在GTC2016（GPU技術(shù)大會）上，NVIDIA Pascal（帕斯卡）架構(gòu)首款GPU：Tesla P100驚艷全場。可惜，P100不是針對游戲玩家和臺式機推出的，而是用于科學計算等專業(yè)領(lǐng)域。隨著GTX1080的問世，Pascal才算與游戲玩家有了親密接觸的機會。那么，GTX1080是如何延續(xù)強者之路的？

Tesla P100的驚鴻一瞥

作為最早亮相的Pascal GPU，Tesla P100是由該架構(gòu)中的頂級核芯“GP100”簡化而來，擁有超過150億個晶體管，內(nèi)建3584個CUDA單元和224個紋理單元（標準的GP100核芯應(yīng)該有3840個CUDA單元和240個紋理單元），在HBM2顯存的加持下帶寬可達到驚人的720GB/s?？上В琓esla P100并不面向民用市場（圖1）。如果你有興趣染指的話，則需購買129000美元的DGX-1盒（圖2），并忍受其3200W的功率……很不靠譜對嗎？

還好，NVIDIA針對民用市場還準備了Pascal架構(gòu)的中端核芯“GP104”，并將其“塞進”了全新一代顯卡GTX1080的身上。對所有發(fā)燒級游戲玩家而言，NVIDIA GTX1080無疑是現(xiàn)階段的夢想之芯。接下來，我們就一起看看GTX1080的進化之路。

先從16nm制程工藝談起

對于CPU和GPU這種芯片來說，增加晶體管數(shù)量就是提升性能的最有效手段。但是，NVIDIA在過去4年中一直在沿用28nm FinFET制程工藝，GeForce 900系列早已將該工藝的潛力挖掘到了頭，很難再有突破。換句話說，28nm工藝已經(jīng)無法滿足NVIDIA新一代Pascal GPU的設(shè)計需求了。

很難理解？那我們就不妨回顧一下手機領(lǐng)域的高通上代旗艦驍龍810處理器，這顆CPU就是因為采用了和其架構(gòu)不匹配的20nm制程工藝而出現(xiàn)了包括發(fā)熱異常、頻繁降頻在內(nèi)的各種問題，最終成為高通史上最失敗的CPU之一。痛定思痛之后，高通為新一代驍龍820找來了三星14nm LPP工藝助陣，重新找回來作為一線處理器的尊嚴。

NVIDIA也是如此。為了解決新一代Pascal GPU的后顧之憂，NVIDIA選擇了臺積電的16nm FinFET Plus（又稱“16FF+”）與其搭配。我們熟悉的蘋果A9、麒麟950/955、麒麟650等手機處理器也都是16nm FinFET Plus的“客戶”。按照臺積電的說法，16nm FinFET Plus工藝相比28nm HPM可提升65%的性能或減少70%的能耗。

言歸正傳。作為NVIDIA GTX1080的核芯（圖3），“GP104”在16nm FinFET Plus工藝的幫助下，硬是在比GTX980還要小的封裝面積（芯片表面積）里塞進了接近TITAN X和GTX980 Ti的晶體管數(shù)量（表1）。

與此同時，GTX1080的核心頻率也有了大幅提升，加速頻率較GTX980提高了40%以上。最令人驚喜的是，GTX1080在晶體管數(shù)量翻番且核心頻率猛增之后，它的TDP功耗竟然只比GTX980高了15W，遠遠低于TITAN X和GTX980 Ti的250W，這意味著GTX1080只需外接一個8pin的電源線即可穩(wěn)定運行（圖4）。

以上種種改進，就是16nm FinFET Plus工藝帶來的增益“BUFF”。至此，你還敢小看工藝對芯片性能的影響嗎？

由內(nèi)之外的進化之路

細心的用戶可能發(fā)現(xiàn)了，和NVIDIA TITAN X/ GTX980 Ti相比，GTX1080的CUDA、紋理單元和光柵單元的數(shù)量上都不占優(yōu)勢。那么，它在性能上又能擊敗看似更強悍的TITAN X/ GTX980 Ti嗎？在談及性能之前，我們還是應(yīng)該先了解一下GTX1080在工藝之外的改進之處。

核芯架構(gòu)層面的優(yōu)化

我們可以將“GP104”理解為上代“GM204”的優(yōu)化版。它們都是由4組“GPC”（圖形處理簇）和顯存控制器組成，但差別卻體現(xiàn)在：

1.“GM204”的每組GPC包含4個“SMM”（計算單元組），每個SMM集成了128個CUDA單元和8個紋理單元（圖5）;

2.“GP104”取消了SMM概念，并將其改名為“TPC”（圖6），它包含Polymorph 4.0（幾何引擎）和SM（CUDA單元簇）等。同時，“GP104”的每組GPC包含5個TPC，每個TPC同樣集成128個CUDA單元和8個紋理單元（圖7）;

3.“GP104”的顯存控制器從“GM204”時期的4個位寬為64bit的顯存控制器改為了8個位寬為32bit的顯存控制器，每個顯存控制器配備了8個光柵單元，與顯存接口一一對應(yīng)。這項細化賦予了GP104更靈活的存儲資源調(diào)度能力，并與其顯存效能的提升息息相關(guān)。

因此，一個完整的“GP104”核芯就包含了2560個CUDA單元（4×5×128）、160個紋理單元（4×5×8）、64個光柵單元（8×8）以及256bit顯存位寬（8×32）。

根據(jù)木桶原理，GPU核心頻率是由無數(shù)設(shè)計電路中速度最慢的那一路徑?jīng)Q定的。NVIDIA此次鉆了“牛角尖”，找到并攻克了那條速度最慢的設(shè)計電路，因此將GP104的核心頻率提升到了驚人的1733MHz，將上代顯卡遠遠拋在身后，確保每一瓦電力都能發(fā)揮其最大性能。NVIDIA還曾表示，GP104結(jié)合全新的GPU Boost 3.0技術(shù)，其超頻幅度可達1800MHz甚至更高，如此一來就大大降低了日后超頻版GTX1080的設(shè)計門檻。

GDDR5X彌補HBM 2顯存遺憾

GTX1080最令人遺憾之處就是沒能加入對HBM 2顯存的支持。作為彌補，NVIDIA引入了全新的“GDDR5X”顯存的概念（圖8），并改善了GPU和顯存芯片之間的信號通路。作為GDDR5的改良版，GDDR5X的運行速率從7Gbps提升到了10Gbps，總體帶寬可達320GB/s，較GTX 980顯卡的224GB/s提升43%，甚至足以媲美384bit位寬的TITAN X和GTX980 Ti了。

與此同時，GTX1080的無損顯存壓縮技術(shù)也得以升級，改進了2∶1壓縮效率，新增了4∶1和8∶1壓縮算法，進一步提升了顯存性能。

新技術(shù)和新特性的改良

NVIDIA對GTX1080還是很用心的，不僅想盡一切辦法提升性能，還對其進行了諸多新技術(shù)和新特性的改良。

更進一步的VR體驗

毫無疑問，GTX1080絕對是未來高端VR PC的首選顯卡，而它在VR方面的改進也沒有讓我們失望。比如，GTX1080支持同步多投影引擎（SMP，Simultaneous Multi-Projection）技術(shù)，在三聯(lián)屏輸出的過程中，SMP技術(shù)可根據(jù)屏幕兩側(cè)的傾斜角度將正確視覺邏輯中的物體和形變投射進來（圖9），讓用戶余光看到的是猶如真實世界中的窗口。

SMP在時下新興的VR體驗上的作用更加明顯：VR所傳遞的圖像是類似魚眼效果的矩形畫面（只有中央位置的圖像實際有效），SMP可以進一步省略掉畫面邊緣不必要的渲染內(nèi)容以節(jié)省資源提升幀數(shù)（圖10）。同時，SMP還可以通過新的算法生成左右眼睛所看到的圖像，省略掉其中大量的重復運算，理論上具有雙倍于Maxwell顯卡的效能。

值得一提的是，GTX1080支持全新的VR音頻及VR物理加速，前者可以模擬聲音在虛擬場景內(nèi)的互動映射，實現(xiàn)類似現(xiàn)實中聲音碰到障礙物反射時的真實音效;后者則可以在游戲中加速布料、流體、火焰、發(fā)毛等物理運動特效，展示更為真實的效果。

此外，GTX1080還對異步運算進行了改良，可快速高效地并行處理多任務(wù)，做到動態(tài)負載平衡，以及像素級別的任務(wù)“搶占”，執(zhí)行效率大幅提升。而我們常用的GPU物理加速、音頻處理、渲染幀的后期處理，以及VR異步時間扭曲算法都能因異步運算獲益。

走進游戲世界的Ansel功能

如今限制VR發(fā)展的最大瓶頸之一就是內(nèi)容匱乏，那么作為普通用戶，我們是否能夠簡單輕松地創(chuàng)建VR內(nèi)容？GTX1080的答案是，OK！

NVIDIA針對GTX1080開發(fā)出了Ansel截圖功能，不要被“截圖”兩個字蒙蔽，這個功能可以顛覆傳統(tǒng)意義的畫面抓??！簡單來說，玩家在游戲中可以使用Ansel截圖功能定格“游戲世界”，然后可以隨意切換方位和角度抓取游戲世界內(nèi)的畫面（圖11）。通過它，我們甚至可以截取VR全景照片（圖12），然后借助一些手機VR設(shè)備就能欣賞沉浸式的VR游戲場景了。

需要注意的是，Ansel截圖需要具體游戲的支持，游戲開發(fā)商需要將Ansel集成到游戲程序當中去才能實現(xiàn)猶如“上帝視角”的截圖功能。

GTX1080還有一些細節(jié)功能上的改進，比如避免顯示撕裂情況發(fā)生的Fast SYNC技術(shù)、更高性能的SLI連接橋設(shè)計（圖13）、GPU Boost 3.0技術(shù)等等。接下來，我們就要揭開GTX1080的性能之謎，看看它與上代旗艦之間的較量。

令人欣喜的性能表現(xiàn)

雖然GTX1080的CUDA、光柵、紋理單元數(shù)量和顯存位寬不如TITAN X和GTX980 Ti，雖然GTX1080的TDP功耗只比GTX980增加了15W，但這些都阻擋不住其出色的性能表現(xiàn)：在所有的測試項目中（表2），都將TITAN X和GTX980 Ti甩到了后面，甚至已經(jīng)看不到GTX980的影子了。

作為Pascal GPU家族中首款上市的產(chǎn)品，GTX1080的性能表現(xiàn)只能用驚艷來形容（圖15）。無論是看似較低的TDP、看著薄弱的8pin供電、少于GM200的CUDA單元數(shù)量，都沒能成為它大幅領(lǐng)先于上代旗艦顯卡的瓶頸所在，Pascal GP104的動力著實讓人熱血澎湃。

可惜，GTX1080公版價格高達5399元，在缺乏競爭對手的大環(huán)境下，短期內(nèi)我們也無法指望它的價格能降下來。所以對絕大多數(shù)非發(fā)燒級游戲玩家而言，不妨將目光投向NVIDIA Pascal GPU家族中的“次子”，GTX1070身上。據(jù)悉，GTX1070的價格可能只有GTX1080的一半，但性能卻足以媲美甚至超越GTX TITAN X！

感受到Pascal GPU的強悍，我們更期待它能盡快入駐筆記本身上，讓移動顯卡的性能可以更進一步，至少要讓筆記本也能擁有足夠駕馭未來VR體驗的性能吧？