NVIDIA Fermi GF100游戏架构全解析

2009年十一期间，NVIDIA第一次向我们展示了代号Fermi的全新图形架构，不过几乎完全是关于通用计算的，展示了NVIDIA开辟新领域的决心。到了今年初的CES 2010上，NVIDIA终于首次公开拿出了Fermi架构高端型号GF100，展示立体多屏环绕技术3D Vision Surround的同时，内部运行了几个新的演示DEMO。

今天，NVIDIA终于公开了Fermi GF100在游戏架构方面的诸多特性，这才是普通消费者最为关心的，也是我们要和大家分享的。


不过我们仍未看到最终零售版的GF100显卡，不少关键的核心参数也暂时缺失，所以如果你急切地想知道下边这些内容，抱歉要失望了。

－ 核心面积
－ 时钟频率
－ 产品型号
－ 实际功耗
－ 零售价格
－ 游戏性能

Fermi芯片至今仍未开始真正的批量生产，而核心面积在很大程度上决定着良品率，良品率又是时钟频率的前提，功耗和性能又都是建立在频率基础上，它们又都是价格的组成要素。当然了，GF100必须要比Radeon HD 5870速度更快，而且领先幅度要尽量高；功耗和价格也已经不可避免地要更高，只看能控制到什么程度了。

下边是2009年9月1日拍摄的Fermi GF100内核照片：


一、GF100游戏架构的两颗新心脏

我们已经知道，GF100采用台积电40nm工艺制造，集成大约30亿个晶体管，包含512个流处理器(SP)，或者按照NVIDIA官方的说法是CUDA核心。32个这种核心组成一个流式多处理器阵列(SM)，然后再四个组成一个图形处理集群(GPC)。GF100就是这样的三层分级架构：4个GPC、16个SM、512个SP。

此外GF100还有64个纹理寻址单元、256个纹理过滤单元、48个ROP单元，显存位宽384-bit，搭配GDDR5颗粒。核心/Shader/显存频率都没有定夺，显存容量也尚待确定。
  GF100 GTX 295 GTX 285 9800 GTX+ 流处理器 512 2 x 240 240 128 纹理寻址/过滤单元 64/256 2 x 80 / 80 80 / 80 64 / 64 ROP单元 48 2x 28 32 16 核心频率 ? 576MHz 648MHz 738MHz Shader频率 ? 1242MHz 1476MHz 1836MHz 显存频率 ? GDDR5 999MHz GDDR3 1242MHz GDDR3 1100MHz GDDR3 显存带宽 384-bit 2 x 448-bit 512-bit 256-bit 显存容量 ? 2 x 896MB 1GB 512MB 晶体管 3B 2 x 1.4B 1.4B 754M 制造工艺 TSMC 40nm TSMC 55nm TSMC 55nm TSMC 55nm 价格 $? $500 $400 $150 - 200

先看一下NVIDIA最新公布的比较详尽的GF100架构图，接下来我们就详细阐述其中的几个重点之处。

NVIDIA声称Fermi GF100是一个全新架构并非没有道理。不但是通用计算方面，游戏方面它也发生了翻天覆地的变化，几乎每一个原有模块都进行了重组：有的砍掉了，有的转移了，有的增强了，还有新增的光栅引擎(Raster Engine)和多形体引擎(PolyMorph Engine)。


光栅引擎严格来说光栅引擎并非全新硬件，只是此前所有光栅化处理硬件单元的组合，以流水线的方式执行边缘/三角形设定(Edge/Triangle Setup)、光栅化(Rasterization)、Z轴压缩(Z-Culling)等操作，每个时钟循环周期处理8个像素。GF100有四个光栅引擎，每组GPC分配一个，整个核心每周期可处理32个像素。


多形体引擎则要负责顶点拾取(Vertex Fetch)、细分曲面(Tessellation)、视口转换(Viewport Transform)、属性设定(Attribute Setup)、流输出(Stream Output)等五个方面的处理工作，DX11中最大的变化之一细分曲面单元(Tessellator)就在这里。GF100中有16个多形体引擎，每组SM一个，亦即每组GPC四个。


多形体引擎绝非几何单元改头换面、增强15倍而已，它融合了之前的固定功能硬件单元，使之成为一个有机整体。虽然每一个多形体引擎都是简单的顺序设计，但16个作为一体就能像CPU那样进行乱序执行(OoO)了，也就是趋向于并行处理。NVIDIA还特地为这些多形体引擎设置了一个专用通信通道，让它们在任务处理中维持整体性。

当然，这种变化复杂得要命，也消耗了NVIDIA工程师无数的精力、资源和时间。事实上可以这么说，多形体引擎正是GF100核心最大的变化所在，也是它无法在去年及时发布的最大原因。NVIDIA产品营销副总裁Ujesh Desai说过这么一句话：设计这么大的GPU实在是太TMD难了。其实，他指的并不是30亿个晶体管。

这么做也是不得已而为之。考虑到细分曲面单元的几何复杂性，固定功能流水线已经不适用，整个流水线都需要重新平衡。通过多形体引擎的并行设计，几何硬件不再受任何固定单元流水线的局限，可以根据芯片尺寸弹性伸缩。和之前的GT200/G92以及AMD相比，GF100走上了另一条路，而且颇有要做CPU的架势。


在每一组SM阵列里，纹理单元、一二级缓存、ROP单元和各个单元的频率也都完全不同于以往。每组SM里四个纹理单元，合伙使用12KB一级纹理缓存，并和整个芯片共享768KB二级缓存。每个纹理单元每周期可计算一个纹理寻址、拾取四个纹理采样，并支持DX11新的压缩纹理格式。

ROP单元总共48个，分为六组，分别搭配一个64-bit显存通道。所有ROP单元和整个芯片共享768KB二级缓存(GT200里是独享)。

除了ROP单元和二级缓存，几乎其他所有单元的频率都和Shader频率(NVIDIA暂称之为GPC频率)关联在一起：一级缓存和Sahder单元本身是全速，纹理单元、光栅引擎、多形体引擎则都是一半。对于GF100来说，想超频的话很多地方都要重新来过了。


二、NVIDIA为何如此关注几何性能

在微软DX11规范的严格限制下，留给NVIDIA(还有AMD)自由发挥的空间并不大：不遵从当然不行，完全照搬就缺乏特色，自行其事又可能只是无用功。最终，NVIDIA选择了在速度上做文章。

从NV30 GeForce FX 5800到GT200 GeForce GTX 280，NVIDIA显卡的几何性能只提高了不到3倍，而Shader性能提升了150多倍，但仅仅是从GT200到GF100，几何性能的增长倍数就达到了8x。

有了如此强大的几何性能，NVIDIA就可以使用细分曲面和置换贴图创建更复杂的人物、物体和场景，并保持和对手同样水平的性能，所以才有了16个多形体引擎和4个光栅引擎。

细分曲面是AMD DX11产品的宣传重点，但NVIDIA要做得复杂得多，而且理论上说效果更出色。接下来NVIDIA要做的就是让游戏开发商充分挖掘GF100架构的潜力，在保证性能的基础上做出更精致的游戏画面。



细分曲面渲染过程示意图

NVIDIA水面细分曲面DEMO