GPU是什么?从细节上理论

上一篇我们讲了CPU是什么？接下来我觉得显卡分量更重些，就讲GPU了。我以R9 290X和GTX 780公版为例。

1、GPU的构成

(1)主频：R9 290X为1000MHZ，GTX780则为863MHZ。(在同一架构下，频率越高，性能越强)，主频即是显卡核心频率，核心工作时的频率。

PS：往往超核心带来的性能提升更明显，现在估计GDDR5时代已经不是这样的了。

(2)制造工艺：与CPU相同，同一单位下数字越小，工艺越先进，比如28NM比40NM要先进。

PS：不断提升工艺可以使得相同核心面积下装的晶体管数量更加的多，在相同功耗下提升的性能也愈加明显。例如，40NM工艺的HD6970 拥有26.4亿个晶体管，到了28NM工艺的HD7970就有43亿个晶体管。

(3)显存(帧缓冲存储器)：(这里指的是显卡板载的显存容量)，用来存储要处理的图形信息的部件，每个像素点都以4至32甚至64位的数据来控制它的亮度和色彩，这些数据必须通过显存来保存，再交由显示芯片和CPU调配(就和CPU的L1缓存一样，这就是为什么显存最好是板载而不是共享内存的原因，传输速度可以更加的快)，每一代显存标准的升级，主要就是对于显存速度，位宽和一些问题的修正。例如GDDR2-3-4(夭折)-5。GDDR4我记得就ATI有一款显卡，然后就没别的卡了，夭折了。GDDR4和其它显存代数不一样并不是直接增加显存位宽，而是走的其他路线，成本过高，然后被GDDR3的正统升级版GDDR5取代了。

(4)显存位宽：显存位宽是显存在一个时钟周期内所能传送数据的位数，位数越大则瞬间所能传输的数据量越大。位宽不足大概就是(但也跟频率有关系)：每秒钟有100个单位通过，但是路只能每秒钟同时容纳50个单位。多由于显存过大，然而频率不高，位宽不足造成。例如作为上一代神卡9400GT的接班人GT440狂牛版。上届神卡冠军9400GT高达2GB的显存，不过这次GT440狂牛版把显存加到了4个GB，拿4GB大显存骗消费者就是这个道理。2014年1月老机升级显卡是选新出的狂牛还是淘1块2手卡，我来做个对比：9600GT性能为9400GT的4倍。GT440 D5版，比9600GT略差一些，比9800GT差的远。GT440 D3版，被9600GT秒，和9800gt没法比。

(5)显存速度，ns为单位，例如GDDR4夭折就是因为频率只比GDDR3提升了一点，但延迟极大，0.9NS，目前则多以0.4ns和0.3ns的GDDR5显存。

(6)显存频率：即等效工作频率，等效工作频率(MHz)=1000×n/(显存速度)。n因显存类型不同而不同，如果是GDDR3显存则n=2;GDDR5显存则n=4。这就是在驱动中GDDR5 4800MHZ显存的显卡，只标注1200MHZ的原因。显存频率与显存时钟周期有关。

(7)RAMDAC频率：是随机存取内存数字～模拟转换器，诞生原因是因为显卡生成的信号都是以数字来表示的，但是所有的CRT显示器都是以模拟方式进行工作的，需要一个转换设备。RAMDAC的转换速率以MHz表示，它决定了刷新频率的高低，工作速度越高，频带越宽，高分辨率时的画面质量越好。该数值决定了在足够的显存下，显卡最高支持的分辨率和刷新率。目前基本上都不用CRT显示器，RAMDAC频率也已经慢慢淡出了历史的舞台。

PS：现在显卡基本上都是400MHZ的RAMDAC频率了。

(8)显卡接口：

A、D-SUB(VGA)接口：即VGA接口，共有3排15针的信号线，传输的是一种模拟信号(需要靠RAMDAC)，不支持即插即用(但生活中并非如此)。

B、DVI接口：分为DVI-D,DVI-I，DVI-A三大类，此外还有更加细致的划分。DVI-D只有数字接口，DVI-I有数字和模拟接口，支持即插即用。

C、S-Video：忽略

D、HDMI：HDMI接口传输带宽大，输出分辨率高。

E：DP接口：DisplayPort接口，DisplayPort也是一种高清数字显示接口标准，而且它是免费使用的，带宽极高。

F：AV接口：忽略。

2、架构

要想讲GCN(7970,r9290x)架构和开普勒(gtx780)架构，呢么必须得追溯到费米架构以及Cayman架构。

(1)费米架构：FP32：即全精度渲染。FP64:双精度浮点。INT: 整型浮点单元。SFU：特殊函数处理单元处理超越函数,包括sin、cosine、求倒数、平方根。LD/ST：载入与存储单元。4个之前讲到的SM单元，组合在一起就叫做GPC群组，也可以说是1个核心。此外值得一提的是，一个小小的核心里面还集成了许多ROP单元和TMU。以及一个至关重要的玩意：光栅引擎(这在今后DX方面会说明)

PS(费米架构合计)：

A、Stream Processor：SP，流处理器，直接将多媒体的图形数据流映射到流处理器上进行处理。流处理器可以成组或者大数量的运行，所以并行处理能及极强。

B、CUDA核心，即从前的流处理器(SP)，但一个CUDA核心却有着3-5个SP的性能，这也是为什么当年N卡和A卡流处理器喜欢1：4的原因。

C、Raster Engine：光栅引擎

D、Polymorph Engine：多边形引擎(多形体引擎)，负责属性提取和细分曲面，顶点获取、Tessellation、观察口转换、属性设置以及流式输出，它使三角形以及Tessellation以及流出方面有着质的提升。

E、GPC：图形处理团簇，在费米架构中，4个SM单元为一个GPC。

F、ROP(ROPs)：光栅化处理单元,,负责游戏中的光线和反射运算,兼顾AA、高分辨率、烟雾、火焰等效果。在费米架构中，它是集成在每个SM单元内的。

PS：Raster Engine：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。光栅化其实是一种将几何图元变为二维图像的过程。

(2)Cayman，6900系列的架构

A、Tessellation：这个有必要提一下，AMD多年研发技术。即细分曲面技术，能够利用GPU硬件加速，将现有3D模型的三角形拆分得更细小、更细致，也就是大大增加三角形数量，使得渲染对象的表面和边缘更平滑、更精细,仅支持DX11+。

B、hierarchical Z:一种技术的管理单元。

C、VERTEX ASSENBLER：处理，汇编几何顶点的单元。

而接下来的东东才是比较重要的：在Cayman中，流处理器是以这样的形式SIMD(Single Instruction Multiple Data)，单指令多数据。而在SIMD下，还抛弃了VLIW5架构的传统引入了VLIW4线程处理器。就是在一个周期内完成4个ALU的运算量(就是一个周期内能做4道题目一样)。即4D vector(4D指令)，而VLIW5架构并非是真正的5D，而是4D+1D。在评测杂志中看到4D简单地说就是4个ALU运算的方式。像这样的设计方式，也成功的使A卡CrossFireX交火效率脱离了1+1=2，变成了1+1≥2，从而创造出了许多辉煌，例如6850，6870，6950,6970以及6990交火。

PS：

A、VLIW Core：超长指令字处理器内核：VLIW：超长指令。

B、SIMD：总共有SISD、MIMD、SIMD、MISD。SISD： 单指令流 多数据流。MISD：多指令流单数据流。SIMD：单指令流多数据流。MIMD：多指令流多数据流。

显卡架构到这里基本上就算是结束了，如果能看懂以上文字内容，基本上再去看今后的开普勒架构，南方群岛架构就会变得异常简单。

3、GPU工作原理

(1)从PCI bus进入GPU——将CPU送来的数据送到GPU里面进行处理。

(2)从GPU进入显存——将芯片处理完的数据送到显存。

(3)从显存进入DAC——由显存读取出数据再送到RAMDAC(随机读写存储数模转换器)，RAMDAC的作用是将数字信号转换成模拟信号。

(4)从DAC进入显示器——将转换完的模拟信号送到显示屏。

GPU内部是没有指令集的，所以，GPU内部也就不存在指令的概念。对GPU的调度，都是由运行在CPU中的GPU驱动程序来完成的。GPU就完全是一片并行矢量计算器。屏幕上显示的都是一个个像素点，每个像素都有两个最基本的属性——颜色，位置。颜色包含四个维度——R，G，B，A(透明度);位置包含四个维度——X，Y，Z，W(相对坐标)。即每个像素是由两个四维矢量来定义的。GPU就是用来做这种矢量运算的。这也是为什么AMD一直采用4+1D或4D的结构设计GPU。显存内部都是大量的材质，纹理，阴影等图形素材，GPU直接调用或存储。所有指令层级的任务一律由CPU完成;硬件层面上的调度，数据的处理，在GPU内完成。