На протяжении более двух десятилетий игровые консоли опирались на узкоспециализированные чипы с фиксированными функциями. Эта архитектура доминировала с конца 1970-х годов вплоть до 2001 года, когда на рынок вышла оригинальная консоль Xbox, оснащенная графическим процессором архитектуры ПК.
Ограничения ранних графических процессоров
Пользователи ранних консолей, таких как NES, часто сталкивались с техническими артефактами, вызванными спецификой работы оборудования. Например, в Super Mario Bros. при появлении множества персонажей Goomba на одной горизонтальной линии наблюдалось мерцание спрайтов. Это происходило из-за жесткого ограничения графического чипа Ricoh 2C02, который мог обрабатывать не более восьми спрайтов на одну строку сканирования. При превышении этого лимита чип отсекал лишние объекты, чередуя их.
Чип Ricoh 2C02 был лишен возможности исполнять программный код. Его задача сводилась к преобразованию плиточной графики из картриджа и данных из таблиц в памяти в телевизионный сигнал, выстраивая изображение строка за строкой. Общая память системы составляла около 10 КБ: 8 КБ отводилось под формы плиток, а 2 КБ оперативной памяти удерживали карту фона. Спрайты в количестве до 64 штук отслеживались внутренними структурами чипа. Разрешение вывода составляло 256×240 пикселей.
Другие подходы были еще более специфичными: консоль Atari 2600 возлагала обязанности по отрисовке графики на центральный процессор, так как ее интерфейсный адаптер не имел кадрового буфера. Еще раньше, в 1972 году, приставка Magnavox Odyssey не имела ни процессора, ни памяти, формируя изображение с помощью дискретной диодно-транзисторной логики.
Разделение задач в архитектуре PlayStation 2
Анонсированная в марте 1999 года PlayStation 2 использовала сложную систему из двух специализированных процессоров: 128-битного CPU Emotion Engine и графического чипа Graphics Synthesizer. В итоговых версиях консоли они работали на частотах 295 МГц и 147 МГц соответственно. При этом Graphics Synthesizer не занимался геометрическими расчетами — он лишь заполнял уже размещенные в кадре треугольники цветом и текстурами. Вся работа с геометрией ложилась на плечи Emotion Engine и его двух векторных модулей (VU0 и VU1). Инженеры Sony и Toshiba заявляли, что один векторный модуль способен выполнять до 85 миллионов трансформаций в секунду.
Переход на архитектуру персональных компьютеров
Поворотным моментом стало сотрудничество Microsoft и NVIDIA, анонсированное в марте 2000 года. Первый Xbox, выпущенный в ноябре 2001 года, получил процессор Intel Pentium III и кастомный графический чип на базе GeForce 3. Это был первый случай использования GPU, позволявшего разработчикам программировать собственные шейдеры пикселей и вершин.
Однако индустрия переходила на стандартные решения постепенно. Консоли следующего поколения — Xbox 360, PlayStation 3, Wii и Wii U — еще долгое время использовали процессоры на базе архитектуры PowerPC от IBM. Полный переход на унифицированную архитектуру AMD, включающую процессорные ядра и графику Radeon, произошел только в 2013 году с выходом PS4. Современные системы, такие как PS5 и Xbox Series X, используют чипы, где ядра AMD Zen 2 соседствуют с графикой AMD RDNA 2. Отказ от разработки специализированных чипов стал логичным шагом, когда готовые архитектуры GPU стали лучше соответствовать бюджетным и производительным требованиям игровых устройств.
Технические нюансы работы старого железа
Важно понимать, почему ретро-игры выглядят эстетически приятнее на кинескопных телевизорах: все упомянутые системы были спроектированы с учетом особенностей работы ЭЛТ-мониторов. Видеосигнал формировался в строгой синхронизации с лучом телевизора. В случае с NES, чип Ricoh 2C02 работал «на лету»: пока электронный луч проходил по экрану, процессор видеокарты в режиме реального времени определял, какая 8×8 плитка должна находиться в конкретной точке, и сопоставлял её с расположением спрайтов на текущей строке. Именно поэтому центральный процессор консоли не мог безопасно модифицировать изображение в процессе его вывода — любые изменения памяти вне периода обратного хода луча приводили к графическим искажениям.
У Atari 2600 ситуация была еще сложнее: из-за отсутствия кадрового буфера в её Television Interface Adaptor центральному процессору приходилось «на лету» подавать новые значения данных для каждой отрисовываемой строки. Это требовало высочайшей точности программирования, так как любая задержка означала бы сбой в отображении кадра.
Эволюция термина «GPU»
Хотя сегодня мы привыкли называть графические ускорители словом GPU, история этого определения неоднозначна. Интересно, что компания Sony официально использовала термин «GPU» еще в 1994 году для обозначения графического чипа в первой PlayStation, разработанного совместно с Toshiba. Это произошло за пять лет до того, как NVIDIA начала продвигать GeForce 256 в качестве «первого в мире GPU». Однако современное определение графического процессора как устройства, способного исполнять небольшие программы, написанные разработчиками игр, закрепилось лишь с выходом NVIDIA GeForce 3 в начале 2001 года. Именно эта архитектура, внедренная в оригинальный Xbox, позволила впервые в консольном гейминге использовать программируемые вершинные и пиксельные шейдеры.
Формирование стандарта Xbox
Сделка между Microsoft и NVIDIA, заложившая фундамент современного консольного рынка, была подписана в марте 2000 года. Спустя всего пять дней Билл Гейтс официально анонсировал консоль со сцены. Помимо процессора Intel Pentium III и графики на базе GeForce 3, архитектура системы включала 64 МБ оперативной памяти, разделяемой между CPU и GPU, а также встроенный жесткий диск объемом 8 ГБ. Финальный дизайн устройства был продемонстрирован публике на выставке CES 2001, а продажи стартовали в ноябре того же года.
Гибридная эпоха PowerPC
Переход консолей на «рельсы ПК» не был мгновенным. Несмотря на то что графическая часть игровых систем довольно быстро адаптировала технологии индустрии (например, использование чипов ATI в Xbox 360 и NVIDIA в PlayStation 3), центральные процессоры долго сохраняли верность архитектуре PowerPC от IBM.
- Nintendo GameCube (ноябрь 2001) задала этот вектор с процессором IBM PowerPC.
- Xbox 360 в 2005 году перешел на три ядра IBM PowerPC.
- PlayStation 3 использовала сложный процессор Cell, разработанный Sony, Toshiba и IBM на базе того же ядра PowerPC.
- Wii и Wii U продолжили эту традицию, эксплуатируя обновленные версии чипов GameCube.
Полноценная унификация произошла лишь в 2013 году с выходом PlayStation 4, которая перешла на использование восьми процессорных ядер AMD в связке с графикой, заимствованной из архитектуры карт AMD Radeon.
