论文部分内容阅读
NVIDIA产品在2011年的表现可谓顺风顺水，无论在桌面还是移动平台上，市场份额、营收、利润等都有比较不错的表现。不过在2011年底，AMD抢先发布的Radeon HD 7970似乎给NVIDIA当头一棒，抢走了不少风头。经过大约3个月的蛰伏后，NVIDIA也终于开启了自己的28nm时代，全新开普勒架构正式发布，NVIDIA带给了用户一款功耗更低、晶体管更少、核心更小、功能更多、性能更强大的产品——GeForce GTX 680。
提升性能功耗比——开普勒家族首次出击
开普勒架构代号早在2010年就已经曝光，但发布之前外界对这款架构的各种参数基本上一无所知。从实际发布的情况来看，开普勒相对之前的Fermi（费米）架构做出了极大的改进。费米架构在DirectX 11的支持以及通用计算性能、包括双精度性能方面拥有相当优秀的表现。但是费米架构的缺点也比较明显，那就是每瓦特性能不高，功耗较大，这在实际产品中表现也比较明显，大部分N卡的功耗都会比同档次的A卡高出不少，性能功耗比甚至只有对手的70%。
因此，NVIDIA在开普勒架构上的重点在于提升性能功耗比，NVIDIA表示，开普勒的每瓦特双精度浮点性能将比前代产品提升2倍左右。为了达到这个目标，NVIDIA重新设计了开普勒的架构，在内部CUDA核心上作出彻底的重制，放弃了之前的SM核心，改为全新设计的SMX核心。
SM核心是之前的费米架构产品的基本结构。一个SM结构基本囊括了GPU中主要的功能，是NVIDIA设计GPU的最小功能模块。在确定了SM结构后，NVIDIA就可以分别开启或者关闭、添加或者删除SM模块来获得不同性能档次的产品。在开普勒架构中，SM升级到了SMX，但是基本结构依旧没有变化。比如GK104中有8个SMX，与此相对的是GF114中也有8个SM。但是SMX中CUDA Core的数量大幅度增加，之前的GF114每个SM中只有48个CUDA Core，但是新的SMX大幅度增加到了192个，数量是前代产品的4倍。
目前NVIDIA没有具体说明新的CUDA Core内部结构如何，但是从各种消息来看，新的CUDA Core应该完全不同于过去。传统的CUDA Core中每一个都拥有完整的FPU和ALU，也拥有相应的指令分派设计，新的CUDA Core应该很难在晶体管规模增长有限的情况下做到大幅度提升CUDA Core数量的设计，因此肯定内部做出了大幅度精简设计并增加了计算单元的规模。
除此之外，仅从架构图来看，开普勒在宏观架构上相比费米没有做出太大幅度的改善。不过从G80开始直到到GT200，然后到费米，NVIDIA的宏观架构层面已经相当优秀，开普勒予以沿用也是正常的。
目前开普勒家族只有一款产品，也就是GeForce GTX680。这款显卡拥有1536个CUDA核心，GPU基准频率为1006MHz，Boost频率平均值为1058MHz（最大达到1200MHz）。GeForce GTX680的使用GK104芯片，拥有35亿晶体管，核心面积294平方毫米，浮点运算能力为3.09TFLOPS。显存方面，显存位宽256bit，频率高达6008MHz，显存容量则维持比较传统的2GB。TDP满载功耗最高只有195W，供电使用6+6pin接口。外接方面，这款显卡支持三屏输出，单卡可以支持三屏幕同时显示，也支持3D Vision Surround技术，也算是NVIDIA对AMD的Eyefinity的正式回击。
自动频率调节是亮点——GPU性能发展新方向
传统的GPU频率除了分为2D、3D、视频播放等频率外，在最高频率上一般是固定的。也就是说频率无法自动调整上限。实际上GPU在运行的过程中，很难达到TDP上限。GPU作为一颗庞大的芯片，内部并非时时刻刻所有部件都处于满载状态，因此在实际游戏运行中，GPU本身热量功耗要比TDP值低不少。在这种情况下可以考虑略微提升GPU频率来获得更强性能同时又不会超出TDP上限。
这就是开普勒上GPU Boost技术的原理。根据NVIDA说明，开普勒GPU存在基础频率和Boost频率两种。其中GeForce GTX680的基础频率为1006MHz，Boost频率不定，但是基本都会在1058MHz附近浮动。实际上在运行中GeForce GTX680的频率也会超出1058MHz不少，甚至达到1200MHz。目前开普勒的GPU Boost属于第一代智能频率调节技术，性能和频率调节幅度并不大。不过意义非常明显，自动调节频率属于有效使用能源的一种方法，在控制功耗范围内给用户更好的效能。
全新的垂直同步和抗锯齿技术
垂直同步技术用于保证画面稳定性，降低画面撕裂非常有效。不过垂直同步技术在使用时也存在一定缺陷，这就是在游戏帧数低于60帧时，会发生图像顿挫等现象。NVIDIA开发了新的自适应垂直同步技术，在图像帧数低于60帧和高于60帧时，让帧数变动不会大起大落，而是平滑流畅。此外，NVIDIA还添加了30帧作为“半垂直同步”，在一些要求不高的RTS、MMPRPG游戏中，30帧不但可以保证画面流畅稳定，还能在一定程度上节约能耗。
此外，NVIDIA又给出了全新的TXAA技术，号称能在2XMSAA的资源消耗下，达到8XMSAA的效果，或者在4XMSAA的资源消耗下远超8XMSAA的效能。全新的TXAA很快会在大量新的游戏引擎和大作中施展拳脚。
性能和功耗双惊喜——GeForce GTX 680轻取AMD
根据NVIDIA官方资料和部分实测，GeForce GTX680在1080p分辨率下相比AMD Radeon HD7970有大约10%～15%的性能领先幅度，部分游戏中甚至会超过30%，当分辨率进一步提高到2560×1600后，GeForce GTX680依旧保持10%左右的领先。总的来看，GeForce GTX680非常优秀地完成了自己的任务，对AMD的新品形成了有力阻击。和性能提升不同的是，GeForce GTX680在功耗控制方面令人惊讶。整机满载功耗比使用Radeon HD7970的产品还要低10～20W，在温度方面表现虽然没有特别的亮点，但公版噪音控制极好，除了满载时略微有一些风声外，基本不存在噪音吵人的问题。
NVIDIA的野望
没错，这颗芯片拥有太多令人惊喜的地方，强大的性能、GPU频率自动调节、较低的功耗、超高的能耗比表现、特色的TXAA以及自适应垂直同步等，都是显卡发展上的新里程碑。不过这并不是终点，GK104是一颗定位于游戏玩家和主流市场的产品，它的双精度浮点性能等还不够令用户特别是专业用户满意。因此NVIDIA还将继续推出GK110，这颗巨无霸的芯片在幕后已经开始摩拳擦掌，随时可能出现，然后给市场更强烈的震动。
提升性能功耗比——开普勒家族首次出击
开普勒架构代号早在2010年就已经曝光，但发布之前外界对这款架构的各种参数基本上一无所知。从实际发布的情况来看，开普勒相对之前的Fermi（费米）架构做出了极大的改进。费米架构在DirectX 11的支持以及通用计算性能、包括双精度性能方面拥有相当优秀的表现。但是费米架构的缺点也比较明显，那就是每瓦特性能不高，功耗较大，这在实际产品中表现也比较明显，大部分N卡的功耗都会比同档次的A卡高出不少，性能功耗比甚至只有对手的70%。
因此，NVIDIA在开普勒架构上的重点在于提升性能功耗比，NVIDIA表示，开普勒的每瓦特双精度浮点性能将比前代产品提升2倍左右。为了达到这个目标，NVIDIA重新设计了开普勒的架构，在内部CUDA核心上作出彻底的重制，放弃了之前的SM核心，改为全新设计的SMX核心。
SM核心是之前的费米架构产品的基本结构。一个SM结构基本囊括了GPU中主要的功能，是NVIDIA设计GPU的最小功能模块。在确定了SM结构后，NVIDIA就可以分别开启或者关闭、添加或者删除SM模块来获得不同性能档次的产品。在开普勒架构中，SM升级到了SMX，但是基本结构依旧没有变化。比如GK104中有8个SMX，与此相对的是GF114中也有8个SM。但是SMX中CUDA Core的数量大幅度增加，之前的GF114每个SM中只有48个CUDA Core，但是新的SMX大幅度增加到了192个，数量是前代产品的4倍。
目前NVIDIA没有具体说明新的CUDA Core内部结构如何，但是从各种消息来看，新的CUDA Core应该完全不同于过去。传统的CUDA Core中每一个都拥有完整的FPU和ALU，也拥有相应的指令分派设计，新的CUDA Core应该很难在晶体管规模增长有限的情况下做到大幅度提升CUDA Core数量的设计，因此肯定内部做出了大幅度精简设计并增加了计算单元的规模。
除此之外，仅从架构图来看，开普勒在宏观架构上相比费米没有做出太大幅度的改善。不过从G80开始直到到GT200，然后到费米，NVIDIA的宏观架构层面已经相当优秀，开普勒予以沿用也是正常的。
目前开普勒家族只有一款产品，也就是GeForce GTX680。这款显卡拥有1536个CUDA核心，GPU基准频率为1006MHz，Boost频率平均值为1058MHz（最大达到1200MHz）。GeForce GTX680的使用GK104芯片，拥有35亿晶体管，核心面积294平方毫米，浮点运算能力为3.09TFLOPS。显存方面，显存位宽256bit，频率高达6008MHz，显存容量则维持比较传统的2GB。TDP满载功耗最高只有195W，供电使用6+6pin接口。外接方面，这款显卡支持三屏输出，单卡可以支持三屏幕同时显示，也支持3D Vision Surround技术，也算是NVIDIA对AMD的Eyefinity的正式回击。
自动频率调节是亮点——GPU性能发展新方向
传统的GPU频率除了分为2D、3D、视频播放等频率外，在最高频率上一般是固定的。也就是说频率无法自动调整上限。实际上GPU在运行的过程中，很难达到TDP上限。GPU作为一颗庞大的芯片，内部并非时时刻刻所有部件都处于满载状态，因此在实际游戏运行中，GPU本身热量功耗要比TDP值低不少。在这种情况下可以考虑略微提升GPU频率来获得更强性能同时又不会超出TDP上限。
这就是开普勒上GPU Boost技术的原理。根据NVIDA说明，开普勒GPU存在基础频率和Boost频率两种。其中GeForce GTX680的基础频率为1006MHz，Boost频率不定，但是基本都会在1058MHz附近浮动。实际上在运行中GeForce GTX680的频率也会超出1058MHz不少，甚至达到1200MHz。目前开普勒的GPU Boost属于第一代智能频率调节技术，性能和频率调节幅度并不大。不过意义非常明显，自动调节频率属于有效使用能源的一种方法，在控制功耗范围内给用户更好的效能。
全新的垂直同步和抗锯齿技术
垂直同步技术用于保证画面稳定性，降低画面撕裂非常有效。不过垂直同步技术在使用时也存在一定缺陷，这就是在游戏帧数低于60帧时，会发生图像顿挫等现象。NVIDIA开发了新的自适应垂直同步技术，在图像帧数低于60帧和高于60帧时，让帧数变动不会大起大落，而是平滑流畅。此外，NVIDIA还添加了30帧作为“半垂直同步”，在一些要求不高的RTS、MMPRPG游戏中，30帧不但可以保证画面流畅稳定，还能在一定程度上节约能耗。
此外，NVIDIA又给出了全新的TXAA技术，号称能在2XMSAA的资源消耗下，达到8XMSAA的效果，或者在4XMSAA的资源消耗下远超8XMSAA的效能。全新的TXAA很快会在大量新的游戏引擎和大作中施展拳脚。
性能和功耗双惊喜——GeForce GTX 680轻取AMD
根据NVIDIA官方资料和部分实测，GeForce GTX680在1080p分辨率下相比AMD Radeon HD7970有大约10%～15%的性能领先幅度，部分游戏中甚至会超过30%，当分辨率进一步提高到2560×1600后，GeForce GTX680依旧保持10%左右的领先。总的来看，GeForce GTX680非常优秀地完成了自己的任务，对AMD的新品形成了有力阻击。和性能提升不同的是，GeForce GTX680在功耗控制方面令人惊讶。整机满载功耗比使用Radeon HD7970的产品还要低10～20W，在温度方面表现虽然没有特别的亮点，但公版噪音控制极好，除了满载时略微有一些风声外，基本不存在噪音吵人的问题。
NVIDIA的野望
没错，这颗芯片拥有太多令人惊喜的地方，强大的性能、GPU频率自动调节、较低的功耗、超高的能耗比表现、特色的TXAA以及自适应垂直同步等，都是显卡发展上的新里程碑。不过这并不是终点，GK104是一颗定位于游戏玩家和主流市场的产品，它的双精度浮点性能等还不够令用户特别是专业用户满意。因此NVIDIA还将继续推出GK110，这颗巨无霸的芯片在幕后已经开始摩拳擦掌，随时可能出现，然后给市场更强烈的震动。