AMD Radeon HD 7970專題測試 小核心 大作為

早在4年前，AMD就已經忍痛放棄了使用多年的環形顯存總線，重新采用高效的交叉總線設計，進而推出的RV770核心HD4800系列產品憑借高效的顯存利用率和激進的GDDR5顯存打了一場漂亮的翻身仗。而其2009年推出的Radeon HD 5800系列則是憑借大量增加流處理器數量和先進的40nm的新工藝，在取得較高性能的同時在核心面積和功耗方面大幅領先于英偉達，讓對手猝不及防。不過由于工藝的限制，AMD不可能依靠無限制地堆積流處理器來提高顯示卡的性能，再加上VILW架構單元復用率低并且在通用計算方面的性能不盡如人意，因此在經歷了Radeon HD 6800和Radeon HD 6900系列顯示卡，VILW5和VILW4架構的試水之后，AMD發現要想徹底解決這個棘手的問題，只能重新設計新的架構，于是“南方群島”的Radeon HD 7000系列顯示卡誕生了。

踏上28nm的快船

在晶體管規模為王的今天，每一次工藝的變化給顯示卡界帶來的變化都是驚人的，工藝越先進，單個晶體管的體積就越小，芯片密度也會隨之增加，這帶來的最直觀的優點就是核心面積縮小和成本降低。此外，新工藝通常都會伴隨著更先進的漏電流控制技術，在功耗方面的表現也會更加優異。

這一次，AMD又一次領先于對手，搶先踏上了28nm工藝的快船。本次發布的Radeon HD 7970便是采用TSMC的28nm工藝打造，這是TSMC首次采用HKMG（高K金屬柵）和Gate-Last技術。TSMC稱，與40nm工藝相比，28nm工藝的芯片密度達到了前者的2倍，SRAM的面積可以減少50%。新材料、新技術的應用使得采用28nm工藝芯片的速度比40nm工藝提高了45%，漏電流相比前代更是減少40%，大大降低了功耗。

得益于28nm工藝，代號為Tahiti的Radeon HD 7970顯示卡核心的晶體管規模達到了43.1億，而核心面積僅為365mmsup2;，典型功耗210W（最大功耗250W）。而上一代40nm工藝的Radeon HD 6970的核心面積為389mmsup2;，只包含了26.4億個晶體管，典型功耗為190W，最大TDP功耗為250W。也就是說HD 7970在晶體管數量增加了60%的情況下，卻將核心面積縮小了6%。在單位數量晶體管功耗方面，Radeon HD 7970每一億個晶體管4.9W的功耗也遠低于采用40nm工藝的Radeon HD6970的7.2W。通過以上的數字我們可以輕易地看出，28nm新工藝帶來的進步是顯而易見的。

GCN架構上馬

自從R600架構推出以來，AMD的圖形構架就沒有發生過本質的變化。VLIW形式的ALU團簇設計、整體化的運算結構以及較低的單元復用率一直在修修補補的情況下陪伴了我們近5年。

在DirectX10推出之前，顯示卡比拼的是頂點渲染單元和像素渲染單元的數量，到了DirectX10時代，微軟的DirectX API取消了頂點渲染器和像素渲染器，將它們改成統一處理器（Unitied Processor），因此圖形渲染中標量運算越來越多，單純的矢量運算成分卻在減少，為此AMD的對手英偉達重新設計了G80這樣的1D標量處理器，而AMD卻并未完全放棄4D矢量架構，而是在此基礎上做了一些改良，增加了一個標量運算單元，形成了4D+1D的矢量、標量混合架構——VLIW 5架構。這個架構有個致命的缺點就是太過依賴指令組合，一旦出現非最優指令組合，運算效率便會大大降低，為此AMD在下一代的Radeon HD 6900系列顯示卡架構上改進了VLIW 5架構，去掉了4D+1D中的1D單元，改進為VLIW 4。VLIW 4架構中的4個運算單元均為1D單元，都可以執行原本只有VLIW 5架構中唯一的1D超標量單元才能執行的特殊函數操作，所以VLIW 4的流處理器單元數量雖然少了，但是實際上性能卻更加強勁。據AMD稱，VLIW 5架構的運算效率實際只有70%左右，而VLIW 4可以提高到80%，不過AMD為此付出的代價也是高昂的。這種架構的改變，每組流處理器所需的發射端、分支預測以及寄存器單元都要增加四分之一，導致核心面積、發熱量和成本大增。

如今，乘著28nm工藝快船的AMD終于放棄了使用多年實在無法繼續修補使用的VILW架構，推出了全新的GCN（Graphics Core Next）架構。AMD對GCN架構的定義為“Non-VLIW ISA With Scalar+VectorUnint”，即使用標量和矢量單元的非VLIW體系，它與之前的VLIW架構形似而神不同，顯示卡的組成單元不再是SIMD陣列，而是被稱為CU（Compute Unit）的計算單元。在Radeon HD 7970核心的Tahiti架構圖中，每個“GCN”代表的就是一個CU單元，每個CU單元中又包含64個ALU單元，這2048個ALU就是Radeon HD 7970顯示卡的核心運算單元。

從Tahiti的GVN陣列微觀結構我們可以發現，每個GCN陣列里有4組SIMD單元，每組SIMD單元里面包括16個流處理器，或者說是標量運算器。GCN架構已經完全拋棄了此前4D+1D流處理器VLIW超長指令架構的限制，不存在原有架構指令打包-派發-解包的問題，所有流處理器以16個為一組的SIMD陣列完成指令調度。簡單來說，以往是在指令集的級別上并行，而現在是線程級并行。與VLIW 4架構相比，non-VLIW架構最大的變化是指令執行方式，VLIW 4雖然每周期執行4次操作，但實際上還是執行1條指令，而且它非常依賴指令的組合，需要極強的調度和管理，而non-VLIW架構雖然每次只能執行1個ALU操作，但是4組SIMD依然能保證同時執行4條線程，利用率接近100%，相對于之前的架構，不得不說這是一個脫胎換骨的設計。

設計理念的轉變使GCN不再單純追求吞吐量，而是將重點轉向了靈活性和執行效率方面，整個架構從最基層開始就為更靈活的運算優化，架構中層的運算單元在并行效率上也有針對性的改進，整個GCN架構更加面向“通用計算就是圖形計算”的未來趨勢。

深度功耗控制和新特性

除了因為應用新的28nm工藝帶來了例行的功耗降低之外，AMD還在技術上引入了更加敏感的功耗調節點，能夠更加細密地實時監控顯示卡的運行狀態，同時能讓顯示卡在負載降低時更加積極地向更低功耗的頻率去轉移。值得一提的是，其調整耗電水平的偵測時間已經達到了毫秒級。

Tahiti核心在電力控制上的另一個獨特之處在于引入了ZeroCore技術，該技術能夠在閑置的時候通過關閉GPU節省95%左右的閑置模式耗電，此時GPU的運算功能模塊將不再消耗電能，使整個顯示卡耗電低于3W，風扇也會徹底關閉，完全避免了噪聲對用戶的干擾。在多卡互聯領域，AMD同樣提供了更加豐富的功耗管理機制。當用戶處于2D桌面待機狀態時，Tahiti構架允許主顯示卡以外的所有顯示卡完全關閉，并達到風扇停轉的深度休眠狀態。當3D負載到來時，功耗管理機制會及時喚醒深度休眠的顯示卡，讓其能夠投入到運算工作中。

除了28nm新工藝和革命性的GCN架構外，AMD還讓Radeon HD 7970支持兩項前衛的新特性DirectX 11.1與PCI-E 3.0接口。DirectX 11.1最大的改進就是將3D立體顯示技術正式寫入了D3D API，3D立體顯示技術將成為一種通用標準，游戲開發也因此將變得更加簡單，這有望為業界醞釀已久的PC 3D顯示技術真正打開局面，可以說它是一個具有開端意義的API升級。

總線接口方面，Radeon HD 7970顯示卡采用了全新的PCI-E 3.0總線，這讓它成為了全球首款支持PCI-E 3.0總線的顯示卡。PCI-E 3.0標準將信號傳輸速率提高到了8GT/s ，有效帶寬達到了PCI-E 2.0的兩倍，不過目前對于游戲玩家來說PCI-E 2.0的帶寬并不會成為顯示卡性能的瓶頸，PCI-E 3.0的優勢發揮作用仍需時日。

3D性能實戰

全新的GCN架構、43.1億個晶體管、2048個ALU運算單元讓我們對Radeon HD 7970的性能表現充滿了期待。好馬配好鞍，測試Radeon HD 7970性能的平臺我們選擇了當今頂級的X79主板，搭配Intel Core i7-3960X處理器和2GB×4的DDR3 1866四通道內存，并采用64位的Windows 7系統，以充分發揮它的性能。

不出所料，憑借強大規格和全新的GCN架構，在3DMark理論圖形性能測試中，Radeon HD 7970毫無懸念地大幅領先曾經的Geforce GTX 580達30%之多。在AMD一直都不擅長的曲面細分性能測試Unigine Heaven 2.5中，Radeon HD 7970也揚眉吐氣，領先Geforce GTX 580高達30%以上。

在主流游戲性能測試中，除了在英偉達傳統優勢游戲《H.A.W.X》中Radeon HD 7970不敵對手外，在其他測試中Radeon HD 7970均有較大幅度的領先，在最新的DX11游戲中普遍領先GeforceGTX 580 15%~30%的幅度，特別是在曲面細分較多的游戲《Crysis 2》和《戰地3》中，優勢更加明顯。

多年來在單芯旗艦顯示卡方面，AMD一直采用田忌賽馬的小核心策略，在性能上被對手打壓，如今在中低端產品方面有著多個“第一”頭銜的Radeon HD 7970終于揚眉吐氣，將對手大核心的單芯卡皇斬于馬下。

出色的功耗表現

在上邊我們已經介紹過，Radeon HD 7970的Tahiti核心拜28nm新工藝和新節能技術所賜，在功耗方面的表現會更好。我們測試了這款產品在長待機、待機、游戲和運行Furmark 1.9.2等不同狀態下的功耗（測試室溫約為24℃）。

進入系統10min后，穩定的系統功耗為81W（不含顯示器功耗），此時顯示卡核心溫度僅比室溫高10℃，為34℃，風扇轉速也僅為最高轉速的20%，十分安靜。在經過長時間的待機，Windows電源管理器自動關閉了顯示器輸出（但系統未休眠）后，待機功耗又下降了7W，這也證明了ZeroCore技術的作用。而對手的Geforce GTX 580平臺待機功耗為101W，在顯示卡2D功耗普遍降低的大趨勢下，Radeon HD 7970在2D顯示模式下的功耗表現也有著絕對的優勢。在高負載的游戲和Furmark拷機軟件模式中，Radeon HD 7970平臺在較長一段時間內穩定的最高功耗分別上升為305W和362W，顯示卡的核心溫度分別為78℃和73℃，此時兩種狀態下散熱器的轉速均超過了2000r/min，已經可以聽到明顯的噪音。而相比之下，Geforce GTX 580平臺在同樣兩種高負載情況下的功耗分別為378W和447W，分別比Radeon HD 7970高了73W和85W，在滿載功耗方面AMD再一次以絕對優勢戰勝對手。

免費的超頻甜點

在Radeon HD 7970發售之前，有許多傳聞稱其默認核心頻率會是1GHz，或許是出于功耗控制和保守的原因，AMD將其核心頻率定為了925MHz，讓用戶自行挖掘28nm工藝的潛力。

而Radeon HD 7970的超頻方法十分簡單，使用驅動中自帶的AMD Overdrive選項即可進行超頻，無需安裝第三方超頻軟件。除了核心頻率和顯存頻率可調節外，AMD Overdrive還提供了一個“電源控制設置”選項，調節它可以限制整片顯示卡的最高功耗，以防出現過熱燒毀的現象。在超頻中我們需要將電源控制設置拉至最高的20%，以保證超頻操作不會被最高功耗限制。

在超頻測試中，我們很輕松地就將Radeon HD 7970的核心頻率和顯存頻率超頻至驅動的頻率上限1125MHz/1575MHz并通過了3DMark 11的各項測試，最終X模式的得分為3135分，相比默認頻率成績增加了14%之多。

總結

如果AMD繼續走之前優化和擴充流處理器數量的老路，那么憑借28nm新工藝和43.1億個晶體管，相信其性能和功耗依然可以達到預期，但是AMD并沒有這么做，而是毅然選擇了通過革新架構的方式來積極提升產品整體表現。有很大一部分的原因是因為如今的GPU已經不再是單純的3D加速卡，DirectX 11 API的新特性賦予了GPU新的使命，圖形和計算的概念已經逐漸融為一體，通用計算能力也逐漸成為衡量顯示卡性能的標桿，AMD在這步關鍵的棋上落子非常干脆利落。

我們十分欣喜地看到，新的GCN架構為AMD未來的發展方向指明了道路，走了近5年彎路的AMD改頭換面，朝著通用計算大方向大踏步前進，這也是未來GPU的發展趨勢。

在性能方面，Radeon HD 7970的表現可圈可點，無論是理論性能還是實際游戲性能都將對手遠遠地拋在了身后，成為了新一代當之無愧的單芯卡皇。而在功耗方面，它繼續將AMD一貫的小核心、低功耗的優良傳統發揚光大，而這也是對手大核心策略所揮之不去的痛，AMD又一次強有力地觸痛了對手的神經。Radeon HD 7970國內的發售價格為4299~4699元，相對于之前的單芯旗艦顯示卡來說有些偏高，不過相信在一段時間之后，它將很快脫離價格虛高回歸到主流價位。

高K柵極

現有材料已經達到了物理極限，由于漏電的原因，作為阻隔柵極和下層的二氧化硅層已經無法進一步減薄了，于是人們就需要從材料方面入手，尋找具有比二氧化硅更高的介電常數和和場效應特性的材料，從而突破原有的二氧化硅的物理極限。

K值是衡量一種材料儲存電荷的能力，給定相同的電壓，如果材料的的厚度相同，K值大的材料則儲存電荷的能力就更高。在具有相同儲存電荷能力的情況下，K值大的材料可以做得更厚，這就可以減少漏電的產生。