完全看懂 HD 7970 新架構,GPU 如何跑出更高的效能?

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GCN:率先使用新規格

看到AMD的新架構,很難不去跟NVIDIA先前發表的Fermi比較,不過架構只是追求效能與節省成本的手段。論斷好壞並不客觀,但是在設計上倒是可以比較一下兩者的異同。

強化的快取架構

比較值得一提的是兩者的快取架構,Fermi每個SM(Streaming Multiprocessors)有64KB的L1快取,而所有SM則是共享768KB的L2快取。GCN設計上則較為複雜,CU有獨立64KB的L1快取,每4個CU還可共享16KB的指令快取(instruction cache)以及32KB的純量資料快取(scalar data cache)。L2則是每個記憶體控制器(memory controller)可支援64或128KB,HD 7970內具備6個記憶體控制器,因此L2快取與Fermi同為768KB。

完全看懂 HD 7970 新架構,GPU 如何跑出更高的效能?
▲新架構的快取共享機制很複雜,每個CU有獨立也有共享的快取。重視數據共享是GCN的特點之一,加上X86虛擬記憶體技術,讓複雜程度再上一層。

X86虛擬記憶體

GCN架構的L1快取都是與L2共通的,且能跟顯卡上的GDDR5記憶體同步數據。GCN比Fermi更為注重資料同步,L1與L2、L2與顯卡記憶體、L2與系統記憶體都能同步數據。另外還有首次出現的X86 Virtual Memory(X86虛擬記憶體),可讓顯卡上的記憶體虛擬為系統記憶體。即使是X79用的四通道記憶體頻寬(memory bandwidth)不過30~50GB/s左右,HD 7970上的GDDR5記憶體頻寬可高達264GB/s,是系統記憶體的數倍,有助於通用運算與少部分遊戲。 

DX 11.1能看不能玩

除了X86虛擬記憶體外,這次HD 7970也支援了不少新規格,舉凡PCI-E 3.0、DirectX 11.1,而且又是第一款28nm製程的顯卡。PCI-E 3.0部分,下個章節會搭配效能實測介紹,在此我們先來了解能看不能玩的DirectX 11.1。
會說能看不能玩,主要還是因為目前微軟並不支援DirectX 11.1,大多猜測會到了Windows 8之後才會搭配新版API。從MSDN(Microsoft Developer Network)提供的資料來看,這次DirectX 11.1跟以往小改版相同,目的不在於增加新技術,大多是除錯與擴展功能。

DirectX 11.1新功能

  1. Shader tracing
  2. Direct3D device sharing
  3. Check support of new Direct3D 11.1 features and formats
  4. Create larger constant buffers than a shader can access
  5. Use logical operations in a render target
  6. Force the sample count to create a rasterizer state
  7. Process video resources with shaders
  8. Change subresources with new copy options
  9. Discard resources and resource views
  10. Support a larger number of UAVs
  11. Bind a subrange of a constant buffer to a shader
  12. Retrieve the subrange of a constant buffer that is bound to a shader
  13. Clear all or part of a resource view
  14. Map SRVs of dynamic buffers with NO_OVERWRITE
  15. Use UAVs at every pipeline stage

資料來源:MSDN

迎接光線追蹤

目前DirectX 11.1有15項新功能,其中比較值得注意的是子項目DoublePrecisionFloatShaderOps,也就是較常聽到的DP Shader。DP指的是Double Precision,也就是雙精度運算。是微軟在DirectX中首度加入的Shader類型,可在運算當中加入雙精度規則。

先前有提過,雙精度比起單精度運算精確度更高,先前所有Shader運算都是採用FP32也就是單精度運算,應用面來說單精度運算已經足以使用,轉換成雙精度提升的精確度是多餘的。那為什麼要支援雙精度?能想到最直接的例子就是ray tracing(光線追蹤)。

在模擬ray tracing的過程中,必須依靠雙精度運算維持數據的精確性。Ray tracing特色在於物體與光線之間的高度模擬,依照現有的處理精確度,讓物體與光線交互作用數次就會產生不可忽略的誤差,對於交互次數多達數十次的ray tracing只用單精度是絕對不夠的,可能會造成模擬失真,於是只能靠雙精度技術加強。

關鍵字:Ray Tracing(光線追蹤)

完全看懂 HD 7970 新架構,GPU 如何跑出更高的效能?
▲光線追蹤是幾何光學的技術,主要是計算光線碰到物體時的折射與反射,由於物體與物體、物體與光線、光線與光線之間都會互相影響,因此運算的數據量十分龐大。高階顯卡跑起來可能都不太夠力,且未來加入雙精度運算,雖精確度提升但是效能可能還要打折扣。圖中的車輛即是用光線追蹤模擬出來,板金上的光影十分逼真。

延伸閱讀:

傳 AMD 將於12月5日發表新 GPU:Radeon HD 7000

AMD HD 7970 之 GCN 架構完全解析,帶來 GPU 革命

新卡王 Radeon HD 7970 實測:效能強大,驅動有待完善

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PCABC
1.  PCABC (發表於 2012年4月01日 15:18)
看了這篇之後 我更想了解開普勒的架構了

真不知道是怎樣弄得 竟然功耗降著麼多

680還可以把7970壓在地上打

Charlie Chou
3.  Charlie Chou (發表於 2012年4月01日 17:36)
"...即使是X79用的四通道記憶體頻寬(memory bandwidth)不過30~50GB/s左右,HD 7970上的GDDR5記憶體頻寬可高達264GB/s,是系統記憶體的數倍,有助於通用運算與少部分遊戲。"

問題是就算是PCI-E 3.0的極限頻寬也才32GB/s(應該是雙向各16GB/s沒錯吧...)
然後加上延遲應該會比系統記憶體更高...
這樣真的會有用嗎?
PCABC
4.  PCABC (發表於 2012年4月01日 20:04)
※ 引述《Charlie20083》的留言:
> "...即使是X79用的四通道記憶體頻寬(memory bandwidth)不過30~50GB/s左右,HD 7970上的GDDR5記憶體頻寬可高達264GB/s,是系統記憶體的數倍,有助於通用運算與少部分遊戲。"
>
> 問題是就算是PCI-E 3.0的極限頻寬也才32GB/s(應該是雙向各16GB/s沒錯吧...)
> 然後加上延遲應該會比系統記憶體更高...
> 這樣真的會有用嗎?
>




記憶體是雙向的阿

對主板那邊當然是夠 但對GPU那裡當然是要更快才行啦

CPU的快取也是相同道理 一樣快的話 何須另加記憶體

資料全部暫存在主機板的記憶體就好啦 還比較便宜咧

╮(╯_╰)╭
Shinwill
1人給推

5.  Shinwill (發表於 2012年4月01日 20:47)
※ 引述《Charlie20083》的留言:
> 問題是就算是PCI-E 3.0的極限頻寬也才32GB/s(應該是雙向各16GB/s沒錯吧...)
> 然後加上延遲應該會比系統記憶體更高...
> 這樣真的會有用嗎?

一般顯示卡所稱的記憶體頻寬
是指 GPU 與 VRAM 間溝通的頻寬
05f1939cb8e3224017e4aa38bb3e4f88?size=48&default=wavatar
6.  00351 (發表於 2012年4月01日 21:10)
難怪AMD一直都有驅動程式的包袱
每出一批新遊戲
都必須一一改版來修正遊戲特效BUG
或效能低落的問題
魯蛇實驗室
1人給推

7.  魯蛇實驗室 (發表於 2012年4月02日 10:11)
※ 引述《PCABC》的留言:
> 看了這篇之後 我更想了解開普勒的架構了
>
> 真不知道是怎樣弄得 竟然功耗降著麼多
>
> 680還可以把7970壓在地上打
>
>
28nm是主因,再者,kepler持續改良兩代的fermi架構
架構上更完善,電力效率自然表現更好
PCABC
8.  PCABC (發表於 2012年4月02日 14:18)
※ 引述《tandee》的留言:
> ※ 引述《PCABC》的留言:
> > 看了這篇之後 我更想了解開普勒的架構了
> >
> > 真不知道是怎樣弄得 竟然功耗降著麼多
> >
> > 680還可以把7970壓在地上打
> >
> >
> 28nm是主因,再者,kepler持續改良兩代的fermi架構
> 架構上更完善,電力效率自然表現更好



這期雜誌講的還蠻詳細的

Shader的部分更證實了我的疑慮 拿掉後核心頻率終於上的來了

若真有GK110 GTX685我想應該就像是460跟465的差距一樣吧

通用運算效能大增 但遊戲效能沒增多少

GPU面積大增 結果超吃電 ╮(╯_╰)╭


4fee7e03816a5222df6f7d5fb4297ec4?size=48&default=wavatar
9.  散彈槍 (發表於 2012年4月02日 20:19)
※ 引述《PCABC》的留言:
> ※ 引述《tandee》的留言:
> > ※ 引述《PCABC》的留言:
> > > 看了這篇之後 我更想了解開普勒的架構了
> > >
> > > 真不知道是怎樣弄得 竟然功耗降著麼多
> > >
> > > 680還可以把7970壓在地上打
> > >
> > >
> > 28nm是主因,再者,kepler持續改良兩代的fermi架構
> > 架構上更完善,電力效率自然表現更好
>
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> 這期雜誌講的還蠻詳細的
>
> Shader的部分更證實了我的疑慮 拿掉後核心頻率終於上的來了
>
> 若真有GK110 GTX685我想應該就像是460跟465的差距一樣吧
>
> 通用運算效能大增 但遊戲效能沒增多少
>
> GPU面積大增 結果超吃電 ╮(╯_╰)╭
>
> 很難講喔,以規格來說,基本上可以把兩家目前的雙核卡王打趴,而且可能跟580差不多耗電而已,跟460和465是完全不一樣的狀況阿,畢竟GK110比GK104較像是GTX580比上GTX460才對(所以我覺得GK110相當有可能是7系列的),不過因為良率問題,所以要等到8月才會出來。
>
方
10.  (發表於 2012年4月04日 11:07)
其實打趴這句話言過其實了╯-__-)╯ ╩╩
兩者拉距肯定在玩遊戲時看不太出來
為求爽度而已

7970輸在兩點
1. 價格還不降?
2. 不CP求爽度時~我若有錢想買只買老大 ~說白點680也不夠看

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