GCN再戰開普勒 通用計算能力誰更強？

    泡泡網顯卡頻道6月4日 HD7970與GTX680的較量看似已經可以告一段落了，盡管差距不大，但是GTX680的3D游戲性能要勝出HD7970一籌。然而，除了3D游戲性能之外，我們看到的是AMD與NVIDIA這一代GPU架構上翻天覆地的變化，兩者都拋棄了沿用幾代的GPU架構體系設計，創造了全新圖形產品。更有意思的是，兩者的圖形架構與對方前代架構在思路上有很多相似之處，就像是上演了一場大反串。

    除了游戲性能之外，GPU架構還會影響到通用計算能力，隨著GPU運算能力的增強以及對其架構特點的深度開發，顯卡不僅可以用于渲染3D畫面，還可以進行計算工作，協助甚至取代CPU進行工作，那么作為GCN與開普勒兩大GPU架構的代表，HD7970與GTX680在通用計算方面誰更具優勢呢？我們將通過測試揭曉答案。

    這一代GCN架構的完整版HD7970擁有2048個流處理器，而開普勒架構的完整版GTX680則擁有1536個。兩者的紋理單元、ROP數量一樣，而顯存位寬方面HD7970為384Bit，GTX680則為256Bit，這造成了兩者顯存帶寬上264GB/s與192GB/s之間的差距。

    從GPU外圍模塊來看，AMD的Tahiti和上代Cayman相比變化不大，只是強化了曲面細分單元，加入了雙異步計算引擎而已。最大的改變來自于流處理器部分，原有的SIMD引擎不見了，取而代之的是GCN陣列，那SIMD引擎與GCN陣列有什么本質區別呢？

    代號為Tahiti的HD7970中，每個GCN陣列里面包括4個SIMD單元，每個SIMD單元內部包括16個1D標量運算單元。這樣的話Cayman的SIMD引擎是16x4=64個流處理器，而Tahiti的GCN陣列是4x16=64個流處理器，總數量雖然沒有變化，但架構上是截然相反的設計——Tahiti相對于Cayman來說革命性的改變就是把4D矢量運算單元改成了1D標量運算單元！

    但是，GCN架構與NVIDIA的CUDA架構還是有明顯的區別，那就是GCN里面包括了4個SIMD-16單元，標量流處理器被硬性拆分為4個小組，而NVIDIA的SM則沒有這種設計，所有流處理器都一視同仁。

    而NVIDIA方面，則是不停的對GPU的GPC、SM、CUDA核心等配比進行微調，在微調的過程中經歷了兩次突變：第一次是GT200到GF100，首次引出了GPC（圖形處理器集群）的概念，GPC數量減少但SM數以及流處理器數量增加不少；第二次就是現在了，從GF100到GK104，SM數量減少，但流處理器數量暴增！

    改變是為了適應形式的變化，解決此前出現的一些問題，那NVIDIA的架構有什么問題呢？此前我們多次提到過，雖然NVIDIA的GPU在效能方面占盡優勢，但也不是完美無缺的——NVIDIA最大的劣勢就是流處理器數量較少，導致理論浮點運算能力較低。當然這只是表面現象，其背后的本質則是MIMD（多指令多數據流）的架構，相當一部分比例的晶體管消耗在了指令發射端和控制邏輯單元上面，所以流處理器數量始終低于對手。

    為了保證GPU性能持續增長，NVIDIA必須耗費更多的晶體管、制造出更大的GPU核心，而這些都需要先進的、成熟的半導體制造工藝的支持。NVIDIA之所以在GF100（GTX480）時代落敗，并非架構或者研發端出了什么問題（GF110/GTX580的成功可以證明），而是核心太大導致40nm工藝無法支撐，良率低下漏電流難以控制，最終導致核心不完整且功耗巨大。如此一來，NVIDIA原有的架構嚴重受制于制造工藝，并非可持續發展之路。

    為此，NVIDIA將芯片架構逐步轉向了SIMT的模式，即Single Instruction Multiple Threads（單指令多線程），SIMT有別與AMD的SIMD，SIMT的好處就是無需開發者費力把數據湊成合適的矢量長度，并且SIMT允許每個線程有不同的分支。 純粹使用SIMD不能并行的執行有條件跳轉的函數，很顯然條件跳轉會根據輸入數據不同在不同的線程中有不同表現，這個只有利用SIMT才能做到。

    SIMT在硬件部分的結構還是要比SIMD復雜一些，NVIDIA還是更注重效率一些，所以NVIDIA的流處理器數量還是要比AMD少，但差距已經沒以前那么夸張了。

    測試平臺使用了Intel Core i7 3770K+Z77主板的組合，搭配4GBx2內存、128GB SSD的存儲系統，驅動為Catalyst 12.4及ForceWare 301.42。

    這次測試使用了超公版顯卡：HIS HD7970 IceQ X2 Turbo，核心頻率為1050MHz。GTX680則為銘鑫視界風靚彩版，頻率為1111MHz。

    DirectCompute & OpenCL Benchmark由波蘭人Patryk開發，是世界上第一款能夠測試DirectCompute性能的軟件，后來也加入了對OpenCL的支持。它不但能夠同時支持CPU、GPU OpenCL，而且如果系統內有多顯卡，還能為按照計算能力為它們分配不同比例的工作負載。

    DirectCompute計算中，A卡一直擁有優勢，這一點是N卡無法比擬的，而HD7970在經過架構改變之后，能力更加強大，遠超N卡，領先優勢甚至達到了10倍以上。而OpenCL運算中，GTX680則稍勝一籌，比HD7970快了20%左右。

    ComputeMark由捷克硬件和游戲網站CzechGamer.com的Robert Varga開發完成，技術上基于Jan Vlietinck的Fluid3D Demo，號稱是“第一個百分之百的DX11 Compute Shader基準測試工具”，一般情況下能夠調動99％的GPU資源，CPU占用率只有0-1％，因此在考察GPU通用計算性能的同時，也能考驗顯卡的穩定性，對超頻亦有所幫助，另外測試的時候還可以自行選擇運行時間。

    在純粹的DX11渲染運算測試中，HD7970性能領先GTX680達到30%左右，而這還是在GTX680頻率擁有優勢的前提之下的結果。可以見HD7970在運算能力方面擁有的優勢。

    GPU Caps Viewer是和GPU-Z類似的一款顯卡診斷識別工具，二者在顯卡的檢測識別方面可以說各有千秋。GPU-Z對顯卡的功能規格顯示的非常詳細，而GPU Caps Viewer除了對顯卡的基本規格能夠完全正確識別外，還專門提供一個有關顯卡OPENGL能力檢測測試的界面，用戶可以在此對他們顯卡的OPENGL能力有一個比較全面的了解。 可用于購機時的測試。另外在GPU Caps Viewer還提供了一個不同渲染方式下的顯卡OPENGL能力Demo演示功能，可以讓玩家對自己的顯卡有一部分大致的了解。

    由于目前尚不支持GTX680，因此測試暫時沒有辦法對比。

    LuxMark是一款OpenCL測試工具，由Jromang最早于2009年發開。基于開放式物理渲染引擎LuxRender，可以支持常規畫圖，支持基于OpenCL模式的GPU加速，可以在AMD和NVIDIA顯卡上完美運行，并支持多級動態模糊。在流行的圖形圖像渲染設計軟件Blender, 3ds Max, Cinema 4D, DAZ Studio, Poser, SketchUp以及Softimage中均有使用。

    LuxMark測試中，HD7970的渲染性能展示出了壓倒性的勝利，分數領先幅度再次達到2倍以上。

    SiSoftware Sandra是一套功能強大的系統分析評比工具，擁有超過30種以上的分析與測試模組，還有CPU、Drives、CD-ROM/DVD、Memory 的Benchmark工具，它還可將分析結果報告列表存盤。SiSoft Sandra除了可以提供詳細的硬件信息外，還可以做產品的性能對比，提供性能改進建議。

    Sandra 2012的GPU通用測試部分，HD7970再次取得較大優勢。

    HD7970的綜合游戲性能稍遜于GTX680，這是一個客觀的事實，但是其架構特性決定了其計算能力遠遠超過GTX680，在有良好應用的支持下，HD7970會發揮出它的價值，隨著GPU加速應用的日漸普及，GCN架構必將綻放出更璀璨的光芒。■<