圖形與計(jì)算那些事 AMD次世代架構(gòu)解析
下面我們就來看看R580的核心架構(gòu)，也就是當(dāng)年的王者X1900XTX/X1950XTX所使用的GPU，后來次高端RV570核心（X1950Pro）的架構(gòu)也類似。
R580：8個(gè)頂點(diǎn)著色單元、48個(gè)像素著色單元、16個(gè)紋理單元
DX9C顯卡還沒有統(tǒng)一渲染架構(gòu)的概念（XBOX360的Xenos是個(gè)特例），所以R580依然是頂點(diǎn)與像素分離式的設(shè)計(jì)。當(dāng)時(shí)的GPU核心部分被稱為管線，比如7800GTX擁有24條像素渲染管線，但X1900XTX卻不能稱為擁有48條像素渲染管線，因?yàn)樗南袼嘏c紋理單元數(shù)量不對等。
GPU的工作原理：
顯卡的渲染流程是通過頂點(diǎn)單元構(gòu)建模型骨架，紋理單元處理紋理貼圖，像素單元處理光影特效，光柵單元負(fù)責(zé)最終的像素輸出。
GPU的管線是什么：
在R580之前，GPU的像素單元與紋理單元還有光柵單元是綁定在一起的，數(shù)量一樣多，整個(gè)渲染過程就是流水線作業(yè)，因此像素與紋理加起來稱為一條管線。
什么是3:1架構(gòu)？
R520核心（X1800XT）的像素與紋理都是16個(gè)，但R580核心在紋理單元維持16個(gè)不變的情況下，把像素單元擴(kuò)充了3倍達(dá)到了48個(gè)之多。ATI研發(fā)工程師發(fā)現(xiàn)新一代游戲中使用像素著色單元的頻率越來越高，各種光影特效（尤其HDR）吃掉了像素著色單元的所有資源，而紋理單元的負(fù)載并不高，繼續(xù)維持像素與紋理1:1的設(shè)計(jì)就是浪費(fèi)資源，于是ATI根據(jù)3D游戲引擎的發(fā)展趨勢做出了改變，并把R580這種不對等的架構(gòu)稱之為3:1黃金架構(gòu)，管線的概念至此消失。
像素(算數(shù))與紋理的比例逐年提高
當(dāng)年ATI前瞻性的架構(gòu)在部分新游戲中得到了應(yīng)驗(yàn)，比如在優(yōu)品飛車10、細(xì)胞分裂4、上古卷軸4等游戲中X1900XTX的性能遠(yuǎn)勝7900GTX。此外ATI專為HDR+AA優(yōu)化的架構(gòu)與驅(qū)動(dòng)也讓ATI風(fēng)光無限。
但事實(shí)上，從1:1大躍進(jìn)到3:1有點(diǎn)太激進(jìn)了，在包括新游戲在內(nèi)的絕大多數(shù)主流游戲中，都無法充分利用多達(dá)48個(gè)像素著色單元的能力。于是ATI的工程師們又有了新的想法：何不用這些像素單元來做一些非圖形渲染的計(jì)算呢？像素單元的核心其實(shí)就是ALU（算術(shù)邏輯單元），擁有十分可觀的浮點(diǎn)運(yùn)算能力。
蛋白質(zhì)折疊分布式計(jì)算開啟GPU計(jì)算大門：
2006年9月，在X1900XTX發(fā)布半年之后，ATI與斯坦福大學(xué)相關(guān)科研人員合作，開發(fā)了首款使用GPU浮點(diǎn)運(yùn)算能力做非圖形渲染的軟件——Folding @ Home第一代GPU運(yùn)算客戶端。
Folding@home是一個(gè)研究蛋白質(zhì)折疊、誤折、聚合及由此引起的相關(guān)疾病的分布式計(jì)算工程。最開始F@H僅支持CPU，后來加入了對PS3游戲機(jī)的支持，但同樣是使用內(nèi)置的CELL處理器做運(yùn)算。F@H因ATI的加入為GPU計(jì)算翻開了新的一頁，當(dāng)然F@H加入了對NVIDIA DX10 GPU的支持那是后話。
什么是通用計(jì)算？
當(dāng)時(shí)的GPU計(jì)算被稱為GPGPU（General Purpose GPU），傳統(tǒng)的圖形處理器可以被用來做通用目的計(jì)算項(xiàng)目。所謂通用計(jì)算的大體流程就是：待處理的數(shù)據(jù)—〉轉(zhuǎn)換成圖形數(shù)據(jù)—〉GPU處理—〉處理后的圖形數(shù)據(jù)—〉轉(zhuǎn)換成所需數(shù)據(jù)。其實(shí)通用計(jì)算就是把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GPU能夠“看懂”的圖形數(shù)據(jù)，實(shí)際上是作為虛擬硬件層與GPU通訊，由于需要前后兩次編譯的過程，因此想要利用GPU強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，需要很強(qiáng)大的編譯器，程序員的開發(fā)難度可想而知，CPU的運(yùn)算量也比較大。
除了蛋白質(zhì)折疊分布式計(jì)算外，當(dāng)年ATI還開發(fā)了AVIVO Video Converter這款使用GPU加速視頻轉(zhuǎn)碼的小工具，雖然效果一般，但也算是開了個(gè)好頭。
雖然GPU通用計(jì)算的實(shí)現(xiàn)難度很大，但至少GPU實(shí)現(xiàn)了非圖形計(jì)算的目的，而且其性能確實(shí)要比當(dāng)時(shí)的CPU快十幾倍。小有所成的ATI被勝利沖昏了頭腦，他們認(rèn)為自己研發(fā)出了非常先進(jìn)的、最有前瞻性的GPU架構(gòu)，還找到了讓GPU進(jìn)行通用計(jì)算的捷徑、還有了AMD這座靠山……最終促使AMD-ATI做出了保守的決定——下代GPU繼續(xù)沿用R580的架構(gòu)，不做深層次的改動(dòng)。
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