图灵微架构
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| 发布日期 | 2018年9月20日 |
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| 制造工艺 | 台積電 12 nm (FinFET) |
| 历史 | |
| 前代产品 | |
| 后继产品 | 安培[1] |
图灵微架构（英語：Turing microarchitecture），是由英伟达公司（nVIDIA）所開發的一種GPU微架構，用以取代伏打微架構（Volta microarchitecture）。命名為「图灵」以向英國計算機科學家艾伦·图灵（Alan Turing）致敬。這個微架構於 2018 年 8 月在 SIGGRAPH 2018 年會上首次在面向工作站的 Quadro RTX 卡中推出[2]， 並於一周後在 科隆遊戲展(Gamescom)上在消費類 GeForce RTX 20 系列顯示卡中推出[3]。图灵微架构以其 HPC 專有前身的前期工作為基礎，推出了首款能夠實現即時光線追蹤的消費產品，這是電腦繪圖產業的長期目標。關鍵要素包括專用人工智能處理器（"Tensor cores"）和專用光線追蹤處理器（"RT Cores"）。 图灵微架构利用 DXR、OptiX 和 Vulkan 來存取光線追蹤。 2019年2月，Nvidia發表了NVIDIA GeForce 16系列GPU，採用了新的圖靈設計，但缺乏光线追踪（RT）和张量（Tensor）核心。
图灵微架构採用台積電的 12 nm FinFET 半導體製造製程。 高階 TU102 GPU 包括使用此製程製造的 186 億個電晶體。 图灵微架构也使用三星電子 (Samsung Electronics) 和先前的美光科技 (Micron Technology) 的 GDDR6 記憶體。
细节信息[编辑]
图灵微架构结合了多种类型的专用处理器核心，并实现了实时光线追踪技术（尽管大多数仍限于对物理建模的材质、室内反射和照明）[4]。这得益于新的 RT 核心的使用，这些核心被设计用于处理四叉树和球形层次结构，并为单个三角形的碰撞测试提速。
图灵微架构的特性包括：
- CUDA 核心（流式多处理器）
- 计算能力（Compute Capability）：7.5
- 传统的栅格化着色器和计算
- 整数和浮点操作的并行执行（继承自伏打微架构）
- 光线追踪（RT）核心
- 张量（AI 中的 Tensor）核心[6]
- GDDR6/HBM2 支持的内存控制器
- 带有显示压缩流（DSC 1.2）技术的 1.4a 版本 DisplayPort 接口
- 支持使用 PureVideo 技术的 Feature Set J 来进行硬件加速的视频解码
- GPU Boost 4
- 支持通过 NVLink Bridge 实现多个显卡的连接，并使用 VRAM 堆叠的方式汇集多个显卡的内存
- VirtualLink 标准虚拟现实
- NVENC（NVIDIA Encoder）硬件编码引擎
GDDR6 内存由三星电子为 Quadro RTX 系列生产[7]。RTX 20 系列在最初发布时使用美光的内存芯片，在 2018 年 11 月换为三星芯片[8]。
栅格化（Rasterization）[编辑]
NVIDIA 报告称，在现有的软件标题中，栅格化（使用 CUDA 技术）的性能相较于前一代提升了大约 30-50%[9][10]。这表示图灵架构的 NVIDIA GPU 在处理现有软件时，通过栅格化技术取得了相当可观的性能提升，提高了图形处理的效率。
光线追踪（Ray-tracing）[编辑]
RT 核心执行的光线追踪可用于生成反射、折射和阴影，从而取代一些传统的栅格技术，如立方体贴图（Cube maps）和深度贴图（Depth maps）。需要注意的是，光线追踪技术并非完全替代栅格化技术，光线追踪收集到的信息可以用于增强着色，使图像更加写实，特别是在处理摄像机视野之外发生的动作（off-camera action）时。NVIDIA 表示，光线追踪性能相较上一代消费者架构 Pascal 提高了约 8 倍。
张量核心（Tensor cores）[编辑]
利用张量核心，最终图像的生成能够得到进一步加速，这些核心用于填充部分渲染图像中的空白，这一技术被称为去噪（de-noising）。张量核心负责执行深度学习的结果运算结果，对处理特定任务的方法进行编码，使得系统能够理解和应用这些方法。这种编码过程使得系统能够更有效地执行某些任务，例如增加特定应用程序或游戏生成图像的分辨率。在张量核心的主要用途中，需要解决的问题会在超级计算机上进行分析，该计算机通过示例学习期望的结果，确定实现这些结果的方法，随后，这些方法通过驱动程序更新传递给消费者，最终由消费者的张量核心执行操作[9]。超级计算机本身使用了大量的张量核心。
图灵晶粒（Turing dies）[编辑]
| 晶粒 | TU102 | TU104 | TU106 | TU116 | TU117 |
|---|---|---|---|---|---|
| 晶粒大小 | 754 mm2 | 545 mm2 | 445 mm2 | 284 mm2 | 200 mm2 |
| 晶体管数量 | 18.6B | 13.6B | 10.8B | 6.6B | 4.7B |
| 晶体管密度 | 24.7 MTr/mm2 | 25.0 MTr/mm2 | 24.3 MTr/mm2 | 23.2 MTr/mm2 | 23.5 MTr/mm2 |
| 图形处理集群 (GPC) |
6 | 6 | 3 | 3 | 2 |
| 流处理多处理器 (SM) |
72 | 48 | 36 | 24 | 16 |
| CUDA核心数 | 4608 | 3072 | 2304 | 1536 | 1024 |
| 纹理映射单元 (TMU) |
288 | 192 | 144 | 96 | 64 |
| 渲染输出单元 (ROP) |
96 | 64 | 64 | 48 | 32 |
| 张量核心 | 576 | 384 | 288 | 不適用 | |
| 光线追踪核心 | 72 | 48 | 36 | ||
| L1 缓存 | 6.75 MB | 4.5 MB | 3.375 MB | 2.25 MB | 1.5 MB |
| 96 KB per SM | |||||
| L2 缓存 | 6 MB | 4 MB | 4 MB | 1.5 MB | 1 MB |
| 最大热设计功耗 (Max TDP) |
280 W | 250 W | 185 W | 125 W | 75 W |
开发[编辑]
图灵微架构的开发平台是 RTX。可以通过 Microsoft 的 DXR（DirectX Raytracing），OptiX, 以及使用 Vulkan 拓展（最后者在 Linux 驱动上也可以使用）来调用 RTX 的光线追踪功能[11]。AI 加速功能可以通过 NGX 集成到应用程序中[12]。网格着色器（Mesh Shader）和着色率图像（Shading Rate Image）功能可以在 Windows 和 Linux 平台上使用 DX12、Vulkan 和 OpenGL 扩展来访问[13]。
Windows 10 在 2018 年 10 月的更新中包括了 DirectX 光线追踪的公开发布[14][15]。
採用图灵微架构的產品[编辑]
- GeForce MX 系列
- GeForce MX450 (Mobile)
- GeForce MX550 (Mobile)
- GeForce 16 系列
- GeForce GTX 1630
- GeForce GTX 1650 (Mobile)
- GeForce GTX 1650
- GeForce GTX 1650 Super
- GeForce GTX 1650 Ti (Mobile)
- GeForce GTX 1660
- GeForce GTX 1660 Super
- GeForce GTX 1660 Ti (Mobile)
- GeForce GTX 1660 Ti
- GeForce 20 系列
- GeForce RTX 2060 (Mobile)
- GeForce RTX 2060
- GeForce RTX 2060 Super
- GeForce RTX 2070 (Mobile)
- GeForce RTX 2070
- GeForce RTX 2070 Super (Mobile)
- GeForce RTX 2070 Super
- GeForce RTX 2080 (Mobile)
- GeForce RTX 2080
- GeForce RTX 2080 Super (Mobile)
- GeForce RTX 2080 Super
- GeForce RTX 2080 Ti
- Titan RTX
- Nvidia Quadro
- Quadro RTX 3000 (Mobile)
- Quadro RTX 4000 (Mobile)
- Quadro RTX 4000
- Quadro RTX 5000 (Mobile)
- Quadro RTX 5000
- Quadro RTX 6000 (Mobile)
- Quadro RTX 6000
- Quadro RTX 8000
- Quadro T1000 (Mobile)
- Quadro T2000 (Mobile)
- T400
- T400 4GB
- T500 (Mobile)
- T600 (Mobile)
- T600
- T1000
- T1000 8GB
- T1200 (Mobile)
- Nvidia Tesla
- Tesla T4
參考資料[编辑]
- ^ Tom Warren; James Vincent. Nvidia’s first Ampere GPU is designed for data centers and AI, not your PC. The Verge. May 14, 2020 [2020-10-21]. （原始内容存档于2020-12-08）.
New “RTX 3080” cards could be just months away then, but we still don’t know for sure if they’ll be using this new Ampere architecture.
- ^ Smith, Ryan. NVIDIA Reveals Next-Gen Turing GPU Architecture: NVIDIA Doubles-Down on Ray Tracing, GDDR6, & More. AnandTech. August 13, 2018 [April 9, 2023]. （原始内容存档于2020-04-24） （美国英语）.
- ^ Smith, Ryan. NVIDIA Announces the GeForce RTX 20 Series: RTX 2080 Ti & 2080 on Sept. 20th, RTX 2070 in October. AnandTech. August 20, 2018 [April 9, 2023]. （原始内容存档于2018-08-21） （美国英语）.
- ^ Warren, Tom. Nvidia announces RTX 2000 GPU series with '6 times more performance' and ray-tracing. The Verge. August 20, 2018 [August 20, 2018] （美国英语）.
- ^ Oh, Nate. The NVIDIA Turing GPU Architecture Deep Dive: Prelude to GeForce RTX. AnandTech. September 14, 2018 [April 9, 2023] （美国英语）.
- ^ TENSOR CORE DL PERFORMANCE GUIDE (PDF). Nvidia. （原始内容存档 (PDF)于2020-11-11）.
- ^ Mujtaba, Hassan. Samsung GDDR6 Memory Powers NVIDIA's Turing GPU Based Quadro RTX Cards. Wccftech. August 14, 2018 [April 9, 2023] （美国英语）.
- ^ Maislinger, Florian. Faulty RTX 2080 Ti: Nvidia switches from Micron to Samsung for GDDR6 memory. PC Builder's Club. November 21, 2018 [July 15, 2019].
- ^ 9.0 9.1 #BeForTheGame. Twitch （美国英语）.
- ^ Fisher, Jeff. GeForce RTX Propels PC Gaming's Golden Age with Real-Time Ray Tracing. Nvidia. August 20, 2018 [April 9, 2023] （美国英语）.
- ^ NVIDIA RTX platform. Nvidia. July 20, 2018 [April 9, 2023] （美国英语）.
- ^ NVIDIA NGX. NVIDIA Docs. February 14, 2023 [2024-01-12] （英语）.
- ^ Turing Extensions for Vulkan and OpenGL. Nvidia. September 11, 2018 [April 9, 2023] （美国英语）.
- ^ Pelletier, Sean. Windows 10 October 2018 Update a Catalyst for Ray-Traced Games. Nvidia. October 2, 2018 [April 9, 2023] （美国英语）.
- ^ van Rhyn, Jacques. DirectX Raytracing and the Windows 10 October 2018 Update. Microsoft. October 2, 2018 [April 9, 2023] （美国英语）.
外部連結[编辑]
- （英文）Nvidia Turing GPU Architecture Whitepaper（页面存档备份，存于互联网档案馆）
- （繁體中文）Nvidia page about Turing（页面存档备份，存于互联网档案馆）
- （英文）Nvidia blog about raytracing vs. rasterization（页面存档备份，存于互联网档案馆）
- （英文）NVIDIA Turing Architecture In-Depth（页面存档备份，存于互联网档案馆）
- （英文）Microsoft developer blog on DirectX Raytracing（页面存档备份，存于互联网档案馆）
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