Maxwell領銜！A/N新顯卡能效深度測試
泡泡網顯卡頻道3月7日 Maxwell來了，帶來了GTX750Ti、GTX750兩款中端顯卡。就性能而言GTX750Ti只是比上一代的GTX 650Ti BOOST強那么一點點而已，但意義卻非常重大。這絕不是一句虛了吧唧的片湯話，對GPU有深入了解的朋友應該明白我要說什么了，Maxwell高端產品發布之日就是顯卡市場重新洗牌之時。
之所以這么說，是因為Maxwell卓越到出乎意料的效能比。在GTX750Ti首發測試中我就對它的功耗做了初步的測試，以往的經驗告訴我，真正的指數性增長一般只存在于理論中或者實驗室里，具體到產品總會受到種種環境因素的制約，生活中很難看到實例。然而這一次Maxwell顯然成功解決了遇到的所有問題，而更令我吃驚的是這款顯卡沿用了上一代Kepler的28nm工藝就達到了這一水準。
談到工藝和架構對GPU能效比的影響有太多的話題可以聊，我們幾個媒體的編輯偶爾聚到一起，這個話題總是能引起很多的探討和爭論，但大家都比較認可的一個觀點就是，架構的改變往往只是起到優化和排除瓶頸的作用，GPU工藝的進步對能效比的影響更深刻。換句話說工藝的進步意味著1.0→2.0版本的改變，而架構的改良則更像是2.0→2.1版本的進步，直到我測試了GTX750Ti/750之后，發現以事實并不是這樣，今天我們就通過架構分析和最精確的測量來說明來一窺Maxwell的潛力。
NVIDIA Kepler GPU架構于2012年初問世，它前所未有的能效比催生出全球最快的游戲PC、工作站以及超級計算機和云游戲服務器。甚至智能手機、平板電腦乃至汽車的信息娛樂系統都得益于TegraK1系統(SoC)獲得了空前的視覺計算功能。
而NVIDIA的第一代“Maxwell”架構在上一代的基礎上又獲得了全新的提升。首款基于Maxwell架構的GPU代號為“GM107”，專為筆記本和小型(SFF)PC等功率受限的使用場合而設計。
在1080p分辨率下，GeForceGTX750Ti的性能通常可與四年前的旗艦GPU——GeForceGTX480比肩，然而熱設計功耗僅為區區60W，是后者的四分之一。
Maxwell在流式多處理器(SM)方面采用了一種全新設計，可大幅提高每瓦特性能和每單位面積的性能。雖然KeplerSMX設計在這一代產品中已經相當高效，但是隨著它的發展，NVIDIA的GPU架構師顯然找到了讓架構效率再一次重大飛躍的方法。
MaxwellSM設計實現證明了這一點，控制邏輯分區、負荷均衡、時鐘門控粒度、編譯器調度、每時鐘周期發出指令條數等方面的改進以及其它諸多增強之處讓Maxwell SM(亦稱“SMM”)能夠在效率上遠超Kepler SMX。全新的Maxwell SM架構能夠在GM107中把SM的數量增至五個(GK107中僅有兩個)，而芯片面積僅增加25%。下表提供了高級對比，對比雙方分別為Maxwell以及上一代GK107 Kepler GPU:
具體來說，首先Maxwell采用了容量大增的二級高速緩存設計，GM107中容量為2048KB，而GK107中的容量僅為256KB。由于片上高速緩存容量更大，因此需要向顯卡DRAM發送的請求更少，從而降低了整體顯卡功耗、提升了性能。
除了上述變化以外，NVIDIA的工程師還雄心勃勃地在晶體管水平上調整了Maxwell GPU中每個單元的實現方式，以便最大限度提高節能性。所有這些努力的最終結果是，采用相同的28納米制造工藝，Maxwell能夠提供相當于Kepler兩倍的每瓦特性能。
在這里我們不難看出，Maxwell內部所有單元和橫梁結構均得到了重新設計，數據流得到了優化，功率管理實現了大幅改變。
雖然從圖形特性的視角來看，第一代Maxwell GPU可提供與Kepler GPU相同的API功能，但從深層來上，Maxwell還在單個GPC(圖形處理簇)內實現了多個SM單元，每個SM包含一個多形體引擎(Polymorph Engine)和紋理單元，而每個GPC包含一個光柵引擎(Raster Engine)。ROP依然與二級高速緩存片(L2 Cache Slice)以及顯存控制器聯系在一起。
GM107全芯片框圖
GM 107 GPU包含一個GPC、五個Maxwell流式多處理器(SMM)以及兩個64位顯存控制器(共128位)。這就是這一芯片的完整實現形式，與GeForce GTX 750Ti中的芯片配置相同。
GK107全芯片框圖
SMX 處理核架構
上一代Kepler的方法是劃分為非2冪(non-power-of-two)數量的CUDA核心，其中一些是共享核心，這種方法需要的SM調度器數量較少，但復雜程度較高，在各種各樣的游戲引擎環境中表現并不理想。
SMX: 192個單精度CUDA核、64個雙精度單元、32個特殊功能單元(SFU)和32 個加載/存儲單元(LD/ST)。
每個SMX單元具有192單精度CUDA核，每個核完全由浮點和整數算術邏輯單元組成。Kepler完全保留Fermi引入的IEEE 754-2008 標準的單精度和雙精度算術，包括積和熔加(FMA)運算。
成對的處理塊共享四個紋理過濾單元和一個紋理高速緩存。計算一級高速緩存的功能現在也與紋理高速緩存功能相結合，而共享顯存是一個獨立的單元(類似首款CUDAGPU——G80中所使用的方法)，被全部四個塊共享。
SMM 處理核架構
Maxwell SM框圖
而現在每個SM分為四個獨立的處理塊，每個處理塊具備自己的指令緩沖區、調度器以及32個CUDA核心。新的劃分方法簡化了設計與調度邏輯、節省了晶體管與功耗、降低了計算延遲。
總體而言，在這一全新設計上，每個“SM”的尺寸得到大幅縮減，而性能卻能夠達到一個KeplerSM的90%。更小的晶體管消耗讓NVIDIA能夠在每顆GPU中實現更多數量的SM。通過對比GK107和GM107 SM總數的相關指標可發現，GM107有五個SM，而前者只有兩個。GM107的峰值紋理性能比前者高25%，CUDA核心數量多1.7倍，著色器性能大約高2.3倍。
● SMM架構顯存系統的改進
對GM107來說，要在顯存位寬與GK107相同的情況下實現性能大幅提升的目標，增強顯存系統也同樣重要。內部顯存系統帶寬實現了提升，另外這一設計的效率也得到了改善。此外，2MB大容量二級高速緩存配置(比之前的任何GPU設計都大)十分有效地降低了顯存帶寬需求，確保了DRAM帶寬不成為瓶頸。
其他關于Maxwell架構的基本信息，例如通過Giga Thread引擎的主PCI Express接口數據流、Polymorph與Raster單元的基本操作等等過于晦澀的知識這里就不再贅述了。
測試平臺硬件如下表所示：
● 參測顯卡：影馳GTX750黑將【購買鏈接】
影馳GTX750 黑將采用全新設計“幻影”Phantom散熱器。雙80mm滾珠風扇，采用透明強化PC塑料，配合特殊扇葉設計加強風量，經實測發現，該款散熱器在大幅預設超頻情況下，依然能在烤機測試中將核心溫度控制在53℃以下。
● 測試平臺主板：技嘉G1.Sniper M3
技嘉 G1.Sniper M3是一款采用m-ATX板型設計的高端Z77主板，它結合了屢獲殊榮的G1.Killer設計理念，目標是給玩家提供強大的性能。無論是內建Creative專業級音效處理器、Sound Core3D高質感音效輸出還是支持 cFosSpeed 與網絡加速技術的芯片，都是為了讓玩家能有最棒的娛樂和聯網游戲體驗。
● 測試平臺電源：Antec HCP1200
安鈦克Antec HCP1200電源在世界超頻大賽中非常常見，通過了80PLUS認證，轉換效率高達92.4%，支持4路12V輸出，最高電流72A，支持四卡SLI/交火。平均無故障運行時間為10萬小時。配備一顆8cm靜音風扇，運行噪音極低。
● 測試平臺SSD：OCZ Vetrx3 240GB
OCZ的Vertex系列屬于它的高端固態硬盤，專門為高端玩家和存儲發燒友設計。隨著Sandforce控制器大紅大紫，OCZ也將Vertex系列升級到了全新的SF1200方案。如今SATA3.0 6Gbps接口大行其道，OCZ推出了基于SF2200系列主控芯片的Vertex 3固態硬盤，涵蓋60-480GB容量范圍。
以前我們都是測試平臺的整體功耗，這樣雖然簡單，但對顯卡具體功耗就只能通過估計的方法猜測大概的數值，這套設備名叫“PPAS精確功耗采集系統”，由中國計量科學研究院研制，產品體積小巧，易于攜帶，測試結果準確可靠，可精確到0.001W。
PPAS精確功耗采集系統的顯示屏，可以實時顯示配件功率
電腦主機內部的配件，無外乎CPU、主板、顯卡、硬盤、風扇這些，PPAS精確功耗采集系統就通過幾個組件，將這些關鍵配件的耗電量全面監控。
上圖為PPAS精確功耗采集系統的“CPU/主板/風扇/硬盤”功耗采集電路板，電源通過24Pin輸出給主板的各路電壓電流、通過8Pin輸出給CPU的電壓電流、通過SATA供電接口輸出給硬盤的電壓電流、通過3Pin輸出給風扇的電壓電流，都被這套系統所“截獲”，通過定制的處理器計算出實時功率數值。
PPAS精確功耗采集系統的顯卡PCIE供電分析裝置
PPAS精確功耗采集系統的顯卡功耗采集電路板
與CPU單獨依靠4Pin/8Pin供電不同，顯卡除了用外接的6Pin/8Pin供電外，PCI-E插槽也會提供一些電流，所以想要獲得顯卡的真實功率，這部分的供電也需要“截獲”。上圖中通過24Pin獲得顯卡PCI-E接口部分的供電，6Pin/8Pin供電可以直接從電源輸出口獲得，加起來就是總功率了。當然，顯卡外接供電和PCI-E供電各占多少百分比，這套設備都可以分析出來。
這塊電路板是PPAS精確功耗采集系統的數據處理中心，通過前面兩塊電路板獲得的CPU、主板、顯卡的電壓電流數據，都通過USB接口匯集到這里，然后輸出到顯示屏和電腦中。
隨便找一臺電腦，安裝一個小工具軟件，通過PPAS精確功耗采集系統，就可以獲得非常詳細的Excel數據，對硬件的功率消耗情況進行分析。
圖為PPAS精確功耗采集系統全部安裝完畢后的最終效果圖，由于需要采集的數據類目較多，所以各種接線顯得很亂，不過無所謂，相信大家需要的是精確的結果，過程是無所謂的。
如果您對這套PPAS精確功耗采集系統感興趣的話，可以訪問中國計量科學院官方網站，獲得更詳細的資料。http://www.zgjljs.com/info.asp?id=222
個人電腦不玩游戲的時候顯卡大部分時間都工作在2D模式，所以空閑的時候顯卡功耗也非常重要，下面我們將電腦切換到桌面等待幾分鐘以后測試顯卡的平均功耗。
● 顯卡2D桌面空閑模式功耗測試
▲ 影馳 GTX750 黑將（帶外接6Pin供電）
▲ NVIDIA GTX750Ti（不帶外接供電）
▲ AMD R7 260X
▲ AMD R7 270X
▲ NVIDA GTX650Ti
▲ NVIDIA GTX480
這里面最夸張的就是GTX480顯卡了，作為幾年前的舊顯卡的代表，它的“費米”架構還真是夠費電的，待機都要31.9瓦特，而最省電的GTX750Ti只要5瓦特，僅僅為GTX480的六分之一不到！而AMD最新的R7 260X也要10瓦特左右。
FurMark是oZone3D開發的一款OpenGL基準測試工具，通過皮毛渲染算法來衡量顯卡的性能，同時還能借此考驗顯卡的穩定性。提供了多種測試選項，比如全屏/窗口顯示模式、九種預定分辨率(也可以自定義)、基于時間或幀的測試形式、多種多重采樣反鋸齒(MSAA)、競賽模式等等，并且支持包括簡體中文在內的五種語言。
本來FurMark只是用來測試顯示卡的OpenGL效能，但是因為他熱力四射,火力非凡，所以可以拿來當燒機軟件使用。它可以讓顯示卡跑出任何游戲都達不到的高溫，以致于只要通過了FurMark考驗過的顯示卡，跑游戲都不會出問題。
待機為windows7桌面下獲得的最小值；滿載是以1680X1050模式運行Furmark時的最大值，Furmark能夠讓顯卡穩定的以100%滿負載模式運行，測得的功耗值比一般的游戲要高一些。
● 極限滿載功耗測試
▲ 影馳 GTX750 黑將（帶外接6Pin供電）
▲ NVIDIA GTX750Ti（不帶外接供電）
▲ AMD R7 260X
▲ AMD R7 270X
▲ NVIDA GTX650Ti
▲ NVIDIA GTX480
其他產品的極限功耗都在意料之中，除了GTX750Ti，不到45W的極限功耗讓它完全沒有必要外接供電，PCI-E最大75W的供電能力足夠GTX750Ti超頻穩定運行了。再看看GTX480，當初的旗艦顯卡性能也不如GTX750Ti，功耗卻足足是后者的六倍！
Furmark雖然經典，但畢竟主要考驗顯卡的TDP，實際游戲中并不會出現那種極端的情況，為了讓測試結果更接近實際使用，我們接下來測試3D基準運行下顯卡的功耗情況。
臺式機、筆記本、平板手機三大平臺除了PC追求極致性能外，筆記本和平板都受限于電池和移動因素，性能平平，因此之前的3Dmark11雖然有三檔可選，依然不能準確衡量移動設備的真實性能。
3DMARK主界面
而這次Futuremark為移動平臺量身定做了專有測試方案，新一代3DMark三個場景的畫面精細程度以及對配置的要求可謂天差地別。
Fire Strike、Cloud Gate、Ice Storm三大場景，他們分別對應當前最熱門的三大類型的電腦——臺式電腦、筆記本電腦和平板電腦。
● 3DMark功耗測試（第一場景）
▲ 影馳 GTX750 黑將（帶外接6Pin供電）
▲ NVIDIA GTX750Ti（不帶外接供電）
▲ AMD R7 260X
▲ AMD R7 270X
▲ NVIDA GTX650Ti
▲ NVIDIA GTX480
3DMark運行時的功耗果然比Furmark低了很多，GTX750Ti這時候的平均功耗居然只有38.5W，幾乎相當于GTX480空閑時的功耗了！如果沒有這套專業功耗測試設備，恐怕我們怎么也不敢相信這樣的結果。
游戲介紹：《地鐵2033》(Metro 2033)是俄羅斯工作室4A Games開發的一款新作，也是DX11游戲的新成員。該游戲的核心引擎是號稱自主全新研發的4A Engine，支持當今幾乎所有畫質技術，比如高分辨率紋理、GPU PhysX物理加速、硬件曲面細分、形態學抗鋸齒(MLAA)、并行計算景深、屏幕環境光遮蔽(SSAO)、次表面散射、視差貼圖、物體動態模糊等等。
開啟景深，模擬鏡頭感
畫面設置：《地鐵2033》雖然支持PhysX，但對CPU軟件加速支持的也很好，因此使用A卡玩游戲時并不會因PhysX效果而拖累性能。該游戲由于加入了太多的尖端技術導致要求非常BT，以至于我們都不敢開啟抗鋸齒進行測試，只是將游戲內置的效果調至最高。游戲自帶Benchmark，這段畫戰斗場景并不是很宏大，但已經讓高端顯卡不堪重負了。
測試說明：如果說是CRYSIS發動了DX10時代的顯卡危機，那地鐵2033無疑是DX11時代的顯卡殺手！地鐵2033幾乎支持當時可以采用的所有新技術，在畫面雕琢上大肆鋪張，全然不顧顯卡們的感受，和CRYSIS如出一轍。然而CRYSIS靠著特效的堆積和不錯的優化，其驚艷絕倫的畫面和DX9C游戲拉開了距離，終究賺足了眼球；而地鐵則沒有這么好運了，畫面固然不差，BUG卻是很多，招來了大量的非議。
● 3DMark11功耗測試（第一場景）
▲ 影馳 GTX750 黑將（帶外接6Pin供電）
▲ NVIDIA GTX750Ti（不帶外接供電）
▲ AMD R7 260X
▲ AMD R7 270X
▲ NVIDA GTX650Ti
▲ NVIDIA GTX480
地鐵2033，一款銷量慘淡，游戲性被人遺忘但占用顯卡資源非常變態的游戲。運行這款游戲時的功耗和3DMark大致相當，也從側面反映出3DMark的測試場景和真實的游戲環境很接近，既然如此我們也沒有必要對每個游戲都測試一遍了，其他游戲的成績應該也和他們相差無幾，參照地鐵2033和3DMark即可。
前面的成績過于凌亂，這里我們匯總一下：
上面這些是我做過的成績表里面最詭異的圖，他們看起來如此凌亂不堪，究其原因最下面的GTX480功耗出奇的大，而GTX750Ti功耗特別的小。
其實顯卡是按性能排序的，這張圖看來就正常多了吧。
本文所有測試得出的最終結果就是它了。這是3DMark成績和跑3DMark時顯卡實測的功耗比值，可以精確反應顯卡的效能比（性能和功耗的比值，越大越好）。可以看出GTX750Ti能源利用率是GTX480的約5.3倍！是同等級A卡R7 260X的約1.61倍！是R9 270X和上一代GTX650Ti BOOST的約2.1倍！
從Maxwell架構設計上我看到了NVIDIA工程師卓越的前瞻性，他們顯然意識到制造工藝的物理極限會給GPU的發展帶來很大的挑戰。如果說自然規則是一座矗立在不遠處的冰山，現有的半導體工藝遭遇這個瓶頸而止步不前只是時間的問題，那繼續在這個領域執著就像是泰坦尼克號悲劇的重演。當“冰山”已經目光所及的時候，及時尋找新的出路無疑是更聰明的選擇。
在挖掘架構潛力的路上，Maxwell 初代邁出了重要的一步，NVIDIA工程師在關鍵時刻向著正確的方向努力，終于獲得成功。同工藝的顯卡效能比差距如此之大，在近十年來都屬罕見。實際上現在Maxwell架構剛剛露出冰山一角，等到高端顯卡發布之時，顯卡革命才真正拉開序幕。■
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