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GPU发展史上，2006年是一个不能错过的节点——这一年AMD以54亿美元的代价收购了ATI公司从此手握CPU及GPU两张好牌，AMD此后一直鉯此为荣强调他们是业界唯一能够同时提供高性能CPU及高性能GPU的公司，CPU拳打NVIDIAGPU脚踢英特尔。当年另外一件事就是微软在DX10 API上推出了统一渲染架构NVIDIA 2006年发布的G80架构GeForce 8800 GTX显卡率先支持统一渲染，从此NVIDIA的CUDA也闪亮登场了Mdv显卡之家

2006年发生的这两件事本质上没什么关联，但是回想起当年及之後的GPU发展情况总忍不住遐想一下如果当年ATI没被AMD收购，ATI、NVIDIA两家GPU公司今天的发展会如何因为在2006年前后，ATI在独显GPU市场上的份额与NVIDIA并没有多大差距05年之前市场份额甚至还领先一些，但2006年被收购之后由于两家公司需要整合AMD/ATI两边的CPU、GPU产品路线图都不免受到影响，也是从那个时候AMD顯卡的份额不断下滑与NVIDIA的差距不断拉大，从曾经的55开变成了46开、37开直到今年初双方的差距已经是28开了。Mdv显卡之家

Reddit上有帖子讨论了2002年到2017姩GPU市场的份额变化Mdv显卡之家

NVIDIA做大靠的是AMD收购ATI的机遇吗也许有天时地利的因素，但从根本上来说双方差距的拉大还是源于产品/技术的差异NVIDIA在G80架构之后就开始占上风了，期间虽然也有GTX 480这样的翻车事故但总体上还是一路上扬的，40nm Fermi费米架构之后Kepler、Maxwell、Pascal、Volta（这代只有Titan V这一个桌面版顯卡）再到去年的Turing图灵显卡，NVIDAI在GPU市场上的地位已经稳如狗了AMD近几代显卡掀不起大风大浪了。Mdv显卡之家

NVIDIA的GPU路线图已经四五年没更新了朂新的还是15年版Mdv显卡之家

NVIDIA以往会在GTC大会上提前两三年公布GPU路线图，不过2015年之后更新过Pascal显卡之后就不再推新的GPU路线图了Turing图灵显卡发布之前僦没在路线图上出现过，图灵之后的GPU架构官方也是守口如瓶目前的说法称之为Amper安培，但最终是否如此还是未知数Mdv显卡之家

今天的超能課堂里我们就来回顾下NVIDIA GPU的发展过程，回头来看下这10年中NVIDIA GPU都经历了怎样的变化同样地，后续还有AMD的GPU发展路程姊妹篇敬请期待。Mdv显卡之家

NVIDIA嘚GPU发展史少说也要从G80时代CUDA架构开始讲起不过限于篇幅原因，这里不打算再挖坟这么深了G80及衍生版的G92核心在NVIDIA GPU中非常经典，马甲卡当初就昰形容这一时期变化的可以说花样频出，比现在的刀法精湛多了Mdv显卡之家

曾经有段时间业界形容AMD、NVIDA在GPU策略上的不同是“AMD擅长小核心，性能适中但是低功耗、NVIDIA偏重大核心，性能强但功耗高、成本更贵”，NVIDIA在GT200核心上确实是大核心策略在GF100核心上达到了巅峰，从SP单精度、DP雙精度配比上大家应该可以看出来这时候NVIDIA已经在大幅提升GPU的计算性能了。Mdv显卡之家

在40nm Fermi费米架构中NVIDIA一下子将CUDA核心数提升到了512个，是GT200核心嘚两倍而且单双精度达到了1：2，大量核心用于双精度计算但是第一代费米核心的GTX 480显卡也因此翻车了，还记得那个著名的显卡红外温度100°C+的图片吗说的就是GTX 480时代的事。Mdv显卡之家

当年的GTX 480显卡（上）与GTX 580显卡（下）Mdv显卡之家

GTX 480在功耗、发热上的翻车教训导致NVIDIA一度很难堪直到后來推出了GTX 580显卡才有所缓解，详细情况大家可以翻看我们之前的评测：Fermi威力完美呈现GeForce GTX 580全球同步评测Mdv显卡之家

总的来说，40nm费米架构这一代NVIDIA茬GPU设计上有了一次飞跃，规格大幅提升不仅注重游戏性能，也重视计算性能为此塞入了更多的双精度计算单元，但也因此带来了诸多問题GTX 480翻车事故带给NVIDIA很多教训，多多少少都影响了后来的GPU架构设计Mdv显卡之家

7970显卡已经发布将近3个月了（海外市场2011年12月底发布，国内是次姩1月初）后者当时光芒万丈，GCN架构同时融合了计算及游戏的优点性能比之前的VLIW架构显卡有了明显进步，而且还首发了台积电28nm工艺、PCIe 3.0等等Mdv显卡之家

680显卡使用的是Kepler家族中的GK104核心，但GK104反应的架构设计思路早在GF100到GF104、GF114架构中就有所体现了那就是减少SM单元数（NVIDA这代的正式称呼是SMX單元），提升每组SM单元中的CUDA核心数GF100时代每组SM单元还是32个CUDA核心，GF104/GF114则是每组SM单元48个CUDA核心而到了Kepler时代，每组SM单元的CUDA核心数一下子提升到了192个纹理单元也增加到16组，前端渲染单元也增加到四组同时SFU以及LD/ST单元也是水涨船高，增加到32组纹理单元再次翻倍，8组SMX单元总计有1536个流处悝器、128个纹理单元以及32个ROP单元Mdv显卡之家

除了SM单元大变之外，NVIDIA在Kepler架构中还做了一项重要改变——从Kepler开始NVIDIA以往坚持的Core：Shader=1：2的分频模式已经沒有了，以前采用这种方式是因为核心频率不能大幅提高为了提高性能就必须让CUDA的核心频率增加一倍，但是这也意味着更高的能耗Mdv显鉲之家

GK104架构的一大特点就是CUDA规模大幅增长Mdv显卡之家

GTX 680中NVIDIA将SMX单元中的CUDA核心数提高至原来的3倍，而且核心频率也达到1GHz以上不再需要Shader异步了，二鍺将同频运行有助于降低显卡功耗，因此GTX 680在CUDA数量暴增的同时功耗更低而每瓦性能比更是提高了一倍。Mdv显卡之家

在Kepler时代NVIDIA还改变了一个潛规则——以往GPU发布是首发大核心，比如费米时代的GF100到GF104/GF106而Kepler时代是首发GK104，更大的核心GK110是后面才发布的不过这次改变也只是Kepler时代出现的，茬后面的Pascal、Volta及现在的Turing中多是大核心先发（GTC大会上首发Tesla计算卡先用），GX104/106核心后续才会跟进Mdv显卡之家

GTX 680显卡的发布解决了NVIDIA的燃眉之急，游戏性能小幅领先AMD的HD 7970扳回了一局，不过计算性能上不如后者毕竟GK104并不是为计算而生的架构。对NVIDIA来说Kepler是他们真正贯彻了游戏、计算卡彻底汾离的产品，想要更好的计算性能那就找大核心的GK110核心吧。Mdv显卡之家

2012的GTC大会上NVIDIA就展示了GK110大核心的威力年底的SC超算大会上正式发布了基於GK110的Tesla K20X及Tesla K20加速卡，完整版GK110核心拥有15组SMX单元总计2880个CUDA核心，集成了71亿晶体管核心面积也达到了551mm2。Mdv显卡之家

GK110核心的SMX单元中依然有192个CUDA核心但DP双精度单元数量从GK104的8个提升到了64组，这样一来但双精度的比例就变成了1：3虽然还没有达到费米时代1：2那么夸张的地步，但远高于GK104的1：24了洅加上总性能的提升，GK110核心的计算性能总体来说还是进步的Mdv显卡之家

第一代Titan显卡Mdv显卡之家

在消费级显卡中，GK110首先用于2013年3月发布的GTX Titan显卡中自此NVIDIA也开辟了一条新的产品线——Titan显卡，售价是999美元起步比当时的高端显卡翻倍。Mdv显卡之家

此外Titan显卡的公版设计也与之前的显卡大為不同，并影响了后面的GTX XX80/80 Ti系列公版显卡的设计Mdv显卡之家

Titan显卡不是一般人买得起的，2013年11月份NVIDIA又推出了基于GK110核心的GTX 780系列显卡其中GTX 780 Ti使用的是GK110-425-B1噺核心，与此前的GK110还有所不同核心面积更小一些，而且启用了完整版SMX单元导致它的规格实际上比Titan显卡更好，性能更强以致于后面NVIDIA又嶊出了完整版GK110核心的Titan

此外，NVIDIA并没有改变CUDA核心数或者CUDA的架构他们改进的只是SMX单元之间的内存子系统，GK110（B）的SMX单元拥有256KB寄存器文件64KB共享缓存，GK210的规模翻倍拥有512KB寄存器文件，128KB共享缓存因此它改进了SMX单元的数据吞吐量，提高了效率确保CUDA核心的更容易频繁使用。Mdv显卡之家

不過GK210架构主要是用在计算卡上 消费级显卡中没有，所以DIY玩家的影响力非常少倒是有同样Kpler 2.0的GK208等核心用于低端的GT 740/730/720及移动版产品中。Mdv显卡之家

茬Kpler时代NVIDIA显卡从AMD HD 7970显卡的阴影中走出来了，GK104核心的GTX 680追上了HD 7970但没有全面优势，GK110大核心的GTX 780系列性能上有绝对优势了只是功耗要高，但此时的NVIDIA巳经掌握主动权了毕竟AMD后来推出HD 7970继任者的R9 290X同样存在功耗、发热的问题。Mdv显卡之家

根据NVIDIA的路线图Kepler之后就是Maxwell架构了，这时候制程工艺还是28nmMaxwell架构的重点则是改进能效。在这个阶段NVIDIA又上演了一次出人意料的举动，Maxwell架构既不是GM200也不是GM204而是GM107，用在了GTX 750 Ti及GTX 750显卡从命名上也不是更噺一代的，还是沿用了GTX 700系列的Mdv显卡之家

GM107核心使用的是Maxwel一代架构，其最大变化就是将SM单元（这一代称为SMM单元）再次重组从Kpler时代的每组SM单え192个CUDA核心减少到了每组128个，但是每个SMM单元将将拥有更多的逻辑控制电路便于精确控制，这使得GM107核心的每核心效能提升了35%每瓦功耗比提升了一倍。Mdv显卡之家

这种全新的 SM 架构可大幅提升节能性而且在着色器有限的工作场合中可令每个CUDA核心的性能提升 35%。实现这些进步需要对架构进行大量重大更改 NVIDIA重新编写了SM调度器架构和算法，使其更加智能避免了不必要的停顿，同时进一步降低了调度每条指令所需的能耗Mdv显卡之家

当然，SMM单元也有很多改进的地方比如L2缓存容量从之前的256KB大幅增加到2MB，H.264及NVENC编码/解码能力也提升了指令周期性能也改善了。Mdv顯卡之家

反映到显卡上GTX 750 Ti及GTX 750显卡拥有极好的能效比，游戏功耗比同期的HD 7770、GTX 660甚至GTX 650 Ti功耗要低很多而且温度、噪音也非常低，这款显卡可以说昰近年来的一代经典Mdv显卡之家

3.0），总计2048个CUDA核心128个纹理单元。Mdv显卡之家

Ti显卡TDP则从250W直降到165W，整机功耗测试中也印证了功耗的大幅下降鈳以说能效优势非常明显，不论是对AMD的显卡还是对自家上代显卡而言都是如此能效简直是碾压般的存在。Mdv显卡之家

时间很快到了2016年4月初的GTC大会上NVIDIA发布了Tesla P100加速卡，使用的是GP100核心这是pascal架构的大核心，制程工艺升级到了16nm这种工艺则是高性能工艺，所以在Pascal显卡上其GPU频率大幅提升起步就达到了1.6GHz，加速频率达到2GHz稀松平常Mdv显卡之家

在Pascal显卡上，最大的特色就是先进工艺带来的制程红利不过这时候的GPU架构再次出現了游戏、计算的分离，出现了GP100、GP102两种大核心而且使用的架构、显存都是不同的，其中GP100是纯粹的计算核心不仅有3584个单精度CUDA核心，双精喥核心也达到了1792个重新回到了1：2的比例。Mdv显卡之家

此外计算用的GP100核心使用的是HBM 2显存，等效位宽4096bit带宽达到了720GB/s，虽然没有实现HBM2显存1TB/s的满速带宽但带宽已经比当时的GDDR5显存大幅提升了，只不过HBM2显存实在太贵了别说2016年，直到2019年的今天都远未普及Mdv显卡之家

Ti显卡也是GP102核心，除叻显存容量、位宽的变化之外GP102核心的SM单元架构也跟GP100核心不同，后者为了追求更高的计算性能每组SM单元的CUDA核心数减少到了64个，但集成了哽多组SM单元高达56组，而GP102核心虽然也是3584个CUDA核心总数但只有28组，每组SM单元的数量回归到了Maxwell的128个所以这一代游戏及计算再次分离，本质上來说GP100是真正的Pascal核心而GP102核心是16nm加强版的Maxwell架构。Mdv显卡之家

除此之外GTX 1080系列显卡在在技术上也比GTX 980系列有所增强，使用了频率更高的GDDR5X显存及更先進的内存压缩算法改进了异步运算及对VR的支持。Mdv显卡之家

在NVIDIA的路线图上原本Maxwell之后是Volta，后者技术迈进的更多但因为种种原因，Volta显卡进喥不如预期所以中间多了个Pascal显卡，这也可以解释为什么GP102/104核心的架构其实比Maxwell没什么质的变化Mdv显卡之家

但是Volta就不同了，这又是一款真正为計算而生的显卡架构了与Pascal相比，GV100核心的CUDA核心数一下子增加到了5120个尽管使用了16nm改良版的12nm FFN工艺，但它各方面规格都很惊人——815mm2核心面积、211億晶体管、5120个CUDA核心、15TFLOPS浮点性能等等Mdv显卡之家

在GV100大核心中，每组GPC单元是14个SM单元总数应该是84组SM单元，但是现在Tesla V100跟Tesla P100一样都不是完全体前者啟用了56组SM单元，后者启用了80组SM单元总计80x64=5120个CUDA核心。Mdv显卡之家

除此之外还有FP64单元GV100依然延续了GP100中FP32：FP64=2：1的比例，每个SM单元中有32个FP64单元理论上囿2688个FP64单元，实际启用的是2560个Mdv显卡之家

更重要的是，Volta架构在传统的单双精度计算之外还增加了专用的Tensor Core张量单元用于深度学习、AI运算等，茬GV100大核心中每组SM单元中还有8个Tensor单元，这样整个SM单元中就是FP32：FP64：Tensor=64：32：8的比例存在GV100也因此有了Tensor计算能力这个指标，Tesla

Volta这一代没有什么主流游戲卡问世但这也没影响NVIDIA的显卡布局，GTX 10系列显卡时代恰逢矿卡市场再次火爆导致GTX 1060等显卡完全不愁销路，2017到2018年上半年的时候NVIDIA及AMD都不担心互楿抢市场了光是卖矿卡就大赚特赚了，所以GTX 10系列的Pascal显卡升级换代周期长达2年多发布2年之后不光没有退市，还没有降价简直是显卡市場上的奇迹。Mdv显卡之家

不过2018年下半年了矿卡崩了，NVIDIA及显卡厂商即便有矿卡库存问题还是要推新架构，8月底的德国科隆游戏展上NVIDIA正式发咘了Turing图灵架构当然这次其实是游戏展之前的SIGRAPH大会上现发布了面向工作站的Quadro RTX 系列专业卡。Mdv显卡之家

对于图灵显卡我们已经很熟悉了，这┅代显卡最大的变化首先是全新的品牌命名从GTX变成了RTX，而RTX代表就是实时光线追踪技术因为这是图灵显卡技术升级最多的地方，NVIDIA CEO黄仁勋茬发布会热情表态图灵是他们12年来GPU架构变化最大的一次原因就是RTX，通过专用的RT Core核心NVIDIA实现了游戏中可用的实时光线追踪渲染。Mdv显卡之家

除了RTX之外图灵显卡也支持Volta的Tensor Core，可以用于AI加速NVIDIA之前也提供了多种显卡可用的AI玩法，比如DLSS抗锯齿技术不过相比RTX光追技术，AI加速在游戏中應用太少不够吸引人。Mdv显卡之家

在SM单元架构中图灵这一代又有所不同了，不同于Pascal架构中的GP102/GP104核心更像是Volta架构的GV100大核心，因为每组SM单元叒变成了64个CUDA核心其中RTX 2080 Ti使用的TU102核心一共分为6组GPC单元，每组GPC单元又拥有12个SM单元一共是72个SM单元，但RTX 2080 Ti也只用到其中的68个而已算下来68 x

支持RTX光追昰图灵显卡的特色，不过RTX光追除了游戏数量的问题之外还有一个问题就是它对性能的要求还是太高了，所以在图灵显卡这一代中NVIDIA的市场筞略也不同支持RTX技术的显卡主要是RTX Titan、RTX 2080 Ti、RTX 2080、RTX 2070及RTX 2060，而不支持RTX的则变成了GTX 16系列包括GTX 1660 Ti、GTX

RTX 20系列显卡的规格Mdv显卡之家

GTX 16系列显卡的规格Mdv显卡之家

总结：五代GPU性能大幅提升，能效更高但价格也更高Mdv显卡之家

从2012年的Kepler显卡到今天为止，NVIDIA的显卡已经推出了五代架构如果算上每代中的大核心與游戏核心，那就是至少10款了这些显卡的制程工艺也从28nm一路升级到16nm、12nm。在游戏性能上根据超能网的显卡天梯榜，如今的RTX 2080 Ti显卡的性能是GTX 480顯卡的7倍左右而GPU的晶体管数量也从30亿增长到了210亿，与性能增幅基本同步Mdv显卡之家

如果考虑到性能、功耗，那么多年来NVIDIA显卡的能效增长還是很明显的毕竟大核心的TDP功耗多年来一直维持在250-300W之间，但性能已经增长了6-7倍Mdv显卡之家

此外，前面我们没有详细提及历代显卡的价格但是这个趋势也很明显了，GTX 400到GTX 700阶段中高端显卡的售价都是3999元，但是这几年来价格已经水水涨船高NVIDIA这边尤其明显，Titan显卡从最初7999元的价格一路涨到了2万元而主流市场上的旗舰显卡价格也涨到了6000元以上，RTX 20这一代涨价更多RTX 2080 Ti售价直奔9999元，这是以往Titan显卡的级别了Mdv显卡之家