3dfx Voodoo1の歴史

これは、シリーズ「90年代後半の3Dカード地震対策」の2番目の記事です。 最初の部分では、1996年末のRenditionVérité1000とvQuakeと呼ばれる特別なゲームポートを調べました。 レンディションは、Quakeマーケットのすべての人を打ち負かすことができました。 しばらくの間、ハードウェアアクセラレーションを備えたid Softwareブロックバスターを起動できる唯一のボードでした。

しかし、id SoftwareがGLQuakeと呼ばれるQuakeの新しいバージョンをリリースした1997年1月にすべてが変わりました。 ポートはminiGL（OpenGL 1.1標準のサブセット）を使用して作成されているため、ハードウェアアクセラレータのメーカーはminiGLドライバーを作成し、3Dカードレースに参加できます。 その瞬間から、競争の可能性は誰にでも開かれました。 目標は、できるだけ多くのフレームを毎秒生成することでした。 報酬は、顧客の名声とお金でした。 歴史を手短に研究した結果、当時の2つの当局が山の王である2人の生産者を疑っていたことは間違いありません。

これまでのところ、疑う余地はありません。Quakeの世界はVoodooによって支配されています。 また、Quakeはゲームの世界を支配しているため、ゲーマーにとって3Dfx Voodooの購入はほぼ避けられません。

-トムのハードウェア、1997年11月30日

3DFX Voodoo 1
-他のすべてのカードの測定基準。

-John Carmack .planファイル。 1998年2月12日 ^[2]

50メガピクセル/秒の充填率を示した仕様^[3]を見て、すぐにこのカードを調べて、このような強力な製品を作成するために3dfxが何をしたかを理解したいと思いました。

3dfx Interactive

ロス・スミス、スコット・セラーズ、ゲイリー・タロリは、SGIで一緒に働いたときに会った^[4] 。 Pellucidで少し仕事をした後、PC用のIrisVisionボードを販売しようとしました（1994年には、1枚あたり4000ドルかかりました）。同僚はGordy Campbell TechFarmの支援を受けて自社を設立しました。 カリフォルニア州サンノゼに本社を置く3dfx Interactiveは、1994年に設立されました。

当初、同社はアーケードマシン向けの強力なハードウェアシステムを作成することを意図していましたが、PCボードを開発することで方針を変えました。 これには3つの理由がありました。

1. RAMのかなり低い価格。
2. FastPage RAMから始めて、次にEDO RAMで始めて、RAMの待ち時間は30％減少しました。 これで、メモリは最大50 MHzの周波数で動作します。
3. 3D（または擬似3D）のゲームはますます人気が高まっています。 DOOM、Descent、Wing Commander IIIなどのゲームの成功は、3Dアクセラレータの市場がまもなく出現することを示しています。

会社の創設者は、ゲーム向けに設計された小売価格が300〜400ドルの強力なものを作成する必要があることに気付きました。 1996年、同社はSST1アーキテクチャ（創業者にちなんで名付けられた-Sellers-Smith-Tarolli-1）の作成を発表し、すぐにDiamond、Canopus、Innovision、ColorMAXなどのいくつかのOEMによってライセンスされました。 彼らの創造のために、彼らはその魔法のパフォーマンスを強調するマーケティング名「Voodoo1」を思いつきました。

V1000の場合のように、カードを作成するとき、メーカーは、選択したタイプのRAM（EDOまたはDRAM）、ボードの色、およびチップの物理的な配置のみを変更できました。 他のほとんどすべてが標準化されました。


ダイヤモンドモンスター3D、vgamuseum.infoからの画像。


Canopus Pure3D、vgamuseum.infoからの画像。


BIOSTAR Venus 3D、vgamuseum.infoから撮影した画像。


ORCHID Righteous 3D、vgamuseum.infoからの画像。


SST1ボードを見ると、競合他社であるRendition Verite 1000およびNVidia NV1との違いが際立っていました。

まず、3dfxは2Dレンダリングのサポートを放棄して大胆な一歩を踏み出しました。 Voodoo1には2つのVGAポートがあり、1つは出力として使用され、もう1つは入力として使用されました。 このカードは追加として開発されたもので、コンピューターにすでにインストールされている2次元VGAカードからの出力を入力として受け取りました。 ユーザーがオペレーティングシステム（DOSまたはWindows）で作業すると、Voodoo1は単にVGA入力からVGA出力に信号をリダイレクトしました。 3Dモードに切り替えると、Voodoo1はVGA出力を制御し、VGA入力からの信号を無視しました。 一部のボードには、2Dモードと3Dモードを切り替えるときにクリックする機械的なスイッチがありました。 この決定により、カードはフルスクリーンレンダリングにのみ使用でき、「ウィンドウ」モードはありませんでした。

SST1の2番目の注目すべき側面は、1つのCPUではなく、2つの非プログラマブルASIC（特定用途向け集積回路、特殊用途集積回路）から作成されたことです。 タイヤトラックに沿って歩くと、「TMU」および「FBI」というラベルの付いた各チップに独自のRAMがあることがわかります。 メモリカードでは、4メビバイトのRAMが均等に分割されました：テクスチャを格納するための2メビバイトTMUと、カラーバッファーおよびzバッファーを格納するための2メビバイトFBI、値はそれぞれ16ビットRGBAおよび16ビット整数/ハーフ浮動小数点として格納されました。 4メガバイトのメモリカードは、最大640x480（ダブルバッファリング用に2つのカラーバッファ（640x480x2）+ 1つの深度バッファ（640x480x2）= 1 843 200）をサポートします。 4メババイトのFBI RAMを搭載した後のモデルでは、最大800x600（2x800x600x2 + 800x600x2 = 2,880,000）までの解像度を使用できました。

SST1レンダリングパイプライン

コンベアは仕様書には詳しく説明されていません。 私の解釈によると、三角形の寿命は5つの段階で構成されていました。

1. 三角形が作成され、コンピューターのメインプロセッサ（通常はPentium）で変換されます。 このような操作には、モデル/投影空間のマトリックスによる乗算、切り捨て、頂点の遠近法の分割、同次座標の切断、および視野の変換が含まれます。 このプロセスの最後では、画面スペースの表示されている三角形のみが残ります（クリッピングのため、1つの三角形が2つになることがあります）。
2. triangleCMDコマンドを使用すると、三角形がPCIバスを介してフレームバッファーインターフェイス（FBI）に転送されます。 これらは、テクスチャマッピングユニットによって作成されたラスター文字列クエリに変換されます。 開発者がバイリニアフィルタリングを必要とする場合、ラスターラインの各要素（フラグメントと呼ばれる）に対して、TMUはピクセルごとに最大4つの検索クエリを実行します。 フラグメント化されたパースペクティブ分割もTMUで実行されます。
3. TMUは、フラグメント化された16ビットRGBAカラー値+ 16ビットZ値としてFBIにフラグメントを送信します。
4. FBIはzバッファーでフラグメントテストを実行し、それらをフレームバッファーのRGBA値とz値を保存する専用RAMと比較します。
5. 最後に、照明はその色属性と64要素のフォグテーブルでの検索に基づいてフラグメントに適用されます。 ミキシングが必要な場合、FBIは結果のフラグメントをカラーバッファーに既にあるものと結合します。

興味深い事実：あなたが3Dの愛好家なら、おそらく元のQuake 3コードのおかげで有名になった高速逆平方根コードについて知っているでしょう：

float Q_rsqrt(float number) { long i; float x2, y; const float threehalfs = 1.5f; x2 = number * 0.5f; y = number; i = * (long*) &y; // evil floating point bit level hacking i = 0x5f3759df - ( i >> 1 ); // what the fuck? y = * ( float * ) &i; y = y * ( threehalfs - ( x2 * y * y ) ); // 1st iteration return y; } 

^[5]を探して、ソフトウェアのソースQ_rsqrt RysがGary Tarolliに連絡しました。GaryTarolliは、SGIでの作業中にこのコードを使用したと言いました。 したがって、SST1パイプラインでも使用されたと想定するのは妥当です。

何かが一致しません

コンベアに精通し、各コンポーネント（TMU、FBI、EDO RAM）が50 MHzの周波数で動作することを知っていると、計算に何らかのエラーがあり、カードが50メガピクセル/秒の速度に到達できないことがわかります。 ここで2つの問題を解決する必要がありました。

まず、TMUはバイリニアテクスチャフィルタリングを実行するために4つのテクセルを読み取る必要がありました。 これは、RAMへの4サイクルのアクセスが必要であることを意味し、TMUのデータが不足し、50/4 = 12.5メガピクセル/秒の充填率になります。

FBIレベルには別のボトルネックがあります。 Zバッファ検証が有効になっている場合、書き込みまたは破棄する前に、フラグメントの着信Z値を、Zバッファにすでにあるものと比較する必要があります。 テストが成功した場合、値を記録する必要があります。 これらはRAMを使用した2つの操作であり、フィルレートが半分になりました：50/2 = 25メガピクセル/秒。

4ウェイインターリーブTMU

TMUステージでの4つのサンプル問題の解決策は、SST1仕様に記載されています。

テクスチャメモリのデータパスに完全なインターリーブが実装されているため、他のバンクのデータへのアクセスに使用されるアドレスに関係なく、個々のバンクがデータにアクセスできます。

-仕様SST1

バスがアドレス多重化を使用するか、一般的なデータおよびアドレスバスを使用するかは示しません。 多重化せずに分離せずに描画する方がわかりやすいです。


詳細に関係なく、TMUアーキテクチャはサイクルごとに4 x 16ビットテクセルを受信できました。 入力データが正しい周波数に到達すると、TMUはwによるフラグメント単位の除算を実行し、FBIに送信されたフラグメントのz値（16ビット）とフラグメントの色（16ビット）を生成できます。

双方向インターリーブFBI

FBIステージでの2つのRAMアクセス操作の問題に対する解決策も、仕様には記載されていません。 ただし、ドキュメントでは、サイクルごとに2ピクセルを記録できるため、glClearで達成される100メガピクセル/秒のフィルレートに言及しており、これにより双方向インターレースがここで使用されていることがわかります。


FBIは一度に2ピクセルの読み取りと書き込みを行いました（16ビットカラーと16ビットz = 64ビットで構成される2 x 1ピクセル）。 これを行うために、21ビットアドレスは2つの20ビットアドレスを生成し、2つのピクセルを順番に読み書きするために最下位ビットが破棄されます。 水平線の書き込み/読み取りに必要なラスタラインアルゴリズムは左から右に移動するため、一度に2つの序数ピクセルを読み取ると非常にうまく機能しました。

64ビットバスTMU-> FBI

パズルの最後のピースは、64ビットFBI-TMUバスです。 仕様にはほとんど何も書かれていませんが、その動作はFBIが消費するデータによって理解できます。 FBIは一度に2ピクセルを処理するため、TMUはテクセルをできるだけ早く送信せず、2つを2つの16ビットカラー+ 16ビットZ値として結合すると仮定するのが妥当です。

Voodoo1のプログラミング

最下位レベルでは、Voodoo1プログラミングはメモリマップレジスタを使用して行われました。 APIは驚くほど少数のコマンドで構成され、それらの5つのみがあります：TRIANGLECMD（固定小数点付き）、FTRIANGLECMD（浮動小数点付き）、NOPCMD（no-op）、FASTFILLCMD（バッファークリア）、およびミキシング設定用のデータレジスタの読み込みに関連するSWAPBUFFERCMD Zテスト、フォグカラーのダウンロードなど。 VRAMでのテ​​クスチャのロードは、メモリマッピングを備えた8メビバイトの書き込み専用PCI RAMを介して行われました。

（実際の）Voodoo1プログラミング

開発者は、Glide APIを介してVoodoo1をプログラミングしました^[6] 。 APIデザインロジックはIRIS GL / OpenGLに触発され、すべてにステートマシンとプレフィックスを使用しました（「gl」の代わりに「gr」のみが使用され、プログラマはVulkanで行われているようにVRAMを制御する必要がありました）。

 #include <glide.h> void main( void ) { GrHwConfiguration hwconfig; grGlideInit(void); grSstSelect( 0 ); grSstQueryHardware(&hwconfig); grSstSelect(0); grSstWinOpen(null, GR_RESOLUTION_640x480, GR_REFRESH_60HZ, GR_COLORFORMAT_RGBA, GR_ORIGIN_LOWER_LEFT, 2, 0); grBufferClear(0, 0, 0); GrVertex A, B, C; ... // Init A, B, and C. guColorCombineFunction( GR_COLORCOMBINE_ITRGB ); grDrawTriangle(&A, &B, &C); grBufferSwap( 1 ); grGlideShutdown(); } 

「標準」MiniGL

MiniGLはOpenGL 1.1標準のサブセットでしたが、仕様はリリースされませんでした。 MiniGLは「Quakeが使用する機能のみ」でした。 quake.exeバイナリに対してobjdumpを実行すると、「公式」リストを簡単に作成できます。

  $ objdump -p glquake.exe |  grep "gl"

 glAlphaFunc glDepthMask glLoadIdentity glShadeModel
 glBegin glDepthRange glLoadMatrixf glTexCoord2f
 glBlendFunc glDisable glMatrixMode glTexEnvf
 glClear glDrawBuffer glOrtho glTexImage2D
 glClearColor glEnable glPolygonMode glTexParameterf
 glColor3f glEnd glPopMatrix glTexSubImage2D
 glColor3ubv glFinish glPushMatrix glTranslatef
 glColor4f glFrustum glReadBuffer glVertex2f
 glColor4fv glGetFloatv glReadPixels glVertex3f
 glCullFace glGetString glRotatef glVertex3fv
 glDepthFunc glHint glScalef glViewport 

最近OpenGLの学習を始めたのであれば、glColor3f、glTexCoord2f、glVertex3f、glTranslatef、glBegin、glEndなどの関数名に興味があるはずです。 これらは「即時モード」と呼ばれるモードで使用され、頂点座標、テクスチャ座標、マトリックス操作、および色が一度に1つの関数呼び出しで示されます。

これは、「当時」、グーローの三角形によってテクスチャーとシェーディングが行われた方法です。

 void Render { glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT); glEnable(GL_TEXTURE_2D); glShadeModel(GL_SMOOTH); glBindTexture(GL_TEXTURE_2D, 1); // Assume a texture was loaded in textureId=1 glMatrixMode(GL_PROJECTION); glLoadIdentity(); glOrtho(-1.0, 1.0, -1.0, 1.0, -1.0, 1.0); glMatrixMode(GL_MODELVIEW); glLoadIdentity(); glBegin(GL_TRIANGLES); glColor3f(1.0f, 1.0f, 1.0f); glTexCoord2f(0.0f, 0.0f); glVertex3f(-1.0f,-0.25f,0.0f); glColor3f(0.0f, 0.0f, 0.0f); glTexCoord2f(1.0f, 0.0f); glVertex3f(-0.5f,-0.25f,0.0f); glColor3f(0.5f, 0.5f, 0.5f); glTexCoord2f(0.0f, 1.0f); glVertex3f(-0.75f,0.25f,0.0f); glEnd(); 

GLQuake

50メガピクセル/秒の理論上の最大フィルレートは、640x480の解像度で毎秒ほぼ50フレームを提供することになっています。 ただし、Quakeはサーフェスごとに2つのテクスチャレイヤー（カラー用、ライトマップ用）を組み合わせたため、SST1マップは2回目のパスで追加のブレンドを使用して各フレームを2回描画する必要がありました。 その結果、QuakeはP166Mhzで26 fpsで実行されました。

同じマシンで解像度を512x384に下げることで、スムーズな41 fps ^[7]を達成することができましたが、当時は競合他社からは提供できませんでした。


ソフトウェアレンダリング

GLQUAKE VOODOO1

興味深い事実： SST1は万人向けではありませんでした。 一部の人々はピクセルが好きで、バイリニアフィルタリングが「ぼやけ」ていることに気付きました。 その他は、ガンマ補正の損失に悩まされていました。

Glquakeはがらくたに見えます。 誰かがこれについて議論できると思いますが、認めましょう-特にNVidiaカードではひどく見えます。 3dfxボードでは、すべてがそれほど悪くはありません...しかし、色はまだぼやけています。 TNT2では、写真は嫌です。 彼女は暗すぎて憂鬱です。

-@Frib、非公式GlquakeおよびQWガイド ^[8]

3fdx Voodoo ²

---

1996年から1998年までの市場で3dfxルールが適用されると言った場合、控えめな表現になります。 SST1の後、Voodoo ²テクノロジーは、100 MHz EDO RAM、90 MHzの周波数のASIC、1つだけでなく2つのTMUのおかげで、さらに高い水準を達成しました。 この技術は本当の怪物であり、グラフィックカード自体も豪華に見えました。

Voodoo ^2の充填速度はほぼ2倍になり、90メガピクセル/秒に達しました。 Quakeベンチマークは、Pentium II 266 MMXで見事な80 fps（Voodoo1で56 fpsと比較して）に急上昇し、本質的にゲームロジックとモニター機能の限界に達しました。


Super Voodoo 2 12MB、vgamuseum.infoからの画像。

残念ながら、1999年にVoodoo3がリリースされた後、3dfxは急転しました。 彼女は独自のユニバーサルカードの開発に取り組み始め、競争の激化に直面してOEMテクノロジーの販売を停止しました。

この移行は期待どおりに完了せず、Voodoo3のパフォーマンスは、ハードウェアのテッセレーションと照明を提供できるNVidiaのGeForce 256と比較してがっかりしました（Pentiumはこの部分をパイプラインで行いました）。

NVidiaに対応して、3dfxはVoodoo4の開発をキャンセルし、VSA-100（Voodooスケーラブルアーキテクチャ）テクノロジーを使用してVoodoo5の構築を開始しました。 結果は予想外でした。「Napalm」（カードのコード名）のリリース後、彼女はより強力なNVidia GeForce 2およびATI Radeonカードに遭遇しました。 最後に、2000年3月28日に3dfxは破産を申請し、NVidiaに買収されました。

90年代後半に住んでいてVoodoo1またはVoodoo2をプレイする喜びを持っていた人にとって、3dfxは卓越性を象徴する画期的な会社のままです。 彼女は勇気、傑出した才能、勤勉さによって達成された当然の成功へのsuccess歌になりました。 みんなありがとう！

参照資料

[1]出典： RenditionVérité1000のストーリー

[2]出典： John Carmack .plan。 1998年2月12日

[3]出典： SST-1、3Dゲームアクセラレーション用の高性能グラフィックエンジン

[4]出典： 3dfxオーラルヒストリーパネル

[5]出典： Quake3の高速InvSqrtの起源（）

[6]出典： Glideプログラミングガイド

[7]出典： VoodooおよびVoodoo 2 3Dカードを使用したGLQuakeのフレームレートの比較

[8]出典： Frib、非公式GlquakeおよびQWガイド

[9]出典： VOODOO2 GRAPHICS高性能グラフィックエンジンの3Dゲームアクセラレーション