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看显卡 不只是流处理器!

2022-05-30

电脑爱好者 2022年14期
关键词:制程构架英特尔

今年以来,显卡的售价正在快速向着正常价格滑落,似乎缺货的影响在逐步改善中。很多人也都开始盘算着合适的时机购入显卡——毕竟两年有余的时间里,显卡已经成为“只可远观”的配件(图1),动辄几倍的溢价实在让人难以接受。但是,很多读者可能还不清楚除了价格外,应该如何去判断一个显卡的规格好坏、性能高低。流处理器的数量和频率吗?其实它们只能说是“管中窥豹”。显卡的那些规格,今天笔者就和大家一起看个通透吧。

显卡的作用

显卡英文为Graphics card(图2),是个人电脑的最基本组成部分之一,用途是将电脑的信息进行转换驱动,并提供逐行或隔行扫描信号,控制电脑显示器的正确显示,是连接显示器和个人电脑的重要通道,“人机对话”的重要设备之一。

具体一点,显卡的工作流程大致是这样的:首先,CPU将数据通过总线传输到显卡的显示核心,即显示核心中,然后显卡的显示核心芯片对CPU发送来的数据进行处理计算,并将处理好的数据临时暂存到显存中待用;接下来,显存中暂存的数据被传送到RAMDAC(Random Access MemoryDigital-to-Analog Converter,随机存取内存数字/模拟转换器)中,它是一种由三个数字模拟转换器以及一个小容量静态随机存取内存(SRAM)组成的电子器件,可以暂存调色盘(color palette)并产生驱动彩色显示器的模擬信号,然后将模拟高频信号通过显示接口输出到显示器成像,这就是显卡的基本工作流程。注意,这个RAMDAC在旧式显卡上是独立芯片(图3),但如今已经集成在显示核心芯片之中,而且因为现在已经是数字式显示而濒临消失,只是这个将电脑数据“翻译”成显示器数据的过程还存在。此处就可以看出流处理器,只不过是当代显卡处理数据的工作单元而已,绝不代表显卡的全部。

集成显卡和独显 区别在哪里?

首先要说明的是,集成显卡和独显(图4)可不是只有性能这么一点点区别。他们都承载着基本的显示功能,但是在规格上,二者之间还是有不少区别的。早期的集成显卡集成在主板芯片上(北桥芯片),后来随着技术的进步,北桥芯片消失,集成显卡与大部分相关功能则进入CPU,演变成了现在的CPU集成显卡。

集成显卡和独显最显著的第一个区别在于显存。位于CPU内的集成显卡并不具备独立的显存,都是借用内存来当做显存使用,这意味着除了位宽只可能是64bit/128bit(单通道/双通道内存)之外,它们的显存容量也依赖于系统分配的内存容量,既可以在BIOS中手动设置借用内存的容量(图5),也可以设置为动态的划分方式。当然,受限于内存频率的吞吐带宽,它的显存性能必然没有独显的独立显存来得好。

第二个显著区别在于功耗,集成显卡(图6)不具备独立供电、散热设计,要遵守CPU的功耗规格,不可能和独显一样“肆无忌惮”的发挥自身的性能。即使这样,还是会因为设计问题出现抢功耗的情况,这在笔记本电脑上很容易发生。

在集成显卡领域,当前只有英特尔和AMD两家竞争——毕竟主流的CPU生产厂家也只有它们。别小看集成显卡,如果把独显与集成显卡的总销量放在一起统计,英特尔才是世界上显卡销量最大的王者(图7)。在独显领域,英伟达和AMD无疑是领先的市场主导者,英特尔也终于在推出i740多年后,再次进入独显领域,是否能再创辉煌还要拭目以待了。

这里要特别说明的是,英伟达和AMD乃至英特尔,既是核心芯片供应商,也是设计生产的主导者。例如我们常常听到的公版和非公版,公版指的是英伟达或AMD在新品发布之初,原厂设计或授权设计的PCB版型(图8),包括电路、接口规格、用料以及散热设计,甚至是核心、显存的频率都是统一的。

而非公版,则是具体的显卡厂商根据自己的技术实力进行优化设计生产的产品,比如显存核心频率更高、PCB设计有自主的理念、散热设计差异化、接口有自己的设计思路。当然,这些厂商也生产公版显卡。例如华硕、微星、影驰、七彩虹、索泰、映众、铭瑄、蓝宝石、迪兰等品牌。

显卡型号怎么看?

显卡型号有很多,甚至有点眼花缭乱的感觉,这对很多并不十分了解显卡的用户而言,很难判断显卡的规格。其实,这些显卡的型号都是有自己特定规律的,掌握它们的命名规律,很容易就能知道显卡的规格,方便用户判断。

●英伟达显卡

英伟达显卡的命名规则非常容易理解,GeForce是显卡的主名称,后面跟着的字母决定了型号的强弱,分别为GT、GTX和RTX三个。例如GeForce GT 1030,就是一款入门级产品,所述序列为GT;到了GT X这个档位,除了首字母之外还有后缀加以区分,例如GeForce GTX 1650、GeForce GTX1660 Super和GeForce GTX 1660 Ti,数字型号尾部没有标注的是GTX的“标准版”,带有Super的是更高一个阶层的产品,最后带有Ti的则是这个序列里最高性能的产品。GTX这个档位主要针对的是主流需求产品;而RTX则是最高一个等级的序列,它们最主要的区别在于支持光追技术,而且和GTX一样,RTX系列的产品型号也是在数字之后有后缀的。例如RTX3060、RTX 3060 Ti(图9)、RTX 2070 SUPER。移动端的早期产品除了上述命名规则外,尾部还会加上一个M(即Mobile)作为区分。

● AMD显卡

AMD显卡的命名规则相对简单一点,大致的命名规则也是字母+数字+后缀的形式。不同的是现在的AMD显卡已经统一使用字母RX为起始,然后加上数字,最终以是否有后缀进一步区分。例如RX6400(图10)或者RX 6700 XT。这个XT相当于加强版本的意义。而且,数字越大说明显卡的规格越强,性能越出众,相对于NVIDA来说区分起来要简单一些。移动端的区分除了上述命名规则外,尾部还会加上一个M(即Mobile)作为区分。

● 英特尔显卡

英特尔的显卡(图11)虽然还没有正式上市,但是命名规则已经出来了,它一共拥有五个型号,其中两个针对台式机,三个针对移动端。他们分别是英特尔 Arc A350、英特尔 Arc A380、英特尔 ArcA370M、英特尔 Arc A350M、英特尔 Arc A200M。可以看出,所有的显卡都是A系列,然后以不同的数字来区别不同系列,自然数字越大等级越高。而在区分台式机和移动端方面,同样是以尾部加注M以示区分。

显卡的组成部分

正如前文所言,显卡可不是只有流处理、频率这么一点点的主要规格,甚至不止核心型号的区别,要想全面了解一个显卡的性能强弱,相关组成部分的知识也必须掌握。

●显卡架构

显卡构架就是芯片的体系结构,每一代显卡核心(GPU)都有自己的代号(图12),以英特尔为例,它最新的显卡核心代号是Alchemist,也是这一代英特尔独立显卡的构架代号。我们可以将其粗浅的理解为汽车的平台构架,设计和计算方式都和上一代有明显区别,当然,这也不是说毫无继承关系,大部分新架构还是要兼容旧架构,也多是在旧架构基础上开发、扩充而来的。构架的更新换代对显卡的性能影响非常直观,甚至功能上都会有很大变化。简言之,显卡构架的自然是越新越好——在近似的规格,例如显存频率、规格、容量,甚至是核心的频率等等都接近的情況下,两代构架之间,必然是新构架产品性能表现出色。

●制程工艺

显卡构架的更新通常也会伴随着制程工艺的提升(图13)。制程工艺的重要性不必多言,更精密的制程能在提升性能的同时减小功耗(相对),而且发热量也可以得到有效控制。所以,这也是为什么手机芯片、CPU芯片和显示核心芯片一直是处于业界最需要先进制程的前端。

不过,也不要过分迷信制程工艺——固然每一代新显卡都在尽可能使用最先进的制程工艺(图14)控制功耗和发热,但是不可否认,每一代显卡的功耗绝对值都不低——当然了,如果新架构采用老制程工艺,功耗会更加恐怖,甚至到不堪应用的地步。只能说无论是厂商还是用户,对显卡性能提升的需求“胃口”越来越大。制程工艺更像是用于平衡功耗、发热和性能之间的一个“天平”。

●流处理器

什么是流处理器呢?它的全称是“Stream processor”,是一种统一的渲染单元,负责3D渲染中的顶点渲染和像素渲染,也就是说每个流处理器当中都有专门高速单元负责解码和执行流数据。现在的显卡中,还会将它们“捆绑”成组,形成SM(Stream Multiprocessor)(图15),不同的GPU规格下,一般都是直接增减这些SM组的。

顯然,流处理器数量的多少会直接影响着显卡的性能。但需要注意,单纯对比流处理器数量来确定显卡性能是不合理的,它只有在同架构之下对比下才成立,不同厂商的流处理器架构设计或许有不同(图16),例如英伟达更喜欢称其为CUDA(Computer UnifiedDevice Architecture计算机统一设备架构)单元,甚至同一厂商的不同代GPU构架都有所区别。

简言之,理论上流处理器的数量某种程度上代表着性能的强弱,显卡流处理器越多,执行效率越高,其计算能力就越快,表现出来的就是速率更高。所以,这也是为什么现在很多人选购显卡特别留意流处理器数量的根本原因——但是注意,因为构架的差异,不同代际、不同厂商的GPU流处理器数量多寡对比没有意义。只有在同代、同构架的不同型号上,才能通过流处理器的数量来确定性能,而且这还要涉及到流处理器,即核心的频率问题。

●核心频率

流处理器的数量多寡当然一定程度上决定着显卡性能,但是流处理器工作的快慢还要看显卡核心的运行频率。图形运算性能、特效渲染、虚拟技术运行的效率,很大程度上都是依靠核心频率的高低(图17)来判断的。核心频率越高,显卡的性能越强,但相应的功率也会升高——不知道你有没有发现,其实决定显卡性能的诸多要素都是相辅相成的,而不是某一个独立的技术指标决定着显卡的性能。

●显存位宽

如果说显示核心决定了计算能力的强弱,那么显存(图18)就决定了图形处理数据的传输量与速度。显存也被叫做帧缓存,从技术规格来说属于易失性闪存,它的作用是暂存显卡核心待处理或者已经计算完毕的渲染数据,它需要关注的要素还是蛮多的。首先便是位宽(MemoryBus)问题。所谓显存位宽,就是指显存在一个时钟周期内传送数据的位数。位宽越大,意味着在单位时间内可以传送的数据量越大。

目前市场主要的显卡以6 4位、128位和25 6位、38 4位显存为主,也基本代表着显卡的定位。比如近期比较火的入门级独显AMDRadeon RX 6500 XT,显存位宽就是64位的(图19),而主流显卡的显存位宽则基本为128位,高端产品则为256位和384位。

●显存类型

目前显卡的显存类型主要为GDDR5、GDDR5X、GDDR6、GDDR6X,当然不乏有个别的显卡采用HBM、HBM2显存(图20)。好的显存会在显存带宽、等效频率与能效比等方面更优秀,更有利于提升显卡性能。

●显存带宽

显存带宽是指显示核心与显存(图21)之间的数据传输速率,这是以字节/秒为计算单位的,当然数值越高越好。显存带宽是决定显卡性能和速度最重要的因素之一,具体来说,显存带宽的计算公式为显存频率×显存位宽÷8。假设显存频率是一定的,那么显存位宽将决定显存的带宽大小。例如两个显卡的显存频率都是1000MHz,其中一个是64位位宽显存,另一个则是128位位宽显存,那么它们的显存带宽分别是1000MHz×64bit÷8=8GB/s,1000MHz×128bit÷8=16GB/s,显存带宽差距达到了一倍,这是非常惊人的差距。

●显存容量

显存容量越大,缓存的数据越多图形渲染能力越强,而且,这和分辨率息息相关——经常有评测会提出“爆显存”的概念,就是指在一定分辨率下显存容量不足以存储(暂存)海量的渲染数据。这是因为分辨率越高,画面的像素点数量越大,需要显卡渲染、处理的图形图像、光影建模数据就越庞大,显存需求自然就会更高。

不同分辨率对应需求的显存也不尽相同。例如1920×1080即1080P分辨率下,建议显卡的显存容量在4GB~6GB;2560×1440即2K分辨率下,建议显卡的显存容量在6GB~8GB;3840×2160即4K分辨率下建议显卡的显存容量在8GB~11GB为宜。

●編解码器

播放视频,看起来显卡似乎只负责“放出来”,其实没那么简单。任何一个品牌的显卡,都是通过视频编码器单元来执行播放操作的——它们拥有独立的编解码单元(图22),通过这部分电路配合软件解码来播放视频。例如现在的1080P、4K视频内容,都是经过特定的编码处理的,这样可以在相对有限的体积内储存更好的画质,所以在用户播放视频时,就必须进行解码才可以得到正常的画面。

目前最新的显卡,例如英特尔的UHD700系列、Iris Xe集成显卡,英伟达RTX 30系列、AMD的RX 6000系列,都支持最高8K的AV1编码格式(图23),所以笔者也强烈建议尽可能选择新显卡以支持最新的编码格式,这样未来多年都不会因此感到困扰——毕竟依靠CPU来软解码视频会极大消耗系统资源。

●显卡接口

很多人会忽略的就是显卡输出接口。目前常见的接口主要是VGA、DVI、HDMI和DP(DisplayPort)几种,较新的显卡则以HDMI和DP两种较新型的多媒体接口为主流(图24)。不过要注意,这两种接口仍在不停的发展,版本不断提升,对应的规格也有区别。例如HDMI 1.4版本的最大带宽为10.2Gbps,理论支持1080P&144Hz、2K&75Hz、4K&30Hz、4K电影(4096×2160)&24Hz;HDMI 2.0版本的最大带宽为18Gbps,理论支持1080P&240Hz、2K&144Hz、4K&60Hz、5K&30Hz;HDMI 2.1版本最大带宽达到了惊人的48Gbps,理论支持2K&240Hz、4K&144Hz、5K&60Hz、8K&30Hz;DP 1.2版本的带宽为21.6Gbps,理论支持1080P&240Hz、2K&144Hz、4K&60Hz、8K&30Hz;DP1.4版本带宽达到了32.4Gbps,理论支持1080P&240Hz、2K&240Hz、4K&240Hz、8K&60Hz。

需要注意的是,即便显卡支持最新的接口,显示器也必须对应支持,甚至包括线缆都要支持同一个标准版本才能实现上述的高分辨率、高刷新率,这一点绝不可忽略。

显卡品牌

注意选购显卡要区分一件事情,显示核心品牌不是显卡品牌,例如我们提到的英伟达、AMD乃至即将发布独立显卡的英特尔,都是显示核心品牌。至于要最终显卡产品(图25)的品牌,就得先了解两个概念:AIC、AIB。

所谓的AIC ,全称为Add in Card,特指具备研发和制造能力的英伟达显卡合作伙伴,通常AIC制造的显卡可以借由自身品牌、第三方品牌销售显卡,并且可以得到英伟达的市场策略——这也是为什么很多显卡品牌能够在销售显卡的时候,或是有较大售价的优惠、或是捆绑当下的游戏大作(甚至未发售的游戏),这些都是显示核心供应商英伟达带来的。

而AIB是Add in Board的缩写,特指AMD的核心合作伙伴,它们专门生产基于AMD显示核心的显卡,和英伟达的AIC有异曲同工之妙。AIB厂商具备设计更多独特附加功能的能力,也同样能拿到AMD合作的游戏厂商优惠。

目前AIC的合作伙伴主要是华硕、某嘉、微星、七彩虹、影驰、索泰、映众、铭瑄;AIB的主要合作伙伴是蓝宝石、迪兰恒进、撼迅、华硕、华擎、某嘉、微星、讯景、盈通、瀚铠。除了这些,还有一些厂商不在AIC或者AIB的名单中,这些品牌的显卡产品多以公版为主,好处是价格低廉,颇具性价比,例如翔升、昂达、映泰、梅捷、小影霸等。

其实,认识显卡并不困难,只要大致了解显卡的上述主要特征,对它们的基本规格就能了然于胸。当然,除了这些,显卡还有供电和散热设计两个部分也值得关注,但是这两项多由具体显卡厂商掌握,并不在显卡主要技术规格的硬件参数之内,这里也就不过多着墨了。

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