泡泡网显卡频道3月22日“什么？GTX680的流处理器数量是1536个？而且GTX680的流处理器与核心同频率，不再是两倍了？这规格简直和HD6970一模一样！AMD的HD7970刚开始学习NVIDIA的架构，现在NVIDIA的GTX680又学AMD了，你们这是要闹哪样啊？”

    

    相信很多人听到GTX680的规格时，都会产生这样一种想法。在GTX680发布之前，各种小道消息不胫而走之时，笔者也很纳闷，NVIDIA的Kepler架构到底发生了什么样的变化？难不成N/A双方真的要互相学习、取长补短？

    

    在新一代GTX680发布前夕，NVIDIA召开了多场技术讲座，NVIDIA总部的专家为全球各大媒体编辑详细解读了新一代Kepler(开普勒)架构的技术特性，笔者经过深入学习研究之后，今天就为大家揭开谜底——新一代GPU图形架构到底谁更先进？

    

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    NVIDIA和AMD的GPU架构相关名词解读：

    1.NVIDIA喜欢用物理学家的名字来为GPU架构命名，从DX10开始第一代叫做Tesla（特斯拉）、第二代是Fermi（费米）、第三代是Kepler（开普勒）、第四代是Maxwell（麦克斯韦），这些科学家的大名是如雷贯耳，就不做解释了。

    2.Kepler（开普勒）是NVIDIA新一代的GPU架构代号，基于开普勒架构第一颗GPU的代号是GK104，基于GK104核心的首款显卡是GeForceGTX680。

    3.AMD以前GPU代号和NVIDIA一样也是字母+数字，但从DX11时代开始GPU的代号用单词来命名，比如HD5000系列的架构代号是EverGreen（常青树），高端HD5870核心代号Cypress（柏树）、中端HD5770核心代号Juniper（杜松）；

    HD6000的架构代号是NorthIsland（北方群岛），高端HD6970核心代号Cayman（开曼群岛），中端HD6870核心代号Barts（圣巴特，加勒比海某小岛）；

    HD7000的架构代号是SourthIsland（南方群岛），高端HD7970核心代号Tahiti（大溪地），中端HD7870核心代号Pitcairn（南太平洋某英属群岛），主流HD7770核心代号CapeVerde（佛得角，非洲最南边岛国）。

     GPU图形架构的阴阳之争

    今年一月份，在AMD发布HD7970时，我们曾详细的分析过AMD代号为南方群岛的“GraphicsCoreNext”架构。这是AMD收购ATI之后的近5年来第一次对GPU架构进行“伤筋动骨”的“手术”，而架构调整的核心内容则是为并行计算优化设计，我们发现AMD的GCN架构与NVIDIA的GPU有很多相似之处。

    

    当时笔者曾感慨：“在流处理器部分，终于不用费劲的把AMD和NVIDIAGPU架构分开介绍了，因为GCN与SM已经没有本质区别了。剩下的只是缓存容量、流处理器簇的数量、线程调度机制的问题，双方根据实际应用自然会有不同的判断，自家的前后两代产品也会对这些数量和排列组合进行微调。AMD向NVIDIA的架构靠拢，证明了他这么多年来确实是在错误的道路上越走越远，还好浪子回头金不换，这次GCN架构简直就是大跃进！”

    促使AMD做出革命性改进的一大原因，就是从R600开始SIMD（单指令多数据流）VILW（超长指令集）的效率问题，AMD的GPU固然拥有恐怖的浮点运算能力，但很多时候都不能完全发挥出来，由此导致游戏性能和计算性能都要大打折扣。此后的四代产品虽然在R600的基础上修修补补，但始终未能从根本上解决问题。

    

    AMD承认，从VLIW到GCN是GPU的革命，这次革命NVIDIA几年前就完成了

    NVIDIA的GPU从G80时代开始，其MIMD（多指令多数据流）一直以高效能而著称，但也存在一个让人头疼的问题——GPU流处理器数量较少、浮点运算能力太低，这同样限制了N卡在游戏以及计算方面的实际性能。

    AMD的SIMD架构可以用较少的晶体管造出庞大数量的流处理器、拥有恐怖的理论浮点运算能力；而NVIDIA的MIMD架构必须使用更多的晶体管制造出看似比较少的流处理器，理论浮点运算能力相差很远。双方走的都是极端路线，AMD以数量弥补效率的不足，而NVIDIA以效率弥补数量的劣势。

    6年前从G80和R600开始，NVIDIA和AMD在GPU架构上分道扬镳，这么多年经历了风风雨雨之后，发现极左或极右路线都有各自的局限性，修正主义治标不治本，唯有走中间路线才是正道！不过中间路线也有不同的走法，有些人还是偏左、有些人还是偏右……

     AMD的方向：SIMD的另一种形式

    从GPU外围模块来看，AMD的Tahiti和上代Cayman相比变化不大，只是强化了曲面细分单元，加入了双异步计算引擎而已。

    

    HD6970代号为Cayman的GPU核心架构图

    

    HD7970代号为Tahiti的GPU核心架构图

    最大的改变来自于流处理器部分，原有的SIMD引擎不见了，取而代之的是GCN阵列，那SIMD引擎与GCN阵列有什么本质区别呢？

    

    Cayman拥有20个SIMD引擎，每个SIMD引擎内部包括16个这样的4D矢量运算单元

    

    Tahiti拥有32个GCN阵列，每个GCN阵列里面包括4个SIMD-16单元

    Tahiti的每个GCN阵列里面包括4个SIMD单元，每个SIMD单元内部包括16个1D标量运算单元。这样的话Cayman的SIMD引擎是16x4=64个流处理器，而Tahiti的GCN阵列是4x16=64个流处理器，总数量虽然没有变化，但架构上是截然相反的设计——Tahiti相对于Cayman来说革命性的改变就是把4D矢量运算单元改成了1D标量运算单元！

    但是，GCN架构与NVIDIA的CUDA架构还是有明显的区别，那就是GCN里面包括了4个SIMD-16单元，标量流处理器被硬性拆分为4个小组，而NVIDIA的SM则没有这种设计，所有流处理器都一视同仁。

     NVIDIA的道路：从MIMD到SIMT

    尽管AMD的架构在向NVIDIA靠拢，但双方还是有明显区别，而且NVIDIA也在不断的改变。至于NVIDIA和AMD历代产品架构上的变化，之前多篇文章中都已经交代过了，这里就不再重复，我们通过这个简单的数字变化，来了解一下：

    

    先看看AMD方面，从R600一直到Cypress，可以说一直在堆SIMD，动辄翻倍，架构没有任何变化；从Cypress到Cayman变化也不大，只是把矢量单元从5D改为4D；从Cayman到Tahiti可以说是质变，SIMD被GCN取代，4D矢量运算单元改为1D标量运算单元。

    而NVIDIA方面，则是不停的对GPU的GPC、SM、CUDA核心等配比进行微调，在微调的过程中经历了两次突变：第一次是GT200到GF100，首次引出了GPC（图形处理器集群）的概念，GPC数量减少但SM数以及流处理器数量增加不少；第二次就是现在了，从GF100到GK104，SM数量减少，但流处理器数量暴增！

    改变是为了适应形式的变化，解决此前出现的一些问题，那NVIDIA的架构有什么问题呢？此前我们多次提到过，虽然NVIDIA的GPU在效能方面占尽优势，但也不是完美无缺的——NVIDIA最大的劣势就是流处理器数量较少，导致理论浮点运算能力较低。当然这只是表面现象，其背后的本质则是MIMD（多指令多数据流）的架构，相当一部分比例的晶体管消耗在了指令发射端和控制逻辑单元上面，所以流处理器数量始终低于对手。

    

    GF110和GK104芯片对比图

    

    为了保证GPU性能持续增长，NVIDIA必须耗费更多的晶体管、制造出更大的GPU核心，而这些都需要先进的、成熟的半导体制造工艺的支持。NVIDIA之所以在GF100（GTX480）时代落败，并非架构或者研发端出了什么问题（GF110/GTX580的成功可以证明），而是核心太大导致40nm工艺无法支撑，良率低下漏电流难以控制，最终导致核心不完整且功耗巨大。如此一来，NVIDIA原有的架构严重受制于制造工艺，并非可持续发展之路。

    为此，NVIDIA将芯片架构逐步转向了SIMT的模式，即SingleInstructionMultipleThreads（单指令多线程），SIMT有别与AMD的SIMD，SIMT的好处就是无需开发者费力把数据凑成合适的矢量长度，并且SIMT允许每个线程有不同的分支。纯粹使用SIMD不能并行的执行有条件跳转的函数，很显然条件跳转会根据输入数据不同在不同的线程中有不同表现，这个只有利用SIMT才能做到。

    

    SIMT在硬件部分的结构还是要比SIMD复杂一些，NVIDIA还是更注重效率一些，所以NVIDIA的流处理器数量还是要比AMD少，但差距已经没以前那么夸张了。

     开普勒之架构：流处理器暴增之谜

    基于效能和计算能力方面的考虑，NVIDIA与AMD不约而同的改变了架构，NVIDIA虽然还是采用SIMT架构，但也借鉴了AMD“较老”的SIMD架构之作法，降低控制逻辑单元和指令发射器的比例，用较少的逻辑单元去控制更多的CUDA核心。于是一组SM当中容纳了192个核心的壮举就变成了现实！

    

    通过上面这个示意图就看的很清楚了，CUDA核心的缩小主要归功于28nm工艺的使用，而如此之多的CUDA核心，与之搭配的控制逻辑单元面积反而缩小了，NVIDIA强化运算单元削减控制单元的意图就很明显了。

    

    Fermi的硬件相关性检查变为Kepler的软件预解码

    

    此时相信有人会问，降低控制单元的比例那是不是意味着NVIDIA赖以成名的高效率架构将会一去不复返了？理论上来说效率肯定会有损失，但实际上并没有想象中的那么严重。NVIDIA发现线程的调度有一定的规律性，编译器所发出的条件指令可以被预测到，此前这部分工作是由专门的硬件单元来完成的，而现在可以用简单的程序来取代，这样就能节约不少的晶体管。

    随意在开普勒中NVIDIA将一大部分指令派发和控制的操作交给了软件（驱动）来处理。而且GPU的架构并没有本质上的改变，只是结构和规模以及控制方式发生了变化，只要驱动支持到位，与游戏开发商保持紧密的合作，效率损失必然会降到最低——事实上NVIDIA著名的TheWay策略就是干这一行的！

    

    TheWay（游戏之道）计划可以保证NVIDA的GPU架构与游戏完美兼容

    这方面NVIDIA与AMD的思路和目的是相同的，但最终体现在架构上还是有所区别。NVIDIA的架构被称为SIMT（SingleInstructionMultipleThreads，单指令多线程），NVIDIA并不像AMD那样把多少个运算单元捆绑为一组，而是以线程为单位自由分配，控制逻辑单元会根据线程的任务量和SM内部CUDA运算单元的负载来决定调动多少个CUDA核心进行计算，这一过程完全是动态的。

    但不可忽视的是，软件预解码虽然大大节约了GPU的晶体管开销，让流处理器数量和运算能力大增，但对驱动和游戏优化提出了更高的要求，这种情况伴随着AMD度过了好多年，现在NVIDIA也要面对相同的问题了，希望他能做得更好一些。

     开普勒之核心：SMX与SM的改动细节

    全新的Kepler相比上代的Fermi架构改变了什么，看架构图就很清楚了：

    

    FermiGF100/GF110核心架构图

    

    

    KeplerGK104核心架构图

    GK104相比GF110，整体架构没有大的改变，GPU（图形处理器集群）维持4个，显存控制器从6个64bit（384bit）减至4个64bit（256bit），总线接口升级至PCIE3.0。剩下的就是SM方面的改变了：

    

    GF100和GF104的SM架构图

    这里之所以要把GF104这颗中端核心的SM架构图也列出来，是因为GF104相比高端的GF100核心做了一些细小的改动，这些改动也被沿用到了GK104当中。另外从核心代号上来看，GK104其实就是用来取代GF104的，而取代GF100的核心另有他人。

    

    GK104的SMX架构图

    NVIDIA把GK104的SM（不可分割的流处理器集群）称为SMX，原因就是暴增的CUDA核心数量。但实际上其结构与上代的SM没有本质区别，不同的只是各部分单元的数量和比例而已。具体的区别逐个列出来进行对比：

    

    1.NVIDIA现在把流处理器称为CUDA核心；

    2.SFU（SpecialFunctionUnits，特殊功能单元）是比CUDA核心更强的额外运算单元，可用于执行抽象的指令，例如正弦、余弦、倒数和平方根，图形插值指令也在SFU上执行；

    3.Warp是并行线程调度器，每一个Warp都可以调度SM内部的所有CUDA核心或者SFU；

    4.DispatchUnit是指令分派单元，分则将Warp线程中的指令按照顺序和相关性分配给不同的CUDA核心或SFU处理；

    5.LD/ST就是载入/存储单元，可以为每个线程存储运算源地址与路径，方便随时随地的从缓存或显存中存取数据；

    6.TMU是纹理单元，用来处理纹理和阴影贴图、屏幕空间环境光遮蔽等图形后期处理；

    通过以上数据对比不难看出，GK104暴力增加CUDA核心数量的同时，SFU和TMU这两个与图形或计算息息相关处理单元也同比增加，但是指令分配单元和线程调度器还有载入/存储单元的占比都减半了。这也就是前文中提到过的削减逻辑控制单元的策略，此时如何保证把指令和线程填满一个CUDA核心，将是一个难题。

     开普勒之频率：CUDA频率不再是双倍

    除了CUDA核心数量大增之外，开普勒架构还有个很明显的改变，那就是CUDA核心的频率不再是GPU频率的两倍，现在整颗GPU所有单元的工作频率都是相同的，GTX680的默认频率达到了1GHz！

    NVIDIA的上代产品，比如GTX560Ti，一些AIC的超频版本默认核心频率可达900MHz，CUDA频率是1800MHz。按理说如果新一代架构改变不是很大的话，在28nm的帮助下核心频率到1GHz没有问题，那CUDA频率应该可以到2GHz才对。而现在的情况则是CUDA的频率“被减半了”。

    

    NVIDIA官方对CUDA与核心同频的解释是——功耗原因，为了尽可能的控制GTX680的功耗，不再让CUDA工作在两倍频率下。

    对于这种解释，笔者并不理解，如果CUDA频率真能工作在2GHz下，性能提升两倍，此时功耗增长两倍又如何？如此增加功耗是值得的，并不影响GTX680显卡的“每瓦性能”。

    所以，笔者猜测此次CUDA与核心同频，应该有别的原因，以下猜测纯属虚构，大家随便看看不要当真：

    原因一：此次NVIDIA对SMX的结构进行了大幅度的调整，除了控制逻辑单元削减外，过于密集CUDA单元结构也发生了一些变化，导致CUDA单元或控制逻辑单元上不了更高的频率，所以现在就和AMD一样同频了；

    原因二：保留实力。NVIDIA官方发言人在AMD发布HD7970之后曾表示：AMDGCN架构“南方群岛”核心的表现并没有超出NVIDIA的预期，一切尽在掌握之中。而Kepler架构则将比南方群岛要强出许多，因为本来NVIDIA为新架构设计的对手是AMD更强的新产品，但实际上南岛并未达到NVIDIA的设想性能。

    原因三：确实是功耗问题，强行让CUDA工作在双倍频率下对GPU的电路设计提出了很高的要求，28nm新工艺目前可能还尚未完全吃透，上高频有一定的难度。

    虽然CUDA频率达不到两倍，但NVIDIA通过加入类似Intel睿频的技术，一定程度上提高了工作频率，性能也同比增长，而且高于预期，或者说是对手不如预期。

     开普勒之显存：频率全面超越对手

    我们先来回顾一下显存控制器的发展史：

    NVIDIA：G80(384bit)-G92(256bit)-GT200(512bit)-GF100(384bit)

    AMD：R600(512bit)-RV670(256bit)-RV770(256bit)-Cypress(256bit)-Cayman(256bit)-Tahiti(384bit)

    

    384bit显存应该是高端显卡的标配

    ●GK104核心为什么只有256bit显存？

    大家应该注意到了，NVIDIA近年来的高端显卡，很少有256bit显存的设计，现在就连AMD都升级到384bit显存，256bit已经很难在跻身为高端，为什么NVIDIA新一代的GTX680居然降级到了256bit？

    答案在其核心代号上面，GK104的定位就是取代GF104/GF114，它并非是NVIDIA最高端的GPU，显存方面自然不会用最高端的配置。

    ●GTX680显存频率弥补位宽不足，首次达到6GHz！

    另外，之前我们反复提到过，AMD从HD4870开始第一次使用GDDR5显存，GDDR5的标准几乎可以说是AMD的人一手制定的，AMD历代GPU凭借GDDR5超高频率的优势，以较低的显存位宽很好的控制了成本。

    

    而NVIDIA从GTX480开始也使用了GDDR5显存，但频率一直都上不去，GTX400和GTX500系列显卡的显存频率一直在4000MHz上下徘徊。NVIDIA的显卡在GPU频率方面超频能力还不错，但显存的超频空间几乎没有，即便有液氮的助力也无济于事。

    

    现在，随着开普勒的发布，NVIDIA在显存频率上面终于反超AMD，重新设计的显存控制器突破了频率的桎梏，瞬间从4000MHz飙升至6000MHz，带宽提升达50%之多，这个幅度就相当于把256bit免费升级至384bit，显存带宽不再是瓶颈了。

     开普勒之其它：多形体引擎和缓存设计

    最后再来看看开普勒架构在其它方面的改进：

    ●多形体引擎2.0：

    

    从GTX480开始，NVIDIA就宣称只有自己“做对了DX11”，因为GF100核心拥有多达16个多形体引擎，每个多形体引擎内部都有独立的曲面细分单元，而HD5870整颗Cypress核心只有1个曲面细分单元。通过专项测试来看，GTX480的曲面细分和几何性能都遥遥领先于HD5870。

    

    

    AMD方面当然也意识到了孽弱的曲面细分性能是个瓶颈，一方面强调“曲面没必要分太细”，另一方面也在新一代产品中不断的加强曲面细分性能。根据AMD官方的说法，HD6870通过双超线程分配处理器将中等程度的曲面细分性能提高了2倍；HD6970通过双图形引擎又提升了2倍；而HD7970则重新设计了曲面细分单元，在所有等级下都可以达到HD6970的4倍！最终HD7970的曲面细分能力相比HD5870提升了10倍左右！

    在AMD不断更新架构的同时，NVIDIA的DX11GPU没有变化（GF110和GF100是一样的），显然HD7970的曲面细分性能已经超越了GTX580。这次该NVIDIA着急了。

    

    在开普勒架构中，我们看到了多形体引擎2.0版，结构上没有什么变化，但处理能力翻倍了。NVIDIA称，Kepler的多形体引擎在同频率下的性能是Fermi的两倍，而且新引擎在重度曲面细分情况下的效率更高，性能损失更小。

    

    DX11理论曲面性能性能测试，横轴为细分级别

    值得注意的是，GK104只有8个多形体引擎，而GF110有16个多形体引擎，但最终GTX680的曲面细分性能比GTX580还要强，看来单个引擎的效能确实翻倍了，超出那部分的性能应该是高达1GHz频率的贡献。

    可以看出，NVIDIA的曲面细分单元在重度细分模式下的效率更好一些，低级别模式下HD7970并不差还略占优势，但级别越高差距就越大。根据目前DX11游戏的发展趋势来看，“曲面没必要分太细”的说法已经过时，不然AMD也就成倍的增加曲面细分性能了，未来的DX11游戏会加入高精度曲面细分引擎，届时N卡的优势会得到体现。

    ●更快的高速缓存：

    GK104的缓存设计与GF100没有区别，都是一级缓存、一级纹理缓存、二级缓存这样的层级设计，而且缓存容量的配比也没有变化，但因为模块化设计的关系，总容量有所减少。

    

    缓存架构让各流水线之间可以高效地通信，减少了显存读写操作

    GK104的每个SMX当中配有64KB的SharedMemory/L1，GK104总共拥有8个SMX，所以一级缓存的总容量是512KB。

    GK104的每个光栅单元/64bit显存控制器配有128KB的L2，GK104总共有4个64bit显存控制器，所以二级缓存的总容量也是512KB。

    与GF100的1MB一级缓存、768KB的二级缓存相比，GK104的缓存容量确实小了很多，这个可以通过芯片透视图明显的看出。

    虽然缓存容量变小了，但速度快了很多，NVIDIA强调GK104的L2带宽比GF110增加了73%，其中改进的算法提高了30%的缓存命中率，另外的43%则是得益于高达1GHz的核心频率。此外，原子操作的吞吐量也大增3.5倍，尤其是单一共享地址的原子操作可提升11.7倍之多！

    ●更多的纹理单元：

    GK104的每个SMX内部拥有16个纹理单元，8个SMX总计128个纹理单元；GF110的每个SM内部拥有4个纹理单元，16个SM总计64个纹理单元；可以看出GK104这次大幅增加CUDA核心数量的同时，也没有忘记纹理单元。

    

    除了数量翻倍之外，纹理存取的限制也放开了，以前因为DX11API的限制，GPU最多只能对128个纹理进行操作，而现在GK104可以使用超过100万像素的纹理贴图，而且可以并行的对多个纹理同时操作，在使用超大纹理时的CPU占用率大幅下降。但由于微软DirectXAPI的限制，目前GK104的这些特性还只能在OpenGLAPI中体现，未来版本的DirectX可能会加入支持。

     总结：开普勒与南方群岛谁更先进？

    长篇大论的分析相信大家看得都很累，最后我们将Tahiti与GK104这两颗GPU的所有规格都列出来，进行全方位的对比：

    

    下面就通过数据分析一下架构的特性：

    1.GK104的晶体管数比GF110减少了，但流处理器数量达到了三倍，NVIDIA改进架构、提高浮点运算的努力效果显著。但是，同为1536个流处理器，GK104的晶体管数要远大于Cayman核心，这就证明了SIMT还是要比SIMD更消耗晶体管；

    2.GTX680的核心与显存频率都创新高，但是TDP却不到200W，这都要归功于它小核心的设计、以及不再使用双倍CUDA频率的作法，NVIDIA控制功耗的作法成效显著；

    3.Tahiti的晶体管数是GK104的1.22倍，流处理器数量是1.33倍，这两个数字差距不是很大，N/A双方自DX10时代以来头一次达到了相似的晶体管利用率；

    4.从Cayman到Tahiti，AMD用了1.63倍的晶体管数才让流处理器数量达到了原来的1.33倍；从GF110到GK104，NVIDIA减少了晶体管数量却让流处理器达到原来的三倍；可以看出双方都在向对方的架构靠拢，目的只有一个，就是提高GPU的运算效能；

    通过之前的测试数据来看，AMD的GCN架构相比上代确实提高了GPU的效能。而NVIDIA方面，通过我们的测试来看，GTX680的性能也是远超GTX580。

    在核心面积、晶体管数量、功耗、流处理器数量、显存容量、显存位宽得各方面都不占优势（唯一的优势就是频率）的情况下，GTX680的综合性能能够超越HD7970，Kepler与南方群岛的架构孰优孰劣，相信大家已经心里有数了。

    GTX680详细的评测，请看《开普勒秒杀GCN！新卡皇GTX680首发评测》■