轉(zhuǎn)碼/解密/挖礦！顯卡計(jì)算能力大對(duì)比
泡泡網(wǎng)顯卡頻道8月27日 現(xiàn)在的顯卡市場(chǎng)，同質(zhì)化已經(jīng)嚴(yán)重到了什么地步呢？不僅僅是板卡廠商之間的顯卡性能基本沒區(qū)別，而且同價(jià)位的N卡和A卡在不同游戲中的表現(xiàn)也是難分勝負(fù)，讓游戲玩家們難以抉擇。
于是NVIDIA和AMD的競(jìng)爭(zhēng)開始逐漸淡化游戲，而強(qiáng)調(diào)功能和應(yīng)用，三屏、3D、PhysX、視頻等開始大行其道。不過這些功能都難以量化，隨著CUDA和Stream的飛速發(fā)展催生了OpenCL和DirectCompute通用計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，使得NVIDIA和AMD在另一條道路上展開了新的競(jìng)賽——并行計(jì)算。
近年來GPU已經(jīng)在科學(xué)研究和超級(jí)計(jì)算領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，隨著數(shù)百萬支持CUDA的GPU已經(jīng)遍布全球計(jì)算機(jī)，軟件開發(fā)人員、科學(xué)人士和研究人員正在利用CUDA探測(cè)到更多更廣的領(lǐng)域中，包括圖像和視頻編輯、計(jì)算生物學(xué)和計(jì)算化學(xué)、流體力學(xué)模擬、CT圖像重組、地震分析、光線追蹤以及其它更多。近年來超級(jí)計(jì)算機(jī)的突飛猛進(jìn)很大程度上也是得益于強(qiáng)大的GPU加盟。
對(duì)顯卡感興趣的朋友都知道，通用計(jì)算之所以如此熱門，根本原因在于顯卡核心GPU的多流處理器（相當(dāng)于數(shù)百核心）架構(gòu)：GPU強(qiáng)大的并行浮點(diǎn)運(yùn)算能力是僅僅擁有個(gè)位數(shù)核心的中央處理器CPU無法望其項(xiàng)背的。而通用計(jì)算技術(shù)可以發(fā)揮GPU的長(zhǎng)處，讓其電腦運(yùn)算速度飆升，一些應(yīng)用程序的速度可以提高數(shù)倍甚至數(shù)十倍，讓原來因?yàn)檫\(yùn)算量巨大而不可完成的任務(wù)變得可行。
而在家用、辦公電腦上，借助GPU加速的軟件也越來越多，這些軟件有的可以用來轉(zhuǎn)碼，有的可以用來增強(qiáng)圖像、視頻的畫質(zhì)，有的可以將2D電影轉(zhuǎn)換成3D，有的還能智能歸類和編輯照片……
跟以往的GPGPU概念不同的是，CUDA是一個(gè)完整的解決方案，包含了API、C編譯器等，能夠利用顯卡核心的片內(nèi)L1 Cache共享數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)不必經(jīng)過內(nèi)存-顯存的反復(fù)傳輸，shader之間甚至可以互相通信，對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)也不再約束于以往GPGPU的紋理方式，存取更加靈活，可以充分利用stream out（流輸出）特性，最典型的例子就是PhysX物理加速特效。PhysX最早是Aegia公司推出的硬件級(jí)物理加速技術(shù)，NVIDIA將其收購(gòu)之后便通過CUDA環(huán)境將PhysX軟件化，由顯卡中的shader單元承擔(dān)物理加速特效的運(yùn)算。
對(duì)于Stream技術(shù)，AMD宣稱可讓顯卡內(nèi)數(shù)百個(gè)平行串流核心，為各種一般用途的應(yīng)用帶來加速的效果，打造各種優(yōu)異的平臺(tái)，并可大幅提升每瓦性能，而實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的前提就依賴于AMD獨(dú)特的流處理器單元設(shè)計(jì)。
GF100的512個(gè)CUDA核心都符合IEEE 754-2008浮點(diǎn)算法(Cypress也是如此)和完整的32位整數(shù)算法，而后者在過去只是模擬的，事實(shí)上僅能計(jì)算24-bit整數(shù)乘法；同時(shí)全面引入的還有積和熔加運(yùn)算(Fused Multiply-Add/FMA)。此外雙精度浮點(diǎn)(FP64)性能大大提升，峰值執(zhí)行率可以達(dá)到單精度浮點(diǎn)(FP32)的1/2，而過去只有1/8，AMD從R600開始到現(xiàn)在的Cypress核心都是1/5，沒有做任何變化。
其實(shí)業(yè)界第一款GPU通用計(jì)算軟件就是用戶科學(xué)計(jì)算，它就是由斯坦福大學(xué)主導(dǎo)的Folding @ Home分布式計(jì)算，最早支持ATI顯卡，而NVIDIA后來者居上，目前N卡所貢獻(xiàn)的運(yùn)算能力已經(jīng)超越了所有CPU之和，A卡也不弱！
Folding@home是一個(gè)研究蛋白質(zhì)折疊、誤折、聚合及由此引起的相關(guān)疾病的分布式計(jì)算工程。最開始F@H僅支持CPU，后來加入了對(duì)PS3游戲機(jī)的支持，但同樣是使用內(nèi)置的CELL處理器做運(yùn)算。F@H因ATI的加入為GPU計(jì)算翻開了新的一頁，如今F@H第二代GPU客戶端已經(jīng)能夠支持ATI和NVIDIA的全系列DX10 11 GPU
針對(duì)Fermi核心的平衡運(yùn)算優(yōu)勢(shì)，《Folding@Home》最新版本GPU3，專為新一代Fermi系列顯卡而設(shè)，進(jìn)一步善用Fermi核心架構(gòu)之優(yōu)勢(shì)。
據(jù)官方介紹，新版的蛋白質(zhì)折疊運(yùn)算速度及穩(wěn)定性已經(jīng)大幅提高，而且加入更加科學(xué)計(jì)算項(xiàng)目，希望能籍Fermi核心的架構(gòu)優(yōu)勢(shì)，加快《Folding@Home》內(nèi)的各項(xiàng)復(fù)雜運(yùn)算。Shader的頻率對(duì)影響運(yùn)算效能非常大，所以NVIDIA可以領(lǐng)先AMD很多。
遺失密碼是一件令人相當(dāng)煩惱的事，尤其因忘記工作文檔密碼所做造成的金錢損失更是十分“杯具”，如何快捷高效地找回密碼是件難事?，F(xiàn)行GPU的發(fā)展越來越強(qiáng)勢(shì)，通用運(yùn)行能力已經(jīng)遠(yuǎn)超于CPU，而CPU的運(yùn)行能力卻是有限的，所以能夠發(fā)揮出GPU強(qiáng)大的通用運(yùn)算能力定必會(huì)大大縮短破解密碼的時(shí)間。
GPU就是顯示卡的“心臟”，也就相當(dāng)于CPU在電腦中的作用，它決定了該顯卡的檔次和大部分性能外，還有著大規(guī)模的并行計(jì)算能力，可以讓開發(fā)人員領(lǐng)先出引人入用的消費(fèi)級(jí)和專業(yè)級(jí)的計(jì)算應(yīng)用程序。無論是NVIDIA的CUDA或者是AMD的Stream運(yùn)算，都是眾多軟件廠商所追捧的。
我們找來了Elcomsoft出品的Advanced Office Password Recovery，是一款同時(shí)支持CPU與GPU的Office密碼恢復(fù)軟件。最多可支持32個(gè)CPU或內(nèi)核和8個(gè)GPU同樣運(yùn)行，也可以指定全部或者是部分CPU/GPU核心進(jìn)行恢復(fù)密碼的工作。
測(cè)試中我們關(guān)閉所有CPU核心，完全由GPU獨(dú)立工作來破解一個(gè)由6位數(shù)字加密的Word文件。
密碼破解對(duì)于流處理器數(shù)量非常敏感。AMD的GPU由于SIMD架構(gòu)的龐大流處理器優(yōu)勢(shì)遙遙領(lǐng)先于NVIDIA GPU。
Cyberlink（訊連科技）旗下大名鼎鼎PowerDVD相信大家都非常熟悉，作為一家專注視頻與多媒體的軟件開發(fā)商，Cyberlink不久前推出了一款專業(yè)的快速視頻轉(zhuǎn)換軟件——MediaShow Espresso，需要注意的是MediaShow(魅力四射)是一款視頻編輯軟件，而MediaShow Espresso才是視頻轉(zhuǎn)換軟件。
現(xiàn)在編碼解碼軟件滿天飛，但是MediaShow Espresso卻有它的獨(dú)到之處。它是第一款同時(shí)支持CUDA與Stream加速的視頻轉(zhuǎn)換軟件，除此之外它還對(duì)Intel Core i7處理器的超線程及SSE4指令集做了優(yōu)化，因此無論純CPU轉(zhuǎn)碼還是GPU加速，其速度比傳統(tǒng)軟件都要快。
測(cè)試視頻文件為長(zhǎng)度為3分42秒碼率22M的H.264編碼的M2TS文件。測(cè)試中我們打開GPU解碼與GPU編碼選項(xiàng)，將編解碼工作交由GPU來完成。
可以看出，GPU視頻轉(zhuǎn)碼時(shí)，CPU和GPU都要參加計(jì)算，而且GPU不需要盡全力，所以高端GPU和中端GPU的性能是差不多的?？傮w來看N卡的CUDA性能要優(yōu)于A卡的Stream性能。
值得注意的是，本次測(cè)試使用的是同時(shí)支持CUDA和Stream的MediaShow Espresso進(jìn)行測(cè)試，如果使用僅支持CUDA的MediaCoder軟件的話，N卡的視頻轉(zhuǎn)碼速度還能更快，這方面A卡無論性能還是軟件支持度都不如N卡。
ComputeMark由捷克硬件和游戲網(wǎng)站CzechGamer.com的Robert Varga開發(fā)制作，引擎是基于Jan Vlietinck的Fluid3D Demo。軟件能夠使顯卡占用率達(dá)到99%，而CPU占用率僅0-1%，避免由CPU性能造成對(duì)測(cè)試成績(jī)的影響。同時(shí)該軟件還有功耗測(cè)量的功能，測(cè)試時(shí)間可以隨意設(shè)定。
ComputeMark需要在純DX11環(huán)境下運(yùn)行，包括Windows 7 32/64位操作系統(tǒng)、DX11 API和DX11顯卡。
最終結(jié)果很和諧，雖然A卡的理論浮點(diǎn)運(yùn)算能力很高，但在DirectCompute理論測(cè)試當(dāng)中，同級(jí)別的A卡并不比N卡高多少。因?yàn)镈irectCompute現(xiàn)階段主要還是在游戲當(dāng)中使用，因此意義不是很大。
如果您還不了解比特幣的話，不妨看看前不久我們的評(píng)測(cè)文章《掛機(jī)也能賺錢？教你用顯卡挖礦賺美元》。這里就直接引用測(cè)試數(shù)據(jù)：
下面筆者做個(gè)簡(jiǎn)要分析：
1. HD6990擁有兩顆GPU，核心頻率與單核心的HD6970完全相同，所以挖礦性能正好翻倍。事實(shí)上HD6990就是需要開兩個(gè)挖掘器分配給兩顆GPU一起計(jì)算。
2. AMD上代HD5870流處理器稍多于HD6970，但核心頻率稍低，最終兩代旗艦單卡的挖礦性能差不多。要知道VLIW4架構(gòu)的HD6970游戲性能要強(qiáng)于VLIW5架構(gòu)的HD5870，但挖礦性能似乎只取決于理論浮點(diǎn)運(yùn)算能力，跟架構(gòu)和效率毫無關(guān)系。
3. Barts核心的HD6790擁有256Bit顯存位寬，比128Bit的HD6770大一倍。但兩者的挖礦性能完全相同，所以顯存位寬頻率對(duì)性能沒有任何影響，影響性能的唯一因素就是流處理器數(shù)量及頻率。
4. NV優(yōu)異單卡GTX580還不如HD6750，但要比CPU強(qiáng)很多，畢竟它也有數(shù)百顆核心。
那為什么A卡和N卡的差距如此之大呢？比特幣挖掘器采用的是SHA-256，這是由美國(guó)國(guó)家安全局發(fā)明的一種安全散列函數(shù)，一般用于密碼加密與解密。這種算法會(huì)進(jìn)行大量32位整數(shù)循環(huán)右移運(yùn)算，這個(gè)操作在AMD GPU那里可以通過單一硬件指令實(shí)現(xiàn)，而在NVIDIA GPU那里需要三次硬件指令來模擬（2移+1加），僅這一條就為AMD帶來額外的1.7倍運(yùn)算效率優(yōu)勢(shì)（大約1900指令來執(zhí)行SHA-256壓縮操作，而不是NVIDIA的大約3250指令）。
如此一來，AMD較高的浮點(diǎn)運(yùn)算能力再加上算法效率優(yōu)勢(shì)，AMD GPU在密碼破解與比特幣挖掘時(shí)的性能，大概是NVIDIA GPU的3倍以上！
通過前面幾項(xiàng)不同類型的通用計(jì)算應(yīng)用來看，A卡和N卡之間的性能差距是相當(dāng)大的，而且動(dòng)不動(dòng)就是幾倍以上的差距。A卡恐怖的理論性能有時(shí)候確實(shí)有效果，但有時(shí)候還是要大幅落后于N卡，這與雙方在3D游戲中和諧愉快的表現(xiàn)截然相反！
這種奇怪的現(xiàn)象，一方面是由雙方截然不同的架構(gòu)所造成的，另一方面是不同應(yīng)用的算法不同，可能會(huì)比較“偏愛”某一種架構(gòu)。最終，就要看誰在軟件優(yōu)化方面做得好，誰就能勝出。目前來看CUDA還是占有明顯的上風(fēng)，已經(jīng)有很多超級(jí)計(jì)算機(jī)配備了NVIDIA Tesla加速卡，CUDA的應(yīng)用軟件還是要比Stream多很多的。
不管CUDA和Stream孰強(qiáng)孰弱，OpenCL和DirectCompute標(biāo)準(zhǔn)誰能笑到最后，GPU的地位顯然在迅速攀升。超級(jí)計(jì)算機(jī)想要在性能上取得突破，使用GPU+CPU的異構(gòu)架構(gòu)是唯一選擇，未來高性能計(jì)算已經(jīng)離不開GPU的支持了。
NVIDIA和ATI從3D游戲戰(zhàn)場(chǎng)打到了通用并行計(jì)算領(lǐng)域，到底誰能笑到最后現(xiàn)在還是個(gè)未知數(shù)。
對(duì)于普通用戶來說，顯卡已經(jīng)不再是一塊單純的3D游戲加速卡，以視頻應(yīng)用為代表的高性能計(jì)算軟件率先步入GPU通用計(jì)算的大門，未來將會(huì)有更多計(jì)算軟件使用GPU強(qiáng)大的運(yùn)算能力來加速，CPU和GPU的地位將變得同等重要。現(xiàn)在，玩家們因一兩款特別喜愛的游戲而升級(jí)顯卡；將來，或許很多不玩游戲的人，也會(huì)加入到獨(dú)立顯卡的行列！■<
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