DirectX支配游戲！歷代GPU架構(gòu)全解析
★ 首款DX10顯卡——GeForce 8800
無論從哪個方面來看，GeForce 8800與DX9時代的Radeon 9700都非常相似，微軟的新一代API尚未正式發(fā)布，而新顯卡居然開賣了大半年，雖然沒有新游戲的支持，但在老游戲下的性能依然非常完美。因此每一代成功的顯卡最關(guān)鍵的還不是API，還是核心架構(gòu)。DX10是API的又一次革命，而G80則是GPU架構(gòu)的一次偉大革命：
如果說R580像素與紋理3:1的比例讓人很費解的話，那么G80的流處理器設(shè)計則讓用戶們一頭霧水：從G71的24條像素管線一下變成了128個流處理器，哪來的這么多？
傳統(tǒng)的GPU Shader架構(gòu)
傳統(tǒng)的Shader不管是像素還是頂點，其實都是SIMD（單指令多數(shù)據(jù)流）結(jié)構(gòu)，就是個4D矢量處理器，可以一次性的改變像素的RGBA數(shù)據(jù)或者頂點的XYZW數(shù)據(jù)。而G80的流處理器則是1D標量處理器，它一次只能計算像素和頂點4個數(shù)據(jù)中的1個，如此說來效率豈不是很低？
當然不是，因為隨著游戲的發(fā)展，GPU所要處理的指令已經(jīng)不是4D這種常規(guī)數(shù)據(jù)流了，進入DX10時代后Z緩沖區(qū)（1D）或紋理存?。?D）等非4D指令所占比重越來越多，此時傳統(tǒng)的Shader單元在執(zhí)行此類指令時的效率會降至1/2甚至1/4，即便有Co-issue技術(shù)的支持效率改進也十分有限。
G80的SP
而G80 1D標量流處理器執(zhí)行各種類型指令時的效率都能達到100%，這也就是NVIDIA對于GPU架構(gòu)大換血的主要目的。G80的這種架構(gòu)被稱為MIMD（多指令多數(shù)據(jù)流），其特色就是執(zhí)行效率非常高，但也不是沒有缺點，理論運算能力偏低、晶體管消耗較大，當然由于對手產(chǎn)品實力不行，這些缺點在很長一段時間內(nèi)都沒有被發(fā)現(xiàn)。
而且NVIDIA的1D標量流處理器還可以異步工作在超高頻率之下，一般是GPU核心頻率的兩倍，由此大幅提升了渲染能力。這一技術(shù)ATI至今都未能實現(xiàn)。
★ ATI的DX10圖形架構(gòu)——R600
與革命性的G80架構(gòu)不同，R600身上有很多傳統(tǒng)GPU的影子，其Stream Processing Units很像上代的Shader Units，它依然是傳統(tǒng)的SIMD架構(gòu)。
R600擁有4個SIMD陣列，每個SIMD陣列包括了16個Stream Processing Units，這樣總共就是64個，但不能簡單地認為它擁有64個流處理器，因為R600的每個Units內(nèi)部包含了5個ALU：
我們來仔細看看R600的流處理器架構(gòu)：Branch Execution Unit（分歧執(zhí)行單元）就是指令發(fā)射和控制器，它獲得指令包后將會安排至它管轄下5個ALU，進行流控制和條件運算。General Purpose Registers（通用寄存器）存儲輸入數(shù)據(jù)、臨時數(shù)值和輸出數(shù)據(jù)，并不存放指令。
由于內(nèi)部的5個1D ALU共享同一個指令發(fā)射端口，因此宏觀上R600應(yīng)該算是SIMD（單指令多數(shù)據(jù)流）的5D矢量架構(gòu)。但是R600內(nèi)部的這5個ALU與傳統(tǒng)GPU的ALU有所不同，它們是各自獨立能夠處理任意組合的1D/2D/3D/4D/5D指令，完美支持Co-issue（矢量指令和標量指令并行執(zhí)行），因此微觀上可以將其稱為5D Superscalar超標量架構(gòu)。
通過上圖就可以清楚的看到，單指令多數(shù)據(jù)流的超標量架構(gòu)可以執(zhí)行任意組合形式的混合指令，在一個Stream Processing Units內(nèi)部的5個ALU可以在單時鐘周期內(nèi)進行5次MAD（Multiply-Add，乘加）運算，其中比較“胖”的ALU除了MAD之外還能執(zhí)行一些函數(shù)（SIN、COS、LOG、EXP等）運算，在特殊條件下提高運算效率！
現(xiàn)在我們就知道R600確實擁有64x5=320個流處理器。R600的流處理器之所以能比G80多好幾倍就是得益于SIMD架構(gòu)，可以用較少的晶體管堆積出龐大規(guī)模的流處理器。但是在指令執(zhí)行效率方面，SIMD架構(gòu)非常依賴于將離散指令重新打包組合的算法和效率，正所謂有得必有失。
★ 總結(jié)：DX10架構(gòu)G80笑到了最后
通過前面的分析我們可以初步得出這樣的結(jié)論：G80的MIMD標量架構(gòu)需要占用額外的晶體管數(shù)，在流處理器數(shù)量和理論運算能力方面比較吃虧，但卻能保證超高的執(zhí)行效率；而R600的SIMD超標量架構(gòu)可以用較少的晶體管數(shù)獲得很多的流處理器數(shù)量和理論運算能力，但執(zhí)行效率方面卻不如人意。
G80的架構(gòu)顯然要比R600改進更為徹底，所以打從一開始G80/G92就遙遙領(lǐng)先與R600/RV670，其后續(xù)產(chǎn)品GT200一如既往的保持領(lǐng)先優(yōu)勢，但幅度沒有G80那么大了，因為R600的架構(gòu)的特性就是通過數(shù)量彌補效率的不足。
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