его на два новых.

4. Далее ему нужно было преобразовать Clip-Space координаты с плавающей точкой в абсолютные координаты ((((x * 0.5) + 0.5) * width) + (width / 2)). 3dfx Voodoo 2 наконец-то научился в floating-point координаты в Clip-Space, но для совместимости всё равно лучше было использовать «старый‭» подход.

5. И только затем пинать его в видеокарту, вручную записывая параметры каждого треугольника в регистры FBI по одному. Помните glBegin/glEnd? Вот это как раз оттуда :)

Для сравнения, в GeForce 256 ни один из этих этапов вообще не нужен был. Геометрию можно загрузить в специальную область в видеопамяти и отправить команду на отрисовку, после чего видеокарта сама всё сделает. Именно поэтому 3dfx Voodoo хорошо себя показывал в старых играх, где сцены были 4000-10000 треугольников, но вот когда игры пошли 30-40 тысяч полигонов... тут уже нагрузка на процессор была слишком высокой.

Интересно и то, что в 3dfx Voodoo 2 уже были зачатки 2D-движка в виде аппаратного блиттера, причем с возможностью блиттить как из оперативной памяти ПК, так и видеопамяти, но API для него в Glide я не нашел. Судя по всему, 3dfx просто не успела доделать полноценный VGA-совместимый контроллер в 1998 году, оставив в видеочипе только блиттер.

На самом низком уровне, управление 3dfx Voodoo происходило в основном с помощью замаппленых в память регистров. Драйвер искал PCI-устройство, выделял ему Base Address Register и затем конфигурировал FBI относительно текущего видеорежима. Когда игра хотела нарисовать следующий треугольник, драйвер записывал параметры вершин в соответствующие регистры FBI и TMU (да, регистры, связанные с вершинами у них дублировались) и отправлял команду TRIANGLECMD.

Да, всё было настолько просто. Как я уже говорил, так было не только у 3dfx, но и у S3 (о ViRGE я писал отдельную статью), Intel, SiS, ATi и Nvidia до GeForce 256. Отличался только Rendition Verite, но о нём мы с вами поговорим как-нибудь в другой раз.

❯ Программная архитектура

С точки зрения софта, у 3dfx Voodoo тоже всё было не так однозначно. Конечно основным графическим API был Glide, однако в 1997-1998 году стандартизацию и влияние OpenGL и Direct3D отрицать было глупо. Всё больше и больше игр использовали D3D, поддержку которого 3dfx поспешно добавила в 1997 году. Тут важно отметить то, что в те годы каждая версия Direct3D очень сильно друг от друга отличалась. Direct3D 5 оперировал командными буферами на манер современных видеокарт (Microsoft глядели в воду!), Direct3D7 уже был больше похож на OpenGL/D3D9, и обратной совместимости, как в случае с D3D11/D3D10/D3D9 у них не было — 3dfx приходилось писать новый драйвер под новые версии DirectX.

С OpenGL тоже было всё не так гладко, поскольку в 1996 году его перспективы в играх всё ещё были туманны из-за ориентира на профессиональные рабочие станции. В конце-концов, кому в играх нужен был рендеринг на сервере? Однако игра поколения, Quake, использовала именно это графическое API и 3dfx пришлось сделать небольшой костыль вместо полноценного драйвера — MiniGL.

MiniGL работал поверх нативного графического API (т.е Glide) и предоставлял игре минимально-необходимый для работы набор функций — то есть рисование треугольников/квадов, работу с текстурами, матрицы и... ну, по сути все. Другие игры также могли использовать MiniGL, но у них не было доступа ни к функциям работы с туманом, ни к освещению в реальном времени, ни к мультитекстурированию, ни к Stencil-буферу. Немного позже другие производители видеокарт тоже начали реализовывать свои драйверы MiniGL и это стало своеобразным MiniAPI внутри Quake.

Полноценный нативный ICD-драйвер для OpenGL вышел только в 1998 году в виде бета-версии... и по сравнению с MiniGL, он был нереально тормозным и глючным! Часть функционала была забагованной, производительность была не ахти и даже в Quake на ICD видеокарта показывала себя хуже, чем с MiniGL. Но в целом, 3dfx за это винить не стоит — в те годы нормальные драйвера для OpenGL были только у Nvidia, S3 и Intel (иронично). Даже у ATi с OpenGL всё было очень плохо...

Поэтому главным секретом успеха 3dfx стало API Glide. Как я и говорил ранее, оно как две капли воды было похоже на упрощенный OpenGL, но отличалось отсутствием математической библиотеки, клиппера геометрии (да, программист был вынужден писать его сам, в отличии от D3D и GL) и... аллокатора текстур! Да, вы все правильно поняли — предполагалось что именно программист будет вручную управлять видеопамятью каждого текстурного юнита и ручками писать логику выделения/освобождения памяти.

С игровой точки зрения, Glide был функционально богаче D3D и OpenGL, и обгонял их на несколько лет вперед. Уже в 1998 году, в Glide была поддержка мультитекстурирования и комбайнеров, хромакея вместо альфа-теста (который требовал дополнительный цветовой компонент и занимал драгоценную видеопамять) и прямого доступа к фреймбуферу. Зато не поддерживались текстуры с разрешением выше 256x256 и соотношением сторон, отличающимся от 1:1 и 2:1...

В остальном, Glide был практически прямым интерфейсом к видеокарте, благодаря чему работал быстро. Но к 2000 году, Glide окончательно устарел концептуально, вместе с архитектурой оригинального 3dfx Voodoo, из-за чего компания и разорилась. ATi и Nvidia оказались шустрее...

❯ Заключение

Вот такой была 3dfx: сначала компания влетела на рынок игровых видеокарт с двух ног, успела стать стандартом ПК-гейминга, но всего через 3 года её архитектура устарела настолько быстро, что в 2000 году её поглотил какой-то там стартап с зеленым логотипом... Увы и ах, остается только надеяться, что инженеры 3dfx приложили руку к таким легендарным видеокартам, как GeForce 3 и GeForce 4! Хотя кто знает, может кто-то из них сейчас разрабатывает RTX 6xxx? :)

Ну а я надеюсь, что вам было интересно. Подписывайтесь на блог, чтобы не пропускать новые статьи каждую неделю! А если вам интересна тематика ремонта, моддинга и программирования для гаджетов прошлых лет — подписывайтесь на мой Telegram-канал ‭«Клуб фанатов балдежа ^[6]‭», куда я выкладываю бэкстейджи статей, ссылки на новые статьи и видео, а также иногда выкладываю полезные посты и щитпостю. А ролики (не всегда дублирующие статьи) можно найти на моём YouTube канале ^[7].

А если вы хотите что-нибудь подарить из железа и увидеть о нём статью — пишите мне в Telegram ^[8]. Меня очень интересуют самые разные гаджеты: начиная от игровых консолей и любых связанных с геймингом устройств, телефонов, смартфонов, КПК, заканчивая ретро-компьютерами и ноутбуками. Кто знает, может героем следующей подобной статьи окажется ноутбук из 90-х? :)

После обзоров устройства не продаются, а остаются в моей коллекции. Когда-нибудь я хочу сделать музей, где к каждому устройству можно будет приложить QR и почитать мою статью. Кто знает, вдруг на следующей неделе я также подробно расскажу про девайс из вашей юности? :)

Кстати, у меня есть GameBoy Advance SP, под который я очень хочу написать игру. Однако мой экземпляр был залит водой и кофе. Может у кого-то есть донор с дохлой платой, откуда я смог бы взять контроллер питания? У меня AGS-101.