NVIDIA RTX 30系列架構(gòu)的詳細(xì)講解

在當(dāng)前的顯卡市場(chǎng)上，占據(jù)80％的NVIDIA公司被玩家愛(ài)且恨著——他們帶來(lái)了最近十多年來(lái)最好的顯卡，同時(shí)也讓高端游戲卡的價(jià)格高企，發(fā)燒顯卡至少五位數(shù)起。

在RTX 30系列顯卡發(fā)布之后，玩家的不滿似乎釋然了，相比當(dāng)前的圖靈顯卡，安培架構(gòu)的RTX 3090／3080／3070顯卡一下子變得真香了，因?yàn)樗鼈冃阅芊恫徽f(shuō)，國(guó)內(nèi)價(jià)格反而下降了。

·GeForce RTX 3090：取代RTX Titan，相比于Titan RTX快了50％，性能是RTX 2080 Ti顯卡的2倍，配備24GB GDDR6X顯存，售價(jià)11999元，9月24日上市。

·GeForce RTX 3080：取代RTX 2080 Ti，相比于RTX 2080性能快2倍，搭配10GB GDDR6X顯存，海外699美元沒(méi)變，國(guó)內(nèi)從上代6499降至5499元，9月17日上市。

·GeForce RTX 3070：價(jià)格不到RTX 2080 Ti的一半，但是平均性能更高，同時(shí)比RTX 2070快足足60％，配備8GB GDDR6顯存，售價(jià)3899元，10月份上市。

RTX 30系列顯卡售價(jià)及上市時(shí)間

RTX 30系列顯卡性能變化

RTX 30系列顯卡規(guī)格

從這個(gè)規(guī)格表中可以看出，與RTX 2080 Ti顯卡相比，RTX 3090的標(biāo)志性FP32性能從13．4T提升到了35．7T，翻倍還多，光追及AI加速提升也同樣明顯。

與圖靈顯卡相比，安培GPU的變化之大讓人驚訝，在過(guò)去十多年的顯卡升級(jí)換代中，性能翻倍的提升很少見(jiàn)到了，NVIDA是怎么做到的？

今天我們就來(lái)從詳細(xì)解讀一下安培GPU的架構(gòu)，探究它到底帶來(lái)了哪些技術(shù)升級(jí)以致于讓NVIDIA創(chuàng)始人黃仁勛稱之為有史以來(lái)性能提升最大的一次。

先從工藝說(shuō)起：12nm干掉7nm之后 8nm如何再進(jìn)一步

對(duì)于半導(dǎo)體芯片來(lái)說(shuō)，很關(guān)鍵的一部分是制程工藝，先進(jìn)的架構(gòu)也要通過(guò)工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是影響芯片能效、性能甚至成本的一大因素。

對(duì)NVIDIA來(lái)說(shuō)，他們的Volta伏特、Turing圖靈兩代架構(gòu)都是臺(tái)積電12nm FFN工藝了，這是臺(tái)積電16nm工藝的改進(jìn)版，如果再算上16nm的Pascal架構(gòu)，實(shí)際上過(guò)去三代GPU都沒(méi)有重大工藝上的升級(jí)了。

在Ampere安培架構(gòu)上，NVIDIA終于升級(jí)工藝了，只不過(guò)這次有兩個(gè)意外——首先沒(méi)有選擇臺(tái)積電，其次沒(méi)有上7nm，而是三星定制的8nm工藝，雖然跟7nm看起來(lái)只差了1nm，但實(shí)際上是兩代工藝。

考慮到NVIDIA之前對(duì)工藝的表態(tài)，沒(méi)用7nm工藝而是三星8nm工藝又在意料之中，最關(guān)鍵的問(wèn)題在于NVIDIA能夠做到多好。

三星的8nm工藝是基于10nm工藝改良的，至少有LPP和LPU兩個(gè)版本，前者適合移動(dòng)SoC，后者適合高性能芯片，NVIDIA的定制大概是基于后者。

與臺(tái)積電的7nm工藝晶體管密度大約1億／mm2相比，8nm工藝大概是6000萬(wàn)晶體管／mm2，但這是單一的SRAM芯片的對(duì)比，實(shí)際上GPU芯片比較復(fù)雜，差距會(huì)縮小很多。

根據(jù)是NVIDIA公布的信息，臺(tái)積電7nm工藝制造的安培A100核心是540億晶體管，核心面積826mm2，而三星8nm工藝制造的GA102核心是280億晶體管，核心面積官方?jīng)]公布，據(jù)悉是628mm2，也是大核心了。

這么算下來(lái)，7nm A100核心的晶體管密度6560萬(wàn)晶體管／mm2，而三星8nm的GA102核心也有4460萬(wàn)晶體管／mm2——差距仍在，但似乎可以接受了。

三星8nm工藝的晶圓代工價(jià)格還是秘密，但是不論技術(shù)還是商業(yè)策略上，三星都會(huì)比臺(tái)積電便宜很多，預(yù)計(jì)代工價(jià)格能差30％或者更高，所以這也是RTX 30系列顯卡能夠不漲價(jià)甚至降價(jià)的關(guān)鍵。

那三星8nm工藝帶來(lái)了多大的性能及能效提升呢？首先大家可以看到RTX 30系列顯卡的頻率提升了，從RTX 20系列的1．5GHz＋提升到了1．7GHz＋，升級(jí)工藝還是有性能提升的。

不過(guò)RTX 20系列的加速頻率實(shí)際可以達(dá)到1．9GHz甚至接近2GHz，RTX 30系列預(yù)計(jì)也就這個(gè)水平。

但是能效還是有提升的，NVIDIA官方稱在60fps性能下，圖靈顯卡的功耗大約有240W，安培顯卡則是120W多點(diǎn)，算下來(lái)是1．9倍能效，提升了90％，同時(shí)溫度還低了3度，噪音減少2分貝。

總的來(lái)說(shuō)，在工藝這方面大家對(duì)安培GPU有驚喜有失望，失望的是沒(méi)有上預(yù)期中的7nm工藝（不管臺(tái)積電還是三星），工藝依然升級(jí)到了8nm。

但是NVIDIA工藝雖然并不算激進(jìn)，但性能、能效進(jìn)步還是挺大的，安培顯卡各方面指標(biāo)都是大幅勝過(guò)現(xiàn)在的圖靈卡，而且價(jià)格做到了不升反降，這也是不追求激進(jìn)工藝的好處，反正之前12nm都能贏，現(xiàn)在上8nm更加穩(wěn)妥了。

安培GPU架構(gòu)詳解之：FP32單元翻倍 CUDA核心改了什么？

發(fā)布安培的時(shí)候，NVIDIA CEO黃仁勛表示這是GPU有史以來(lái)最大的性能飛躍，而2018年推出圖靈GPU時(shí)，老黃也是類似的說(shuō)詞——GPU有史以來(lái)最大的變革，這兩個(gè)評(píng)價(jià)其實(shí)也沒(méi)錯(cuò)。

圖靈GPU架構(gòu)有很多第一次，首次支持RTX Core（光追加速單元），首次支持Tensor Core，同時(shí)還改進(jìn)了CUDA內(nèi)核，不過(guò)前兩個(gè)是重點(diǎn)。

在安培GPU上，RT Core、Tensor Core當(dāng)然繼續(xù)加強(qiáng)，不過(guò)最主要的亮點(diǎn)是CUDA架構(gòu)的改進(jìn)，性能翻倍的根源就在這里，我們先來(lái)看看這方面的變化。

GA102核心架構(gòu)示意圖

GA102核心總計(jì)7組GPC單元，每組有12組SM單元，總計(jì)84組，RTX 30系列顯卡視乎規(guī)格不同啟用的SM單元總數(shù)不同，RTX 3090是82組，RTX 3080是68組，RTX 3070是46組。

在之前的GA100大核心中，每組SM是64個(gè)INT32單元、64個(gè)FP32單元及32個(gè)FP64單元組成的，但在GA102核心中，F(xiàn)P64單元大幅減少，增加了RT Core，Tensor Core也略微減少。

GA102核心的SM單元

按照之前圖靈GPU的路線走，安培GPU的SM單元增加的并不多，但實(shí)際上FP32性能翻倍了還多，算上頻率，RTX 3080的理論性能差不多是RTX 2080的三倍了，這是怎么做到的？

答案就是CUDA核心的FP32翻倍，但翻倍的方式有點(diǎn)特殊，每個(gè)SM單元中有4個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)除了第三代Tensor Core核心之外，還有一組是16個(gè)FP32單元及16個(gè)FP32、16個(gè)IN32組成的單元，后者可以同時(shí)執(zhí)行FP32或者INT32運(yùn)算。

16個(gè)FP32單元每周期可執(zhí)行16個(gè)FP32運(yùn)算，混合的那個(gè)單元可以執(zhí)行32個(gè)FP32或者16個(gè)FP32＋16個(gè)INT32。

如此一來(lái)，每個(gè)SM單元可以同時(shí)執(zhí)行4x（16FP32＋16FP32）＝128個(gè)FP32運(yùn)算，或者4x（16FP32＋16INT32）＝64個(gè)FP32＋64個(gè)INT32運(yùn)算。

只算FP32浮點(diǎn)的話，那么就是浮點(diǎn)翻倍了，因?yàn)閳D靈以及GA100都是每周期64個(gè)FP32浮點(diǎn)而已，現(xiàn)在可以做128個(gè)FP32運(yùn)算了。

提升FP32性能不論對(duì)游戲還是運(yùn)算都大有裨益，但也需要配套的提升，GA102的L1容量提升了33％，L1帶寬從116GB／s翻倍到219GB／s，共享內(nèi)存的性能也從每周期64B翻倍到128B。

審核編輯：符乾江