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| 本文作者： 龔黎明 | 2016-05-24 13:46 |
雷鋒網(wǎng)按：本文作者龔黎明，威盛電子高級(jí)芯片工程師。
2016年5月7日，NVIDIA發(fā)布了最新的基于帕斯卡架構(gòu)，16nm Finfet工藝的GTX1080，72億晶體管，最新的架構(gòu)，最新的工藝，高達(dá)1607MHz的核心頻率，更低的功耗，連帶著8GB GDDR5X高端顯存，單引腳高達(dá)10Gb/s的超高速率，使得GTX1080剛一推出就緊緊抓住了玩家們的眼球。
在NVIDIA給出的GTX1080白皮書(shū)中，介紹了其令人矚目的GDDR5X顯存技術(shù)。其高達(dá)10Gb/s的超高傳輸速率，著實(shí)讓人驚嘆。要知道，如此之高的傳輸速率，相鄰數(shù)據(jù)之間將只有0.1ns的時(shí)間間隙，這么短的時(shí)間里光速也只能傳3cm。而工程師必須設(shè)計(jì)精巧的電路使得在這么短的時(shí)間內(nèi)，相鄰數(shù)據(jù)能夠區(qū)分開(kāi)來(lái)，互不干擾，這其中涉及到的高速I(mǎi)O（INPUT/OUTPUT）接口設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)技術(shù)極其高深。
根據(jù)GDDR5X的JEDEC（即固態(tài)技術(shù)協(xié)，是微電子產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)）協(xié)議規(guī)范：
GDDR5X接口協(xié)議最大支持16Gb的單顆顯存芯片。而NVIDIA使用的是鎂光提供的8Gb GDDR5X，總共有8顆，總?cè)萘窟_(dá)到64Gb（8GB）。
GTX1080的顯卡位寬是256bit，其單根引腳就具有10Gb/s的超高傳輸速度，據(jù)此計(jì)算總帶寬達(dá)到了驚人的320GB/s，也就是說(shuō)500G的硬盤(pán)進(jìn)行全盤(pán)傳輸只需要不到2s！相比于上一代的GTX980單根引腳7Gb/s的GDDR5，總帶寬224GB/s的顯存性能，新一代顯存性能提高了43%左右，而這僅僅是從GDDR5變成了GDDR5X，多了一個(gè)“X”而已！
今天我們就來(lái)講講GDDR5X顯存技術(shù)，要想搞明白為什么多了一個(gè)“X”就能提高這么多，我們需要了解GDDR接口的原理。而要了解GDDR接口，就不得不提到DDR接口，也就是內(nèi)存接口技術(shù)，因?yàn)镚DDR接口正是由DDR內(nèi)存接口演進(jìn)而來(lái)！
DRAM(Dynamic Random Access Memory，即動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，最為常見(jiàn)的系統(tǒng)內(nèi)存）技術(shù)從1970年，Intel推出第一款1KB的內(nèi)存開(kāi)始，發(fā)展至今已經(jīng)46年了。其前23年一直按部就班的提高容量與速度，直至1989年，DRAM的最大容量只有4MB。
由于采用異步控制，內(nèi)存控制器的頻率被限制在50M以下，在當(dāng)時(shí)這個(gè)速度是夠用的，因?yàn)?989年Intel的486 DX處理器主頻也只有33M。但是緊接著，沒(méi)幾年Intel就推出了奔騰CPU，然后與AMD展開(kāi)了長(zhǎng)達(dá)十幾年的頻率大戰(zhàn)。CPU頻率一路飆升，從133M Hz上升到2G Hz乃至以上。此時(shí)內(nèi)存的速度就跟不上了，因此從1993年開(kāi)始，推出了SDRAM的技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)同步DRAM，給內(nèi)存引入了時(shí)鐘，并與CPU時(shí)鐘鎖定在一個(gè)頻率上，即是“同步”DRAM接口技術(shù)。
很快，2000年開(kāi)始出現(xiàn)更強(qiáng)勁的DDR技術(shù)，緊接著DDR2，DDR3乃至如今最新的DDR4技術(shù)。
DDR技術(shù)的演進(jìn)
我們今天要講的GDDR5X就是內(nèi)存DDR3技術(shù)的演進(jìn)分支。
GDDR技術(shù)的演進(jìn)，HMC將是下一代技術(shù)
自從DDR技術(shù)推出以后，DRAM的頻率就開(kāi)始一路飆升，下圖就給出了DRAM頻率的提升路線(xiàn)。從2005年DDR2的533M，到2013年，DDR4的2400M，短短8年，內(nèi)存的頻率翻了4倍以上。
下表給出了各代DRAM技術(shù)參數(shù)的差別。可以看到隨著DRAM接口由SDRAM演化到DDR4，其工作電壓從3.3V一路下降到了1.2V，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩蒘DRAM的100Mb/s提升到了DDR4的3200Mb/s。但是注意看，DRAM的核心頻率沒(méi)有絲毫提高，一直都是133M~200M，關(guān)于什么是核心頻率，以及為什么會(huì)這樣，我們一會(huì)兒會(huì)講。
需要指出的是，現(xiàn)代化的內(nèi)存技術(shù)，更像是一門(mén)接口技術(shù)，而不像是存儲(chǔ)技術(shù)。得益于摩爾定律，隨著工藝尺寸的不斷縮進(jìn)，DRAM的容量越做越大，這個(gè)并不難，但是如果沒(méi)有幾代DDR技術(shù)中不斷出現(xiàn)的倍頻高速接口，DRAM的速度基本沒(méi)有辦法提高。
其原因在于，DRAM作為一個(gè)大的存儲(chǔ)體，尤其是靠電容作為存儲(chǔ)的手段，其內(nèi)部操作速度很難做到很高。電容的容量做得太小，內(nèi)存讀寫(xiě)的確可以變快，后果是漏電也會(huì)很快，需要不停的刷新防止數(shù)據(jù)丟失，內(nèi)存的性能會(huì)受到影響。電容的容量做得太大，數(shù)據(jù)確實(shí)可以保存的很久，但是寫(xiě)入和讀取的延時(shí)就會(huì)大大增加，DRAM的性能又會(huì)大大降低。
基于此，DRAM的內(nèi)部存儲(chǔ)操作速度難以大幅度改進(jìn)。即使DRAM接口pin做到了1066M，DRAM的存儲(chǔ)單元其實(shí)并沒(méi)有工作在1066M這么高的時(shí)鐘下面，相反只有133M，快的只是接口而已。就好像一個(gè)很粗的水管，里面的水流速其實(shí)并不快，但是只要我們把出口收窄，出口的水速就會(huì)大幅提高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水管內(nèi)的水速。
在下圖給出的示例中，SDRAM的接口速度是100M，DDR1接口的速度是200M，DDR2接口的速度是400M。每提高一代，接口性能都提高了一倍，但是注意看，這幾代接口的核心頻率都是100M，也就是說(shuō)，DRAM存儲(chǔ)單元的讀寫(xiě)速度沒(méi)有絲毫提高。
這是怎么做到的？
核心技術(shù)點(diǎn)就在于：雙沿傳輸和預(yù)取
SDRAM是單沿傳輸?shù)模诵念l率100M，沒(méi)有預(yù)取，所以接口頻率也是100M，接口速度還是100M。DDR1在核心頻率不變的情況下，采用2bit預(yù)取，并采用雙沿傳輸，使得接口頻率仍然只有100M情況下，接口速度達(dá)到了200M。DDR2和DDR3則進(jìn)一步將預(yù)取增加到4bit和8bit，使得接口速度再次連續(xù)翻倍。最新的DDR4相比于DDR3，并沒(méi)有增加預(yù)取寬度。但是DDR4引入了bank group（塊分組）技術(shù)，該技術(shù)本質(zhì)上還是變相增加了預(yù)取，提高DRAM內(nèi)部并行度，使得DDR4的速度再次實(shí)現(xiàn)翻倍！
GDDR5技術(shù)是內(nèi)存接口DDR3技術(shù)的衍生品，其預(yù)取為8bit，實(shí)現(xiàn)性能達(dá)到6Gb/s，超頻后可以達(dá)到7Gb/s。而GDDR5X則是在GDDR5基礎(chǔ)之上做了兩個(gè)變化：
將預(yù)取由8bit提高到16bit
引入QDR高速接口
我們之前講過(guò)，簡(jiǎn)單粗暴的繼續(xù)增加預(yù)取，性能就可以大大提高。GDDR5X的第一個(gè)改變正是如此。通過(guò)將預(yù)取從8bit提高到16bit，GDDR5X獲得了極大的性能提高！
GDDR5X的另一個(gè)改進(jìn)叫QDR（Quad Data Rate，是4倍數(shù)據(jù)倍率的意思）接口的引入，也就是說(shuō)接口的每個(gè)時(shí)鐘可以傳輸4bit數(shù)據(jù)！我們知道SDRAM使用的是SDR接口，接口只有上升沿才傳輸數(shù)據(jù)。而DDR接口對(duì)此做了大幅提高，通過(guò)上升沿和下降沿同時(shí)傳輸速度，性能相比于SDR得以翻倍！而QDR則是每個(gè)時(shí)鐘傳輸4bit數(shù)據(jù)，性能相比于DDR再次翻倍！
當(dāng)然了，GDDR5其實(shí)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了等效的QDR接口，雖然并不是真正的QDR技術(shù)。以往GDDR1/2/3/4和DDR1/2/3的數(shù)據(jù)總線(xiàn)都是DDR技術(shù)(通過(guò)差分時(shí)鐘在上升沿和下降沿各傳輸一次數(shù)據(jù))，接口頻率x2就是數(shù)據(jù)傳輸率，也就是通常我們所說(shuō)的等效頻率。而GDDR5則不同，它有兩條數(shù)據(jù)總線(xiàn)，帶寬上相當(dāng)于QDR技術(shù)，所以接口頻率x4才是數(shù)據(jù)傳輸率，因而GDDR5實(shí)現(xiàn)了超高頻率。
QDR技術(shù)這么厲害，大家可能首先想到的是需不需要一個(gè)比WCLK更快的時(shí)鐘來(lái)傳輸數(shù)據(jù)？答案是不需要。GDDR5X接口在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，利用WCLK加相位偏移，生成了4個(gè)同頻時(shí)鐘，WCLK_0，WCLK_1,WCLK_2,WCLK_3，每個(gè)時(shí)鐘有1/4周期的偏移。使用這4個(gè)時(shí)鐘的上升沿傳輸數(shù)據(jù)，這樣，就實(shí)現(xiàn)了相比于SDRAM x4的傳輸能力。
當(dāng)然，為了生成這種高精度帶延時(shí)的時(shí)鐘，需要使用DLL（鎖相環(huán)）來(lái)鎖定時(shí)鐘的相位。下圖給出了使用DLL生成這4種各帶1/4相位偏移的時(shí)鐘：
除了之前提高的16bit預(yù)取以及QDR技術(shù)之外，GDDR5X跟GDDR5相比還有一些小的不一樣的地方。GDDR5的核心電壓是1.35V，管腳電壓是1.5V。GDDR5X的電壓是統(tǒng)一的1.35V。封裝也有些不一樣，這使得針對(duì)新的顯卡需要設(shè)計(jì)新的電路板，不過(guò)由于改動(dòng)并不大，設(shè)計(jì)同時(shí)支持GDDR5和GDDR5X顯存的電路板應(yīng)該并不難。
根據(jù)之前的介紹我們知道，GDDR5X技術(shù)依然來(lái)源于DDR3內(nèi)存接口技術(shù)，通過(guò)將預(yù)取由8bit提高到16bit，并且采用最新的QDR接口，每個(gè)時(shí)鐘傳輸4bit數(shù)據(jù)，從而使得GDDR5X的性能高出上一代GDDR5顯存43%的性能。意味著對(duì)于高清游戲可以支持更高的幀率，或者相同幀率下更高的清晰度。
比如對(duì)于1080P的高清游戲，如果采用GDDR5顯存可以達(dá)到100幀的幀率，采用GDDR5X的顯存則理論上可以達(dá)到140幀左右！而最近針對(duì)GTX1080的實(shí)測(cè)也顯示，該顯卡在1080P分辨率極限畫(huà)質(zhì)下，幾乎所有游戲都能擁有平均100幀以上的表現(xiàn)，而4K分辨率下也能保證在30幀以上，這是以前的GTX980Ti根本達(dá)不到的性能。
而最新的測(cè)評(píng)，也證實(shí)了GTX1080超高的性能：
從測(cè)評(píng)結(jié)果來(lái)看，無(wú)論是4K綜合表現(xiàn)還是1080P的綜合表現(xiàn)，GTX1080的性能都高出GTX980 45%以上。當(dāng)然了，除了顯存接口的升級(jí)，其余的比如CUDA單元的增加，16nm Finfet工藝帶來(lái)的能耗比的提高，核心頻率的提高，以及最新的圖像壓縮技術(shù)，都大大提高了GTX1080的性能。
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