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    GCN架构:重新定义图形及计算

      AMD HD 7970显卡使用的是全新GCN架构,有关GCN架构的解析文章我们之前已经详细分析过,不过现在AMD又更新了一些资料,内容没有之前的技术PDF那么枯燥,可以更加直观地对比新架构的变化。

    图形运算经历了TL光照、顶点/像素渲染、VLIW 5再到VLIW 4指令的变化

      了解一点显卡技术发展历史的读者应该知道,早期的显卡结构很简单,只是几何变换以及光照渲染,后来发展到顶点渲染和像素渲染。DX10时代开始统称为流处理器,AMD就在原来的基础上发展处VLIW 5超长指令架构,使用4D+1D的变通方式实现了统一渲染的要求,VLIW 5从HD 2900开始一直用到HD 3800、HD 4800、HD 5800以及HD 6800,历经五朝而不衰。

      2010年的时候AMD发布了HD 6900系列显卡,其架构有所调整,从4D+1D的VLIW 5指令变为4D的VLIW 4指令,增强了流处理器单元的通用性,不过整体范畴还是未能脱离VLIW超长指令体系。

    GCN架构旨在解决原有VLIW体系的一系列弊端,提高性能,降低功耗

      VLIW体系的优点是电路设计比较简单,流处理器单元数量扩展起来很方便,缺点就是效率低,极度依赖指令组合,需要强大的调度体系与之配合,实际应用远不如理论那么高效,特别是在GPU计算性能上,AMD的显卡已被对手撇下很远,是时候改变了。

      AMD推出了GCN架构,目标不仅是提升GPU图形性能和能效,而且要提高GPU的多线程处理能力,优化高性能计算,提高扩展能力和弹性,并与Fusion架构融合。

    GCN架构中基本组成单元成为CU

      GCN架构中基本的组成单元为“Compute Unit”(简称CU),完整的GCN核心有32个CU单元,每个CU单元又下辖64个ALU单元和4个TF纹理单元,总计有2048个ALU计算单元,128个纹理单元,相比之下HD 6970的流处理器单元只有1536个,纹理单元也只有96个。

      前端部分延续了HD 6970显卡所用的“Dual Graphic Engines”双图形引擎结构,有两个ACE(Asynchronous Compute Engines异步计算引擎)和两个Geometry Engines(几何引擎,第9代曲面细分单元)引擎。

      HD 7970还有8个后端渲染单元,每周期可以实现32个ROP光栅渲染和128个Z/stencil渲染,这一点与HD 6970倒是没有分别,不过显存位宽加大了,后端处理性能还是有提升的。

      32个CU单元之外是6组GDDR5显存控制器,每组64bit,显存位宽为384bit,这也是AMD首次使用384bit显存位宽,再结合1375MHz的高速度,HD 7970的显存带宽达到了264GB/s,显存容量也再上一个台阶,达到了3GB。

    CU单元是由4组16-way SIMD阵列组成

      AMD对GCN架构的定义为“Non-VLIW ISA With Scalar+Vector Unint”---使用标量&矢量单元的非VLIW体系,它与之前的VLIW架构形似而神不同,显卡的组成单元不再是SIMD阵列而是CU单元,那CU单元具体又是如何构造的?

      上图是CU单元的组成示意图,每个CU中有1个标量单元和4个矢量单元,每个矢量单元又是由一组SIMD-16阵列组成,这4组SIMD-16阵列各有64KB寄存器(Registers),并且是独立运算,这样一个CU单元同时就可以执行多条指令,这就是AMD所说的“GCN是基于SIMD阵列的MIMD架构”(Southern Islands is a MIMD architecture with a SIMD array)的含义。

    GCN指令体系与VLIW 4比较

      与VLIW 4体系的一组SIMD阵列相比,二者的ALU单元总数是相同的,每个CU以及SIMD阵列单元都能执行64个单精度混合乘加运算,好比16*4和4*16都等于64一样,但是区别在于,VLIW 4每次虽然可以执行4个ALU运算,但是每个ALU单元不能独立运算,需要组合成VLIW 4才可以,效率和调度是个问题,而GCN的4 SIMD阵列每周期可以执行1个ALU运算,但是四组SIMD可以互不依赖,只要有进程就一直是100%效率。

      GCN架构的这个转变看起来很简单,就像是换个算法而已,但就是这个简单的变换极大地提升了HD 7970的计算效率,不需要在调度和优化下大费周章,创建、分析以及debug过程也更简单,提高了计算的扩展性以及弹性。

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