游戲玩家的夢(mèng)想之芯NVIDIAGTX1080如何延續(xù)強(qiáng)者之路

在GTC2016（GPU技術(shù)大會(huì)）上，NVIDIA Pascal（帕斯卡）架構(gòu)首款GPU：Tesla P100驚艷全場(chǎng)。可惜，P100不是針對(duì)游戲玩家和臺(tái)式機(jī)推出的，而是用于科學(xué)計(jì)算等專業(yè)領(lǐng)域。隨著GTX1080的問(wèn)世，Pascal才算與游戲玩家有了親密接觸的機(jī)會(huì)。那么，GTX1080是如何延續(xù)強(qiáng)者之路的？

Tesla P100的驚鴻一瞥

作為最早亮相的Pascal GPU，Tesla P100是由該架構(gòu)中的頂級(jí)核芯“GP100”簡(jiǎn)化而來(lái)，擁有超過(guò)150億個(gè)晶體管，內(nèi)建3584個(gè)CUDA單元和224個(gè)紋理單元（標(biāo)準(zhǔn)的GP100核芯應(yīng)該有3840個(gè)CUDA單元和240個(gè)紋理單元），在HBM2顯存的加持下帶寬可達(dá)到驚人的720GB/s。可惜，Tesla P100并不面向民用市場(chǎng)（圖1）。如果你有興趣染指的話，則需購(gòu)買129000美元的DGX-1盒（圖2），并忍受其3200W的功率……很不靠譜對(duì)嗎？

還好，NVIDIA針對(duì)民用市場(chǎng)還準(zhǔn)備了Pascal架構(gòu)的中端核芯“GP104”，并將其“塞進(jìn)”了全新一代顯卡GTX1080的身上。對(duì)所有發(fā)燒級(jí)游戲玩家而言，NVIDIA GTX1080無(wú)疑是現(xiàn)階段的夢(mèng)想之芯。接下來(lái)，我們就一起看看GTX1080的進(jìn)化之路。

先從16nm制程工藝談起

對(duì)于CPU和GPU這種芯片來(lái)說(shuō)，增加晶體管數(shù)量就是提升性能的最有效手段。但是，NVIDIA在過(guò)去4年中一直在沿用28nm FinFET制程工藝，GeForce 900系列早已將該工藝的潛力挖掘到了頭，很難再有突破。換句話說(shuō)，28nm工藝已經(jīng)無(wú)法滿足NVIDIA新一代Pascal GPU的設(shè)計(jì)需求了。

很難理解？那我們就不妨回顧一下手機(jī)領(lǐng)域的高通上代旗艦驍龍810處理器，這顆CPU就是因?yàn)椴捎昧撕推浼軜?gòu)不匹配的20nm制程工藝而出現(xiàn)了包括發(fā)熱異常、頻繁降頻在內(nèi)的各種問(wèn)題，最終成為高通史上最失敗的CPU之一。痛定思痛之后，高通為新一代驍龍820找來(lái)了三星14nm LPP工藝助陣，重新找回來(lái)作為一線處理器的尊嚴(yán)。

NVIDIA也是如此。為了解決新一代Pascal GPU的后顧之憂，NVIDIA選擇了臺(tái)積電的16nm FinFET Plus（又稱“16FF+”）與其搭配。我們熟悉的蘋果A9、麒麟950/955、麒麟650等手機(jī)處理器也都是16nm FinFET Plus的“客戶”。按照臺(tái)積電的說(shuō)法，16nm FinFET Plus工藝相比28nm HPM可提升65%的性能或減少70%的能耗。

言歸正傳。作為NVIDIA GTX1080的核芯（圖3），“GP104”在16nm FinFET Plus工藝的幫助下，硬是在比GTX980還要小的封裝面積（芯片表面積）里塞進(jìn)了接近TITAN X和GTX980 Ti的晶體管數(shù)量（表1）。

與此同時(shí)，GTX1080的核心頻率也有了大幅提升，加速頻率較GTX980提高了40%以上。最令人驚喜的是，GTX1080在晶體管數(shù)量翻番且核心頻率猛增之后，它的TDP功耗竟然只比GTX980高了15W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于TITAN X和GTX980 Ti的250W，這意味著GTX1080只需外接一個(gè)8pin的電源線即可穩(wěn)定運(yùn)行（圖4）。

以上種種改進(jìn)，就是16nm FinFET Plus工藝帶來(lái)的增益“BUFF”。至此，你還敢小看工藝對(duì)芯片性能的影響嗎？

由內(nèi)之外的進(jìn)化之路

細(xì)心的用戶可能發(fā)現(xiàn)了，和NVIDIA TITAN X/ GTX980 Ti相比，GTX1080的CUDA、紋理單元和光柵單元的數(shù)量上都不占優(yōu)勢(shì)。那么，它在性能上又能擊敗看似更強(qiáng)悍的TITAN X/ GTX980 Ti嗎？在談及性能之前，我們還是應(yīng)該先了解一下GTX1080在工藝之外的改進(jìn)之處。

核芯架構(gòu)層面的優(yōu)化

我們可以將“GP104”理解為上代“GM204”的優(yōu)化版。它們都是由4組“GPC”（圖形處理簇）和顯存控制器組成，但差別卻體現(xiàn)在：

1.“GM204”的每組GPC包含4個(gè)“SMM”（計(jì)算單元組），每個(gè)SMM集成了128個(gè)CUDA單元和8個(gè)紋理單元（圖5）;

2.“GP104”取消了SMM概念，并將其改名為“TPC”（圖6），它包含Polymorph 4.0（幾何引擎）和SM（CUDA單元簇）等。同時(shí)，“GP104”的每組GPC包含5個(gè)TPC，每個(gè)TPC同樣集成128個(gè)CUDA單元和8個(gè)紋理單元（圖7）;

3.“GP104”的顯存控制器從“GM204”時(shí)期的4個(gè)位寬為64bit的顯存控制器改為了8個(gè)位寬為32bit的顯存控制器，每個(gè)顯存控制器配備了8個(gè)光柵單元，與顯存接口一一對(duì)應(yīng)。這項(xiàng)細(xì)化賦予了GP104更靈活的存儲(chǔ)資源調(diào)度能力，并與其顯存效能的提升息息相關(guān)。

因此，一個(gè)完整的“GP104”核芯就包含了2560個(gè)CUDA單元（4×5×128）、160個(gè)紋理單元（4×5×8）、64個(gè)光柵單元（8×8）以及256bit顯存位寬（8×32）。

根據(jù)木桶原理，GPU核心頻率是由無(wú)數(shù)設(shè)計(jì)電路中速度最慢的那一路徑?jīng)Q定的。NVIDIA此次鉆了“牛角尖”，找到并攻克了那條速度最慢的設(shè)計(jì)電路，因此將GP104的核心頻率提升到了驚人的1733MHz，將上代顯卡遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在身后，確保每一瓦電力都能發(fā)揮其最大性能。NVIDIA還曾表示，GP104結(jié)合全新的GPU Boost 3.0技術(shù)，其超頻幅度可達(dá)1800MHz甚至更高，如此一來(lái)就大大降低了日后超頻版GTX1080的設(shè)計(jì)門檻。

GDDR5X彌補(bǔ)HBM 2顯存遺憾

GTX1080最令人遺憾之處就是沒(méi)能加入對(duì)HBM 2顯存的支持。作為彌補(bǔ)，NVIDIA引入了全新的“GDDR5X”顯存的概念（圖8），并改善了GPU和顯存芯片之間的信號(hào)通路。作為GDDR5的改良版，GDDR5X的運(yùn)行速率從7Gbps提升到了10Gbps，總體帶寬可達(dá)320GB/s，較GTX 980顯卡的224GB/s提升43%，甚至足以媲美384bit位寬的TITAN X和GTX980 Ti了。

與此同時(shí)，GTX1080的無(wú)損顯存壓縮技術(shù)也得以升級(jí)，改進(jìn)了2∶1壓縮效率，新增了4∶1和8∶1壓縮算法，進(jìn)一步提升了顯存性能。

新技術(shù)和新特性的改良

NVIDIA對(duì)GTX1080還是很用心的，不僅想盡一切辦法提升性能，還對(duì)其進(jìn)行了諸多新技術(shù)和新特性的改良。

更進(jìn)一步的VR體驗(yàn)

毫無(wú)疑問(wèn)，GTX1080絕對(duì)是未來(lái)高端VR PC的首選顯卡，而它在VR方面的改進(jìn)也沒(méi)有讓我們失望。比如，GTX1080支持同步多投影引擎（SMP，Simultaneous Multi-Projection）技術(shù)，在三聯(lián)屏輸出的過(guò)程中，SMP技術(shù)可根據(jù)屏幕兩側(cè)的傾斜角度將正確視覺(jué)邏輯中的物體和形變投射進(jìn)來(lái)（圖9），讓用戶余光看到的是猶如真實(shí)世界中的窗口。

SMP在時(shí)下新興的VR體驗(yàn)上的作用更加明顯：VR所傳遞的圖像是類似魚眼效果的矩形畫面（只有中央位置的圖像實(shí)際有效），SMP可以進(jìn)一步省略掉畫面邊緣不必要的渲染內(nèi)容以節(jié)省資源提升幀數(shù)（圖10）。同時(shí)，SMP還可以通過(guò)新的算法生成左右眼睛所看到的圖像，省略掉其中大量的重復(fù)運(yùn)算，理論上具有雙倍于Maxwell顯卡的效能。

值得一提的是，GTX1080支持全新的VR音頻及VR物理加速，前者可以模擬聲音在虛擬場(chǎng)景內(nèi)的互動(dòng)映射，實(shí)現(xiàn)類似現(xiàn)實(shí)中聲音碰到障礙物反射時(shí)的真實(shí)音效;后者則可以在游戲中加速布料、流體、火焰、發(fā)毛等物理運(yùn)動(dòng)特效，展示更為真實(shí)的效果。

此外，GTX1080還對(duì)異步運(yùn)算進(jìn)行了改良，可快速高效地并行處理多任務(wù)，做到動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡，以及像素級(jí)別的任務(wù)“搶占”，執(zhí)行效率大幅提升。而我們常用的GPU物理加速、音頻處理、渲染幀的后期處理，以及VR異步時(shí)間扭曲算法都能因異步運(yùn)算獲益。

走進(jìn)游戲世界的Ansel功能

如今限制VR發(fā)展的最大瓶頸之一就是內(nèi)容匱乏，那么作為普通用戶，我們是否能夠簡(jiǎn)單輕松地創(chuàng)建VR內(nèi)容？GTX1080的答案是，OK！

NVIDIA針對(duì)GTX1080開(kāi)發(fā)出了Ansel截圖功能，不要被“截圖”兩個(gè)字蒙蔽，這個(gè)功能可以顛覆傳統(tǒng)意義的畫面抓??！簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，玩家在游戲中可以使用Ansel截圖功能定格“游戲世界”，然后可以隨意切換方位和角度抓取游戲世界內(nèi)的畫面（圖11）。通過(guò)它，我們甚至可以截取VR全景照片（圖12），然后借助一些手機(jī)VR設(shè)備就能欣賞沉浸式的VR游戲場(chǎng)景了。

需要注意的是，Ansel截圖需要具體游戲的支持，游戲開(kāi)發(fā)商需要將Ansel集成到游戲程序當(dāng)中去才能實(shí)現(xiàn)猶如“上帝視角”的截圖功能。

GTX1080還有一些細(xì)節(jié)功能上的改進(jìn)，比如避免顯示撕裂情況發(fā)生的Fast SYNC技術(shù)、更高性能的SLI連接橋設(shè)計(jì)（圖13）、GPU Boost 3.0技術(shù)等等。接下來(lái)，我們就要揭開(kāi)GTX1080的性能之謎，看看它與上代旗艦之間的較量。

令人欣喜的性能表現(xiàn)

雖然GTX1080的CUDA、光柵、紋理單元數(shù)量和顯存位寬不如TITAN X和GTX980 Ti，雖然GTX1080的TDP功耗只比GTX980增加了15W，但這些都阻擋不住其出色的性能表現(xiàn)：在所有的測(cè)試項(xiàng)目中（表2），都將TITAN X和GTX980 Ti甩到了后面，甚至已經(jīng)看不到GTX980的影子了。

作為Pascal GPU家族中首款上市的產(chǎn)品，GTX1080的性能表現(xiàn)只能用驚艷來(lái)形容（圖15）。無(wú)論是看似較低的TDP、看著薄弱的8pin供電、少于GM200的CUDA單元數(shù)量，都沒(méi)能成為它大幅領(lǐng)先于上代旗艦顯卡的瓶頸所在，Pascal GP104的動(dòng)力著實(shí)讓人熱血澎湃。

可惜，GTX1080公版價(jià)格高達(dá)5399元，在缺乏競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的大環(huán)境下，短期內(nèi)我們也無(wú)法指望它的價(jià)格能降下來(lái)。所以對(duì)絕大多數(shù)非發(fā)燒級(jí)游戲玩家而言，不妨將目光投向NVIDIA Pascal GPU家族中的“次子”，GTX1070身上。據(jù)悉，GTX1070的價(jià)格可能只有GTX1080的一半，但性能卻足以媲美甚至超越GTX TITAN X！

感受到Pascal GPU的強(qiáng)悍，我們更期待它能盡快入駐筆記本身上，讓移動(dòng)顯卡的性能可以更進(jìn)一步，至少要讓筆記本也能擁有足夠駕馭未來(lái)VR體驗(yàn)的性能吧？