16nm全新旗艦顯卡 GTX 1080首發(fā)評(píng)測(cè)
Pascal GP104核心架構(gòu)解析
NVIDIA在經(jīng)歷了四年基于28nm FinFET制造工藝的核心架構(gòu)以后，基于Pascal GP104的GeForce GTX 1080首次迎來(lái)了16nm FinFET制造工藝升級(jí)。更高精度的“光刻”工藝允許GPU在單位面積的芯片上集成更多數(shù)量的晶體管，在同樣的核心架構(gòu)中，更加龐大的核心規(guī)模就意味著更強(qiáng)大的處理性能。所以16nm FinFET制造工藝能夠給NVIDIA新顯卡帶來(lái)的能效提升是可以預(yù)見(jiàn)的，但是一直在超越自己的NVIDIA會(huì)滿足于科技進(jìn)步的必然結(jié)果嗎？答案是否定的。革命性的Pascal GP104核心，不但讓GeForce GTX 1080成為了有史以來(lái)性能最強(qiáng)的顯卡，同時(shí)也讓GeForce GTX 1080成為了前無(wú)古人的非常先進(jìn)的顯卡產(chǎn)品之一！
GTX 1080是新一代的顯卡王者
基于16nm FinFET制造工藝的Pascal GP104核心打造GTX 1080，是NVIDIA GeForce GTX 1000系列首款顯卡。拜Pascal核心架構(gòu)所賜，作為一款旗艦級(jí)顯卡產(chǎn)品的GTX 1080，其180W的TDP、單8pin的供電規(guī)模并沒(méi)有成為性能大幅超越上一代旗艦GTX 980的瓶頸，如此高能效的GP104核心架構(gòu)實(shí)在令人刮目相看！
GTX 1080的GP104核心內(nèi)建4組GPC和8個(gè)顯存控制器，每個(gè)GPC包含5個(gè)SM，1個(gè)SM中集成了128個(gè)CUDA單元、8個(gè)紋理單元、256KB的二級(jí)緩存、96KB的共享儲(chǔ)存空間以及48KB的一級(jí)緩存。
SM流式多處理器能夠高度協(xié)調(diào)其中的CUDA核心以及其他功能元件的工作，這20個(gè)SM會(huì)參與到幾乎所有GPU執(zhí)行的所有命令中。GeForce GTX 1080擁有8個(gè)位寬為32bit的顯存控制器，每一個(gè)顯存控制器配有八個(gè)ROP單元和256 KB二級(jí)緩存。所以，完整GTX 1080的GP104核心共有2560個(gè)CUDA單元、256bit顯存位寬、64個(gè)ROP、160個(gè)TMU以及2MB二級(jí)緩存。
GP104的核心晶體管數(shù)量為7.2b，核心面積為314mm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于麥克斯韋家族的GM200，甚至比GM204還要小不少。得益于16nm FinFET工藝的應(yīng)用，每平方毫米的晶體管數(shù)量達(dá)到了22.9m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GM200。這也是GP104能耗比如此高效的主要原因之一。此外，CUDA數(shù)量2560個(gè)，ROPs數(shù)量64個(gè)，TMUs數(shù)量160個(gè)，都介于GTX 980、GTX 980 Ti之間。
NVIDIA將GPU開(kāi)發(fā)工作的重點(diǎn)放在了設(shè)計(jì)Pascal核心架構(gòu)的每一個(gè)細(xì)節(jié)中。Pascal之所有能夠成為有史以來(lái)能效最高的GPU，原因不僅僅是16nm FinFET帶來(lái)的制造工藝精進(jìn)，更得益于持續(xù)提高的核心效率。NVIDIA工程團(tuán)隊(duì)的一大精力投入重點(diǎn)是GPU核心運(yùn)行頻率，橡木桶定律那樣，GPU核心運(yùn)行頻率是由數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的設(shè)計(jì)電路中速度最慢的那一路徑?jīng)Q定的，所以這一最慢路徑的優(yōu)化對(duì)于GPU核心運(yùn)行頻率的提高是至關(guān)重要的。經(jīng)過(guò)NVIDIA工程團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域的不斷鉆研，GeForce GTX 1080的核心運(yùn)行頻率要比GTX 980高出40%之多！單靠16nm FinFET的制造工藝，是不能夠帶來(lái)如此高比例的核心頻率提升的。
GDDR5X顯存解析
相較于NVIDIA之前的顯卡，顯存由GDDR5升級(jí)為GDDR5X會(huì)帶來(lái)顯存帶寬的巨大提升。得益于256bit顯存位寬、10Gbps顯存頻率規(guī)格的GDDR5顯存，GeForce GTX 1080的顯存帶寬要比GTX 980多出了43%，再加上顯存壓縮架構(gòu)的改進(jìn)，GeForce GTX 1080可使用的有效顯存帶寬是GTX 980的1.7倍！
經(jīng)過(guò)NVIDIA顯存工程師多年的潛心研究，使得GDDR5X顯存的運(yùn)行頻率能夠達(dá)到10Gbps，再加上GDDR5X IO電路的優(yōu)化以及新的制造工藝，讓GDDR5X顯存在同樣的能源消耗下獲得43%的頻率提升成為可能。
GPU芯片和顯存芯片之間的通路也是提高顯存帶寬實(shí)際效率的重要因素。同樣的，二者之間的信息交換速度也是由信號(hào)最弱的那條通路所決定，NVIDIA顯存工程師將各個(gè)通路都進(jìn)行了細(xì)致的調(diào)校，盡可能地排除信號(hào)的串?dāng)_情況和不連續(xù)性，以降低通路信號(hào)的損耗。
總而言之，NVIDIA在顯存方面的工作成果，不僅是讓GDDR5X顯存獲得了10Gbps的運(yùn)行速度，而且還從設(shè)計(jì)上改善了GPU和顯存芯片之間的信號(hào)通路。
NVIDIA GeForce GTX 1080的顯存子系統(tǒng)使用無(wú)損壓縮存儲(chǔ)技術(shù)，可以減少DRAM的帶寬需求，該技術(shù)可以帶來(lái)如下幾點(diǎn)好處：
1.減少了寫(xiě)入到顯存中的數(shù)據(jù)量
2.減少了由顯存轉(zhuǎn)入至二級(jí)緩存的數(shù)據(jù)量，換言之就是增加了二級(jí)緩存的容量
3.減少了GPU中各個(gè)元件之間的數(shù)據(jù)傳輸量
GPU中的壓縮管道有許多不同的壓縮算法，GPU可以從中擇優(yōu)作為數(shù)據(jù)壓縮的途徑。這些算法中最重要的就是增量顏色壓縮。GPU利用增量顏色壓縮算法，計(jì)算一個(gè)范圍里像素之間的差異，然后給這些像素加上基準(zhǔn)δ值并存儲(chǔ)下來(lái)。如果這種算法成功的話，這些數(shù)據(jù)將以2:1的比例存儲(chǔ)下來(lái)。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)壓縮后，GeForce GTX1080所處理的每一幀畫(huà)面需要提取的數(shù)據(jù)量就會(huì)顯著減少。這樣相當(dāng)于提供了20%的額外顯存帶寬，再結(jié)合上GeForce GTX1080的10 Gbps頻率的GDDR5X顯存，最終使得GTX1080的有效顯存帶寬成為GeForce GTX980的1.7倍。
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