認識 GTX 690 雙核巨獸架構篇：單卡雙核介紹、多重GPU的7種運算模式

多重GPU的7種運算模式

不論AMD或NVIDIA，做出顯卡只算完成了一半，最重要的是讓2個甚至更多的GPU協同運算，而且繪圖不會出錯才是關鍵。多重GPU技術發展至今超過10年，不過受限於價格，應用面與技術面成長相對有限。

顯卡有分主從卡

多重GPU技術種類相當多，應用於遊戲領域的大約3~4種，另外還有數種較冷門的運算方式，整理了7種運算方式，來看看多重GPU到底為什麼強？是怎麼整合訊號？

不論何種運算模式，都不離指令分配範疇，差異只是在於「怎麼分」跟「分什麼」。假設以2張顯卡來說，連接螢幕用於影像輸出的是「主卡」，而另一張則是「從卡」。運作時各GPU會獨自處理收到的指令，處理完畢後將儲存影像資訊的Framebuffer複製到主卡上，由主卡將訊號傳遞出去。由於複製、傳遞這個過程會產生延遲，加上部分運算模式的天生缺陷，造成多重GPU容易發生Micro Stuttering現象。

AFR的Micro Stuttering障礙

為什麼只有AFR會造成Micro Stuttering現象？主因是指令與訊號傳遞延遲。AFR採用Frame交替運算，從卡（GPU B）運算完畢後需將資料傳遞回GPU A進行整合再輸出，指令從GPU A傳給GPU B會造成延遲（假設2ms），而GPU B傳給GPU A又會出現，因此會發現Frame 1到Frame 2時間很長，而Frame 2到Frame 3卻又很短，這就是Micro Stuttering。

假設單GPU運算下Frame間距為20ms，而雙GPU在AFR環境下卻有可能是間距18ms與6ms。以效能論，AFR每個Frame間距較短，單位時間的幀數會比較高，效能自然表現比較好。

Micro Stuttering會造成2個嚴重的問題，首先是Frame間距不同，對於人類而言，眼睛容易注意到表現差的部分，也就是18ms的那段。原本20ms的間距變成18ms，對人類感覺而言可能只有提升10%效能，但是FPS的效能數字卻遠高於這個值。

其次對於3D遊戲而言，Frame跟3D物件會有連動性，也就是說物件的移動量跟Frame是有關係的。若以上述例子來說，實際Frame間距是18ms與6ms，但是遊戲可能會造成誤判，因為理論上不應該存在Micro Stuttering造成的時間差，系統會以最佳理論值12ms、12ms下去計算。那18ms、6ms跟12ms、12ms分別快50%跟慢50%，這時候就會看到3D物件的移動量出錯，從肉眼來看原本平順的遊戲就會有抖動的現象。

模式一：AFR

AFR是Alternate Frame Rendering的簡稱，中文可譯為交替框架渲染。顧名思義就是將遊戲的Frame（幀）分為奇數與偶數幀，並依序將奇數交由GPU A負責運算，而偶數交給GPU B運算。好處是2個GPU的負載比較平衡，能讓散熱與運算效率達到最高。

然而AFR也不是只有優點，最大的缺點就是Micro Stuttering。會讓遊戲效能提升，但是人的視覺體感反而覺得影像「卡卡的」。目前雙GPU的顯卡或串連模式，預設幾乎都是採用AFR模式，因為它「理論」上表現最好。至於3個以上的多重GPU，則可能採用AFR of SFR模式。

▲AFR將Frame分割成奇數與偶數，分別有GPU A與GPU B運算。好處是相鄰的Frame運算量都差不多，不會有SFR分配不均的問題。

模式二：SFR

第二種則是SFR模式，SFR是Split Frame Rendering的縮寫，中文為分割框架渲染。將畫面分割為上下或左右，分別由GPU A與GPU B運算。先來說這種運算方式的缺點，就是運算量不平衡，最明顯的就是上下分割的模式。假設以第一人稱射擊遊戲來說，幾乎所有的物件都集中在下方，導致負責運算下方的GPU負載較高，而負責上方也就是天空的GPU幾乎沒有負載。

聰明一點的驅動，會將上下切割成大小不等的區塊，以平衡運算量，不過這會提升驅動程式編譯的困難度，而且無法完全改善負載的問題。至於好處方面，除了不會出現Micro Stuttering現象，再來就是記憶體使用量較低，因為GPU只需要運算一半的畫面。

▲不同於AFR以Frame區分，SFR切割的是每個Frame，最常見是將其分割成上下部分，分別由不同的GPU處理。優點是記憶體使用量較少，缺點則是分配不均。

模式三：AFR of SFR

看到這裡，應該會有人想把上述2種運算方式混在一起，或許能解決負載與Micro Stuttering的現象。的確是有AFR of SFR的混合模式，大多應用於超過2個GPU的多重GPU環境。

假設有4個GPU，運算方式是將Frame分為奇數與偶數，奇數的Frame再使用SFR技術切割，分別由GPU A與GPU B運算。同理偶數Frame一樣用SFR切割，再給GPU C與GPU D運算。雙卡的串連模式大多以AFR或SFR為主，多卡則是AFR+SFR模式，其餘模式較少運用於遊戲領域。

▲AFR of SFR常用於4個GPU的環境，結合AFR與SFR的特性，將Frame內還有奇數偶數Frame都做切割。每2個Frame時間內，單一GPU只需要運算半個Frame的計算量。

（後面還有GPU運算模式四～七的介紹！）