Günümüzün programlanabilir grafik işlemcileri (GPU) sektöre hakim olmadan önce, retro konsollar sabit işlevli özel yongalarla çalışıyordu. NES, Atari, PlayStation ve ilk Xbox ekseninde konsol grafiklerinin teknik evrimi, donanım dünyasının kat ettiği yolu gözler önüne seriyor.
Bugün yüksek performanslı grafik işlemcileri (GPU) oyun dünyasının temel taşı olsa da, konsolların bu teknolojiye kavuşmasından önce grafik işleme süreçleri tamamen farklı bir mantıkla yürütülüyordu. Yirmi yılı aşkın bir süre boyunca oyun konsolları, yalnızca çizim yapabilen ancak kod çalıştıramayan sabit işlevli (fixed-function) özel yongalara güveniyordu. Bu dönem, 2001 yılında piyasaya çıkan ilk Xbox'ın içerisine bir PC GPU'su entegre etmesiyle kökten değişti.
Sabit İşlevli Yongalar ve CRT Ekranların Sınırları
Erken dönem konsollarını deneyimleyenler, donanımsal kısıtlamaların yarattığı ilginç aksaklıkları hatırlayacaktır. Örneğin NES (Nintendo Entertainment System) üzerinde *Super Mario Bros.* oynarken aynı satırda çok fazla Goomba karakteri yan yana geldiğinde bazı karakterlerin yanıp sönmeye başladığı görülürdü. Bu durum, NES'in grafik yongasının tarama çizgisi (scanline) başına sekiz sprite sınırına ulaşmasından kaynaklanıyordu; yonga sekizden sonrasını eleyor ve oyunlar hangisinin gösterileceğini değiştiriyordu.
NES'in grafiklerini oluşturan parça, Ricoh 2C02 Resim İşleme Birimi (PPU) idi. Oldukça temel düzeyde tasarlanan bu yonga, herhangi bir kod çalıştırma yeteneğine sahip değildi. Bunun yerine kartuş üzerindeki karo (tile) çizimlerini ve bellekteki arama tablolarını kullanarak televizyon sinyali üretiyordu. Yaklaşık 10 kB bellek kapasitesiyle çalışan bu sistem, CRT (tüplü) televizyonların elektron demetinin ekranı taramasıyla eş zamanlı olarak pikselleri oluşturuyordu. Bu mimari nedeniyle, merkezi işlem birimi (CPU) ekran çizilirken resmi güvenli bir şekilde değiştiremiyordu. Atari 2600 gibi daha eski makinelerde ise çerçeve arabelleği (frame buffer) bulunmadığından, işlemci her bir tarama çizgisi için çipi doğrudan beslemek zorunda kalıyordu. 1972 tarihli Magnavox Odyssey ise hiçbir işlemciye veya belleğe sahip olmadan, tamamen ayrık diyot-transistör mantığıyla nokta ve çizgiler çiziyordu.
Çoklu İşlemci Dönemi ve Özel Silikon Çözümleri
1990'ların sonuna gelindiğinde üreticiler, yükü birden fazla işlemci arasında bölüştüren karmaşık mimarilere yöneldi. Sony'nin Toshiba ile birlikte geliştirdiği PlayStation 2, bu yaklaşımın en bilinen örneklerinden biriydi. Mart 1999'da tanıtılan sistemde işlemci olarak 128-bitlik Emotion Engine görev yaparken, grafik işlemleri Graphics Synthesizer adlı ayrı bir yongaya aktarılıyordu.
Ancak Graphics Synthesizer tek başına geometri hesaplaması yapmıyordu. Bir üçgen bu yongaya ulaştığında zaten çerçeve içindeki yeri belirlenmiş oluyordu; yonganın tek görevi bunu renk ve dokuyla doldurmaktı. Geometri hesaplamaları ise Emotion Engine içindeki iki vektör biriminde gerçekleştiriliyordu. Sony ve Toshiba mühendisleri, tek bir vektör biriminin saniyede 85 milyon dönüşüm gerçekleştirebildiğini belirtiyordu. İlginç bir şekilde Sony, 1994 yılında piyasaya sürdüğü ilk PlayStation'ın Toshiba tasarımı grafik yongası için "GPU" terimini kullanmıştı; bu tarih, NVIDIA'nın GeForce 256'yı dünyanın ilk GPU'su olarak pazarlamasından beş yıl öncesine dayanıyordu. Yine de günümüzdeki programlanabilir modern GPU tanımı, ilk kez 2001 yılının başlarında GeForce 3 ile sektöre girdi.
İlk Xbox ve Modern GPU Dönüm Noktası
NVIDIA ve Microsoft'un Mart 2000'de imzaladığı anlaşma, konsol dünyasında yeni bir dönemin kapısını araladı. Anlaşmadan beş gün sonra sahneye çıkan Bill Gates, Intel Pentium III sınıfı işlemciye, özel bir NVIDIA grafik işlemcisine, paylaşımlı 64 MB belleğe ve 8 GB sabit sürücüye sahip ilk Xbox konsolunu duyurdu. GeForce 3 mimarisini temel alan bu grafik yongası, geliştiricilerin kendi piksel ve tepe noktası (vertex) gölgelendiricilerini (shaders) programlamasına olanak tanıyan ilk GPU olma özelliğini taşıyıyordu.
Orijinal Xbox ile başlayan bu değişim anında tüm sektöre yayılmadı. Aynı ay piyasaya sürülen Nintendo GameCube, IBM'in PowerPC işlemcisini tercih etti ve sonraki on yıl boyunca ana akım konsollar bu çizgiyi sürdürdü. Xbox 360 üç adet IBM PowerPC çekirdeğine, PlayStation 3 ise Cell mimarisine dayanıyordu. Grafik tarafında ise konsollar halihazırda PC tarzı mimarilere geçiş yapmıştı; Xbox 360 ATI grafik birimini, PS3 ise NVIDIA tabanlı bir sistemi kullanıyordu.
Konsol ve PC Mimarilerinin Birleşmesi
İşlemci ve grafik birimlerinin tamamen tek bir çatı altında birleşmesi 2013 yılında gerçekleşti. PlayStation 4 ile birlikte sistem, sekiz adet AMD işlemci çekirdeği ve AMD Radeon PC kartlarından alınan grafik tasarımlarına evrildi. Günümüzün PlayStation 5 ve Xbox Series X konsolları da benzer bir mühendislik çizgisini takip ederek aynı silikon üzerinde sekiz adet AMD Zen 2 çekirdeğini AMD RDNA 2 grafik mimarisiyle birleştiriyor. Off-the-shelf (hazır) GPU mimarilerinin konsol bütçelerine uygun hale gelmesiyle birlikte, sıfırdan özel grafik yongaları tasarlama devri de kapanmış oldu.
