深度剖析NVIDIA Optimus技术

“智”“勇”双全，NVIDIA Optimus自由切换技术

谈到双显卡技术就不得不提双显卡及多显卡技术的另一分支，以NVIDIA SLI、Hybrid SLI技术及AMD的CrossFire、Hybrid CrossFireX技术为代表的技术。这类技术的出发点是好的，但从实际的市场反应来看却并不成功。SLI和CrossFire技术可为高端桌面平台提供更出色的性能解决方案，但曲高和寡。要想将这类技术现阶段用于主流笔记本电脑平台并不现实。

为此很多用户都将目光放在了Hybrid SLI技术、Hybrid CrossFireX技术上。这种混合显卡技术如能在笔记本电脑上的应用，能让笔记本电脑可获得更高的性能。例如由ATI Mobility Radeon HD 3470独显和Mobility Radeon HD 3200集显组成的混合交火系统，在3DMark 06测试中，HD3200得分为1400分，HD3470得分为1900分，而混合交火后的得分可达2400分。但从目前的状况来看，由于混合显卡只支持入门级独立显卡，并且在笔记本电脑平台上的功耗控制水平还需进一步提升，而高端高性能笔记本电脑平台从功耗控制设计考虑又更情愿一步到位采用中高端独显，让其可应用范畴变窄。事实上两种Hybrid技术无论是NVIDIA的还是AMD的都很好，关键在于Intel只用自己的GPU，迫使NVIDIA和AMD不得不另寻他路，以避开Intel授权和限制，单独和品牌机厂商签署授权。

Optimus技术的基本原理图

于是在CES 2010之前，NVIDIA披露了凌驾于Hybrid SLI之上的笔记本显卡技术“Optimus”，让用户看到了混合显卡技术应用的新曙光。按照NVIDIA的说法：“Optimus技术适用于搭载NVIDIA GPU的笔记本，它对用户是无缝和透明的。它的目的是优化移动体验，让用户获得笔记本独立显卡的高性能，同时仍保持出色的电池续航时间。”“考虑到Intel即将正式发布32nm Arrandale移动处理器，而且突破性地自带了图形核心，因此Optimus极有可能是NVIDIA对此的一种优化技术，能让笔记本用户同时利用处理器集成显卡和NVIDIA独立显卡，从而维持自己在移动领域的市场地位。”

Optimus自由切换技术有何特质呢？NVIDIA是这样描绘它的：Optimus技术可自动优化计算体验以保持无限延长的工作时间，原理如同混合动力汽车自动将对车体对汽油能源的消耗无缝衔接转化至对电力能源的消耗。它能够智能地优化用户的笔记本PC，提供用户所需要的出色图形性能，其无需手动调节设置即可享受超长电池续航时间和华丽的视觉体验；无论是欣赏高清影片、网络冲浪或是激战于3D游戏中，这项技术都可智能地提供超持久电池续航时间或出色的性能。

相比仍需手动切换的“热切换”，采用Optimus技术的笔记本电脑，可实现双显卡的智能化切换，也就是自动切换毋须人工干预。其原理和英特尔的多核处理器类似，从其拓扑结构分析，Optimus技术将集成显卡当作了一个“显示器控制器”和“路由器(显示器驱动插入器)”，在包含轻负载的任何状况下，集显这个“显示控制器”或附加在其上的“路由器”都是开启着的，这让整个系统能够实现没有黑屏的无缝转换。

Optimus文本引擎是关键技术

在进行Office、Web等任务时，独立显卡的GPU将完全关闭，集成显卡负责处理一切事物，并输出到显示器上。当系统开始运行大型3D游戏、高清视频、Flash视频、支持GPU加速和CUDA的软件时，Optimus驱动会查询自己的软件档案列表，一旦发现是高要求应用程序，Optimus的智能路由功能便会立刻启用NVIDIA独显，让其负责需求较高的图形渲染工作，并可将渲染工作内容通过异步拷贝引擎(异步拷贝引擎可将显存中的数据复制到内存中，由于其所占带宽较小，不会影响3D引擎的渲染过程而造成暂时的性能下降)回馈给集显，由集显继续完成需担当的常规显示任务。在独显运行游戏、播放高清以及GPU计算应用程序时，集显并不会关闭，分工协作只负责2D显示。并且，通过NVIDIA会提供的NVGPU State Viewer软件，用户可在屏幕上直观的看到目前究竟是独显还是集显在运行。使用Optimus技术的笔记本电脑，电池续航时间可比原本的独立显卡本提升一倍。这样NVIDIA Optimus技术就能够智能地优化用户的笔记本电脑，提供用户所需要的出色图形性能。由于该功能只在运行大型3D程序或全高清影音程序时启用，使得运用该功能的笔记本电脑可获得较长的电池续航时间。

第三方厂商的支持与认证必不可少

怎样才能确保Optimus智能切换时不会误开启独立GPU，而造成功耗剧增续航时间缩短呢？正常情况下，通过智能识别指定的类，Optimus的路由层可以帮助确定何时使用独立显卡来提高渲染性能。其默认使用开启独立GPU的程序包含：

①DX Calls(DX调用)，任何的3D游戏引擎或DirectX的应用程序都将触发该功能。

②DXVA Calls，当在播放支持DXVA功能的视频时，Optimus会自动启动独立显卡。这是因为MPEG2格式视频需要很强大的计算机处理能力来将其数据流解码成原始的、未压缩的视频流。即使是现在的快的CPU在解码全尺寸的HDTV时也会出现能力不足，而微软公司提供了一系列的MPEG2解码所使用的规范DXVA(DirectX Video Acceleation，包含DXVA 1.0和DXVA 2.0版本，DXVA 1.0规范里定义了MPEG2和WMV硬件解码能力，DXVA 2.0里增加了H.264和VC-1硬件解码能力)给显卡芯片得制造商，以更好的让显卡进行视频数据的解码运算，及各种后期处理运算，比如图像缩放、色彩空间转换、反交错等的处理。对于CPU及集成GPU较弱的笔记本系统来说，让独立显卡来完成解码是佳选择，而Optimus正可适应这种趋势。并且，根据优先权限理解，DXVA这种规范及相关解码器在集成显卡能完整支持该格式的高清信号播放时，会选择能胜任这种解码的集成显卡完成任务。而当认为集显性能不具备这个能力时(如支持不够稳定或者性能低下、容易导致系统崩溃或错误)，Optimus会自动启用独显完成任务。

③CUDA Calls，当系统采用CUDA应用程序时将自动触发该功能。CUDA是一种由NVIDIA推出的通用并行计算架构，该架构使GPU能够解决复杂的计算问题。它包含了CUDA指令集架构(ISA)以及GPU内部的并行计算引擎。开发人员现在可以使用C语言来为CUDA架构编写程序，所编写出的程序于是就可以在支持CUDA的平台上以超高性能运行。并且，从NVIDIA的专家的谈话中，我们可以看出NVIDIA开放的态度：“NVIDIA将积极支持Direct Compute、Open CL等行业标准。同时，我们也支持那些允许NVIDIA像推出CUDA C和PhysX一样及时创新的标准。我们希望卓越的功能能够尽快进入到游戏和计算中。无论是Direct Compute、OpenCL、Bullet，还是PhysX，无所谓，我们都很高兴，我们不倾向于任何一种。当然，在无标准可循时，我们可以使用PhysX和CUDA。”这会在一定程度上决定其使用方便性。

可切换显卡软件的实施

除此而外，值得关注的是，Optimus也支持Adobe Flash 10.1(特别是高清和高品质的内容)，全新的Mercury播放引擎已成为Adobe播放器的一个重要组成部分，网页内含这种添加了附加效果及多层或超高清内容。在流畅并实时的剪辑体验程序时，Optimus将自动识别Adobe Flash 10.1内容，并使用独立显卡，以获得对应的播放效果，而不再把时间浪费在等待解码和输出进度条缓慢蠕动上。

那么，怎样的配置才支持Optimus技术呢？据NVIDIA介绍，处理器方面，Intel新的酷睿i处理器(酷睿i3/i5/i7)和Atom N4XX系列均可支持，老款Penryn核心GM45/GS45/PM45芯片组的酷睿2处理器也可以使用，Merom核心的处理器则不可以。NVIDIA显卡方面，GeForce 300M、GeForce 200M以及下一代翼扬皆支持Optimus技术，由于涉及到硬件，因此其它显卡无法通过软件升级实现Optimus自动切换技术。

软件方面，用户笔记本电脑需预装Windows 7或Vista操作系统，并正确安装NVIDIA独立显卡驱动与Intel集显驱动。关键的一点是，Optimus之所以能自动识别系统负载，在于其内置了一个数据库，该数据库记录了大量的常用软件及游戏资料，当其中某个软件启动时，Optimus无需侦测负载即可知道该用哪个显卡。而当用户连接到互联网时，这个数据库还可在后台自动更新。