少数派报告 GTX660Ti/660图形架构猜想

jinjiajun58

第1页：一封来自未来的信

好奇是每个人的天性，我们因为好奇而猜想，因为要验证猜想而不断的探索，并经由探索进一步获得满足感。这种对未来未知事物进行预测并在猜想之后带着紧张、期盼和雀跃的心情去等待结果到来的过程不仅令人愉悦，更可以刺激我们关注事物的进步和发展过程。如果将猜想——探索的过程看做一款游戏的话，这显然是人类有史以来玩家数目最高同时人气最旺的策略/动作类游戏了。




作为硬件爱好者最大的乐趣之一，对于新鲜架构的种种猜想、推测以及期待的过程简直就是这种好奇天性的完美注解。我们都非常喜欢根据既往的规律来推测即将到来的硬件架构的种种特性，甚至在脑海中勾勒出我们认为的最完美的芯片结构和形态，这感觉简直就像是在阅读一封来自未来的书信。这种乐此不疲的重复着预测——失败——汲取经验教训——再预测直至成功并由此获得更多知识，最后再为之欣喜若狂的行为，可以说就是DIY精神最完美的阐释。


每一代硬件架构的发布，都会带来一次预测游戏的高超

伴随着时间的推移，NVIDIA全新的甜品级以及中端产品——GeForce GTX 660Ti以及GeForce GTX 660图形芯片马上就要来到世人面前了，除了旗舰级产品线已经完善达3个月之久这点之外，各种情报日渐密集的泄露就是最重要的证据之一。情报的泄露不仅能够激起业界对于新产品的关注，更为“玩心颇重”的硬件爱好者们对其展开种种猜想提供了丰沛的养料。“各路神仙”皆大展拳脚，纷纷利用这些泄露版情报开始了自己对芯片结构的各种预测。


想要正确的进行预测，没有规矩是不行的

贪玩没有问题，但贪玩并不代表胡玩，如果想要真正玩好一个游戏，必要的规则和技巧是必须的。只有明晰了硬件预测这款游戏的基本规则和致胜技巧，我们才能从游戏中体验到真正的乐趣，并且领悟到硬件带给我们的丰富内涵和真谛。所以在今天的文章中，屏幕前的你完全可以尽情张开想象的翅膀，让我们一起来玩一次有明确规则和技巧的架构猜想游戏吧。



第2页：一掷千金还是贤惠持家？


　　● 一掷千金还是贤惠持家？

要预测一款硬件架构的细节，我们首先需要明确的事情有两件，那就是市场对硬件架构的需求，以及架构设计者长期以来所形成的行为模式。市场对硬件的需求可以决定架构的边界或者说性能/规模等等参数的限定范围，而设计者的行为模式则可以帮助我们确定架构的细节以及由这些细节所左右的架构关键特征。

我们首先要关注的，是能够确定架构边界的市场端要素——需求。



甜品级的GF114芯片就是需求催生的产物

很显然，并不是每一个人都可以不顾一切的去购买一块动辄3.4000元甚至更为昂贵的旗舰级显卡，“适当”的性能、更低的功耗和散热压力以及更加经济的售价才是能够吸引更多客户的诱人条件。以市场而言，需求所呼唤的产品是那种售价并不昂贵，特性上与最顶级产品保持一致甚至更具泛用性，同时性能要明显强于传统中端产品的新产品类型，这种产品就是我们现在熟悉的sweet spot，也就是所谓的甜品级产品。


甜品级产品可以以合适的价格提供优秀的性能　　

与常规中端产品性能略大于50%旗舰的做法不同，sweet spot必须能够以旗舰级与中端产品之间的售价来提供更多的性能给游戏玩家，同时又不能对自家的次级旗舰造成过大的反向压迫。这种与需求紧密结合的特性直接导致了sweet spot级产品75%于旗舰级产品的性能，以及由2000元人民币附近售价所决定的成本/规模比例。曾经出现的GF104/114以及Barts架构都是这种实践的典型代表。而这也正是我们进行猜想游戏所必须遵循的边界条件。


GeForce GTX 660Ti真如传闻所说与GeForce GTX 670长得一样么？

以需求决定的边界条件让我们了解了GeForce GTX 660Ti以及GeForce GTX660所应该具备的成本以及规模空间，那么接下来我们要确定的第二个游戏规则，就是开发者的行为模式了。如果能够精确预测开发者的行为模式，我们就可以洞悉架构所可能具备的结构特点以及这些特点出现的原因和意义了。


第3页：关于行为的可预期性


　　● 关于行为的可预期性

作为依据，市场的需求可以为我们带来“未来架构起码需要什么样才可以”的信息，但要想更加精确的预测架构细节甚至是架构形态，我们还需要把这种需求同设计者的行为特色联系起来。每一个架构中的特性都有它的意义和目的，这些意义和目的不仅能够帮助架构完成当前的性能任务目标，还会影响到周围架构层级甚至是未来架构的设计特点。要把握和预测这些能够对未来产生影响的架构细节，我们就必须对芯片的任务和目的有更加全面的理解，而要理解芯片的任务和目的，设计者的设计行为特性归纳就是必不可少的环节了。



我们可没有精力去折腾如此细致的行为分析……

行为的可预期性是一个不大不小的课题。只要被分析对象的行为在一段时间内存在一定的规律性，那就不难从中归纳和总结出对象的行为特性。但我们毕竟不是专业的心理学家或者行为分析学家，更没有必要为了做一个预测未来的好玩游戏而专门跑去啃上一顿佛洛依德写的大部头。所以除非我们有幸能够遇到一个做事很有规律同时目的性很强烈的对象，否则行为的可预期性将无从谈起。

还好，NVIDIA刚好是一个目的性以及执行力都还不错的对象。


从过去到现在，NVIDIA都在执行着同一个计划

我们在之前的文章中曾经对NVIDIA的特性进行过归纳和总结，从G80至今的图形架构发展状况来看，NVIDIA在目的的明确性以及实现目的的执行能力上都表现出了出色的水准。过去6年来NVIDIA历经4代构架所完成的阶梯式的发展体系和完整的经验积累过程，其最终目标都明确的指向了最终完成通用计算融合过程的Maxwell架构。在这个漫长计划的执行过程中，NVIDIA充分利用了芯片架构的设计空间，每一代NVIDIA的GPU架构都存在着一个需要完成的目标，这些目标之间彼此关联并且最终指向了一个明确的目的地，这种芯片设计除了满足市场的性能需求之外，还要完成特定的验证/数据收集或者改进经验获取的特性行为模式，就是我们所要寻找的会对GeForce GTX660 Ti以及GeForce GTX 660的架构特点产生影响的关键点。


G80~GF100架构发展示意（图片引自后藤弘茂先生博客）

NVIDIA在架构演进层面上的计划性和执行力，已经替我们勾勒出了尚未到来的未来架构的细节。只要能够将市场对性能的需求反映到架构层面，同时理解NVIDIA架构演进的行为规律，我们就可以预测即将到来的图形架构的特征了。


第4页：三角形的高热芯片？


　　● 三角形的高热芯片？

在经历了Barts以及GF104/114之后，市场对于sweet spot的需求已经日趋成熟，旗舰级架构75%的芯片规模已经成了这一档产品的基本定势。3/4的单元数量以及较高的默认运行频率的配合，让sweet spot级产品在保有出色游戏性能的同时更好地控制了成本。

既然sweet spot的芯片规模会被控制在期间及架构的75%左右，那么将完整规格的GK104架构削减至75%规模会是个什么样子呢？让我们一起来看看吧。



完整的GK104架构


符合规模要求但不符合形状要求的“璀璨GTX660Ti”

显然，上面这个长得有点像暗黑3中璀璨级宝石的东西是不可以做成常见的芯片的。考虑到单元的布置以及晶圆切割需求，常规芯片布局皆采用了矩形或正方之类的直角平行四边形方案，“璀璨”的三角形既无法让横纵联合的电路很好的铺设开来，也无法在芯片切割过程中达成良率与面积率的统一，只有“璀璨方正”类型的芯片才是常规的芯片布局类型。


“璀璨方正绿宝石”型的GeForce GTX 680核心

除此之外，考虑到芯片实际性能与规模之间并非绝对线性对应的关系，sweet spot级芯片如果想要达到合适的性能水平也就是旗舰级的75%以上，其规模性能指数或者说近似的频率/有效单元的比例需要大于旗舰级芯片。28nm时代的芯片虽然可以相对轻松的将频率提升到1G，但进一步提升频率所需要的成本和功耗代价显然依旧是不容忽视的，因此以频率换取规模来保障性能的做法并非万灵解药，新sweet spot芯片的规模略大于旗舰级的75%并维持与旗舰级相当的频率同样是一种良好的解决方案。


即便是竞争对手的GHz Edition，也没有进一步让频率超过1GHz

由此可见，单纯的将GK104架构削减75%就直接拿出来的做法显然不符合常规，我们需要的是一种具有可参考价值的，布局更加接近常规并且性能可以达到旗舰级产品75%以上性能的预测模型。


第5页：所以，GTX660Ti只能是这“些”样子


　　● 所以，GTX660Ti只能是这“些”样子

根据“频率维持与旗舰级产品相当甚至略低，同时性能达到旗舰级芯片75%以上”这一预设的sweet spot性能及参数指标，我们认为以下两种架构形式是符合上述两个条件的最合适的GeForce GTX 660Ti结构选择。



GeForce GTX 660Ti的第一种可能形态

在第一款结构中，我们将GK104的一组GPC单元完全屏蔽，仅保留外围的MC和ROP部分。在这种结构中，新的“GeForce GTX 660Ti”将具备3组GPC，1152个流处理器，32个ROP单元以及256bit显存位宽，单周期可以处理3个多边形，理论运算能力将会是同频完整规格GK104的75%，而显存位宽和带宽则可以与GK104完整版保持一致。这样结构的GeForce GTX 660Ti在高分辨率以及大尺寸材质应用中将会维持相对较小的性能衰减，其性能将可以满足“旗舰级75%以上”的需求，但几何处理能力以及密集shader等数学应用场合将会有相对较大的性能衰减。


GeForce GTX 660Ti结构的第二种可能形态

在第二种结构中，我们选择将GK104的一组SMX单元以及外围的MC和ROP单元同时屏蔽，但保留屏蔽SMX单元所在GPC中的其他部分，也就是在现有的GeForce GTX 670的基础上将屏蔽一组MC+ROP单元。这种结构下的GeForce GTX 660Ti将具备4组GPC，1344个流处理器，24个ROP单元以及192bit显存位宽，单周期可以同时处理4个多边形，理论运算性能将达到同频完整规格GK104的87.5%，同时显存位宽和带宽将缩减至旗舰的75%。如果GeForce GTX 660Ti属于这种结构，它将拥有与旗舰级芯片完全相同的几何处理能力，密集shader应用等也可以与GK104完整版保持相对较低的差距，但其较小的显存位宽和带宽将会给高分辨率、大解析度材质以及高倍抗锯齿操作带来一定的困难。


GeForce GTX 660Ti将采用GK104芯片？

我们给出的两种GeForce GTX 660Ti结构有一个统一的特点，那就是他们均来自旗舰级的GK104芯片，属于旗舰级架构进行规模削减之后的产物，而不是像Barts以及GF104/114那样拥有独立架构的纯种sweet spot级芯片。于是，我们的问题来了——

　　为什么要采用阉割版架构？为什么不像之前的sweet spot那样为GeForce GTX 660Ti直接重新研发一种75%左右规模的芯片呢？


第6页：永恒的问题——为什么





　　● 永恒的问题——为什么

诚然，为sweet spot开发专门的芯片无论从哪个常规角度来看都应该是毫无疑问的。专门的产品阶级对应专门的产品架构和芯片不仅有利于芯片面积和成本的平衡，更可以让产品线变得更加清晰明确。那我们为何还会做出NVIDIA将采用阉割版芯片这样一个异于常理的推测呢？



GF104就是在GF100基础上独立研发的sweet spot芯片

正如前文所言，我们对于新图形架构的结构预测不仅是以市场为出发点的，设计者的行为特性以及由此决定的芯片任务和所扮演的角色，在架构的特性以及定位确立上都起到了决定性的作用。NVIDIA的每一款架构都要解决一定的问题，而这些问题的出现以及予以解决的方法，才是导致这种推测结果出现的根本原因。


GeForce GTX 660 Ti将基于旗舰级架构？

那么究竟是什么需要解决的问题让我们做出了GeForce GTX 660 Ti需要采用阉割版架构的判断呢？这个问题的答案，就藏在NVIDIA之前公布的最新运算架构，同时也是完整版的Kepler架构芯片——GK110当中。


第7页：GK110的两道关卡


　　● GK110的两道关卡

随着NVIDIA于2012年5月公布的Tesla Compute Arch，外界对GK110架构的了解变的日趋清晰起来。作为即将到来的下一代NVIDIA图形/运算架构，GK110与GK104之间存在着明显的结构差异。这些差异在为GK110创造性能基础的同时，也为其可制造型凭添了更多的关卡。这些差异中最重要的两点，来自GPC结构以及芯片布局的改变。



最完整的Kepler——GK110架构推测版

Fermi第一次引入GPC并行结构起，NVIDIA的宏观并行结构从GF100到GF110再到GK104一直都维持着偶数ALU团簇构成GPC的传统。无论是SM时代还是SMX时代，2个SM/SMX组合成一个GPC的做法都是通行的。但到了GK110时代，这种结构发生了改变，按照目前流行的观点来看，GK110的每个GPC模块都具有3个SMX单元，整个GK110架构由5个GPC模块共计15个SMX/2880个ALU所组成。

另一方面，从芯片的单元布局角度来讲，GK110同样NVIDIA在GK110上放弃了从G80开始沿用了长达6年之后的轴对称/十字对称单元布局，ALU团簇不再以芯片中心的cache以及Thread Engine为轴进行轴对称/十字对称分布，而是采用了“凹”字形的布局方式，一部分cache单元以及一级线程管理机制被ALU团簇以半包围的形式簇拥到了芯片中上部分。


GK110 Die shot

GPC结构的改进关系到光栅化/几何单元配比、任务的分配管理以及执行模式等等一系列细节的变化，同时还会让GPC间的并行细节发生变化，而布局的变化则关系到了互联模式、信号同步性处理以及可制造性等重要的问题。按照NVIDIA的固有行为模式以及强烈的目的性行事风格来看，不在GK110到来之前提前面对甚至干脆处理掉这些问题几乎是不可能的。

满足市场对性能的需求，同时为GK110提前积累一定的经验，这就是NVIDIA新的sweet spot芯片以及中端芯片所要面临的任务，同时也是导致我们认为GeForce GTX 660 Ti会采用旗舰级芯片，而新研芯片将会是GeForce GTX 660的重要原因。


第8页：中端？甜品？下一代旗舰？


　　● 中端？甜品？下一代旗舰？

要解决GK110需要面对的问题，最基本的办法就是直接研发全新的架构，这类带有试水性质的架构将会采用与GK110面对问题相近似的结构来作为其最基本的特点。这么做不仅可以进一步巩固NVIDIA在目的性以及执行能力层面的有事，还能让GK110更加顺畅的来到这个世界上。

但是问题来了——到底做什么样的架构，又要做多少款架构来面对这些问题呢？



GK104旗舰家族

我们首先要面对的问题就是成本问题。要解决GK110即将面对的各种困难并不意味着可以肆意妄为的撒钱，为了让下一代旗舰能够顺产就要专门为每一个问题都设计一款芯片进行对应显然不是健康正常的商业行为。怎样合理同时高效的利用架构的设计空间，以最少的花费解决最多的问题就成了摆在设计师面前的首要任务。

福兮祸所依，这个世界是平衡的。无论在哪个领域，机遇与风险并存都是一条共通的原则。要解决问题的初衷是好的，但并不是所有问题都可以被很顺利地解决。试水类型的芯片，无论是何种规模的试水型芯片都存在遇到问题的风险，怎样控制这种风险并且保证芯片的商业化过程能够顺利进行就成了一门艺术。


更小的GF116是低风险芯片的范例

从风险角度出发，芯片规模越小，其所面临的风险对应的也就越小。另一方面，如果能够在更小的芯片上提供更大规模的性能余量作为缓冲的空间，芯片在遇到问题是能够顺利实施商业化过程并收回成本减小损失的难度也就越低。由于NVIDIA能够使用的芯片阶级只有即将到来的sweet spot以及中端，更小的芯片对于解决GPC等级以及大尺寸芯片布局变化之类的问题没有帮助，所以从结构角度来讲，受到ALU总规模约束的前提让GPC结构变化以及布局变化成了两个不可调和的矛盾体，他们不可能同时出现在同一款芯片当中。选择综合风险更低的架构来进行试水，就成了符合成本要求以及风险控制要求的唯一选择。

要以最低的成本来完成试水芯片的设计，那么研发两款的成本显然不如一款来的核算。既然需要更小规模的架构风险更低，同时还要给这款更小规模的架构预留足以应对可能存在的性能问题的空间，同时还要考虑“甜品级芯片性能达到旗舰级芯片75%以上同时功耗可控就意味着规模最好略大于旗舰级芯片的75%”这样的约束条件，我们为什么还要把试作型芯片的任务交给GeForce GTX 660Ti这样的sweet spot级产品呢？


哪种选择更符合低风险高收益的需求呢？

在综合考虑了风险、成本以及可控性等诸多要素之后，能够进行合理推测的答案很明显的来到了我们的面前——在甜品级中使用进一步削减规模的旗舰级架构，同时将规模更小同时风险耐受力更好，具有优秀产品线连接性的中端芯片进行适度的放大，使其能够容纳需要尝试的特性和足以应对不良状况所必需的性能储备空间就成了目前最合理的选择。

于是，我们完成了使用旗舰级架构来充当甜品级产品的GeForce GTX 660Ti的结构推测，并将继续根据这些预设好的应该还算合理的条件继续进行GeForce GTX 660的结构推测。


第9页：大号中端—GTX660的AB面


　　● 大号中端—GTX660的AB面

根据我们的推测，身兼中端承上启下以及为GK110进行验证工作的GK106芯片将会根据侧重点不同而拥有两种可能的形式，分别对应GPC结构的改变以及GPC布局形式的变化。与此同时，考虑到市场对性能的需求以及整个产品线的顺利布局定位，我们认为经过放大之后的规模将远大于GK104的50%，但GK106芯片的完整ALU规模将不会高于1152个，再加入精确市场布局以及验证版芯片在可制造型方面的保守要素，我们决定将GK106最初面世版本的ALU规模定在960，这可以为其带来与中端产品身份对应的性能。根据这些条件限制，我们制作了以下2大类共计3种可能的GK106架构图用于预测，未来的GK106芯片将有可能从这三者中诞生。



第一种GeForce GTX 660形态推测


第二种GeForce GTX 660形态推测

首先是验证GPC结构改变为目的的第一大类GK106预测架构，这类架构的特点是改变NVIDIA传统的SM/SMX偶数配对组成GPC的规则，转而由3组SMX单元组合成一个GPC，所以我们假设的芯片将具备6组SMX单元，分别居于2个GPC中来组成并行结构。如果NVIDIA不再更改SMX结构，则最初出现的GK106将会在960ALU的原则限定下关闭一组SMX单元。而如果NVIDIA重复了GF104/114中出现过的改变ALU/Logic Contrller比例进而改变ALU团簇结构的行为，对GK106同样进行了ALU per SMX的数量调整的话，960ALU的总规模将会被均匀的分配到6个SMX单元中，每个SMX单元将拥有160个ALU，最终的芯片也将有可能以全规格登场。


完整版本GK106架构推测

不论SMX结构修改与否，第一大类GK106预测架构的统一特点在于GPC结构的转变，他们都将拥有原生的3SMX per GPC、整个架构保持双GPC并行的结构。双GPC意味着双前端以及光栅化处理部分，其单周期的几何输出以及光栅化能力为同频旗舰级架构的一半，再搭配960个流处理器的ALU规模，这种结构的GK106将会很好的将性能维持在适中的层级，同时可制造型以及成本也将可以获得较好的平衡。


为解决布局问题而生的“特种版”GK106架构可能形态推测

与第一大类GK106预测架构不同，第二类GK106预测架构的主要目的在于为收集布局以及可制造性相关的情报，它将一改NVIDIA坚持长达6年的轴对称/十字对称式芯片布局，将ALU团簇以“凹”形方式置于cache/Thread Engine等控制和缓冲资源周围。这种架构同样具有6组SMX，整体规模将于第一大类架构相当，但GPC结构细节、对应的仲裁单元和总线连接以及前端布局等问题的难度均较为巨大。考虑到芯片研发的难度、可执行性以及所要达成的目标，我们认为第二大类预测架构会采用传统的双SMX结构，整个架构将拥有3GPC并行的结构，几何处理能力为同频旗舰级架构的75%，运算能力将与第一大类预测架构相当，但得益于更多的前端资源以及线程管理资源，运算效率可能会略高于第一大类预测架构。


第10页：接下来，我们还会看到些什么




　　● 接下来，我们还会看到些什么
通过对GeForce GTX 660Ti以及GeForce GTX 660结构的推测，我们不仅获得了两款芯片可能出现的形态和特征细节，同时还收获了一个更大的礼物，那就是NVIDIA在Kepler尚未完成的从高到低整条产品线的布局情况。除了已经问世的旗舰级的GeForce GTX 690/GeForce GTX 680/GeForce GTX 670以及低端的GeForce GT640之外，目前的Kepler还存在着甜品级以及整个中端的产品线空缺。如果我们能够利用今天的推测结果来填补这部分空缺，那将无疑会让我们的“游戏过程”变得更加有趣。



当前的AMD及NVIDIA产品线对比

按照我们的推断，既然GeForce GTX 660Ti采用了削减规模的旗舰级GK104架构，而受验证任务、成本以及风险控制原则的影响产生的GeForce GTX 660或者说GK106芯片实际上已经整体上移了半级，从单纯的中端芯片变成了沟通下级甜品和上级中端的存在，那接下来NVIDIA在整条Kepler产品线的布置将会变成一个前所未见的形式。Fermi时代由四款架构分别对应四个不同产品阶层的情况，将不会在Kepler上再次出现。


独立架构的甜品级专属芯片将在Kepler中消失

随着GK104的向下延展以及与GK106在sweet spot的汇合，中端产品线的布局也将同sweet spot发生同样的变化。只需对我们推测的GK106结构进行再一次的规模削减，NVIDIA就可以打造出符合市场性能预期的上级中端产品，而原本位于低端的GK107芯片也将会上升半级，变成沟通下级中端和入门级之间的桥梁型芯片。于是整条Kepler架构产品线就变成了GeForce GTX 690/GeForce GTX 680/GeForce GTX 670组成旗舰级，由GK104进一步削减规模得来的GeForce GTX 660Ti以及由GK106这一大号中端芯片打造的GeForce GTX 660构成sweet spot，由一个或者若干个GK106削减规模的产物以及GK107的GDDR5版本构成中端，最后再由GK107 DDR3版本面向低端的全新形式。GK104将完成向甜品的延伸，而GK106和GK107将分别完成向上级产品线的扩展。


面向低端的GK107-GeForce GT640


怎么样？思考带来的欣快感有没有令你身心愉悦？没错，这就是人们能够在预测——探索这个游戏中乐此不疲的最根本原因。透过对信息、情报以及现象的合理组合和联系，我们拥有了各种逼近未来的可能，这种思考过程所带来的愉悦感是任何娱乐都无法比拟的享受。虽然我们手绘的各种架构图可能多少阻碍了大家阅读的顺畅感，但在今天的推测过程中，我们还是收获了用GK104制作的甜品——拥有1344 ALU、24组ROP以及192bit的GeForce GTX 660Ti，GeForce GTX 660也被我们以双GPC并行为特色的大号中端芯片的形式解决了。如果我们对了，那种掌握未来的感觉将会是对我们最大的褒奖，而如果我们错了，经验教训带给我们的知识同样能够让我们进一步的领悟硬件以及DIY的真谛。所以很明显的，这里只有游戏和享受游戏的胜者，没有所谓失败和丢人的输家。

好了，在经历了今天这场激烈的头脑风暴之后，让我们休息一下，静静地期待着未来渐渐揭开自己的面纱吧。