AMD Next Horizo​​n：AMD RDNA全新GPU架構探秘：三管齊下迎接光線追蹤

AMD發布的新一代RX 5700系列顯示卡是採用7nm新製程和Navi新核心，而在底層是全新的RDNA架構，已經走過七年半的GCN架構就此揮手作別。

這些年來很多用戶玩家尤其是AMD Fans一直期待一個全新的GPU架構，但這種事的難度遠超一般人想像，某種程度上設計一個新的GPU架構甚至要比設計一個新的CPU架構還要難。RDNA架構就花費了AMD研發團隊長達四年的時間，凝聚了無數人的心血，也開啟了AMD顯示卡歷史上第五代重大架構的新時代。

2000年前R100核心是A卡的第一代架構，用的還是固定單元設計，3D幾何轉換和光照效果如今看起來都極為原始。

2001-2007年的R200-R500是第二代架構，簡單的VS紋理著色器、PS畫素著色器分離式設計，不同的只是比例不同，整個渲染匯流排就像一個單通道的單行道。

2008-2011年的第三代TeraScale架構(代表核心R600)實現了一個飛躍，VS、PS融合為統一著色器，也就是我們常說的串流處理器，支援VLIW(超長指令字)，然後就是2011-2019年的GCN架構(代表核心Southern Islands)，統一著色器加獨立的標量、矢量單元，二者比例為1:4。

如今我們迎來了全新的RDNA(Radeon DNA)，還是統一著色器，但標量和矢量單元走向融合，支援SIMT(單指令多線程) ILP(指令集並行)，類似CPU處理器的SIMD(單指令多數據流)，單線程性能和指令集執行效率大大提升。

需要強調的是RDNA是一個全方位重新設計的架構，並不是GCN的又一個升級版，也不是與GCN的混合體，只是整合了GCN架構的指令以保持向下相容，現有技術仍然可以在RDNA架構上得到支援。

RDNA架構將是AMD GPU顯示卡未來多年的基礎，接下來我們將看到採用7nm+製程的第二代版本RDNA 2，看路線圖有望明年初和我們見面。除了RDNA新架構，Navi核心還有7nm製程、GDDR6顯示記憶體、PCIe 4.0匯流排、Radeon媒體引擎、Radeon顯示引擎等諸多全新特性。

Navi 10核心整合了103億個電晶體管，相比Vega 64 125億個少了大約18％，而核心面積只有251平方mm，相比Vega 64 495mm更是小了足足一半，因此單位面積性能提升了足足1.3倍。儘管電晶體管更少、面積更小，Navi 10核心的性能相比於Vega 64卻提升了14％，同時功耗降低了23％，能效比因此大漲50％。

純架構性能上，Navi相比於Vega在同等功耗、同等配置下提升多達50％，反應到實際產品上，這貢獻了產品性能提升的60％左右，另外有大約25％來自7nm新製程的加持，還有約15％來自頻率以及功耗的改進。

AMD表示RDNA架構的設計理念主要有四個方面，性能上要滿足在現代遊戲負載需求，能效上要充分優化功耗和頻寬利用率，功能上要壯大生態，擴展性上要從行動到桌上型和雲端通吃。為實現上述目標，RDNA架構主要從三大方面進行了變革，包括CU計算單元、快取、匯流排。

新的計算單元設計一共分為40組，每組2個標量處理器、64個串流處理器、4個64位元雙線性過濾單元，總計80個、2560個、160個，執行延遲更低，單線程性能更強，快取效率更高，整體計算能效比GCN架構有著巨大的提升，而且可對應從遊戲到計算各種負載。多級快取一致性可以帶來更低的延遲、更高的頻寬、更低的功耗，包括各處L0、512KB L1 、4MB L2。整個圖形引擎也做了重新調整，更加順暢高效，包括幾何引擎、64個紋理單元、4個異步計算引擎(ACE)，負載分配更加均衡，可以在更低的功耗下達成更高的頻率，能效更高。

CU計算單元方面，雖然看起來每一組還是64個串流處理器，數量沒變，但這個數字是AMD反復設計後與處理資源最為平衡的的組合，同時整個計算單元的結構進行了徹底重組，和GCN時代完全不一樣了。RDNA架構下每個CU計算單元的標量解碼和發射單元、矢量解碼和發射單元、調度器的數量都增加了一倍來到兩個，指令處理率因此也提升一倍。

同時四個SIM16矢量單元、四個SIMD4特殊功能單元變為兩個SIMD32、兩個SIMD8，比如64個線程可組合為兩個Wave32，然後由兩個SIMD32執行兩個Wave32，實現單時脈週期指令發射(之前需要四個)，SIMD ALU單元的利用率也從25％來到了100％，而且支援Wave32、Wave64兩種執行模式，以應對不同負載需求。

此外為了強化資源調度和利用的效率，RDNA架構還將每兩個CU計算單元緊密地捆綁在了一起，組成一個工作組處理器(Work Group Processor)，使得可用ALU單元、寄存器數量翻倍，快取頻寬更是之前的四倍。

快取方面RDNA架構設計了一套多級一致性結構，每個雙CU組合內都有自己的L0快取，與ALU單元的載入頻寬翻倍，增加了四組新的L1快取(都是16-way 128KB)，降低了L2快取(16-way 4MB)的擁堵，整體延遲和功耗大大減低。按照AMD的說法，L0的延遲降低了21％，L1和l2快取降低24％，記憶體延遲也低了7％。另外在一致性多級快取下，到處都支援Delta數據壓縮 (DCC/圖中箭頭黃色部分)，提高傳輸率，同時還改進了色彩壓縮算法，可供顯示引擎讀取，著色器也能同時讀寫壓縮的色彩數據。

圖形引擎匯流排方面進行了大刀闊斧的重組，包括四個增強的ACE異步計算引擎，地位更加中心化的結合處理器(包含四個原語單元)，64個畫素單元。異步計算一直是A卡的獨門絕技，也是起在DX12、Vulkan API下表現更好的關鍵，如今得到增強後，可以更精準地實時控制其他模組。

有趣的是RDNA GPU架構設計也藉鑑了Zen CPU架構設計的一些先進理念，尤其是在時脈控制方面，效率和能效極高，同時還減少了達到更高頻率所需要的邏輯層級。

Radeon顯示引擎也大幅躍進支援FreeSync 2 HDR、HDMI 2.0/DisplayPort 1.4 HDR，針對高解析度HR顯示器優化，可輸出4K/240Hz、8K/60Hz，而且都只需一根數據線即可達成，同時還優化了VR頭顯顯示。

Radeon多媒體引擎則大大改進了影片編解碼，增加了新的H.265 HDR/WCG編碼器，全面支援H.264 1080p600、4K150、8K30解碼和1080p360、4K90編碼，H.265 1080p360、4K90、8K24解碼和1080p360、4K60編碼，VP9 4K90、8K24解碼，整體編碼速度加快40％。

對於大家非常關注的光線追踪支援，GCN、RDNA架構都沒有專門的硬體單元加速，不過事實上AMD ProRender、Radeon Rays都早就支援了光線追踪，分別針對內容創作渲染和遊戲開發。在下一代RDNA架構上AMD會通過硬體單元，支援特定的光線追踪效果在遊戲中即時渲染，而即便到了更遙遠的未來，AMD也不會將光線追踪全部一股腦扔給硬體來本地處理，否則效率會非常低下，而是將藉助雲端計算，實現全場景的光線追踪，保證畫面效果的同時，不會給本地硬體太大的壓力。

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