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  有一段時間,ATI憑藉著Radeon 8500,成了效能領導者。但很快的,NVIDIA推出了GeForce 4 Ti產品線,重新成為效能領導者。原先在一個高階的更新,8500XT (R250)會被推出,用來對抗NVIDIA的高階產品,尤其是最強的Ti 4600。根據預先發布的訊息,8500XT的核心和顯示記憶體的頻率將會是300 MHz。ATI也許記得當年3dfx所發生的事,認為就算Radeon 8500以300 MHz的頻率來執行,都不足以對抗GeForce 4 Ti4600;而且還會拖慢下一代支援DirectX 9.0的產品的研發,令NVIDIA有機可乘。  R3xx晶片是由ATI的西岸團隊設計(前身是ArtX Inc.),而第一個產品就是Radeon 9700 PRO(ATI的內部代號:R300 - ArtX的內部代號:Khan),它於2002年8月推出。R300的架構與前代的產品,即是Radeon 8500 ("R200"),在很多地方存有差別。9700 PRO的核心以150奈米制程製造,與Radeon 8500相似。但是,精煉的架構和較先進的工藝都令晶片的電晶體數量和頻率都得到雙倍提升。其中一個重要的轉變,是利用了反轉晶片針腳柵格陣列技術製造核心。這是一種從未在製造顯示卡時使用過的技術。這個技術可以令核心能以較快的速度冷卻,因為核心直接接觸到散熱器,而核心就能以更高頻率運作。Radeon 9700 PRO的核心頻率是325 MHz,原先計劃設在300 MHz。核心擁有1.1億個電晶體,是當時最大型和最複雜的核心。一個較慢的核心,9700于于數月後釋出。它們的分別只是核心和顯示記憶體的頻率較慢。出人意外地,Radeon 9700 PRO的頻率顯然比Matrox Parhelia 512高。Matrox Parhelia 512比R300早幾個月推出,曾是顯示核心製造工藝的頂峰(八千萬個電晶體,核心頻率是220 MHz)。基於Radeon 9600 SE只支援64bit記憶體頻寬,效能只比GeForce FX 5200稍好。而FX 5500和FX 5700 LE的到來,亦上下夾擊9600 SE。因此ATI在2004年3月31號發表Radeon 9550。核心與Radeon 9600相同,但頻率大幅下降。用以狙擊NVIDIA的GeForce FX 5500。它憑著128bit記憶體頻寬和極佳的超頻效能,使NVIDIA在低端市場陣腳大亂。Radeon 9550的熱潮一直到PCI-E顯示卡的普及才結束。有廠商推出超頻版本,效能與Radeon 9600 XT相榷,成為顯示卡史上最經典的超頻顯示卡之一。亦迫使NVIDIA重新思考低端市場的重要性

  Radeon 9700的先進架構是十分有效率,對比它在2002年時的舊對手而言,效能當然是很強大了。在普遍的情況下,它能比昔日的皇者,GeForce 4 Ti 4600快上15-20%。但是,當執行抗鋸齒(AA)和各異向性過濾(AF)運算時,在所有情況下,它能比Ti 4600快上40-100%。在當時來說,這是頗為震驚的,使到人們廣泛接受AA和AF,使之成為必不可少的功能。  加上先進的架構,硬體評論者推測ATI改變原來的策略。這個動作能夠讓多餘的工程師往驅動程式最佳化研究,以至於9700能夠在剛推出的時候效率良好。  由於R300的效能與畫質的躍增,造就了R300是歷史上繼Voodoo和GeForce 256之後空前成功的產品之一。此外,nVIDIA反擊計劃中的GeForce FX 5800不只推出時間較晚且沒有對等的效能,尤其是使用pixel shading的時候。R300成為歷史上最長壽的顯示晶片,R300推出3年後的新遊戲還能夠提供合理的效能。

  數月之後,9500和9500 PRO推出。9500 PRO的記憶體頻寬只有9700 PRO的一半,而9500的畫素處理單元亦被遮蔽到只有9500 PRO的一半。不過初期很多的9500PRO在共享與9700同樣的PCB時,有機會通過修改電阻、重新整理顯示卡Firmware或軟體修改方式將顯示卡被遮蔽掉的渲染管線開啟,並使用256Bit的視訊記憶體頻寬,成為擁有256BIT頻寬完整的9700或128BIT的9700。但部分管線缺陷的產品常常會在破解後伴有花屏現象或乾脆報廢顯示卡。後期ATI為防止這種現象發生,修改了RADEON 9500/9500PRO的PCB,讓修改變得困難。

  在2004年,ATI推出了Radeon X300和X600顯示卡。它們分別建基於"RV370"和"RV380"顯示核心。它們差不多與Radeon 9550和9600的顯示核心完全相等,唯一的分別在於它們能原生支援PCI Express介面。這些顯示卡都很普遍,Dell和其他的OEM廠商都銷售此顯示卡。當中包含不同的配置、介面:DVI或DMS-59、卡身高度:全高或半身高。
ATI Radeon 9000系列顯示卡,採用Radeon "R300" 架構顯示核心,2002年8月推出,是ATI的第一個支援DirectX 9.0的顯示核心,亦是全球第一個完全支援DirectX 9的繪圖核心。它讓ATI在1999年的GeForce 256以來,在效能上首次勝過NVIDIA。R300和其衍生產品形成了ATI的消費級和專業級產品線的生命週期足有三年那麼久。 它的整合式形號是Xpress 200,與桌面形號最大分別是它使用系統記憶體作為顯示記憶體。