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走近GP100

时间:2024-10-31 11:18:01

作为16nm工艺的新一代旗舰,NVIDIA的GP100核心到底有多强呢?或者说它与目前的显卡架构有什么质的不同?接下来,我们就详细分析一下GP100核心的特色,同时,回顾它与Kepler和Maxwell架构有哪些不同。

编/蓝色

在NVIDIA推出了16nm工艺Pascal架构的GTX1080显卡之前,这半年来的显卡市场上基本上没什么新品,无论是AMD还是NVIDIA主推的还是上一代架构的显卡,恍恍惚惚之间28nm工艺的显卡竟然支撑了4年时间,这在以往的GPU升级历史上可并不多见。之所以双方沉寂这么久,毋庸置疑,两者一定在酝酿着什么,AMD的新一代显卡架构为14nm工艺的Polaris(北极星),NVIDIA准备的则是16nm工艺的Pascal(帕斯卡),后者在GTC2016大会上首次揭开了面纱,NVIDIA发布的TeslaP100专业卡就使用了旗舰GP100核心。

也许是许久未见到新工艺、新架构的显卡,现在看到GP100这样的庞然大物竟有了一种莫名的兴奋感。从Kepler到Maxwell架构,NVIDIA前两次都是选择首发面向主流游戏市场的核心GK104、GM204(Maxwell首发的其实是GM107这样的低端核心),GK110、GM200大核心产品通常要晚半年时间,但这次的Pascal显卡就跟当年的GF100费米架构一样选择了大核心首发,历史终于又一次轮回了。

作为16nm工艺的新一代旗舰,NVIDIA的GP100核心到底有多强呢?或者说它与目前的显卡架构有什么质的不同?接下来,我们就详细分析一下GP100核心的特色,同时,回顾它与Kepler和Maxwell架构有哪些不同。

Pascal与Kepler、Maxwell规格对比

切入正题之前,我们先来了解看看GP100核心与Kepler、Maxwell架构的规格,此前NVIDIA官方也公布了GP100核心与GK110、GM200核心的一些对比,这里我们做了一份更详细的表格,并加入了GM204及GK104这两款游戏显卡的核心规格。

这份规格表的内容非常多,粗粗看来会觉得手足无措,对此,我们有针对性的把需要重点关注的地方标记为红色。简单来说,就是GP100核心的晶体管密度再次攀升、CUDA核心大幅增加、双精度性能逆天增长、缓存/寄存器容量翻倍、HBM2显存及NVLink总线,这几点基本上能概括GP100核心的特色。

Pascal架构看点之一:计算性能是关键,双精度性能逆市回归

GP100的性能一经公布,给我们最直接的感觉就是,NVIDIA这次回归了GK110大核心时代注重双精度运算的设计,而且比之前更加“变态”——GK110架构中FP64双精度与FP32单精度的比例不过1:3,每组SMX单元中有192个FP32单元,64个FP64单元;但GP100核心中每组SM单元中有64个FP32单元,但有32个FP64单元,FP64与FP32比例是1:2。

要知道,Maxwell架构中单双精度比砍到了1/32,GK104核心中单双精度比是1/24,这都远远低于Pascal核心,唯一能与之媲美的就是当年Fermi核心的Tesla加速卡了。

因此,在双精度性能上,GP100核心可以说是突破天际了,FP64浮点性能可达5.3TFLOPS,而GK110核心不过1.68TFLOPS,GM200核心更是只有可怜的0.21TFLOPS,GP100双精度性能达到了GK110核心的3倍多,是GM200核心的20多倍。

事实上,HPC的很多应用都需要双精度性能,不过深度计算(deeplearning)这样的应用并不需要高精度运算,因为它天生自带纠错能力。而GP100的FP32CUDA核心可以同时执行2个FP16半精度运算,因此FP16浮点性能高达21.6TFLOPS。NVIDIA在TeslaP100之外还推出了基于GP100核心的DGX-1深度学习超级计算机,它由8颗GP100核心及2颗16核XeonE5处理器组成,深度计算性能达到了170TFLOPS,号称比250台X86服务器还要强大。

GP100为了提升计算性能,增强的不仅仅是双精度单元,其L2缓存、寄存器容量也大幅提升,总计拥有4MBL2缓存、14MB寄存器空间。

总之,NVIDIA的GP100核心为了计算性能可谓煞费苦心,双精度性能简直逆天。值得注意的是,NVIDIA针对高性能运算所做的设计固然讨好了HPC市场,但对游戏市场来说,双精度是没多少用处的,反而浪费了大量晶体管单元,提高了成本及功耗。

Pascal架构看点之二:升级16nm工艺,密度、能效提升

从AMD的HD7970显卡率先使用28nm工艺开始算起,TSMC的28nm工艺已经陪伴我们四年时间了。期间,AMD、NVIDIA数次升级过的新核心都没有工艺升级,依然坚持28nm工艺,双方都跳过了20nm工艺、直接进入了性能更好的FinFET工艺节点,只不过AMD选择了三星/GF的14nmFinFETLPP工艺,NVIDIA则坚持沿用老朋友TSMC的16nmFinFETPlus工艺。

对半导体芯片来说,升级工艺通常意味着晶体管性能提升、功耗下降,同时晶体管密度大幅提升。具体到TSMC的16nm工艺,该公司此前表示其16nm工艺的晶体管密度是28nmHPM工艺的2倍左右,同样的功耗下性能提升38%,同样的速度下功耗降低54%,对比20nm工艺则是20%速度提升、35%功耗下降。

我们再来看看GP100核心的相关数据:

我们简单地把几款GPU的晶体管密度换算(晶体管数量除以核心面积,由于GPU核心的电路复杂,这种算法不一定精确,仅供参考)了一下,16nm工艺的GP100核心晶体管密度大约是2510万每平方毫米,算起来晶体管密度比之前28nm工艺的Maxwell、Kepler恰好多了一倍。

至于每瓦性能比,这里使用的是FP32浮点性能与TDP功耗的比值,考虑到上述核心面向的市场不同,在此要说明的是,侧重高性能的GP100与游戏市场的GM204、GK104对比TDP是不公平的,不过最终的结果依然显示出16nm工艺的GP100在每瓦性能比上有明显优势。

从这一点也可以猜测,未来针对游戏市场的Pascal核心(比如GP104、GP106)问世之后,它们势必要“阉割”掉GP100核心上很多不必要的功能,优化功耗,所以其每瓦性能比无疑会更出色。

Pascal架构看点之三:HBM2显存登场,16GB很好很强大

早在2年前的GTC大会上,NVIDIA就公布了Pascal显卡的2大特色——一个是NVLink总线,一个就是3DMemory,号称容量、带宽是目前显卡的2-4倍,带宽可达1TB/s,这个显存实际上就是HBM2显存。有意思的是,NVIDIA此举也意味着尽管AMDFury显卡抢先使用HBM显存,但NVIDIA还是在新一代HBM显存上抢了先机。

对于HBM2显存,我们之前也多次做过介绍,HBM2显存现在已经被JEDEC吸纳为标准。相比第一代HBM显存,HBM2显存IO位宽不变,但核心容量从2Gb提升到了8Gb,支持4Hi、8Hi堆栈,频率从1Gbps提升到了2Gbps,带宽从512GB/s提升到了1024GB/s,这也是TB/s带宽的由来。

目前三星、SKHynix已经或者正在量产HBM2显存,单颗容量是4GB的,NVIDIA的GTC大会上展示了SKHynix的HBM2显存,GP100核心使用的应该也是Hynix的产品,每个GP100核心周围堆栈了4颗HBM2显存,总容量是16GB,要比AMD的Fury显卡的4GBHBM显存容量高得多。

支持HBM显存对NVIDIA来说还有个好处,那就是ECC校验。此前的架构中,NVIDIATesla显卡的ECC校验需要占用6.25%的显存空间,这意味着有相当部分的显存要被“浪费”,TeslaK40加速卡的12GB显存中有750MB预留给ECC校验,可用的内存容量就剩下11.25GB,而且这还会影响内存带宽。

相比之下,HBM2显存原生支持ECC校验,不需要额外的内存占用,这不仅提高了显存利用率,带宽也不会受到影响。

16GBHBM2显存总量在Tesla及Quadro专业卡中不算第一,但HBM2显存超高的带宽是GDDR5显存望尘莫及的。值得注意的是,在GTC大会上展示的HBM2显存频率标明是2Gbps的,但NVIDIA的GP100核心目前带宽只有720GB/s,并没有达到之前宣称的TB/s带宽,算下来频率应该只有1.4Gbps左右,这说明GP100核心的HBM2显存并没有全速运行,暂不清楚NVIDIA为何留了一手。

Pascal架构看点之四:NVLink可支持8路显卡并行

如果说3D显存是NVIDIA公布的Pascal的第一个关键特性,那么NVLink总线就是另外一项关键特性了,它同样是NVIDIA针对高性能运算所开发的技术,号称速度是PCI-E总线的5-12倍,前面提到的DGX-1深度计算超级计算机就使用了NVLink技术。

NVLink的优点就是带宽超高,目前PCI-E3.0x16的带宽不过16GB/s,用在游戏显卡上是足够的,但在超级计算中就显得捉襟见肘了,而新一代的PCI-E4.0规范又延期,这就得靠NVLink总线了。NVLink实际上是NVIDIA与IBM合作开发的产物,其每个通道的带宽是40GB/s,GP100核心支持4个NVLink,双向带宽高达160GB/s,而且带宽效率高达94%,这些都要比PCI-E总线更有优势。

NVLink技术主要是为高性能运算而生的,IBM会在他们的Power9处理器中使用该技术,Intel就不太可能使用NVIDIA的技术了,他们有自己的并行总线技术。对于普通消费者来说,NVLink的意义不大,不过,超高的带宽、更低的延迟使得NVLink技术可以支持8路显卡并行,对“高玩”来说有一定吸引力,不过多卡互联的关键在于,目前恐怕没有哪些应用或者游戏能够完美支持8卡运行。

Pascal显卡最关键的问题:消费级显卡如何“阉割”

以上四点只是NVIDIAPascal显卡的部分特色,由于官方公布的细节还不够多,我们对Pascal显卡的了解还需要进一步深入。毫无疑问的是GP100大核心在高性能计算市场大有用武之地,不论是超高的双精度性能、超高的每瓦性能比,还是超高的显存带宽、超高的NVLink总线,GP100大核心都拥有极强的竞争力。想来也并不意外,就在该卡刚刚发布,欧洲最强的超级计算机就准备使用TeslaP100专业卡进行升级了。

不过,非专业用户对GP100最大的担心也来源于此,因为它身上集成了太多的专业技术,双精度运算对游戏应用没多少用处,16GBHBM2显存虽然够强悍,但成本控制让人担心。而NVLink总线对游戏显卡来说更是屠龙之技,只有16nm工艺的高能效对游戏玩家来说绝对是有价值的。随着NVIDIA正式发布针对游戏市场的GP104显卡,AMD很快也会发布Polaris11显卡,双方新一代显卡大战很快就要揭幕了。

GP100核心与GK110、GM200、GM204、GK104核心规格对比

GK110核心架构示意图

GM200核心架构示意图

GP100核心架构示意图

TSMC的16nmFinFET工艺优势

GP100核心的晶体管密度、频率及TDP功耗

GP100显卡背后的NVLink接口

GTC大会展示的SKHynix公司的4GBHBM2显存

DGX-1的8路GP100显卡并行就靠了NVLink技术


   

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