AMD全新GPU架構(gòu)解析 性能提升14％功耗降低23％

E3 2019游戲大會(huì)期間，AMD正式發(fā)布了基于7nm新工藝、Navi新核心、RDNA新架構(gòu)的新一代顯卡Radeon RX 5700系列，包括RX 5700 XT、RX 5700兩款型號(hào)，均面向規(guī)模最為龐大的甜點(diǎn)級(jí)市場(chǎng)和主流游戲玩家。

AMD發(fā)布的新一代RX 5700系列顯卡基于7nm新工藝和Navi新核心，而在底層是全新的RDNA架構(gòu)，已經(jīng)走過(guò)七年半的GCN架構(gòu)就此揮手作別。

這些年來(lái)，很多用戶玩家尤其是A飯一直期待一個(gè)全新的GPU架構(gòu)，但這種事兒的難度遠(yuǎn)超一般人想象，某種程度上設(shè)計(jì)一個(gè)新的GPU架構(gòu)甚至要比設(shè)計(jì)一個(gè)新的CPU架構(gòu)還要難。RDNA架構(gòu)就花費(fèi)了AMD研發(fā)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)達(dá)四年的時(shí)間，凝聚了無(wú)數(shù)人的心血，也開(kāi)啟了AMD顯卡歷史上第五代重大架構(gòu)的新時(shí)代。

2000年前，R100核心是A卡的第一代架構(gòu)，用的還是固定單元設(shè)計(jì)，3D幾何轉(zhuǎn)換和光照效果如今看起來(lái)都極為原始。

2001-2007年的R200-R500是第二代架構(gòu)，簡(jiǎn)單的VS紋理著色器、PS像素著色器分離式設(shè)計(jì)，不同的只是比例不同，整個(gè)渲染流水線就像一個(gè)單通道的單行道。

2008-2011年的第三代TeraScale架構(gòu)(代表核心R600)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)飛躍，VS、PS融合為統(tǒng)一著色器，也就是我們常說(shuō)的流處理器，支持VLIW(超長(zhǎng)指令字)，然后就是2011-2019年的GCN架構(gòu)(代表核心Southern Islands)，統(tǒng)一著色器加獨(dú)立的標(biāo)量、矢量單元，二者比例為1:4。

如今，迎來(lái)了全新的RDNA(Radeon DNA)，還是統(tǒng)一著色器，但標(biāo)量和矢量單元走向融合，支持SIMT(單指令多線程) ILP(指令集并行)，類(lèi)似CPU處理器的SIMD(單指令多數(shù)據(jù)流)，單線程性能和指令集執(zhí)行效率大大提升。

需要強(qiáng)調(diào)的是，RDNA是一個(gè)全方位重新設(shè)計(jì)的架構(gòu)，并不是GCN的又一個(gè)升級(jí)版，也不是與GCN的混合體，只是集成了GCN架構(gòu)的指令以保持向下兼容，現(xiàn)有技術(shù)仍然可以在RDNA架構(gòu)上得到支持。

RDNA架構(gòu)將是AMD GPU顯卡未來(lái)多年的基石，接下來(lái)我們將看到采用7nm+工藝的第二代版本RDNA 2，看路線圖有望明年初和我們見(jiàn)面。

除了RDNA新架構(gòu)，Navi核心還有7nm工藝、GDDR6顯存、PCIe 4.0總線、Radeon媒體引擎、Radeon顯示引擎等諸多全新特性。

Navi 10核心集成了103億個(gè)晶體管，相比Vega 64 125億個(gè)少了大約18％，而核心面積只有251平方毫米，相比Vega 64 495平方毫米更是小了足足一半，因此單位面積性能提升了足足1.3倍。

盡管晶體管更少、面積更小，Navi 10核心的性能相比于Vega 64卻提升了14％，同時(shí)功耗降低了23％，能效比因此大漲50％。

純架構(gòu)性能上，Navi相比于Vega在同等功耗、同等配置下提升多達(dá)50％，反應(yīng)到實(shí)際產(chǎn)品上，這貢獻(xiàn)了產(chǎn)品性能提升的60％左右，另外有大約25％來(lái)自7nm新工藝的加持，還有約15％來(lái)自頻率以及功耗的改進(jìn)。

AMD表示，RDNA架構(gòu)的設(shè)計(jì)理念主要有四個(gè)方面，性能上要滿足在現(xiàn)代游戲負(fù)載需求，能效上要充分優(yōu)化功耗和帶寬利用率，功能上要壯大生態(tài)，擴(kuò)展性上要從移動(dòng)到桌面到云端通吃。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，RDNA架構(gòu)主要從三大方面進(jìn)行了變革，包括CU計(jì)算單元、緩存、流水線，接下來(lái)我們逐一和大家分享，但鑒于GPU架構(gòu)的技術(shù)性太強(qiáng)，我們只是蜻蜓點(diǎn)水地大致看一下，最后還有AMD關(guān)于光線追蹤的規(guī)劃。

新的計(jì)算單元設(shè)計(jì)一共分為40組，每組2個(gè)標(biāo)量處理器、64個(gè)流處理器、4個(gè)64位雙線性過(guò)濾單元，總計(jì)80個(gè)、2560個(gè)、160個(gè)，執(zhí)行延遲更低，單線程性能更強(qiáng)，緩存效率更高，整體計(jì)算能效比GCN架構(gòu)有著巨大的提升，而且可適應(yīng)從游戲到計(jì)算各種負(fù)載。

多級(jí)緩存一致性可以帶來(lái)更低的延遲、更高的帶寬、更低的功耗，包括各處零級(jí)緩存、512KB一級(jí)緩存、4MB二級(jí)緩存。

整個(gè)圖形引擎也做了重新調(diào)整，更加順暢高效，包括幾何引擎、64個(gè)紋理單元、4個(gè)異步計(jì)算引擎(ACE)，負(fù)載分配更加均衡，可以在更低的功耗下達(dá)成更高的頻率，能效更高。

CU計(jì)算單元方面，雖然看起來(lái)每一組還是64個(gè)流處理器，數(shù)量沒(méi)變，但這個(gè)數(shù)字是AMD反復(fù)設(shè)計(jì)后與處理資源最為平衡的的組合，同時(shí)整個(gè)計(jì)算單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了徹底重組，和GCN時(shí)代完全不一樣了。

RDNA架構(gòu)下，每個(gè)CU計(jì)算單元的標(biāo)量解碼和發(fā)射單元、矢量解碼和發(fā)射單元、調(diào)度器的數(shù)量都增加了一倍來(lái)到兩個(gè)，指令處理率因此也提升一倍。

同時(shí)，四個(gè)SIM16矢量單元、四個(gè)SIMD4特殊功能單元變?yōu)閮蓚€(gè)SIMD32、兩個(gè)SIMD8，比如64個(gè)線程可組合為兩個(gè)Wave32，然后由兩個(gè)SIMD32執(zhí)行兩個(gè)Wave32，實(shí)現(xiàn)單時(shí)鐘周期指令發(fā)射(之前需要四個(gè))，SIMD ALU單元的利用率也從25％來(lái)到了100％，而且支持Wave32、Wave64兩種執(zhí)行模式，以應(yīng)對(duì)不同負(fù)載需求。

此外，為了強(qiáng)化資源調(diào)度和利用的效率，RDNA架構(gòu)還將每?jī)蓚€(gè)CU計(jì)算單元緊密地捆綁在了一起，組成一個(gè)工作組處理器(Work Group Processor)，使得可用ALU單元、寄存器數(shù)量翻番，緩存帶寬更是之前的四倍。

緩存方面，RDNA架構(gòu)設(shè)計(jì)了一套多級(jí)一致性結(jié)構(gòu)，每個(gè)雙CU組合內(nèi)都有自己的零級(jí)緩存，與ALU單元的載入帶寬翻番，增加了四組新的一級(jí)緩存(都是16-way 128KB)，降低了二級(jí)緩存(16-way 4MB)的擁堵，整體延遲和功耗大大減低。

按照AMD的說(shuō)法，零級(jí)緩存的延遲降低了21％，一二級(jí)緩存降低24％，內(nèi)存延遲也低了7％。

另外在一致性多級(jí)緩存下，到處都支持Delta數(shù)據(jù)壓縮(DCC/圖中箭頭黃色部分)，提高傳輸率，同時(shí)還改進(jìn)了色彩壓縮算法，可供顯示引擎讀取，著色器也能同時(shí)讀寫(xiě)壓縮的色彩數(shù)據(jù)。

圖形引擎流水線方面進(jìn)行了大刀闊斧的重組，包括四個(gè)增強(qiáng)的ACE異步計(jì)算引擎，地位更加中心化的結(jié)合處理器(包含四個(gè)原語(yǔ)單元)，64個(gè)像素單元。

異步計(jì)算一直是A卡的獨(dú)門(mén)絕技，也是起在DX12、Vulkan API下表現(xiàn)更好的關(guān)鍵，如今得到增強(qiáng)后，可以更精準(zhǔn)地實(shí)時(shí)控制其他模塊。

有趣的是，RDNA GPU架構(gòu)設(shè)計(jì)也借鑒了Zen CPU架構(gòu)設(shè)計(jì)的一些先進(jìn)理念，尤其是在時(shí)鐘門(mén)控方面，效率和能效極高，同時(shí)還減少了達(dá)到更高頻率所需要的邏輯層級(jí)。

Radeon顯示引擎也大幅躍進(jìn)，支持FreeSync 2 HDR、HDMI 2.0/DisplayPort 1.4 HDR，針對(duì)高分辨率HR顯示器優(yōu)化，可輸出4K/240Hz、8K/60Hz，而且都只需一根數(shù)據(jù)線即可達(dá)成，同時(shí)還優(yōu)化了VR頭顯顯示。

Radeon多媒體引擎則大大改進(jìn)了視頻編解碼，增加了新的H.265 HDR/WCG編碼器，全面支持H.264 1080p600、4K150、8K30解碼和1080p360、4K90編碼，H.265 1080p360、4K90、8K24解碼和1080p360、4K60編碼，VP9 4K90、8K24解碼，整體編碼速度加快40％。

對(duì)于大家非常關(guān)注的光線追蹤支持，GCN、RDNA架構(gòu)都沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的硬件單元加速，不過(guò)事實(shí)上，AMD ProRender、Radeon Rays都早就支持了光線追蹤，分別面向內(nèi)容創(chuàng)作渲染和游戲開(kāi)發(fā)。

在下一代RDNA架構(gòu)上，AMD會(huì)通過(guò)硬件單元，支持特定的光線追蹤效果在游戲中實(shí)時(shí)渲染，而即便到了更遙遠(yuǎn)的未來(lái)，AMD也不會(huì)將光線追蹤全部一股腦扔給硬件來(lái)本地處理，否則效率會(huì)非常低下，而是將借助云計(jì)算，實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景的光線追蹤，保證畫(huà)面效果的同時(shí)，不會(huì)給本地硬件太大的壓力。