科技年輪｜縫縫補補又三年——聊聊AMD GCN顯卡架構史（下）

上周五我們聊到了AMD是如何痛定思痛，大刀闊斧地改掉了沿用已久的VLIW架構，傾力研發出了「浪子回頭金不換」的GCN架構（戳我傳送），不過由於篇幅所限，只給大家分析了GCN1.0的架構以及相應的顯卡。那麼這周五，就讓我們繼續聊聊GCN接下來的三代吧~

還是老規矩，在梳理GCN歷代架構之前，先放匯總表：（感謝微信昵稱為emmmmmmm的粉絲補充的RX540）

註：圖片較大，大家可以保存後查看。

（本表包含了HD7970以來的所有AMD GCN架構顯卡，截至Polaris架構RX系列。由於VEGA織女星架構至今只有VEGA64/56流出，本表將暫時不涉及，待VEGA系列全面鋪貨後再行更新。）

P.S：上一期GCN架構史發出來後，有粉絲補充RX540也是張馬甲卡，於是小天哥就去搜索了一番……結果就是AMD放著好好的Polaris12核心不動刀，非得把7年前的Cape Verde PRO再拿出來炒一次冷飯……於是就出現了RX550與RX540完全同規格（512SP 128bit）但是架構卻整整差了7年（14nm VS 28nm）的這一幕；當然Cape Verde PRO也終於將Pitcairn XT斬於馬下，「榮歸」AMD<史上最強馬甲>稱號。

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GCN2.0：悄然發布，初見頹勢

▌「我們中出了一個叛徒！」

時間回到2012上半年，HD7970橫空出世，帶著GCN的輝煌一起走進了廣大玩家的視野。與此同時，HD7870/7850、HD7770/7750也紛紛登場，在不到半年的時間內就一鼓作氣從高端到低端迅速完成了市場布局。但是問題依然存在：HD7950的1792SP與HD7870的1280SP之間有較大的性能差距，這種差距同時也存在於HD7850的1024SP也與HD7770的640SP之間。半年過去了，2012下半年，GTX650Ti的發布像一把利刃，扼住HD7770的喉嚨的同時，也讓HD7850惶惶不可終日。終於，經歷了一年沉寂的AMD在2013年初搬出了HD7790，彌補了性能空檔，來應對GTX650Ti的攻擊。

但是緊接著，大家發現HD7790並不像之前的HD7890（HD7870XT）一樣，直接將高一等級的核心閹割一刀；而是一個全新的核心：Bonaire XT。

從圖片上來看，好像HD7790跟GCN1.0核心的HD7970核心沒什麼不同，僅僅是閹割了顯存控制器以及幾組GCN單元而已——其實不然。HD7790畢竟是一個低端核心，要比也應該跟HD7770比較：

從上兩圖的紅框中可以看出——原本應作為低端顯卡的HD7790，卻像HD7970一樣配備了雙發射的架構！僅僅這一點小小的改變，便註定了它與GCN1.0的不同，同時也預示著GCN2.0的完全體——R9 290X的恐怖：

▌千呼萬喚始出來，可惜是個大火爐

沒錯，R9 290X果然延續了架構方面的準則，兩倍於R7 260X（HD7790），採用了四發射的架構。與此同時，引入許多新的功能性改變：例如全新的無橋交火引擎，使得從GCN2.0開始，交火不再受CFX金手指的約束；引入TrueAudio DSP單元，進一步深化了廣大玩家心中「A卡音質好」的印象。

特別注意到的是，在嘗到支持指令亂序執行的ACE單元帶來的甜頭後，AMD在GCN2.0中直接將ACE單元暴增至8個，每個單元可執行8個計算隊列；而上代的HD7970是2個ACE單元，每個單元可執行2個計算隊列。因此Hawaii每周期可執行的指令數目暴增至Tahiti的16倍之多。

可惜由於採用了512bit的顯存位寬，公版散熱器並不能壓制其所帶來的巨大發熱，因此市場上不僅各種非公版三風扇大行其道，甚至眾多玩家拿到R9 290X的第一件事情便是上水冷改造。而半年後推出的R9 295X2也「不負眾望」地採用了公版水冷散熱的方案……這種巧合，真不知是該喜還是該憂啊。

▌「然後呢？」

2013年底，玩家們興沖沖的等到了R9 200的時代，卻失望的發現除了Hawaii核心的R9 290 / 290X，剩下的所有型號均是馬甲！R9 265 / 270(X)換了個核心名稱，本質還是GCN1.0；R9 280 / 280X更是連核心名稱都不換，直接披掛上陣；就算是GCN2.0的R7 260X，也僅僅是相對於HD7790加入了無橋交火等新功能而已。玩家們不禁在問：然後呢？

時間到了2014年初。旗艦級別的R9 290X，性能也僅介於GTX Titan與GTX780Ti之間。而NVIDIA卻發布了一個新的顯卡：採用GM107核心的GTX750(Ti)。大家意外的發現，NVIDIA新的Maxwell核心居然有著如此優秀的能耗比！大家不禁開始期待Maxwell的完全體。反觀AMD這邊呢？流處理器越來越多，註定要吃更多的顯存位寬；而512bit的位寬卻已經是板載顯存的極限，更快的下一代GDDR6又遙遙無期。在GCN主旋律不變的基礎上，如何才能進一步「堆料」，重新拿回單芯性能王座呢？

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GCN3.0：時運不濟，命途多舛

▌出師不利——完整版Tonga胎死腹中

時間來到了2014下半年。距離R9 200系列全面補完已經過了小半年時間，沉寂已久的AMD感受到了來自即將發布的GTX980的壓力，搶先發布了R9 285顯卡，想搶佔一波甜點級顯卡的市場。1792個流處理器，256bit的位寬，像極了當年的HD7950——沒錯，基於新一代GCN3.0的Tonga核心，就這樣來到了我們的面前。

可是從核心圖上，我們卻明顯看到了一些端倪：這完全不是完整版的Tonga嘛！而且下方的顯存控制器也告訴我們，它的完整版是一張384bit的顯卡，2048SP，3或6GB顯存——也就是HD7970最正統的後代！於是，廣大玩家抱著期待的心情，等著完整版Tonga加持的R9 285X——因為R9 285的出現，讓玩家們看到了GCN架構的潛力：經過優化後的架構不僅單位SP性能提升，功耗也降到了單卡190W，只需雙6pin即可滿足。

可就在大家幻想R9 285X的時候，GTX980 / 970橫空出世，強大的性能直接讓本想對位GTX970的R9 285，一夜之間放低了身段去打GTX960，還將將打了個平手。於是，完整版的Tonga XT（R9 285X）直接被AMD摁死在了工廠里——更多的顯存控制器雖然帶來了更高的帶寬，但也帶來更高的成本；相比較出一張打不過GTX970，成本卻和其相差不大的顯卡，還不如直接放棄。作為GCN3.0架構首次出師征戰的兩員大將之一，就這樣折戟沉沙了。

▌番外：流產兩年！AMD R9 285X神奇復活

但是！就在大家已經淡忘這張顯卡的2016年底，AMD都已經進入北極星RX時代時，國外的網友曝光了一張R9 285X——2048SP、384bit、3G的規格與當年的HD7970一模一樣！PCB編號也是AMD從未使用過的C765，足以證明這是神奇復活的R9 285X！可惜AMD已經沒有將其重新發布的意義，這張卡也僅僅是從工廠中流出，PCB、散熱等也均是公版方案。

但幸運的是！小天哥在萬能的某魚收到了一塊，上面的GPUZ圖就是小天哥手裡這張R9 285X的圖。等VEGA32/28鋪貨以後，小天哥將為大家帶來GCN1.0（HD7970 / R9 280X）+ 兩種GCN3.0（R9 285X / 380X）+ GCN4.0（RX470 / 570）+ GCN5.0（VEGA32）四代架構、五張顯卡之間的同SP（2048個）、同頻率對比，來遍歷GCN走過的五代，為大家獻上一場GCN架構的縱向評測盛宴！

▌顯存界的金坷垃——HBM

讓我們回到主題，將時間再度拉回2015上半年。等不到GDDR6的AMD，將目標轉向了下一代顯存技術——HBM顯存。相比GDDR顯存，HBM將直接集成於片上，大幅減少由於PCB走線所導致的延遲；相對應的也帶來了及其可觀的顯存位寬。農企就像拿到了夢寐以求的金坷垃一樣，「GCN摻了HBM，流處理器隨便堆！」「GCN用了HBM，一片顯存能頂八片用！」

但是，新技術的嘗試總要付出代價。HBM顯存的難產，直接導致了AMD旗艦級顯卡的跳票。然而GTX900系列的鋪貨，卻又讓AMD感受到了巨大的壓力。於是R9 300系列在2015年中，被AMD以全系馬甲的身份搬上了歷史舞台，在本文開頭的表格里可謂一清二楚。唯一稱得上「新卡」的R9 380X，也只是套用了Tonga完整版的2048個流處理器，顯存控制器依然被閹割成了256bit。

終於，一個月後，AMD的新旗艦R9 Fury系列登場。得益於HBM顯存的超高帶寬，AMD乾脆一鼓作氣將Fiji核心堆上了4096SP的超強規格。同時也得益於使用了HBM顯存，節省了GDDR顯存的布線，R9 Fury系列的PCB完全可以做到17cm的ITX規格。因此R9 Fury Nano橫空出世，一時間風光無兩，被冠以「小鋼炮之王」的稱號；頂級的Fury X乾脆也直接上水冷，只將次旗艦R9 Fury開放給了各大AIB廠商做非公版。GCN3.0終於迎來了最強、也是最後的三員大將。

2015年就在Fiji的光環中落下了帷幕。最強ITX小鋼炮也有了，4096SP的巨無霸也有了，HBM的存在也讓AMD不再擔心顯存位寬頻來的瓶頸……一切都好似順風順水的發展著。然而，AMD的架構師卻依然坐立難安：4096SP的規格已經是GCN架構的極限，HBM顯存也足夠餵飽這顆性能怪獸，在核心和顯存都已經得到了完全的性能發揮後，將來的路該怎麼走？

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GCN4.0：14nm加持，涅槃重生

▌比你小，還比你強！

2016年註定是不平凡的一年。年初，AMD的女朋友Global Foundry的14nm製程就宣布流片成功，這讓AMD看到了未來的希望：從28nm升級到14nm，這簡直可以說是質的飛躍！既然架構上已經遇到了瓶頸，那我們就用製程來湊！

終於在半年後，我們看到了RX480，也是首張14nm的顯卡。在GCN3.0的基礎上小改了一波GCN單元的結構，再加以一些Liquid VR、HDR技術、原生DX12支持等新特性，就這樣與大家見面了。

從圖中我們可以看到，精簡後的顯存控制器由每路控制64bit精簡為32bit，這樣保持8路顯存控制器不變的同時，可將總位寬降至256bit，大大減少了布線難度。GCN單元的結構也由R9 390X的4+4+3=11CU精簡為3+3+3=9CU，同時精簡了一半的ROP單元。但最重要的不是架構上的縫縫補補，而是在應用了14nm的工藝後，AMD將GCN4.0架構的核心頻率直接由歷代GCN的1050MHz左右拉升至1250MHz附近！這直接帶來了同SP下將近20%左右的性能提升，就算是ROPs以及SP單元相對R9 390X做出了精簡，RX480總體依然與R9 390X相平甚至略優。

AMD也深知無力對抗NVIDIA的頂級產品Titan系列，因此直接用田忌賽馬的策略對陣NVIDIA的GTX970、GTX1060。雖然發布後遭遇了從主板偷電、散熱不佳等一系列問題，但依然沒有阻礙RX480成為一張玩家心目中值得購買的顯卡。

▌沒有新卡怎麼辦，超超頻率又一年

後面的事情大家應該就比較熟悉了……AMD全力研發GCN5.0的VEGA系列，RX500系列就又搬出了全系RX400的馬甲作為新卡上市了。不過由於14nm製程的成熟，漏電率相比初期更低，因此RX580相比RX480頻率再高100MHz，來到了1350MHz附近。加之高頻率顯存的加持，帶來的相比RX480的提升也算是夠看。加之2017年適逢迪蘭恆進成立18周年，迪蘭就出了這麼一款全白的RX580 8G，也算是滿足了一眾顏值控的玩家們~

雖然GCN4.0不算是一個多麼「嶄新」的架構，但至少是AMD從GCN1.0以來，第一次升級了製程來到了14nm；也是第一次從中高端到低端完全布局，避免了GCN2.0、GCN3.0時代「一塊新卡，全系馬甲」的這種尷尬局面。雖然Fiji核心R9 Fury系列的繼承者被織女星VEGA欽定，但是那畢竟是有錢人的玩具，GCN4.0能讓我們廣大的平民玩家享受到不錯的性能，就足夠了。大家說呢？

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GCN5.0：總結與展望

GCN這個架構，從2011年研發到2012年發布，直到今年2018年都仍在歷史舞台上堅守。可是，伴隨著VEGA64（GCN5.0）的發布，4096SP的巨無霸核心、超高帶寬的HBM2顯存、14nm的新製程這三張救命牌已然被AMD打完，剩下的GCN架構該何去何從？難道要堆5120個流處理器？寄希望於HBM3顯存？抑或是使用7nm製程？殊不知，這些都是治標不治本的舉措——GCN架構，實在是太老了。就像當年的VLIW架構在X1900時代站上歷史舞台，卻在HD6000時代遭遇了折戟沉沙一樣，這期間是2006年到2012年的6年時間。GCN架構已經撐了7年，它也老了，也需要新一代的接班人來接過它的火炬，將AMD再度推上新的巔峰。

雖然縱向對比GCN的歷代架構，不管用何種方式，性能總還在穩步地提升著；但是橫向比較隔壁的NVIDIA，Pascal、Volta的出現卻直接讓顯卡性能坐火箭一般上天。而由於AMD這邊的縫縫補補，老黃的手術刀又開始耍的肆無忌憚。我們太需要一個可以抗衡NVIDIA高端產品的存在了，一個不僅僅是堆料、超頻，而是真真正正涅槃重生的GPU架構。

我們理解，作為一個在Intel和NVIDIA夾縫中生存的農企，無法做到同時兼顧GPU與CPU部門。GCN架構橫空出世的那年，FX系列處理器的多模塊設計遭遇了前所未有的滑鐵盧，高端市場盡失；而AMD對ZEN處理器的全身心投入，為我們帶來了一顆極其優秀的產品的同時，也讓GCN架構經歷了縫縫補補三年又三年的窘境。如今市值120億美元的AMD已不再是2015年市值連15億美元都不到的公司，17年4季度非固定資產營收的扭虧為盈也讓我們看到AMD正在崛起。

GCN架構已然到了耄耋之年，我們也衷心希望AMD能看到其中的不足，努力研發新的GPU架構，對人工智慧等並行計算領域提供更好的支持，爭取早日與NVIDIA抗衡。

最後，祝AMD翻身成功！AMD，Yes！

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