跨入GF100新时代!GeFroce GTX480评测

DirectX11技术回顾（2）

◆ OIT乱序透明

    OIT（透明独立叠加）乱序透明是一种对半透明物体的全新渲染方式，它不仅能够以更好的画面效果展示半透明物体（例如玻璃、水、火、烟雾等），同时还能够加快半透明物体的渲染速度。

    实际上，这一技术只是在DirectCompute 11中的一部分，不过目前得到实际应用的游戏还并不很多。

◆ 渲染后处理

　　进行后处理渲染的ROP单元在ATI的DX11架构当中也被改进了一部分，这其中就包括了最新的景深、运动模糊、环境光遮蔽、色调映射、边缘检测、平滑、锐化后处理多种特效的加入。新的算法同样进行了优化，不仅使得开发人员在编程时更加简便，同样还增加了运行效率，并且画面效果也得到了提升。

　　后处理效果同样是在DX11特效中的一个不小改进，其主旨在于让GPU获得更快的处理速度，并且还能够获得更好的显示效果。

◆ DirectX11纹理压缩

　　纹理压缩技术同样是一种不容易被玩家察觉的技术，微软表示在DX11当中，纹理压缩技术再次升级，尤其是在HDR纹理压缩方面首次提供了支持。虽然这一技术我们并不会看到，但是纹理压缩能够更好的节省显存，从侧面加快运行速度。

　　实际上，DX11还对一些其他特性进行了改动或者添加，不过这些改动或微不足道、或对游戏画质提升不大、或与GPU无关，因此本文就不再为大家复述了。接下来我们就结合NVIDIA的首款DX11产品，来为大家介绍一下NVIDIA在DX11方面的应用。
GTX400为DX11改进亮点

　　了解了微软在DX11方面做出的改进之后，接下来我们再来看看NVIDIA相对DX11方面做出的重要改进有哪些方面。

　　NVIDIA在DX11方面的改变非常巨大，尤其是在Tessellation（曲面细分）方面的改进，明显要比ATI的Radeon HD 5000系列产品更加明显。下面就是NVIDIA在GPU上为Tessellation做出重大改进的两个部分

　　为了加入Tessellation的支持，并且能够更好的保证执行效率，NVIDIA在每个SM阵列当中均加入了一组PolyMorph引擎（多形体引擎）以及Raster引擎（光栅引擎）。相比ATI的HD5000架构来说，拥有非常大的优势。

　　从NVIDIA官方公布的性能对比上来看，同样都具备Tessellation功能的HD5870和GTX480显卡在开启低曲面细分设置情况下，两者性能差距并不明显，而将曲面细分级别调制较高设定后，GTX480将会拥有非常明显的性能优势。究竟NVIDIA如何做到？接下来我们就来通过架构解析，为大家详细阐述。

　　之所以GTX400系列产品受关注度如此之高，并非简单的性能表现。GTX400在核心架构方面的巨大转变，同样是不少玩家们最为关注的焦点。上一页中，我们为大家简单归纳了一下GTX400系列产品在架构方面的改进。接下来我们就用一个较长的小节，为大家做GTX400的核心架构设计的全面介绍。

　　GTX400系列产品采用了GF100核心架构，而GF100核心架构又是从Fermi架构演变而来。但是Fermi不能直接与GF100划等号，因为Fermi架构代表了这一代产品的总体架构设计方式，而GF100则主要泛指Fermi架构针对GeForce产品设计演变而来的核心架构。后文中，我们将以GF100核心架构来为大家进行讲解，再次提醒GF100架构又不能完全等同于GTX480（这一点我们将在后文的规格介绍当中说明）。

◆ GF100架构总览

　　从NVIDIA的首款统一架构的G80开始，到今天的GF100产品，这已经是NVIDIA第三代统一架构产品。除了在架构方面的改进外，此次GF100的核心数量也再次得到了翻倍。

　　如果说Radeon HD 5870的核心架构酷似一个双核心处理器的话，那么此次NVIDIA发布的GF100核心就有点类似于四核心处理器的逻辑架构图了。从下图当中来看，GF100核心主要划分为Host Interface（主接口，负责PCI-E通讯传输，包括读取CPU指令等）、GigaThread Engine（主线程调度引擎）、4组Graphics Processing Clusters（后文简称GPC，图形处理集群，GPU的核心部分）、6组Memory Controller（显存控制器，每组显存控制器位宽为64bit，总位宽384bit）、L2 Cache（二级缓存，容量为768KB）、6组ROP单元（每组包含8个ROP，共48个）。

　　在GF100核心当中，共包括4组GPC部分，每组GPC又包括四个Streaming Multiprocessors（流式多处理器阵列，简称SM阵列），而每个SM阵列当中又包含了32个Core（NVIDIA称之为CUDA Core，CUDA核心，为了便于读者理解，后文当中我们依然延续NVIDIA原有的名称：流处理器）。在每个GPC当中，NVIDIA都增加了一组全新的Rester Engine（光栅引擎）。而在每组SM当中，NVIDIA还增加了同样全新设计的PolyMorph Engine（多形体引擎，执行曲面细分的主要单元）。Rester引擎以及PolyMorph引擎实际上是NVIDIA对GF100核心架构做出的最大变化。

　　在GPU通过主接口获取了CPU的指令之后，GigaThread引擎将会从系统当中调取GPU所需计算的数据，并且拷贝到存储器当中。随后，GigaThread引擎将这些数据为不同的SM创建和分派线程块。每组SM会将GigaThread引擎分配来的线程块分配至Warp（32个线程的群组，后文当中为大家详细介绍），再由Warp调度器重新分配为线程，并由分派单元派发至每个CUDA核心或者其他执行单元上。

　　当然，GPU当中的执行并不会总是如此顺利。如果此时某一个SM阵列当中的工作出现无法完成的情况，例如在完成了Tessellation（曲面细分）以及光栅化之后即将进入其他流程，但是单个SM阵列无法完成全部工作，那么GigaThread引擎能够将这些已完成的数据重新分配到其他的SM阵列当中，从而提高执行效率，避免了因为某一个SM阵列数据量过大，导致所有SM阵列空循环。

◆ 对比GT200核心架构

　　前面我们对GF100核心架构有了一个大概的认识，想要了解GF100在核心架构方面究竟发生了哪些变化，我们还是要再来看看当年NVIDIA的GT200显示核心架构：

　　从GT200的核心架构图来看，GF100的设计思路虽然还在遵循一些GT200的痕迹，不过显然GF100在不少方面已经发生了翻天覆地的变化。这其中包括NVIDIA在每组GPC以及SM阵列当中引入的Rester引擎（原有的光栅引擎重新设计并且位置也发生了变化）以及PolyMorph引擎。除了两个全新引擎，每个SM阵列的规格、设计也发生了较大的改变。

　　当然，在GT200核心架构当中，并没有引入GPC这一概念。NVIDIA实际上更想通过这样的架构设计，让未来产品（例如中端、入门级等）的等级划分更加容易。关于这一点，我们会在后文中的NVIDIA未来产品线预测中，为大家更详细的介绍。

GF100新单元，GPC架构

　　想要一两句说明NVIDIA的GF100架构显然不切实际，在我们对GF100核心架构总体有一定的了解之后，接下来我们将GF100核心拆分开来，一一为大家介绍GF100架构图当中的每个细节。

◆ GPC架构解析

    前面我们介绍了，GF100核心当中总共由四组GPC（Graphics Processing Clusters，图形处理集群）组成。那么，接下来我们就来仔细了解一下这个全新的GPC单元当中的内部架构是如何设计的。

　　在每个GPC当中，都会包括一个Raster Engine（光栅引擎，顶部黄色横条）以及最多四组SM（Streaming Multiprocessors，后文统一采用SM阵列简称，不再复述）阵列。注意，我们这里说到的是每个GPC内最多有四组SM阵列，NVIDIA会根据情况对GPC内的SM单元进行削减。例如在GTX480核心当中，就削减掉了一个GPC当中的一组SM阵列，也就是说其中三组GPC均有四个SM阵列，而另外一组GPC当中仅有三组SM阵列。

    GPC是GF100当中的一个重要模块，也是NVIDIA在统一架构产品当中首次引入的概念。在每个GPC当中，都增加了一个Raster Engine（光栅引擎）。除此以外，每个GPC几乎都可以被看成是一个完整的GPU小核心，因为每个GPC当中均包括了能够对定点、几何、光栅、纹理以及像素处理的功能。可以说，除了ROP功能外，GPC几乎已经能够完成绝大部分的图形处理工作。如果NVIDIA对整体GPC进行削减，那么也将会是一件非常容易的事情。我们猜测这对产品线架构的划分，会非常有利。

◆ GPC设计的优势

    几乎等同于单个GPU的GPC部分，在每个GF100核心当中均拥有四组。如此一来，NVIDIA想要在中端、主流级以及入门级显卡当中重新调整核心架构就显得相当容易了。因为NVIDIA仅需要对GPC数量进行调整，几乎就可以完成对不同等级显卡的划分。而在具体到每个系列产品的结构划分当中，NVIDIA又可以根据产品的良品率适时的削减SM阵列。这样一来，NVIDIA不仅能够将产品线划分得更细，同时对于晶圆的良品率也起到了间接的提升作用，可谓一举两得。

　　或许有读者会说，NVIDIA原有的SM阵列屏蔽方式不也一样能够起到等级划分的作用么？没错，如果NVIDIA的设计思路依然停留在GT200的时代，那么原有的等级划分方式确实有效，不过在引入了全新的Raster引擎以及Polymorph引擎之后，单纯屏蔽SM阵列的方法显然就不再那么合适了。

变化巨大 SM架构解析

　　既然NVIDIA宣称在GF100上采用了第三代流式多处理器（Streaming Multiprocessors，简称SM阵列）设计，那么我们接下来就再来看看，NVIDIA在SM阵列设计上发生了什么样的变化。

　　NVIDIA表示，在第三代SM阵列架构方面引入了多项改进，能够让SM阵列性能更加强大，并且在可编程方面以及效率方面也将会获得很高的提升。

◆ 流式多处理器（SM）解析

　　NVIDIA每次进行架构方面的调整，都会对SM阵列当中的流处理器（在GF100中，NVIDIA称之为CUDA Core，CUDA核心）数量进行调整。在G80当中，每组SM阵列包含有16个流处理器；而到了GT200核心之后，SM阵列当中增加到了24个；最新的GF100当中则提升到了32个。另外，除了最新的GF100，原有的G80以及GT200核心当中，均为8个流处理器为一组，G80的一个SM当中包含两组，GT200的SM当中为三组。在GF100核心当中，不再刻意为流处理器核心进行分组：

　　从图中可以看到，每个SM阵列均包含了一个Instruction Cache（顶部蓝色方框，指令高速缓存，负责接收存储线程块）、两个Warp Scheduter（第二行两个橙色方框，Warp调度器，负责为后面的Core将线程块分解为线程）、两个Dispatch Unit（第三行两个橙色方框，分派单元，负责分派由Warp调度器分配后的指令）、Register File（第四行蓝色方框，寄存器文件，存储分派单元的warp）、32个CUDA Core（绿色正方形方框，CUDA核心，负责运算指令）、16个Load/Store Unit（核心右侧标有“LD/ST”的绿色方框，载入/存储单元，负责运算线程地址）、4个Special Function Unit（最右侧标有“SFU”的绿色方框，特殊功能单元，负责执行其他抽象指令）、64KB Shared Memory/L1 Cache（倒数第5行蓝色方框，64KB高速缓存，可灵活划分为共享存储器和L1缓存使用）、Uniform Cache（倒数第四行蓝色方框，统一高速缓存）、4个Texture Unit（倒数第三行深蓝色方框，纹理单元，进行纹理填充）、Texture Cache（倒数第二行蓝色方框，纹理高速缓存）以及PolyMorph Engine（最下一行黄色方框，多形体引擎，曲面细分的主要部分）。

    在简单的了解了SM阵列当中的构造之后，下面我们继续将SM拆分开来，仔细的为大家介绍一下SM当中这些名称复杂的单元究竟如何运作的。
GPU最小执行单位Core