革命性的小芯片 GPU 設(shè)計時代開啟

在過去的幾年里，技術(shù)創(chuàng)新和計算機芯片的發(fā)展明顯放緩，特別是與我們過去 20 年左右的習(xí)慣相比，這尤其適用于變得更大、更復(fù)雜、更浪費且生產(chǎn)成本極高的高端圖形處理器。

最近，就連飽受爭議的英偉達老板黃仁勛也再次扣動了扳機，宣布著名的摩爾定律“死了”。讓我們提醒您，摩爾定律指的是戈登摩爾（英特爾的技術(shù)先驅(qū)和聯(lián)合創(chuàng)始人）早期的預(yù)測，即現(xiàn)代微芯片上的晶體管數(shù)量每兩年翻一番。當(dāng)然，這可以顯著提高性能、提高能源效率并降低生產(chǎn)成本。

而AMD RDNA3的發(fā)布，似乎昭示著新時代的開始？

由于單片設(shè)計中的現(xiàn)代高端圖形處理器一代又一代地變得越來越復(fù)雜和昂貴，AMD 決定為其 RDNA3 圖形處理器采用全新的革命性小芯片設(shè)計。他們最新的圖形處理器 Navi 31 基于小芯片設(shè)計，這意味著我們沒有一個大的單片芯片，而是幾個較小的芯片的組合，然后一起形成一個整體，從而實現(xiàn)了我們在圖形處理器中看到的所有功能。

這是否聽起來很熟悉？因為這正是AMD 多年來一直在其 Ryzen 和 Epic 處理器中使用的技術(shù)。正是因為采用了小芯片設(shè)計，他們?nèi)〉昧司薮蟪晒?。然而?a href="http://ttokpm.com/tags/gpu/" target="_blank">GPU 是一種略有不同的產(chǎn)品，很難指望主處理器中 chiplet 設(shè)計的所有優(yōu)勢會像那樣轉(zhuǎn)移到圖形芯片的世界。

但讓我們也提一下具體的產(chǎn)品。AMD 的圖形處理器 Navi 31，是歷史上第一個小芯片 GPU，該產(chǎn)品是兩款最新顯卡——Radeon RX 7900 XTX 和 Radeon RX 7900 XT 的基礎(chǔ)。XTX是旗艦機型，擁有更多的shader處理器，更高的內(nèi)存帶寬，更多的顯存，而XT則是有些弱化的版本。

GCD + MCD = 小芯片 GPU

圖形處理器 Navi 31 由令人印象深刻的 580 億個晶體管組成，小芯片架構(gòu)包括一個 GCD（圖形計算芯片）內(nèi)核和多達 6 個 MCD（內(nèi)存緩存芯片）內(nèi)核。

300 平方毫米的 GCD 核心包含著色器處理器、ROP 單元和現(xiàn)代 GPU 的所有其他組件，采用臺積電更先進的 5 納米工藝制造。另一方面，較小的 MCD 小芯片尺寸僅為 37 平方毫米，包含內(nèi)存控制器和 Infinity 緩存，并使用 6 納米工藝制造。

也就是說，AMD 已經(jīng)確定著色器處理器和其他單元從使用最現(xiàn)代的生產(chǎn)工藝中獲益更多，而內(nèi)存控制器和緩存則不需要使用最新的工藝。從這個意義上說，小芯片架構(gòu)的使用降低了成本，因為使用尺寸更小的更小芯片，一個晶圓上的缺陷芯片數(shù)量要少得多。

然而，圖形處理器的小芯片方法的關(guān)鍵問題肯定是延遲的增加。圖形處理器對增加的延遲極為敏感。著名的 Infinity Fabric 總線與 AMD 的圖形芯片主處理器是不可能的，因為它太慢了。

AMD 使用全新的 Infinity Link 總線（即 Infinity Fanout Links 系統(tǒng)）連接 GDC 和 MCD 部件，從而在 GCD 和 MCD 小芯片部件之間實現(xiàn) 5.3 TB/s 的帶寬。這種超級先進的互連系統(tǒng)無疑是小芯片 GPU 設(shè)計的關(guān)鍵決定因素。此外，AMD 計劃通過更高的運行時鐘來消除延遲增加的問題。

Navi 31：重新設(shè)計的 CU 和更好的光線追蹤

說到時鐘速度，Navi 31 是多年來第一款針對著色器處理器（即 ROP 和紋理單元以及芯片的其他部分）具有不同時鐘速率的圖形處理器。著色器處理器的工作時鐘略低于芯片的其余部分。

目前最強版本的Navi 31圖形芯片（RX 7900 XTX）的GCD代碼共有96個CU（計算單元）單元，同樣數(shù)量的光線追蹤單元，6144個著色器處理器和192個ROP單元。與其前身 Navi 21 相比，AMD 對 Navi 31 圖形處理器中的計算單元 (CU) 進行了重大重新設(shè)計和改進。AMD 表示，Navi 31 芯片中的 CU 在相同的運行時鐘下將 IPC 提高了 17.4%。

此外，關(guān)鍵的創(chuàng)新是現(xiàn)在 FP32 單元可以同時執(zhí)行兩個操作，AMD 稱之為 Dual Issue SIMD。這些處理器可以在每個數(shù)據(jù)路徑中處理兩條指令，與 RDNA 2 圖形處理器相比，理論上至少可以達到兩倍的指令速率。

然而，這只是理論上的可能性。作為這種設(shè)計的結(jié)果，在實踐中實際可以看到多少加速將在很大程度上取決于驅(qū)動程序中的編譯器。

RDNA 3 CU 單元的新穎之處當(dāng)然是獨立的 AI 加速器（總共 192 個，每個 CU 單元 2 個），用于加速矩陣乘法等操作?，F(xiàn)在的第二代光線追蹤單元也得到了改進。

Navi 31 GCD 的光線追蹤單元支持額外的指令，光線追蹤得到改進和優(yōu)化，并根據(jù)場景進行分類。與 RDNA 2 架構(gòu)相比，AMD 承諾每個 CU 的性能提升高達 50%。

最后，當(dāng)我們談到 Navi 31 中的 GCD 時，與 RDNA 2 圖形芯片相比，L0、L1 和 L2 緩存內(nèi)存的數(shù)量有了顯著增加。

Radiance 顯示引擎 ：165 Hz 時 8k！

如果我們回到小芯片 MCD，我們可以說 AMD 在使用 320 或 384 位總線方面增加了內(nèi)存帶寬，盡管仍然使用 GDDR6 內(nèi)存。有趣的是，L3 緩存或 Infitnity 緩存的數(shù)量小于 RDNA 2 Navi 21 圖形處理器的數(shù)量，以降低能耗。另一方面，與 RDNA 2 芯片的 1.2 TB/s 相比，Infinity 緩存現(xiàn)在的速度是 2.5 TB/s 的兩倍。

Navi 31 還帶來了顯著改進的 GPU 部分，負責(zé)圖像顯示和多媒體。首先，新的 Radiance Display Engine 全面支持 DisplayPort 2.1，它可以通過單根電纜以 165 Hz 的 8k 分辨率或 480 Hz 的 4k 分辨率顯示圖像。每個通道還可以使用 12 位彩色顯示。與仍“僅”支持 DP 1.4 的最新 Nvidia 卡相比，這是一個很大的優(yōu)勢。

此外，Navi 31 還可以通過兩個獨立的編碼器/解碼器對 AV1 編碼和解碼進行硬件加速，從而可以同時對兩個視頻流進行轉(zhuǎn)碼或以每秒兩倍的幀數(shù)進行轉(zhuǎn)碼。

AMD 通過 Navi 31 圖形芯片打破僵局，為圖形處理器世界帶來了真正革命性的小芯片 GPU 設(shè)計。這將在未來證明有多成功還有待觀察。潛力當(dāng)然是巨大的。在現(xiàn)代 GPU 中堆疊樂高積木的原理和小芯片的模塊化聽起來確實很有未來感。然而，主要目標(biāo)應(yīng)該是在圖形處理器的小芯片設(shè)計中組合多個 GCD，這應(yīng)該會在未來將我們引入一個物理芯片上的多 GPU 配置時代。

編輯：黃飛