走近GP100

作為16nm工藝的新一代旗艦，NVIDIA的GP100核心到底有多強呢？或者說它與目前的顯卡架構有什么質的不同？接下來，我們就詳細分析一下GP100核心的特色，同時，回顧它與Kepler和Maxwell架構有哪些不同。

在NVIDIA推出了16nm工藝Pascal架構的GTX 1080顯卡之前，這半年來的顯卡市場上基本上沒什么新品，無論是AMD還是NVIDIA主推的還是上一代架構的顯卡，恍恍惚惚之間28nm工藝的顯卡竟然支撐了4年時間，這在以往的GPU升級歷史上可并不多見。之所以雙方沉寂這么久，毋庸置疑，兩者一定在醞釀著什么，AMD的新一代顯卡架構為14nm工藝的Polaris（北極星），NVIDIA準備的則是16nm工藝的Pascal（帕斯卡），后者在GTC 2016大會上首次揭開了面紗，NVIDIA發布的Tesla P100專業卡就使用了旗艦GP100核心。

也許是許久未見到新工藝、新架構的顯卡，現在看到GP100這樣的龐然大物竟有了一種莫名的興奮感。從Kepler到Maxwell架構，NVIDIA前兩次都是選擇首發面向主流游戲市場的核心GK104、GM204（Maxwell首發的其實是GM107這樣的低端核心），GK110、GM200大核心產品通常要晚半年時間，但這次的Pascal顯卡就跟當年的GF100費米架構一樣選擇了大核心首發，歷史終于又一次輪回了。

作為16nm工藝的新一代旗艦，NVIDIA的GP100核心到底有多強呢？或者說它與目前的顯卡架構有什么質的不同？接下來，我們就詳細分析一下GP100核心的特色，同時，回顧它與Kepler和Maxwell架構有哪些不同。

Pascal與Kepler、Maxwell規格對比

切入正題之前，我們先來了解看看GP100核心與Kepler、Maxwell架構的規格，此前NVIDIA官方也公布了GP100核心與GK110、GM200核心的一些對比，這里我們做了一份更詳細的表格，并加入了GM204及GK104這兩款游戲顯卡的核心規格。

這份規格表的內容非常多，粗粗看來會覺得手足無措，對此，我們有針對性的把需要重點關注的地方標記為紅色。簡單來說，就是GP100核心的晶體管密度再次攀升、CUDA核心大幅增加、雙精度性能逆天增長、緩存/寄存器容量翻倍、HBM 2顯存及NVLink總線，這幾點基本上能概括GP100核心的特色。

Pascal架構看點之一：計算性能是關鍵，雙精度性能逆市回歸

GP100的性能一經公布，給我們最直接的感覺就是，NVIDIA這次回歸了GK110大核心時代注重雙精度運算的設計，而且比之前更加“變態”——GK110架構中FP64雙精度與FP32單精度的比例不過1：3，每組SMX單元中有192個FP32單元，64個FP64單元；但GP100核心中每組SM單元中有64個FP32單元，但有32個FP64單元，FP64與FP32比例是1：2。

要知道，Maxwell架構中單雙精度比砍到了1/32，GK104核心中單雙精度比是1/24，這都遠遠低于Pascal核心，唯一能與之媲美的就是當年Fermi核心的Tesla加速卡了。

因此，在雙精度性能上，GP100核心可以說是突破天際了，FP64浮點性能可達5.3TFLOPS，而GK110核心不過1.68TFLOPS，GM200核心更是只有可憐的0.21TFLOPS，GP100雙精度性能達到了GK110核心的3倍多，是GM200核心的20多倍。

事實上，HPC的很多應用都需要雙精度性能，不過深度計算（deep learning）這樣的應用并不需要高精度運算，因為它天生自帶糾錯能力。而GP100的FP32 CUDA核心可以同時執行2個FP16半精度運算，因此FP16浮點性能高達21.6TFLOPS。NVIDIA在Tesla P100之外還推出了基于GP100核心的DGX-1深度學習超級計算機，它由8顆GP100核心及2顆16核Xeon E5處理器組成，深度計算性能達到了170TFLOPS，號稱比250臺X86服務器還要強大。

GP100為了提升計算性能，增強的不僅僅是雙精度單元，其L2緩存、寄存器容量也大幅提升，總計擁有4MB L2緩存、14MB寄存器空間。

總之，NVIDIA的GP100核心為了計算性能可謂煞費苦心，雙精度性能簡直逆天。值得注意的是，NVIDIA針對高性能運算所做的設計固然討好了HPC市場，但對游戲市場來說，雙精度是沒多少用處的，反而浪費了大量晶體管單元，提高了成本及功耗。

Pascal架構看點之二：升級16nm工藝，密度、能效提升

從AMD的HD 7970顯卡率先使用28nm工藝開始算起，TSMC的28nm工藝已經陪伴我們四年時間了。期間，AMD、NVIDIA數次升級過的新核心都沒有工藝升級，依然堅持28nm工藝，雙方都跳過了20nm工藝、直接進入了性能更好的FinFET工藝節點，只不過AMD選擇了三星/GF的14nm FinFET LPP工藝，NVIDIA則堅持沿用老朋友TSMC的16nm FinFET Plus工藝。

對半導體芯片來說，升級工藝通常意味著晶體管性能提升、功耗下降，同時晶體管密度大幅提升。具體到TSMC的16nm工藝，該公司此前表示其16nm工藝的晶體管密度是28nm HPM工藝的2倍左右，同樣的功耗下性能提升38%，同樣的速度下功耗降低54%，對比20nm工藝則是20%速度提升、35%功耗下降。

我們再來看看GP100核心的相關數據：

我們簡單地把幾款GPU的晶體管密度換算（晶體管數量除以核心面積，由于GPU核心的電路復雜，這種算法不一定精確，僅供參考）了一下，16nm工藝的GP100核心晶體管密度大約是2510萬每平方毫米，算起來晶體管密度比之前28nm工藝的Maxwell、Kepler恰好多了一倍。

至于每瓦性能比，這里使用的是FP32浮點性能與TDP功耗的比值，考慮到上述核心面向的市場不同，在此要說明的是，側重高性能的GP100與游戲市場的GM204、GK104對比TDP是不公平的，不過最終的結果依然顯示出16nm工藝的GP100在每瓦性能比上有明顯優勢。

從這一點也可以猜測，未來針對游戲市場的Pascal核心（比如GP104、GP106）問世之后，它們勢必要“閹割”掉GP100核心上很多不必要的功能，優化功耗，所以其每瓦性能比無疑會更出色。

Pascal架構看點之三：HBM 2顯存登場，16GB很好很強大

早在2年前的GTC大會上，NVIDIA就公布了Pascal顯卡的2大特色——一個是NVLink總線，一個就是3D Memory，號稱容量、帶寬是目前顯卡的2-4倍，帶寬可達1TB/s，這個顯存實際上就是HBM 2顯存。有意思的是，NVIDIA此舉也意味著盡管AMD Fury顯卡搶先使用HBM顯存，但NVIDIA還是在新一代HBM顯存上搶了先機。

對于HBM 2顯存，我們之前也多次做過介紹，HBM 2顯存現在已經被JEDEC吸納為標準。相比第一代HBM顯存，HBM 2顯存IO位寬不變，但核心容量從2Gb提升到了8Gb，支持4Hi、8Hi堆棧，頻率從1Gbps提升到了2Gbps，帶寬從512GB/s提升到了1024GB/s，這也是TB/s帶寬的由來。

目前三星、SK Hynix已經或者正在量產HBM 2顯存，單顆容量是4GB的，NVIDIA的GTC大會上展示了SK Hynix的HBM 2顯存，GP100核心使用的應該也是Hynix的產品，每個GP100核心周圍堆棧了4顆HBM 2顯存，總容量是16GB，要比AMD的Fury顯卡的4GB HBM顯存容量高得多。

支持HBM顯存對NVIDIA來說還有個好處，那就是ECC校驗。此前的架構中，NVIDIA Tesla顯卡的ECC校驗需要占用6.25%的顯存空間，這意味著有相當部分的顯存要被“浪費”，Tesla K40加速卡的12GB顯存中有750MB預留給ECC校驗，可用的內存容量就剩下11.25GB，而且這還會影響內存帶寬。

相比之下，HBM 2顯存原生支持ECC校驗，不需要額外的內存占用，這不僅提高了顯存利用率，帶寬也不會受到影響。

16GB HBM2顯存總量在Tesla及Quadro專業卡中不算第一，但HBM 2顯存超高的帶寬是GDDR5顯存望塵莫及的。值得注意的是，在GTC大會上展示的HBM 2顯存頻率標明是2Gbps的，但NVIDIA的GP100核心目前帶寬只有720GB/s，并沒有達到之前宣稱的TB/s帶寬，算下來頻率應該只有1.4Gbps左右，這說明GP100核心的HBM 2顯存并沒有全速運行，暫不清楚NVIDIA為何留了一手。

Pascal架構看點之四：NVLink可支持8路顯卡并行

如果說3D顯存是NVIDIA公布的Pascal的第一個關鍵特性，那么NV Link總線就是另外一項關鍵特性了，它同樣是NVIDIA針對高性能運算所開發的技術，號稱速度是PCI-E總線的5-12倍，前面提到的DGX-1深度計算超級計算機就使用了NV Link技術。

NV Link的優點就是帶寬超高，目前PCI-E 3.0 x16的帶寬不過16GB/s，用在游戲顯卡上是足夠的，但在超級計算中就顯得捉襟見肘了，而新一代的PCI-E 4.0規范又延期，這就得靠NV Link總線了。NV Link實際上是NVIDIA與IBM合作開發的產物，其每個通道的帶寬是40GB/s，GP100核心支持4個NV Link，雙向帶寬高達160GB/s，而且帶寬效率高達94%，這些都要比PCI-E總線更有優勢。

NV Link技術主要是為高性能運算而生的，IBM會在他們的Power 9處理器中使用該技術，Intel就不太可能使用NVIDIA的技術了，他們有自己的并行總線技術。對于普通消費者來說，NV Link的意義不大，不過，超高的帶寬、更低的延遲使得NV Link技術可以支持8路顯卡并行，對“高玩”來說有一定吸引力，不過多卡互聯的關鍵在于，目前恐怕沒有哪些應用或者游戲能夠完美支持8卡運行。

Pascal顯卡最關鍵的問題：消費級顯卡如何“閹割”

以上四點只是NVIDIA Pascal顯卡的部分特色，由于官方公布的細節還不夠多，我們對Pascal顯卡的了解還需要進一步深入。毫無疑問的是GP100大核心在高性能計算市場大有用武之地，不論是超高的雙精度性能、超高的每瓦性能比，還是超高的顯存帶寬、超高的NV Link總線，GP100大核心都擁有極強的競爭力。想來也并不意外，就在該卡剛剛發布，歐洲最強的超級計算機就準備使用Tesla P100專業卡進行升級了。

不過，非專業用戶對GP100最大的擔心也來源于此，因為它身上集成了太多的專業技術，雙精度運算對游戲應用沒多少用處，16GB HBM 2顯存雖然夠強悍，但成本控制讓人擔心。而NV Link總線對游戲顯卡來說更是屠龍之技，只有16nm工藝的高能效對游戲玩家來說絕對是有價值的。隨著NVIDIA正式發布針對游戲市場的GP104顯卡，AMD很快也會發布Polaris 11顯卡，雙方新一代顯卡大戰很快就要揭幕了。