【Vega架构解析：AMD GPU五年来最革命性进步】

不知不觉，Radeon这个显卡品牌已经诞生17年了，也伴随太多DIYer走过了青春岁月，而时代在变化，Radeon面临的需求也越发多样化。

AMD在技术白皮书中特别指出，除了传统游戏不断冲击视觉技术极限，GPU还面临着更广泛需求的挑战，从机器学习到专业视觉化，从虚拟化到虚拟现实，GPU的计算能力也在快速跟上，以满足超大数据集的需求，但是GPU存储能力并未得到显著提升。

为此，AMD全新设计了Vega架构，这也是GCN图形架构诞生五年以来，AMD GPU最革命性的变化。

不过，新核心的变化实在太多了，涉及几乎所有方面，而且很多都过于专业，所以这里我们之挑选其中几个要点和大家分享。

1、Vega 10：高集成度的大核心

Vega架构的第一个产品是“Vega 10”，一个相对大规模的芯片，面向高分辨率游戏、VR虚拟现实、高性能计算和机器学习、高负载工作站等领域。

它采用14nm LPP FinFET工艺制造，集成了125亿个晶体管，核心面积486平方毫米。

相比之下，28nm工艺的上代大核心Fiji集成了89亿个晶体管，面积却有596平方毫米，也就是说Vega 10核心晶体管规模多了整整40％，面积却缩小了18％！

另外，同样14nm工艺的Polaris 10核心集成57亿个晶体管，核心面积232平方毫米，Vega 10与之相比晶体管多了1.2倍，面积增大了1.1倍，集成度也有所提高。

Vega 10核心经过优化后，可以充分利用FinFET工艺的低漏电率优势，频率也高于以往任何Radeon显卡，官方标称最高加速频率就有1.67GHz，而实际运行中完全可以超过1.7GHz，实测中甚至见到过1.75GHz。

相比之下，上代Fiji核心最多只能加速到1GHz左右，Polaris 10最高则是超过1.3GHz。

Raja表示，14nm工艺对CPU和GPU来说都很平衡，在CPU上可以实现高频率，GPU上则可以实现高集成度，比如Vega就因此比Fiji核心要小得多，但是性能高出很多。

Vega 10核心依然有64个计算单元、4096个流处理器，规模上和Fiji是一样的，但凭借高进的架构和更高的频率，单精度浮点计算性能达到了惊人的13.7TFlops(每秒13.7万亿次计算)，而且还支持16位数学计算，半精度浮点性能达27.4TFlops。

Vega 10还是AMD第一个使用了Infinity Fabric互连设计的GPU核心，也就是Zen处理器里的那一套。这种低延迟的SoC型互连总线可以在芯片的不同模块之间提供一致性通信，也使得芯片设计更加弹性灵活，可以做到模块化，能随时根据需要加入不同配置和模块。

Vega 10芯片中，Infinity Fabric连接着图形核心与其他主要逻辑模块，包括显存控制器、PCI-E控制器、显示引擎、视频加速器等等，也为未来的APU奠定了基础。

2、全新显存架构和高带宽缓存控制器(HBCC)

GPU通常需要在本地显存中保存所需要数据集或者资源的全部，因为走PCI-E等外部通道的话，将无法保证足够的带宽或延迟。

随着软件内存管理的日益复杂，这对开发者提出了越来越高的挑战，而显存成本又决定了不可能把容量做到特别大。

为此，Vega架构可以将本地显存作为末级缓存使用。如果GPU要访问的部分数据不在显存之内，可以通过PCI-E总线获取所需内存页面，并保存在高带宽缓存中，而不是让GPU停下来，等待完成全部所需资源的复制。

页面通常比整个纹理等资源小得多，复制可以迅速完成，后续访问就直接从缓存中拉取，延迟自然非常低。

这主要得益于Vega架构新增的高带宽缓存控制器(HBCC)，可以将远程内存作为本地缓存使用，同时可以将本地显存作为末级缓存使用。

HBCC支持49位寻址，最多能访问512TB虚拟寻址空间，而现代CPU的寻址空间也不过48位，同时比最多10+GB的显存也多了几个数量级。

HBCC被视为Vega架构中最大的革新，简单地说可以把整个系统内存当做显存来使用，相当于一块显卡可以拥有TB级别的高速显存，无论性能还是容量都不是事儿。

换言之，它实现了某种程度上的一体化内存池，这部分AMD称之为“HBCC内存区”(HMS)。

Radeon Pro SSG之所以能板载2TB SSD，就是得益于这种设计，消除了从GPU到SSD之间的隔阂，可以直接访问其中的数据，从而大大降低延迟和过载。

为了将这种设计发挥到极致，Vega架构其他部分也做了针对性调整，比如说二级缓存就扮演着中心角色，容量翻番到4MB，所有图形区块都直接与其相连，而以往像素引擎是有自己的缓存的。

当然，HBCC设计也需要开发者去学习适应，才能挖掘和释放其最大潜力，而且它也不是必须使用的，开发者如果对显存容量和性能没有特别高的要求，仍然可以走传统路线。

显存方面，Vega搭配了第二代高带宽显存HBM2，类似Fiji那样与GPU核心整合封装，使用硅中介层与GPU物理互连。

得益于新的技术和工艺，HBM2最多可以堆叠8个，单颗容量最大8GB，Vega专业卡就用了两颗供16GB，RX Vega家族则配备了两颗供8GB。

同时，HBM2每个堆栈的位宽达1024-bit，因此只需很低的频率，就能提供极高的带宽。

在显卡驱动控制面板中，用户可以根据自己的需要，手动调整HMS的容量范围。

3、下一代计算单元(NCU)

AMD GCN架构的核心模块是计算单元(CU)，Vega也是如此，但同样做了全面翻新，官方称之为下一代计算单元(NCU)。

NCU的一个亮点变化就是加入了快速堆叠运算(Rapid Packed Math/RPM)，允许两个FP16半精度的运算同时执行，并支持丰富的16位浮点和整数指令集，包括FMA、MUL、ADD、MIN/MAX/MED、Bit Shift等等。

一般来说，日常游戏、3D渲染对单精度FP32、双精度FP64要求比较高，而在大规模深度计算中，FP16半精度十分关键。

Vega首次支持半精度计算，每个NCU拥有64个ALU，可以灵活地执行紧缩数学操作指令，比如每个周期可执行512个8位数学计算，或者256个16位计算，或者128个32位计算。这不仅充分利用了硬件资源，也能大幅度提升Vega在深度学习上的性能。

RPM专门用于加速FP16半精度的运算速度，比如新的着色器可以利用RPM，在AMD一直引以为傲的TressFX毛发渲染中，将每秒能渲染的头发数量增加一倍，因此，RPM可以帮助GPU核心进行更快更强的的物理计算。

NCU还可以同时进行计算和图形处理，并且能够根据负载不同而变换SIMD单元宽度，结果就是以往需要多个计算单元才能完成的任务，现在只需一个就能搞定，不会造成浪费。

种种改进结合，Vega 10核心可以每秒钟执行27万亿次浮点计算，或者55万亿次整数操作。

4、下一代几何引擎

Vega的整个几何引擎针对更高三角形吞吐量做了优化，增加了新的快速硬件路径，比以往更有弹性、可编程性。

Vega几何引擎里的创新很多，最具代表性的当属新的原语着色器(Primitive Shader)，可以合并部分几何处理流水线，抛弃隐藏的、没必要的原语，代之以新的高效着色类型，而且启动非常快，每时钟周期的峰值原语剔除率是以前的四倍。

Vega 10拥有四个几何引擎，加入了新的原语着色器之后，每时钟周期的最大原语吞吐量可以超过17个，而以前只能做到4个。

同时，Vega架构还加入了新的智能负载分配器(IWD)，可以根据实际情况持续调整流水线设定，更好地平衡各个几何引擎之间的负载，提高利用率。

5、下一代像素引擎

随着4K/5K/8K超高分辨率和240Hz高刷新率显示器的出现和普及，以及VR虚拟现实的进一步发展，显卡像素吞吐能力也面临着越来越大的压力，Vega为此重新设计了像素引擎，加入了大量新功能。

比如说流式传输光栅器(Draw Stream Binning Rasterizer/DSBR)，可以消除GPU上非必要的处理和数据传输，提升性能、降低功耗。

Vega支持区块光栅化渲染(tile-based rasterization)和像素集成读取(binning)，可以进一步提高流处理器的利用效率，降低CPU分派3D图像渲染指令的压力。这两种渲染技术在移动GPU上早已大行其道，NVIDIA GTX 750系列开始也加入了支持

Vega能够及时剔除无效的渲染单元，在片上高速缓存内执行光栅化，同时打破了以往架构像素和纹理访问的不一致，实现硬件存储一致性，也就是各级缓存的数据都是最新的，二级缓存统一为渲染后端服务。

AMD表示，DSBR技术开启之后，能在游戏中获得10％的帧率提升，同时节约最多33％的显存带宽，而且不会增加功耗。

而在SPECviewperf 12 energy01专业性能测试中，DSBR更是带来了超过一倍的性能提升。

另外，Vega的新一代像素引擎还集成了最广泛、最完整的DX12 Feature Level 12_1功能特性，并完全支持Vulkan 1.0。

因此，Vega 10非常适合高级图形技术开发，以及体验新技术。

6、丰富的显示输出

A卡在显示输出方面一贯有很强的特点和优势，Vega也不例外。

它支持DisplayPort 1.4标准和HDR3、MST、HDR和各种高精度色彩格式，也支持HDMI 2.0，最高能输出4K/60Hz、12位色彩通道、4:2:0编码，DisplayPort、HDMI也都支持HDCP内容保护。

当然了，FreeSync技术必不可少，支持大量可变刷新率游戏，同时也有FreeSync 2，可将HDR内容低延迟地映射到附加显示器上。

Vega和Polaris一样可以最多支持六屏输出，但是位深、分辨率和刷新率都更高，比如在32-bit HDR模式下，支持最多两台4K 120Hz、三台5K 60Hz(单数据线)、三台8K 30Hz、三台4K 60Hz，64-bit HDR模式下还支持一台4K 120Hz、一台5K 60Hz。

视频解码方面，Vega支持HEVC/H.265 Main10，分辨率最高4K/60Hz，以及10-bit HDR，H.264同样可以做到4K/60Hz，VP9也能支持4K。

编码方面，HEVC/H.265格式支持1080p240、1440p120、2160p60，H.264则支持1080p120、1440p60、2160p60，相比Polaris又有了明显进步。

甚至是在SR-IOV虚拟化中，Vega可以直接共享GPU的视频编解码加速，最多支持16个同步用户对话。

当然还有显示器，AMD主推的FreeSync技术已经广泛普及，支持型号超过了200款，规格也十分齐全，分辨率2K到4K、刷新率60Hz到144Hz应有尽有。

而在FreeSync的基础上，AMD还推出了增强同步(Enhanced Sync)技术，支持240Hz以上的更高刷新率显示器，可以最大程度地减少卡顿。

另外，AMD还在新驱动中优化了游戏响应时间，降低帧延迟，尽可能消除游戏画面的撕裂。