走近GP100

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。

在NVIDIA推出了16nm工艺Pascal架构的GTX 1080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GTC 2016大会上首次揭开了面纱，NVIDIA发布的Tesla P100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、HBM 2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（deep learning）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FP32 CUDA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Tesla P100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Xeon E5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4MB L2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HD 7970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14nm FinFET LPP工艺，NVIDIA则坚持沿用老朋友TSMC的16nm FinFET Plus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28nm HPM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：HBM 2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3D Memory，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HBM 2显存。有意思的是，NVIDIA此举也意味着尽管AMD Fury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HBM 2显存，我们之前也多次做过介绍，HBM 2显存现在已经被JEDEC吸纳为标准。相比第一代HBM显存，HBM 2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、SK Hynix已经或者正在量产HBM 2显存，单颗容量是4GB的，NVIDIA的GTC大会上展示了SK Hynix的HBM 2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HBM 2显存，总容量是16GB，要比AMD的Fury显卡的4GB HBM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，NVIDIA Tesla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”，Tesla K40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，HBM 2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。

16GB HBM2显存总量在Tesla及Quadro专业卡中不算第一，但HBM 2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HBM 2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HBM 2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NV Link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NV Link技术。

NV Link的优点就是带宽超高，目前PCI-E 3.0 x16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-E 4.0规范又延期，这就得靠NV Link总线了。NV Link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NV Link，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。

NV Link技术主要是为高性能运算而生的，IBM会在他们的Power 9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，NV Link的意义不大，不过，超高的带宽、更低的延迟使得NV Link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NVIDIA Pascal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NV Link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Tesla P100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，16GB HBM 2显存虽然够强悍，但成本控制让人担心。而NV Link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Polaris 11显卡，双方新一代显卡大战很快就要揭幕了。