在 Xbox 问世之前，图形芯片仅具备绘制功能，而无法进行计算。
固定功能芯片时代：从 NES 到 PS2
长达二十多年的时间里，游戏主机的图形渲染主要依赖定制的固定功能芯片，这一局面直到 2001 年才被打破。早期玩家在使用 NES 等主机时，常会遇到一些因硬件限制产生的视觉怪癖。例如，在《超级马里奥兄弟》中，当同一扫描线上出现过多的 Goombas 时，部分角色会出现闪烁现象。这是因为 NES 的图形芯片每扫描线最多只能处理 8 个精灵（Sprites），超出数量后，系统会交替选择显示哪些精灵。
NES 的核心图形组件是 Ricoh 2C02 图像处理单元。这是一款基础芯片，不具备运行代码的能力。它的工作方式是从卡带读取图像资源，结合内存中的查找表，将其转化为电视信号输出。这种由 CPU 驱动专用图像生成器的架构，主导了从 20 世纪 70 年代末至 2000 年代初的游戏机图形处理方式。
Ricoh 2C02 拥有约 10KB 的内部内存，用于记录多达 64 个精灵的位置、形状和方向信息。其最终输出分辨率为 256x240 像素，由 8x8 像素块构成。由于 CRT 电视的电子束逐行扫描屏幕，2C02 需要实时计算每个像素点应显示的 8x8 块，并与该行的精灵数据进行交叉引用以决定最终显示内容。这种机制意味着 CPU 无法在绘制过程中安全地修改图像数据。
相比之下，早期的 Atari 2600 让 CPU 直接参与图形处理。由于其电视接口适配器没有缓冲器，处理器必须为电子束绘制的每一条扫描线实时输入新数值。而在更早的 1972 年，Magnavox Odyssey 甚至没有处理器或内存。这些机器均围绕 CRT 技术设计，这也是复古游戏在旧式 CRT 电视上视觉效果更佳的原因。
进入 3D 时代初期，索尼 PlayStation 2 采用了定制分担负载的策略。1999 年 3 月，索尼展示了 PS2 的核心芯片组。其中，中央处理器为与东芝联合设计的 128 位“情感引擎”（Emotion Engine），而图形任务则交由名为“图形合成器”（Graphics Synthesizer）的独立芯片处理。在实际发售的主机中，两者分别运行在约 295MHz 和 147MHz。
值得注意的是，图形合成器并不执行几何运算，仅负责颜色和纹理填充。几何变换工作主要由两个向量单元承担：CPU 可向 VU0 分配特殊任务，而 VU1 则专门负责将 3D 模型转换为屏幕上的三角形。据索尼和东芝工程师介绍，单个向量单元每秒可处理 8500 万次变换。尽管各主机架构不同，但许多早期 3D 主机都采用多芯片共享图形负载的设计。
有趣的是，索尼早在 1994 年就使用“GPU”一词来描述 PlayStation 中由东芝设计的图形芯片，这比 NVIDIA 推出被视为全球首款 GPU 的 GeForce 256 早了五年。然而，现代意义上能够运行开发者编写的小型着色器程序的 GPU，直到 2001 年初随 GeForce 3 的出现才正式确立。
Xbox 与可编程图形时代的开启
2001 年 11 月，微软发布的首代 Xbox 呈现出与传统主机截然不同的面貌。它基于 Intel Pentium III 处理器构建，并搭载了 NVIDIA 为其定制的基于 GeForce 3 技术的图形芯片。这是第一款允许开发人员编程自定义像素着色器和顶点着色器的 GPU 主机。
2000 年 3 月，NVIDIA 与微软签署合作协议；五天后，比尔·盖茨登台宣布了这款主机。Xbox 配置包括 Intel Pentium III 级处理器、定制 NVIDIA 图形处理器、64MB 共享内存以及 8GB 硬盘。该产品于 2001 年 CES 上正式发布，并于同年 11 月开始销售。
然而，游戏主机并未立即全面转向 PC 式硬件架构。任天堂 GameCube 在同一个月推出了搭载 IBM PowerPC 处理器的主机。在接下来的十年间，PowerPC 架构成为主流：Xbox 360 在 2005 年放弃 Intel 方案，转而采用 IBM 的三个 PowerPC 核心；PS3 的 Cell 芯片则由索尼、东芝和 IBM 围绕 PowerPC 核心共同构建；Wii 和 Wii U 也沿用了 GameCube IBM 芯片的更新版本。
虽然 Xbox 360 使用了 ATI 芯片，PS3 使用了 NVIDIA 芯片，但其 CPU 仍保持非 x86 架构。这一格局在 2013 年被打破，PS4 转向了八个 AMD 处理器内核以及源自 AMD Radeon PC 显卡的图形设计。如今的 PS5 和 Xbox Series X 均在同一颗芯片上集成了 8 个 AMD Zen 2 CPU 核心和 AMD RDNA 2 图形架构。随着通用 PC 架构的全面普及，从头开始为游戏机单独设计图形芯片已不再具有经济意义。
