圖形與計算那些事 AMD次世代架構解析

    相信有些讀者很早就想問這樣一個問題了：既然圖形渲染的主要指令是4D矢量格式，那為什么R600要設計成5D的流處理器結構呢？還沿用了5代之久？有結果就有原因，通過對Cayman核心的分析，我們可以找到答案。

    R600為什么是5D VLIW結構？

    在5D VLIW流處理器中，其中的1個比較“胖”的ALU有別于其它4個對等的ALU，它負責執行特殊功能（例如三角函數）。而另外4個ALU可以執行普通的加、乘、乘加或融合指令。

Barts核心的流處理器結構

    從R600開始的Shader是4D+1D的非對等設計，ATI這樣做的目的是為了讓頂點著色器更有效率，以便能同時處理一個4D矢量點積(比如w、x、y、z)和一個標量分量(比如光照)。

    Cayman核心返璞歸真，改用4D結構

    隨著DX10及DX11大行其道，AMD通過自己長期內部測試發現，VLIW5架構的五個處理槽中平均只能用到3.4個，也就是在游戲里會有1.6個白白浪費了。顯然，DX9下非常理想的VLIW5設計已經過時，它太寬了，必須縮短流處理器單元(SPU)，重新設計里邊的流處理器(SP)布局。

Cayman核心的流處理器結構

    于是Cayman核心誕生了，胖ALU下崗，只保留了剩下4個對等的全功能ALU。裁員歸裁員，原來胖ALU的工作還得有人干，Cayman的4D架構在執行特殊功能指令時，需要占用3個ALU同時運算。

    5D改4D之后最大的改進就是，去掉了體積最大的ALU，原本屬于它的晶體管可以用來安放更多的SIMD引擎，據AMD官方稱流處理器單元的性能/面積比可以提升10%。而且現在是4個ALU共享1個指令發射端口，指令派發壓力驟減，執行效率提升。雙精度浮點運算能力也從原來單精度的1/5提高到了1/4。

    效率更進一步：雙圖形引擎

    前面介紹過，從RV770到Cypress核心，圖形引擎和超線程分配處理器都只有一個，但圖形引擎內部的Hierarchical Z（分層消影器）和Rasterizer（光柵器）分為兩份。

    到了Barts核心，超線程分配處理器從一個變成兩個。現在的Cayman核心則更進一步，圖形引擎也變成了兩個，也就是除了分層消影器和光柵器外，幾何著色指令分配器、頂點著色指令分配器、還有曲面細分單元都變成了兩份：

    兩個曲面細分單元再加上兩個超線程分配處理器，AMD官方稱HD6970的曲面細分性能可以達到HD6870的兩倍、HD5870的三倍。其它方面比如頂點著色、幾何著色性能都會有顯著的提升。

    通用計算效能也有改進

    和Cypress、Barts相比，Cayman在通用計算方面也有一定程度的改進，主要體現在具備了一定程度的多路并行執行能力；雙路DMA引擎可以同時透過外部總線和本地顯存讀寫數據；改進的流控制提高了指令執行效率和運算單元浪費；當然雙精度運算能力的提高對于科學計算也大有裨益。

    不過，這些改進都是治標不治本，VLIW架構從5D到4D只是一小步，只能一定程度上的提高指令執行效率，而無法根治GPU編程困難、復雜指令和條件指令的兼容性問題。總的來說，Cayman核心依然只是單純為游戲而設計的GPU，AMD把5D改為4D也是基于提升3D渲染性能的考慮。