写在RTX2080评测之前:老黄想用AI/光线追踪颠覆显卡?

　　【PConline 杂谈】过去两年的显卡市场是游戏玩家不堪回首的记忆，2016年NVIDIA发布Pascla显卡之后带来了性能更强、能效更好的GTX 10系列显卡，但是之后显卡市场遭遇矿卡从疯狂到崩盘、显存大涨价等多方因素影响，导致显卡市场两年来都没新一代更替，直到8月20日的科隆游戏展上，NVIDIA推出了代号图灵Turing的新一代GPU架构，并启用了GeForce RTX品牌，新一代显卡终于来了。

　　游戏玩家这一次的等待时间很长，不过某种方面来说这次的等待也很值得，因为NVIDIA的图灵显卡号称有史以来升级最大的GPU架构，创始人、CEO黄仁勋直接称之为2006年以来GPU最大的飞跃。

　　另一方面，全新的GeForce RTX 20系列显卡的售价也水涨船高，这次发布了GeForce RTX 2080 Ti、RTX 2080及RTX 2070三款显卡，其中前两款显卡率先上市，FE创始人公版RTX 2080 Ti价格达到了9999元，RTX 2080显卡的FE公版也要6499元，第三方厂商的价格分别是8199、5699元，整体价格比现在的GTX 1080系列高出一截。

　　目前NVIDIA的GeForce RTX 2080系列显卡还没有解禁，因此性能提升幅度还没有定论，不好比较更高价的RTX 2080系列显卡是否对得起它的售价。不过今晚NVIDIA解禁了图灵显卡的技术细节，我们可以从技术角度来看看图灵GPU架构到底带来哪些改变？

▍　NVIDIA图灵架构改进：

1、图灵CUDA核心大改：性能提升50%

　　N卡玩家常听到的一个词就是CUDA核心，它就是GPU架构中的基本单位——流处理器单元，CUDA核心数越多，显卡性能越强，同时每个CUDA核心的性能越强，这就类似于CPU中的核心数及单核性能一样，只有CUDA核心又多又强的情况下显卡性能提升才会更明显。

　　在现在的Pascal显卡上，GP102大核心的CUDA核心数最多3840个，GTX 1080 Ti是3584个，而图灵GPU的TU102核心完整版是4608个CUDA核心，不过RTX 2080 Ti现在只使用了4352个，从3584到4352意味着CUDA核心数增加了21%，这个增幅并不算高，因为图灵这一代的CUDA架构着重于提升性能，NVIDIA宣称每个CUDA核心的性能提升了50%。

　　CUDA核心性能大幅增长则受益于SM单元的改变，在Pascal GPU架构中，NVIDIA在GP102、GP104、GP106核心中的SM单元中塞入了128个CUDA核心，配备了48KB L1缓存、96KB共享缓存、256KB寄存器容量，架构如下所示：

GTX1080显卡的GP104核心SM单元架构

TU102核心的SM单元架构

　　图灵GPU架构的SM单元不一样，NVIDIA减少了SM单元中的CUDA核心数到64个，但增大了SM单元数量，TU102总计72组SM单元，而GP104是20组SM单元，同时又增加了每组SM单元的缓存，新增了L0缓存、L1/共享缓存增加到了96KB，看似减少了，但是分配方式更灵活，需要的时候L1缓存分配到64KB，比Pascal显卡的48KB提升50%。

　　此外，图灵GPU的SM单元还基于常见工作负载做了执行单元的优化，增加了第二条并行单元，在执行整数类型的计算时浮点单元也不会空置了，使得执行单元的效率提升了36%，大幅提升了执行单元的效率及性能。

　　总的来说，在CUDA及SM单元上，图灵架构重新分配了缓存系统，优化了执行单元效率，使得CUDA核心性能最多提升50%，在其他不同类型的负载中提升幅度也有50-70%，使得图灵显卡在CUDA核心数没有大幅增长的情况下游戏性能依然有明显提升。

图灵架构的重点之一：保留Tensor单元，显卡也能玩AI

　　图灵显卡虽然大幅提升了CUDA单元的性能，那为什么不增加更多的CUDA单元呢？毕竟核心面积以及晶体管规模相比Pascal显卡大幅增加了，原本该有足够的空间增加CUDA核心才对。这个问题就要说到NVIDIA在图灵架构上的野心了，这也是NVIDIA一直强调图灵显卡为什么是有史以来架构变化最大的GPU了，因为它增加了AI运算单元及RT光线追踪渲染单元。

　　先说AI单元，实际上叫做Tensor Core（张量核心），这是Volta架构上首次增加的新单元，图灵架构继承了Tensor Core设计，每个SM单元中有8个Tensor Core核心，总计576个Tensor单元，不过RTX 2080 Ti实际启用的是544个。

　　相比一般的CUDA核心，Tensor Core主要用于执行神经网络、推理训练等深度学习相关的运算，特点就是对性能要求很高，但对运算精度没这么高，因此图灵架构大砍了FP64双精度运算，仅为FP32单精度的1/32，反正对游戏来说FP64单元没什么意义，只会增加功耗。

　　增加专用的Tensor Core核心之后，图灵显卡的AI性能大幅提升，以RTX 2080 Ti为例，其FP32浮点性能为13.4TFLOPS，FP16浮点性能翻倍到了26.89TFLOPS，FP16 Accumulate性能高达107.6TFLOPS，INT8、IN4性能更是可以达到215.2TFLOPS、430.4TFLOPS，这是现有Pascal显卡不支持的运算。

　　图灵显卡增加了Tensor除了可以用于AI加速运算，NVIDIA也在加速推动游戏支持AI加速的过程，这次还推出了NGX软件工具，通过它可以在图灵显卡上实现DLSS（深度学习超级采样）抗锯齿，INPAINTING图形修补、AI Slow-Mo慢动作、AI Super Rez超级分辨率等功能。

　　以DLSS抗锯齿技术为例，在RTX 2080显卡上，DLSS技术不仅能带来更精细的画质，基于Tensor Core强大的AI加速能力，RTX 2080实现DLSS的速度比GTX 1080显卡可以高出一倍之多。

　　AI加速在游戏显卡上的应用还是初级阶段，不过它已经显示出了极具竞争力的前景，后续还需要NVIDIA与游戏开发商合作推动更多游戏支持AI加速功能。

图灵架构的重点之二：新增RT Core，一切为了光线追踪

　　如果说图灵架构增加Tensor Core是把专业技术带到消费显卡上来，那么图灵架构真正给游戏市场带来变化的改进则是RT Core，也就是专门的光线追踪渲染核心。在8月底的科隆游戏展发布会上，NVIDIA创始人、CEO黄仁勋提及最多的就是光线追踪了，他表示图灵显卡的RT性能是Pascal显卡的6倍多，是提升最明显的。

　　光线追踪也是游戏玩家常听到但又非常陌生的技术，在电影工业光线追踪技术已经应用很多年了，但在游戏卡一直是雷声大雨点小，在图灵GPU之前显卡跑RT运算的性能非常弱，并不足以支撑良好的RT光线追踪体验。

　　为此NVIDAI在图灵显卡中改变了RT渲染的工作流程，将其从Shader渲染器中独立出来，变成了单独的RT Core，专门用于RT运算，每个SM单元有一个专用的RT Core，RTX 2080 Ti显卡上总计68组RT Core，带来了10+ Giga Rays/s的光线追踪渲染能力，而现在的Pacal显卡的渲染能力只有1.2 Giga Rays/s，性能提升了10倍，而老黄现场宣布的6倍光线追踪渲染性能还是很谦虚的了。

　　从后续公布的RT渲染测试来看，图灵显卡的光线追踪性能确实很强大，GTX 1080 Ti显卡渲染单光源的延迟可以做到11毫秒，但2-16光源的情况下延迟大幅提升，不具备可行性了，图灵显卡在单光源、双光源乃至8光源下都能将延迟控制在10毫秒内，性能提升了四五倍，这是有史以来首次有游戏卡能够达到这样的光线追踪渲染性能。

　　对游戏玩家来说，RT光线追踪技术的进入使得游戏画质更上一层楼，这个技术多年来一直被视为3D图形技术的一次革命，将极大地改变游戏以及电影工业的渲染方式，通过追踪光线的轨迹来计算物品对光线的反射和折射，更真实地还原物品在现实中的颜色，带来了更真实的光影效果，从而达到梦寐以求的“以假乱真”效果，让玩家真正融入到游戏中。

　　在图灵显卡发布之后，RT光线追踪技术也成为新一代3A游戏大作的选择，包括战地5、古墓丽影以及国内的逆水寒、剑侠3等11款游戏都宣布支持光线追踪技术，这个名单目前来说还不多，但是等到RTX 2080显卡上市、普及之后，支持RT渲染的游戏会越来越多。

图灵显卡显存：不只首发GDDR6，还有高效压缩

　　随着GPU计算性能的增加，对带宽的要求也越来越高，在图灵架构上NVIDIA也升级了显存子系统，首发支持了GDDR6显存，这是7年来GPU架构首次从GDDR5升级到GDDR6，不过图灵GPU在显存改进上做的不只是带宽大幅增加，还改进了内存压缩技术。

　　在显存选择上，现在的显卡大部分选择了GDDR5，这是成熟标准，不过速率很难超过8Gbps，搭配256bit位宽的话，带宽可达256GB/s，如果最求性能会上HBM 2显存，4096bit位宽下带宽可达1024GB/s，但是HBM 2的成本比GDDR5显存贵太多了，一颗4GB HBM2显存成本就要80美元，8GB HBM2显存成本就要160美元了，光这一项就占了高端显卡的1/3到1/2价格，实在是用不起。

　　NVIDIA在去年的Volta架构上就首发了HBM 2显存，所以技术上使用HBM 2不存在问题，NVIDIA没用HBM 2显然还是出于成本控制原因，再加上今年GDDR6显存也开始商业化了，这次的图灵GPU就首发了GDDR6显存。

　　GDDR6是现有GDDR5内存的继任者，在保持工艺、规格大部分兼容的情况下进一步提高了显存速率，通过16bit数据预取、单通道升级双通道等方式将数据频率从GDDR5时代的不超过8Gbps提升到了JEDEC标准的12-16Gbps，而三星、美光还在研发速度高达18Gbps及20Gbps的GDDR6显存。

　　图灵显卡首发的GDDR6显存频率为14Gbps，考虑到GDDR6显存还是首发，这个频率还是可以的，相比目前8Gbps的GDDR5显存速率已经提升了75%，同样在256bit或者384bit位宽下能带来448GB/s、672GB/s的带宽，性能非常接近HBM 2显存了，要知道AMD的RX Vega64显卡使用的HBM 2带宽也不过484GB/s，Vega 56甚至只有404GB/s。

全新的内存压缩算法

　　GDDR6内存带来内存带宽大幅提升，不过NVIDIA还从源头进一步降低了对带宽的消耗，图灵显卡支持更先进的内存压缩算法，全新的GPU压缩引擎可以自动匹配最合适的算法以便在不同的材质上寻找最有效的压缩方法，与GP102核心的GTX 1080 Ti显卡相比，RTX 2080 Ti的内存压缩能够提升50%的效率，与带宽更高的GDDR6一起为图灵架构的SM单元性能提升50%保驾护航。

图灵显卡的SLI进化：迎接NVLink时代的到来吧

　　如果说NVIDIA的图灵显卡中最让人意外的技术升级，那肯定非NVLink莫属了，因为NVLink原本是NVIDIA联合IBM开发的高性能总线技术，主要用于服务器市场上，目前已经发展了两代标准。

　　相比现在的PCIe 3.0总线，NVLink的优势就是延迟更低、带宽更高，NVLink 1.0的带宽就可达160GB/s，NVLink 2.0的带宽更是高达300GB/s以上，远远超过现在的PCIe 3.0 x16总线的16-32GB/s带宽。

　　正是因为NVLink技术的超高性能，所以原本没期待消费级的RTX 2080系列显卡能用上NVLink，不过NVIDIA竟然真的在图灵显卡上开放了NVLink技术，不过消费级的NVLink技术带宽也没有那么夸张，TU102核心的RTX 2080 Ti以及专业级的Quadro RTX 8000/6000显卡的NVLink带宽100GB/s，RTX 2080显卡NVLink带宽50GB/s，RTX 2070显卡遗憾不能支持NVlink。

　　由于NVLink的超高带宽，图灵显卡SLI之后可以玩出更多花样，比如支持5K 75Hzueu，支持4K 144Hz环绕屏模式，还可以支持8K视频，RTX 2080 Ti更可以做到8K环绕屏模式。

　　不过NVLink还需要搭配额外的NVLink桥，这个东西也是单独出售的，有3插槽及4插槽两种版本，售价79美元，折合人民币也要500多块。

图灵显卡视频及接口改进：支持双8K，VittualLink对VR更友好

　　在I/O接口上，图灵显卡也带来了全面的升级，最大的变化就是首发支持了VitualLink接口，它的物理接口为USB Type-C，也就是现在电脑及手机上开始普及的USBC接口，而VitualLink则是NVIDIA、AMD以及微软、Oculus、Valve等公司联合制定的VR设备专用接口，有望能简化这些线缆的需求，提供更简单、统一的体验，而不仅仅是性能，据说新的接口还能为更低的延迟时间作出优化。

　　VitualLink接口将是未来VR设备的统一接口，因此图灵显卡对VR设备更加友好，以后用它来玩VR设备更合适，而USBC物理接口还能提供15-27W的供电能力，支持DP视频及USB 3.1 Gen 2数据传输，是个万能接口。

　　在视频接口方面，图灵显卡除了支持HDMI 2.0之外，还支持了DP 1.4a标准，支持双8K 60Hz输出能力，虽然目前的8K显示器还是凤毛麟角，不过图灵显卡在技术上已经做好了准备。

　　最后，图灵显卡在还升级了用于视频编码解码的NVENC单元，新增支持H.265 8K 30fps编码，同时提供H.265格式25%的码率节省，H.264格式也能节省15%码率，而解码性能也更快，支持的格式更多。

总结：

　　NVIDIA宣称他们的Turing图灵架构是一次技术飞跃，尽管其中不乏宣传的味道，但是从图灵架构的改变来看，这代显卡的技术亮点还真不少，等待了两年多的N饭并没有白等，CUDA核心性能大增50%、新增RT Core及Tensor Core将原来行业级的技术带入到了消费级显卡中，同时首发了GDDR6显存，增加了USB-C输出接口，升级幅度要比之前的历代NVIDIA GPU更为明显。