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神之飞跃!RTX 40架构、技术、产品深度解析:价格大有玄机
2022-10-04 19:06:35  出处:快科技 作者:上方文Q 编辑:上方文Q     评论(0)点击可以复制本篇文章的标题和链接

盼星星盼月亮,NVIDIA GeForce RTX 40系列显卡终于来了。随着以太坊的转型、“矿潮”的退去,游戏玩家们终于有希望回归本源、体验新一代游戏生活。

RTX 40系列在架构、技术上有哪些革新?光追、DLSS 3真的有那么神奇吗?首发价格为什么定那么高?

今天,我们就来好好谈一谈。

神之飞跃!RTX 40架构、技术、产品深度解析:价格大有玄机

【Ada架构初探:结构基本不变 规模暴涨】

NVIDIA近些年的GPU架构代号,都来自历史上如雷贯耳的著名物理学家,比如Tesla特斯拉、Fermi费米、Kepler开普勒、Maxwell麦克斯韦、Volta伏特、Pascal帕斯卡、Turing图灵、Ampere安培……

GPU核心编号前缀一般都是字母“G”(代表Graphics)和代号首字母的组合,比如GT、GF、GK、GM、GP、GA。

当然,Turing系列有些特殊,因为GT已经用过了,所以改成了TU。

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RTX 40系列的架构代号、编号则都有些不同。

“Ada Lovelace”(以下简称Ada),即阿达·洛夫莱斯,原名奥古斯塔·阿达·拜伦(Augusta Ada Byron),著名英国诗人拜伦之女,数学家,计算机程序创始人,为计算程序拟定了“算法”, 建立了循环和子程序的概念,写作的第一份“程序设计流程图”被珍视为“第一位给计算机写程序的人”,本人也被称为“程序员之母”。

为表纪念,美国国防部将耗费巨资、历时近20年研制成功的高级程序语言命名为Ada语言,被公认为是第四代计算机语言的主要代表。

GA的编号方式也刚刚用过,所以这一代都是AD系列。

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Ada AD10x系列核心采用NVIDIA单独定制的TSMC 4N工艺制造,其中旗舰核心AD102集成最多763亿个晶体管。

这是三星8nm工艺GA102 283亿个的足足2.7倍,但核心面积反而从628平方毫米缩小到608平方毫米,晶体管密度高达1.255亿个/平方毫米,提升了超过1.7倍。

仅仅四年前的Turing RTX 20,台积电12nm工艺,也才186亿个晶体管,每平方毫米还不到2500万个,实在令人感慨技术进步之快。这部分会在后边详谈。

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新的Ada架构全面升级了SM流式多处理器、RT光追核心、Tensor张量核心、视频编解码引擎,还带来了真正强大实用的光流处理器(OFA),但这一次彻底去掉了NVLink总线模块,永别了SLI。

AD102核心共有18432个CUDA核心(分为12组GPC/72组TPC/144组SM)、576个第四代Tensor Core张量核心、144个第三代RT Core光追核心、576个纹理单元、192个ROP单元、18MB一级缓存、96MB二级缓存、36MB寄存器文件。

其中,一级缓存增大了71%,二级缓存不但是Ampere架构的多达16倍,而且经过彻底重构,对于任何应用都能带来明显提升,尤其是光追中的路径追踪等复杂操作会获益匪浅。

或许,这就是NVIDIA敢于把产品显存位宽使劲往下砍的原因,大容量、高带宽的二级缓存可以有效弥补带宽,就像AMD Infinity Cache无限缓存,只是后者需要大容量才能提现优势,Ada这边做到96MB也不算太大,显然带宽高得多(暂无具体数据)。

值得一提的是,AD102核心有288个FP64双精度浮点核心(每组SM 2个),浮点性能是FP32的1/64,专门用于处理FP64代码,包括FP64张量核心代码。

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GPC依然是NVIDIA GPU的顶层组成单元,所有的关键图形单元都在这里,结构组成上整体而言Ampere架构没啥不同。

每个GPC包括一个独立光栅引擎、两个ROP分区(每个包含8个ROP单元)、六组TPC,而每个TPC又包括一个多边形引擎、两组SM。

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SM单元的内部组成也和Ampere如出一辙,可以分为四个部分(分区),以及128KB一级数据缓存/共享内存、一个第三代RT光追核心。

每个分区内又有64KB寄存器文件、零级指令缓存、一个Warp调度器、一个分配单元、16个FP32单精度浮点CUDA核心、16个FP32/INT32单精度浮点和整数混合CUDA核心、一个第四代Tensor张量核心、四个载入存储单元、一个特殊功能单元(SFU)用于执行图形差值指令。

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RTX 40系列采用了与台积电定制优化的4N工艺,得以集成比GA102核心多70%的CUDA核心,成就了史上最复杂的GPU芯片,还大大提升了运行频率,RTX 4090可以加速到2.52GHz,是N卡史上最高的。

与此同时,能效也大大提升,RTX 4090功耗和RTX 3090 Ti完全持平,能效因此达到了其2倍之多。

【RTX 40核心技术:光追再造巅峰、DLSS3革命性跨越】

一、光线追踪:两大新引擎加速

光线追踪,无疑是GPU历史上的一大变革,而引导这一变革的,正是NVIDIA,Ada上已经发展到了第三代,有效光追算力达到191TFlops(每秒191万亿次运算),是上一代产品的2.8倍。

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Ampere架构的第二代RT核心里,BVH加速的包围盒碰撞引擎(上图中左侧方框),执行光线-三角形碰撞(求交)检测加速的是三角形碰撞引擎(上图中右侧三角形部分)。

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Ada架构的第三代光追核心,又增加了两个新的引擎。

一是Opacity Micromap Engine,上图左下角的带树叶三角形部分。

它会评估不透明微遮盖,加速Alpha遍历,大大减轻着色器的工作量,号称光线-三角形碰撞吞吐性能、Alpha遍历性能都提升2倍。

它可以让开发人员为物体、环境加入更多细节,更方便描述不规则形状或半透明物体,比如叶子、火焰、篱笆等。

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比如面对一片叶子,以前需要对整个区域的所有三角形区域,进行同样的光线遍历操作,但不同区域是不一样的,有的整个三角形区域内都是叶子,有的完全没有,有的占一部分。

Ada架构可以对这些不同区域进行分别处理,避免重复和浪费工作量。

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在游戏中,以专门开发的《Portal RTX》为例,应用该技术后,G-Buffer缓冲填充速度可加快30%,帧率可提升30%。

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二是Micro-Mesh Engine,上图右下角的复合三角形部分。

它可以动态生成微网格,以产生额外的几何图形,在处理复杂几何物体、环境光线时,提升几何图形的丰富度,并大大降低BVH的创建时间和存储成本。

你可以把它想象成一个立体版的曲面细分(Tessellation)。

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NVIDIA举了三个例子:创建11:1的珠宝盒,需要15.3万个微网格、1100万个微三角形,BVH创建速度可加快8.5倍,存储空间缩小6.5倍。

创建14:1的珊瑚蟹,需要1.7万个微网格、160万个微三角形,BVH创建速度可加快7.6倍,存储空间缩小8.1倍。

创建28:1的陶鼎,需要17.5万个微网格、5700万个微三角形,BVH创建速度可加快超过15倍,存储空间缩小20倍。

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不止是游戏,微网格位移在内容创作中也可以大大加速,目前已经得到了Adobe、Simplygon两家企业的支持。

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说了半天,来感受下第三代光追的惊人效果,分别来自首批优化到位的《赛博朋克2077》、光追重制版《Portal RTX》、《Racer RTX》。

其中,《赛博朋克2077》可对每个像素执行635次的光追计算来确定光照,比四年前的首批光追游戏,比如39次的《战地5》,增加了多达16倍。

二、着色器执行重排序(SER):化凌乱为整齐

NVIDIA宣称,着色器执行重排序(SER)技术在GPU中的引入,堪比乱序执行技术在CPU中的引入,是GPU历史上的又一伟大创新。

这是不是吹嘘?还真不是。

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简单的说,光追需要光线面对不同物体、环境的多次反射、折射,处理强度不同的负载,着色器面对的工作量是复杂多变的,往往有的已经完成了,有的还在执行,需要等待。

SER就是通过即时重新安排着色器的负载,使之恢复均衡,从而提高执行效率,更好地利用GPU资源。

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还不明白?来看个直观的例子。

假设一组平行光线照射舞台、木墩、狗狗、墙面、天花板,第一次形成的光追负载是非常规律有顺序的,可以轻松处理。

但是光线遇到物体后向不同方向反射,第二次与物体相交,形成的光追负载就更多、更复杂、更凌乱。

SER这时候介入,按照不同类别进行二次排序,着色器就可以像第一次那样有序地处理负载了。

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按照NVIDIA的说法,SER可以为光追带来最高3倍的性能提升,整体游戏性能提升也可达25%。

还是以《赛博朋克2077》、《Portal RTX》、《Racer RTX》为例,性能可以分别提升44%、29%、20%。

三、光流处理器(FOA)和DLSS 3:4倍性能就是这么来的

DLSS 3部分是NVIDIA着墨最多、宣传最到位的,毕竟带来的性能提升最直观、最明显,我们也多絮叨絮叨。

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DLSS技术的初衷很简单,就是弥补光追带来的性能损失,毕竟这东西太耗资源了,二十多的帧率下,再好看的画面也是白费。

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DLSS技术前两代的原理是超分辨率,也就是低分辨率渲染、AI增强、高分辨率输出,性能可以轻松提升2倍之多,光追游戏也能流畅玩儿。

AMD FSR、Intel XeSS也都是同样的原理,可以说NVIDIA一直走在友商之前。

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DLSS 3几乎是推倒重来,尤其是基于强大的光流加速器(OFA),可以通过AI生成帧画面,插入常规渲染帧之间。

优化到位的游戏性能可提升多达4倍,普通游戏也有2倍,相当恐怖的。

同步开启Reflex技术,可以将响应速度提升最多2倍,电竞类游戏延迟低于10ms。

另外,由于DLSS 3生成帧在GPU上是作为后处理执行的,因此即使游戏受到CPU性能限制,前期渲染能力跟不上,也不会遇到瓶颈,依然能从中获得显著的性能提升,尤其是物理计算密集型游戏或大型场景游戏。

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当然,DLSS 3不是单一技术,而是软硬件结合的一整套方案,包括硬件端的光流加速器(算力305Tops)、第四代Tensor张量核心(1.4PFlops算力)、NVIDIA超级计算机平台(AI算力1EFlops),包括软件端的AI帧生成(提升帧率)、AI超分辨率(提升帧率)、NVIDIA Reflex(提高响应降低延迟),是共同协作的成果。

需要注意的是,DLSS 3并不会取代DLSS 2.x,而是将其作为一个子集(超分辨率部分),可以一起工作,联合提升性能。

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具体来说,DLSS 2.x是生成单个像素点来提升画质,DLSS 3的革命性之处则在于,它直接生成全新的完整帧画面,插入渲染帧画面之间,可以说就是“插帧”。

再详细一点,它使用光流加速器分析两帧连续的游戏图像,计算帧到帧之间物体、元素的运动矢量数据,综合游戏中的一对超级分辨率帧,以及引擎和光流运动矢量,并将其输入至卷积神经网络,就能计算生成出新的一帧,这在实时游戏渲染中是首次实现。

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其实没有光流加速器,传统游戏引擎一样可以通过运动矢量进行建模,实现帧生成,但最大问题在于面对粒子、反射、阴影、光照等元素时,容易出现渲染不精确、视觉异常,尤其是在光追下。

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将运动矢量与光流处理结合起来,就可以得到精确的运动模拟,正确处理阴影等画面效果。

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结合帧生成、超分辨率缩放技术,DLSS 3可以在传统渲染器渲染的画面之外,“凭空”再造出7份画面,也就是它能让你看到的7/8的画面像素,都是额外生成的!

这就是AI的力量,或许正是未来的趋势。

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刚才说了性能大幅提升,那么这种AI帧生成,会不会画面上的错位、模糊等问题?上边是NVIDIA举的两个例子。

黄仁勋也曾表示,DLSS 3生成的像素比GroundTruth(真实值)还要好看,也比过去计算的像素更好看,因为DLSS 3生成的像素不是凭空捏造,而是客观的,其训练学习的基础是16K分辨率的超清图像,所以得出的像素非常美丽,近乎原生,也能添加更好看的色彩。

至于实际效果如何,后续看评测吧。

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硬件支持方面,DLSS 3帧生成必须RTX 40系列才能支持(RTX 30/20系列理论上也行但性能很弱),DLSS 2超分辨率则在RTX 40/30/20系列上都可以,另外Reflex支持GTX 900系列以来的所有型号。

显然,想要最佳体验,还得最新的RTX 40系列。

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游戏支持适配方面,NVIDIA也提供了极大的便利。DLSS 3/2的大部分引擎数据是相通的,前者只是多了一个Reflex Maker,另外整个框架体系也是一体的。

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DLSS 3首发就已经/即将支持36款游戏、3款游戏引擎、2款应用,其中包括《黑神话:悟空》、《逆水寒》、《永劫无间》、《仙剑奇侠传7》等国产游戏,引擎分别是寒霜、Unity、虚幻4/5。

四、AV1编码:8K60视频完美了

视频编解码一直是GPU的重要工作,可以大大减轻CPU负担,提升编解码速度。

GeForce RTX 40系列GPU升级到了第八代NVENC编码器,首次加入对AV1格式的支持,12GB或更大显存型号还是双编码器的豪华配置,可以处理单条8K/60视频,或者四条4K/60视频。

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AV1格式正在桌面端、移动端得到快速普及,Intel Arc A系列显卡此前就已经在桌面端首发支持AV1编解码,但现在还谈不上影响力。

GeForce RTX 40系列GPU则带来了完整的AV1生态方案,编码API支持NVIDIA、Chrome、FFmepg、Windows,App编辑器支持DaVinci Resolve、Discord、OBS、voukoder、剪影,视频平台支持Discord、YouTube(B站/爱奇艺们加油),播放器支持Chrome、Discord、VideoLAN、Windows。

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NVIDIA宣称,AV1的编码效率相比流行的H.264高出多达40%,同样画质下码率更低,同样码率下画质更好。

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双编码器的产品上,NVIDIA会让二者分别负责画面的上下部分,各自处理完毕后再综合,编码效率可以提升2倍甚至更多。

同时,GeForce RTX 40系列GPU还首发了第五代NVDEC解码器,支持MPEG-2、VC-1、H.264、H.265、VP8、VP9、AV1格式的解码硬件加速,完整支持8K/60视频解码。

【首发产品规格与性能:价格大有玄机】

接下来,我们看看RTX 40系列的首发阵容,包括初步的规格参数、公版设计、官方性能、价格定位。

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RTX 40系列首发三款型号分别是RTX 4090、RTX 4080 16GB、RTX 4080 12GB,分别基于AD102、AD103、AD104 GPU核心。

没记错的话,这是NVIDIA历史上第一次首发就有不同显存版本的型号,当然不一样的不只是显存。

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RTX 4090自然是旗舰,但未来肯定还会有RTX 3090 Ti级别的真卡皇,因为它并没有使用满血的AD102核心。

对比上边两张内核布局图就可以发现,RTX 4090不但去掉了一组完整的GPC单元(内含6组TPC或者说12组SM),还将另外两组GPC单元各去掉了1组TPC单元或者说2组SM,也就是总共砍掉了8组TPC或者说16组SM

总的来说,RTX 4090隐藏了多达11%的核心单元,只开启了16384个CUDA核心、512个张量核心、128个光追核心、512个纹理单元、176个ROP单元,即便如此也比RTX 3090多了足足一半还多。

核心频率2230-2520MHz,这一代大大提升(RTX 3090只有1395-1695MHz),而且实际运行中完全可以达到更高,2.8GHz左右都没问题。

显存还是384-bit 24GB GDDR6X,等效频率提高到21GHz,带宽达到1TB/s。

整卡功耗为450W,达到了RTX 3090 Ti的档次,相比于RTX 3090增加了整整100W。

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RTX 4080 16GB基于AD103核心,459亿个晶体管,378.6平方毫米面积,集成度也超过1.2亿个/平方毫米。

9728个CUDA核心,对比RTX 3080 12GB/10GB只增加了10%左右,核心频率提升到2210-2510MHz。

16GB GDDR6X显存更是创纪录的23GHz,只是因为位宽从384/320-bit缩水到256-bit,带宽仅为736GB/s,略低于RTX 3080 10GB。

整卡功耗320W,和RTX 3080 10GB持平,比RTX 3080 12GB还低了30W。

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最后是RTX 4080 10GB,也是最具争议的,据说原本计划叫做RTX 4070 Ti,临时拉高了档次,而过低的位宽让很多玩家认为它其实应该是xx60级别。

它基于AD104核心,358亿个晶体管,比上代旗舰GA102核心还要多,294.5平方毫米的面积却小了一半还多,集成密度同样超过1.2亿个/平方毫米!

7680个CUDA核心,对比RTX 3070 Ti多了25%,但是不如RTX 3080 12GB,核心频率为2310-2610MHz,这也是N卡迄今为止最高的频率。

最关键的是,位宽缩减到了只有192-bit,这在x80系列历史上还是第一次,甚至是x70系列都没有,搭配21GHz的12GB GDDR6X显存,带宽只有区区504GB/s,只比RTX 3070、RTX 3060 Ti高一点点。

另外,整卡功耗285W,和RTX 3070 Ti 290W差不多。

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以RTX 4090为例欣赏一下公版设计,整体造型和前两代一致,正反双风扇,但更加厚重,3.5插槽体积,一体化设计更加坚固,同时风扇也增大了,风量因此增加20%。

值得一提的是,针对此前显存容易过热的问题,NVIDIA这次特别加强了显存散热,不但本身功耗更低,而且改进了风流、温度感应。

非公版应该会有更多强化,不用担心显存过热导致花屏之类的问题了。

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PCB依然是尾部V形开口的独特造型,整体紧凑得不像话,没有一丝一毫的空间浪费,居然塞进去了23相供电电路,其中核心20、显存3。

NVIDIA强调,RTX 4090的供电做了优化,不会再有剧烈的电压、电流波动,尤其是高负载下的供电曲线很稳。

另外,它延续了RTX 3090 Ti上首发的PCIe 5.0 16针供电接口,理论最高供电能力600W。

建议最好搭配原生支持新标准的ATX 3.0电源,以及新的16针电源线,因为虽然厂商普遍会附赠三8针转16针的电源线,但插拔次数有限制,三四十次之后就有大概率会烧融。

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性能方面,10月12日我们会给大家带来GeForce RTX 4090的首发评测,这里看看官方宣传。

传统游戏,RTX 4080 12GB都可以持平或者超越RTX 3090 Ti,RTX 4090更是可以带来少则50%、多则成倍的提升。

Portal RTX、Racer RTX、赛博朋克2077 Overdrive模式等针对RTX 40系列设计和优化的场景中,性能更是可以上天,这里也就是所谓4倍性能提升的来源。

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网游就更不在话下了,2K分辨率下帧率可以轻松跑出300-600FPS,延迟普遍不超过10ms,配合高刷电竞显示器可以杀个痛快。

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价格和发布时间大家都很熟悉了:

RTX 4090 10月12日,12999元起,取代RTX 3090 Ti、RTX 3090。

RTX 4080 16GB 11月,9499元起,取代RTX 3080 Ti。

RTX 4080 12GB 11月,7199元起,取代RTX 3080 12GB。

争议最大的就是RTX 4080 12GB的低规格(192-bit)、高价格,但是从产品布局来看,NVIDIA的用意也很明显,就是RTX 40系列先占领高端市场,RTX 30系列继续在主流市场打拼,二者相辅相成,RTX 3080 10GB及之下型号短期内不会退市。

不出意外的话,只有RTX 30系列的库存清理完毕后,RTX 40系列的价格才会慢慢降下来。

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面对创新范围如此之光、力度如此之深的GeForce RTX 40系列GPU系列,你能忍住诱惑吗?

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责任编辑:上方文Q

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