NVIDIA架构之路：从MIMD到SIMT

    开普勒目前发布了两款显卡：GTX680和GTX690，而这两款显卡都是基于GK104核心。下面我们就介绍一下这款杰出的GPU架构。

    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。