超能网|双倍CUDA单元和良心价格！新一代Ampere GPU架构和首发显卡简析
今天不管对DIY硬件业界还是对游戏业界来说 ， 都是个大日子 ， 因为NVIDIA发布了新一代在性能上有巨大飞跃的RTX 30系显卡 。 首批的三张显卡在性能方面可谓是有着非常大的提升 ， 就算其中定位最低的RTX 3070在官方宣传口径中都能有超过上一代旗舰卡RTX 2080 Ti的性能 。 那么 ， RTX 30系显卡是如何做到如此巨大的性能提升幅度的呢？本文就基于官方目前给出的信息对RTX 30系显卡的核心 ， 也就是代号为Ampere的GPU进行简要的分析 ， 由于官方尚未给出新一代显卡的白皮书 ， 故本文只能挖掘到较为浅层的一些信息 。
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Turing架构是NVIDIA的初代RTX架构 ， 它首次引入了RT Core ， 并升级了从Volta架构开始引入的Tensor Core 。
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它的意义在于将整个GPU的处理管线分成多个部分 ， 早前的GPU只需要全力渲染画面即可 ， 而在引入实时光线追踪特效之后 ， GPU中的处理核心需要分心去算光线追踪特效 ， 偏偏这部分又非常吃算力 ， 会让传统的GPU浪费非常多的算力 。
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于是NVIDIA想到为实时光线追踪引入独立的硬件处理管线 ， 也就是RT Core 。 但在开启实时光线追踪的情况下 ， 单靠RT Core在那边加速仍然没法达成高帧数的目标 ， 所以NVIDIA研发了DLSS技术 ， 也就是利用机器学习 ， 通过AI升频的方式将低分辨率的游戏图像实时处理成高分辨率的图像输出 。 因为降低了实际的渲染分辨率 ， 所以大幅减轻了GPU的计算压力 ， 从而达成开启实时光追下的流畅游戏 。
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但是 ， Turing显卡的一大问题就是计算规模不够大 ， 老黄在发布上也很坦诚的说 ， 开了光追的Turing显卡表现和没开光追的Pascal差不太多（从图上甚至可以看到GTX 1080 Ti在非光追情况下的表现要优于光追场景下的RTX 2080 Super） 。 但是Turing GPU的工艺已经不允许NVIDIA往里面塞入更多的计算单元了 ， 那么 ， 是时候换工艺了 。
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与A100加速卡上那枚使用台积电N7工艺的GA100芯片不同的是 ， NVIDIA选择和三星合作 ， 定制了基于三星8nm工艺的制程 ， 称为Samsung 8N（N for NVIDIA） 。 在面积最大的GA102芯片中 ， NVIDIA塞入了280亿个晶体管 ， 这个数字是TU102的1.5倍 ， 但仍然比面向计算用途的GA100少很多（542亿） 。
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这多出来的1.5倍晶体管主要被用在加倍FP32单元上 ， 从NVIDIA官网上的对比表我们即可看到这一明显的区别点 。
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以往在NVIDIA的GPU中 ， 一个CUDA Core对应一个FP32计算单元 ， 在Turing GPU上面 ， NVIDIA加入了独立的整数计算单元 ， 它与传统FP32计算单元的比例是1:1 ， 到了Ampere上 ， 因为对算力有非常高的需求 ， NVIDIA直接选择把FP32单元的数量暴力翻倍 。 并且官方并没有采用一个CUDA Core对应两个FP32单元的计数方式 ， 仍然保留了1:1的算法 ， 所以我们看到了CUDA核心数量暴涨的一代显卡 ， 下表对几代同级显卡的CUDA核心数量进行了对比：
注：Ampere显卡的INT单元数量暂时按照1:2的比例计算 。
从上表中我们可以感受到RTX 30显卡在计算规模上的暴增 ， 不过这只是它性能增幅来源的一个部分 。 NVIDIA还引入了第二代RT Core和第三代Tensor Core 。 新的RT Core在处理光线追踪相关的计算时 ， 可达到初代RT Core的1.7x效率 ， 而GA100的同款Tensor Core则带来了2.7x的AI性能提升 。
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另外不得不提的还有新的显存 。 RTX 3080和RTX 3090都使用了来自于美光的GDDR6X显存 ， 在显存带宽上逼近1TB/s的大关 。 这多个方面拼合到一起 ， 让RTX 30系列显卡拥有了暴涨的性能表现 。
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第二代RT Core让RTX 30显卡在越复杂的实时光追场景下有更高的性能增幅
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总的来看 ， Ampere GPU在能耗比上达成了一个1.9x的进步 ， 在半导体制程提升日益困难的今天 ， 这个进步幅度已经算是不小了 。 但是从上图我们也需要注意到 ， Ampere显卡在功耗上将会比Turing显卡去到更高的地步 。
再来详细谈一谈这次发布的三张显卡 。
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首先是RTX 3080 ， 官方将其作为旗舰卡 ， 而不是RTX 3090 。 官方标称它有2倍于RTX 2080的性能 。
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就算单看RTX 3080的CUDA核心数量 ， 我也会信NVIDIA的说法 ， 毕竟它有着三倍于RTX 2080的CUDA核心数量 。 但是这也带来了一个问题 ， 三倍于RTX 2080的CUDA核心数量为什么只能带来两倍的性能？这个问题只能等到官方公布显卡白皮书的时候才能知晓了 。
RTX 3080香不香？当然了 ， 同样的起售价给你两倍的性能 ， 能不让人高喊“NVIDIA YES”吗？但各位准备买新显卡的朋友需要注意两个问题 ， 一个是供电 ， 另一个是新卡的体积 。
三星的8nm制程实际上是10nm的改良版 ， 给GPU带来的省电效果是比从TSMC N16跨越到N7差得远了 。 庞大的GPU规模带来的必然是能耗和发热的大幅增加 ， 公版的RTX 3080的标称TGP达到了320W ， 同时其GPU最高限温被抬高到了93℃ 。 原本GPU的瞬时功耗就要比标称的TGP高上不少 ， 现在基数都高了很多 ， 那瞬时功耗还不得上天？这就给电源带来了很大的挑战 ， 首先是瓦数要高 ， 750W可能只能算是底线 ， 上850W会更好 ， 另外是电源的品质要好 ， 能够应付新显卡的超高瞬时功率 。 那么功耗高了 ， 发热量当然也会上去 ， 这带来了第二个问题 ， 为了即时散去热量 ， 显卡厂商需要升级散热器 ， 增大鳍片、加多风扇叶片数量这些都是常规操作了 ， 自然会带来散热器体积的增加 ， 进而增加了显卡整体的体积 。 官方给公版RTX 3080的标称厚度是双槽 ， 不过就我们手上的显卡和今晚AIC们的发布来看 ， 新显卡占到三槽的可以说是比比皆是 。
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再来说说大家都爱的RTX 3070 。 如果说RTX 2070是一代坑爹卡的话 ， 那么这次的RTX 3070可以说是回归系列定位初心的一张卡 。 让我们回想一下 ， 当年的各种x70显卡提供的是什么？是次旗舰级别的性能表现和平近易人的价格 ， 最经典的就是GTX 970和GTX 1070 Ti了 。 那么这次的RTX 3070在性能上虽然仍被拉开了一个身位 ， 次旗舰级别的性能表现无从谈起 ， 但如果进行代际之间比较的话 ， 它是比RTX 2080 Ti略强一点点的 ， 换句话说 ， 你可以用4000块钱买到一张RTX 2080 Ti级别的显卡 ， 想想之前RTX 2080 Ti卖到多少吧 。 唯一的一个问题是 ， 它仍然只有8GB的显存 ， 在未来的4K游戏普及时代 ， 这点显存可能会出现不够用的情况 。
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再说说这次的卡皇RTX 3090 。 老黄用了“BFGPU”这个自造缩写来描述这款显卡 。 它瞄准的 ， 已经不再是简单的4K游戏 ， 而是更高层次的8K游戏 ， 而且一做 ， 就要做到8K60 。 当然 ， 这个目标是要通过DLSS技术来实现的 ， 但也足以让人们惊叹了 。 24GB的显存也让它很适合用来当成一张创作卡 ， 或者说 ， 准专业卡 。最后 ， ￥11999的售价看上去不怎么亲民 ， 但想想上一代Titan RTX的定价……足够让人发自肺腑的说一句 ， 老黄良心啊 。
当然 ， 老黄是不是真的良心 ， 我们抱持怀疑态度 ， 因为这次的RTX 30系显卡采取如此有性价比的定价方案可能是受到AMD方面的压力了 ， RDNA 2可能真的不是省油的灯 ， 所以NVIDIA需要通过提前布局市场来防范对手 。
好了 ， 以上就是我个人对Ampere架构和首发游戏卡的快速分析 ， 如有看法可以在评论区讨论 。
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