Radeon R9 285 GCN 架構小改再出發，決戰 GeForce GTX 760

而在8～9千元的價格帶中，由AMD Radeon R9 280主導市場中的一切，不過由於是GCN 1.0架構，在目前的新規格戰中，其實仍舊是吃老本的狀況，外加在高階卡群中分為數個GCN架構，出現混亂的情形，而AMD為將之整合，推出架構改版的R9 285晶片取代原先的R9 280。AMD GCN架構發展至今，已經至少推出了3代架構，由HD 7900系列初代GCN推出，到HD7790這張GCN 1.1，還有最新推出的R9 285 GCN 1.2版本。不過這純粹只是外界對於GCN架構改款的別稱，在AMD內部，並沒有所謂的GCN版本名稱，其差異就只是在功能上面的有無，從而區分是否為同一架構下產物。而造成大混亂的架構名也是從GCN起始，由於GCN本身支援非常多的技術，如最常見的Mantle API或者是True Audio，甚至是PowerTune等，這些在舊版中是無法支援的狀況。以R9 290與280X這兩張高階顯示卡來看，前者支援全數的新功能，而後者則是不支援或者是不完全支援，例如TrueAudio，即是完全不支援的情形，另外在Mantle API上，或許讀者還有印象，BattleField 4甫推出時，僅支援最新的R9 290等卡，而舊GCN架構則是面臨到無法馬上支援的窘況。版本中的小差異，除了造成一些功能無法啟用之外，同時也造成AMD在部分區間帶中的顯示卡，產生出不一樣的體驗效果，這一點在AMD所主打的終極遊戲體驗，其實是互相牴觸的狀況。這些問題也促使改變，AMD最終決定取消原先的R9 280/280X，改由新款的R9 285取代其中的地位，其一考量點為功能一致化，其二的考量則是藉由縮減部分規格，提高晶片效率，將效能與價格推至更有競爭力的位置上。目錄： (下頁還有GCN架構解析) 在GCN推出以前，AMD採用SIMD架構，或者是VLIW 4/5，都是指AMD在Radeon HD 5000/6000時代中所採用的架構。相較於NVIDIA的MIMD，兩者之間存在一段差異性，不過對於使用者來說，除了架構名稱不同之外，在使用上其實並不會有太大的差異性，一樣都是支援標準的DirectX與OpenGL。在進入HD 7000系列後，AMD也順勢推出GCN架構，不過以最終中結構來看，雖屬於MIMD架構，但其內部仍舊保有部分SIMD的靈魂。以HD 7970來說，核心共擁有32個Compute Unit，其中內部最主要擁有的運算單元為Scalar、Vector，分別為純量、向量運算單元。不過關鍵就在於AMD是透過多個SIMD去組成一個CU單元，另外在這個架構中，可以同時執行4條執行緒。▲圖中可以看到1個CU中有64個ALU組成4個陣列，差別在於這個架構下可同時執行，具備MIMD的特性，不過並非純MIMD，改良並不完全。▲GCN核心架構圖，不同於以往，新的GCN採用Compute Unit組成，並非以往的SIMD架構。另外在GCN架構中，另一個特點為通用計算的部份，增加了大量的L1、L2快取記憶體，另外與上代不同之處在於這些快取記憶體都是可讀寫的設計。對於一般人來講這個設計對於遊戲影響並不大，不過對於通用計算領域，快取記憶體的設計佔了舉足輕重的地位。同時間，在不同的快取記憶體上，一般而言各CU間不共享的設計，以一般情況來論，CU0與CU1分別具備獨立的L1、L2快取，之間是不能夠互相讀取對方的快取。不過GCN架構下的快取設計為所有的L2採用64bit內部通道連接各L1，故CU0可以讀寫CU1底下的快取。，這個設計除了減少延遲之外，也能夠更有效的利用到所有L2快取。▲各CU之間的快取記憶體都是可以被共用的設計，這個架構可以減少資料傳輸的時間差，能夠在通用計算中，發揮更佳的靈活性。 (下頁還有GCN版本差異比較) 目前的GCN架構之間，多少存在一些差異，無論是在硬體上，或者是在軟體上，其跨版本之間的並不一定完全相容。雖然這些產品都支援我們目前常見的API，如DirectX或者是OpenGL甚至是通用計算用途的OpenCL，這些都是屬於目前非常廣泛使用的API，在晶片設計上則是會將其納入支援，不過在特殊API上，如Mantle API則是會存在選擇性的支援與否。就如同NVIDIA在CUDA上也會選擇性給予晶片是否支援某部分功能，藉以保持晶片間的差異性。採用初代GCN的HD 7900系列，其實就是一個非常普通的晶片，以使用者使用習慣來看的話，最大的改變或許在Eyefinity 2.0、ZeroCore、VCE編碼引擎還有DirectX 11.1上。不過真正影響我們使用習慣的地方並不在於這些改變，而是在硬體上的改良，如TrueAudio、XDMA，或者是更好的PowerTune，甚至是FreeSync等支援能力。這些硬體上的重大改良，才是真正影響我們的差異點，而非在所謂的軟體層面上的差別。而在GCN整個歷史中，功能是隨著版本間的演進而陸續新增，部分功能可以透過驅動程式支援，而少部分功能則是屬於純硬體，並無法透過驅動程式更新而擁有該功能。在AMD True Audio功能上，就如同其名，透過內建於GPU中的DSP（Digital Signal Processor）進行整合式的輸出，以一般我們常見的HDMI或者是Display Port輸出至螢幕上進行音效解碼與輸出，或者是透過主機板內建的Codec進行輸出至喇叭上，除了直接省去處理器對音效這方面的運算之外，更提供更高解析的環繞效果，不過這個技術也需要遊戲開發者採用AMD TrueAudio API，否則在處理上仍然是採用傳統的處理器運算。▲AMD TrueAudio簡化整體音效處理上的繁複手續與不佳的狀況。另一個在世代間改變較大的則要屬於PowerTune，在R9 280與R9 290這兩款產品中，我們其實可以從AMD CCC控制軟體中發現不同之處，在OverDrive頁面中，可以看到R9 280並沒有所謂的Power Limit調整桿，而在R9 290上則是出現了Power Limit與溫度上限的對應關係設定。這個改變主要是透過硬體上的強制鎖定，將顯示卡的各項運作指標，如溫度、電壓、電流進行監控，這其實有兩個目的，其一為更全面的保護顯示卡在運作過程中，出現任何突發狀況都可以做出迅速反應，另一為提供更多元的節能效果。▲在PowerTune上，藉由增加多個區間，強化整體靈活性。另外在XDMA上，則是屬於PCIe 3.0後的重大改變，由於以往多卡串連必須要橋接器，而在GCN後期則是硬體內加入處理單元，藉由PCIe 3.0通道進行資料傳輸，這點改變影響後續顯示卡並不需要傳統橋接器。 (下頁還有效能實測比較) 在R9 285的市場定位上，可以非常直截了當的用一句話形容，「長江後浪推前浪，浮事新人換舊人」，一言以蔽之，即是R9 285直接取代R9 280的位置，並不會並存在市場中太久。在比較之前，我們可以先確認一下兩者的核心規格，其中最主要的計算單元皆為28個，同時在SP、TMU、ROP的數量上一樣都是1792、112、32個，在數量上為一樣的規模。不過可以在電晶體與裸晶面積上發現些許差異，如Tonga PRO為50億、Taihiti PRO則是43.13億個，在面積上則是366 vs 352mm2。可以發現電晶體的部份增加了將近7億，其中不乏有GCN架構小改版後的增加，或者是用於XDMA等功能性的增加，不過最主要的部份仍然是針對SP進行強化，也因此晶體數量出現大幅度的增長。在與R9 280中規格比較上，可以看到核心時脈也降低了一些，不過卻在關鍵紋理填充率上的表現反超。這一點其實是非常不合理的狀況，紋理填充率由核心時脈與紋理單元決定，兩者之間相乘即為紋理填充率，所代表的意義為在每秒可渲染的像素數量。以一款標準Full HD螢幕來看，長寬分別為1920、1080，也就是2,073,600個像素點，另螢幕更新率為60Hz，代表畫面在每秒中更新60次。如此即可歸納出一個結論，124,416,000為一款Full HD螢幕流暢的最低需求，也就是顯示卡需具備每秒可渲染1.24億個像素才能維持畫面流暢不卡頓。而為什麼R9 280時脈較高反輸給較低的R9 285，其實反推後就可以發現，R9 280的核心時脈落在826MHz，而R9 285則是維持在918MHz的水準上，這一點則是AMD PowerTune上限制，由於核心時脈並非以往的固定模式，而是快速在各個State間變動，而不同架構下的顯示卡因存在完全迥異的漏電流，在時脈峰值的維持上有著小差距。型號AMD Radeon R9 285AMD Radeon R9 280XAMD Radeon R9 280NVIDIA GeForce GTX 760製程28nm28nm28nm28nm核心時脈Up to 918 MHzUp to 1.0 GHzUp to 933 MHzBase：980 MHz流處理器1792204817921152單精度浮點性能3.29 TFLOPS4.1 TFLOPS3.3 TFLOPS2.258 TFLOPS紋理單元11212811296紋理填充率Up to 102.8 GT/sUp to 109 GT/sUp to 92.6 GT/s94.1 GT/s記憶體介面256 bit384 bit384 bit256 bit記憶體頻率5.5 Gbps6.0 Gbps5.0 Gbps6.0 Gbps▲ 從數據圖中，可以發現在非常態軟體的基準測試中，GTX 760落差幅度非常大。 (下頁還有更多效能實測比較) 看完AMD自家兄弟間的對決後，在與競爭對手的8千關卡搶位中是否可以得到壓倒性的勝利，才是玩家們所期待的對決。講白了點，NVIDIA有Physx等獨家技術支援，而AMD則是有Mantle API作為強力後盾，決定遊戲關鍵走向，不過這邊編輯部並不會開啟各家獨門技術進行比較，原因在於目前兩家都未互相授權使用，在遊戲效果與畫面上仍然存在相當大幅度的落差。在核心規模的策略上，NVIDIA選擇與R9 285不同的路線，使用小核心策略，兩者分別為294 vs 366mm2，兩者雖都採用28nm製程，但在核心晶體管線的數量上則是有著極大的落差，分別在35.4 vs 50億個上。就一些性能數據與規格上來看，兩者完全不能相提並論，不過IC設計有趣的地方就在於決定關鍵並不純然在規模上，還需要軟體搭配與設計概念上的思維。即便規格與理論性能上GTX 760都落後R9 285一大截，不過透過軟硬體與IC設計上的最佳化，仍然是有機會逆轉勝，在相對不利的條件下反將對手一軍。另外兩者皆具備GPU Boost技術，概念都是在條件許可前提下，進行核心時脈提昇的機制，這個概念始於Intel處理器，不過兩家在作法上，實質上為不同概念下的產物。AMD在最初即已定下顯示卡最高可承受的電流與時脈，而NVIDIA則是分為3個階段，分別為Base、Boost、Over Boost，前兩者皆為已知時脈，末者則是屬於未定規格，能夠依照廠商對顯示卡所寫入的Power Limit值進行判斷。這麼做有什麼好處呢？在正常情況下，大部分的遊戲都至少達到Base或Boost時脈，少部分在條件允許下更可以達到Over Boost，僅一小部分軟體是會低於Base時脈，如Furmark等極限探測軟體。從效能數據中並不容易看到Boost所帶來的重大影響，僅能從結果上略之一二，但是若是以記錄軟體觀察後，就可以發現兩者概念差異上所出現的反差，也就是結果中的GTX 760有時會超越的情況，這點也造成兩者其實不相上下的主因。▲而在實際遊戲應用中，可以發現GTX 760的落差縮小，甚至超越，在驅動的加成幅度上，一直都是AMD在遊戲應用中的死穴。 (下頁還有Radeon R9 285拆解分析)▲核心的部分採用台積電28nm，由Hawaii核心改造而來，並非R9 280的Tahiti。▲影像輸出埠提供4輸出，由常見端子組成，最高可輸出4K@60Hz解析度。▲供電迴路為5+1+1相，分別由3顆控制器構成，搭配的電容則是日系Nichicon LF電容。▲核心VRM迴路由ON-Semi NCP81022控制，記憶體與I/O則是交由uPi up1542S、NCP5230控制。▲記憶體顆粒為Elpida W2032BBBG-6A-F共8顆組成2GB容量，單顆粒為256MB。▲由於是採用新一代的GCN架構，在CrossFire上並不需要金手指，採用XDMA技術，省去橋接器的部份。▲供電需求為2個PCIe 6pin，並未因刪減部分CU而達到更低的耗電量。▲在散熱器底部採用常見的HDT熱管直觸技術，另外也有一片鋁板針對記憶體散熱。▲風扇的部份則是採並聯方式，線芯數僅3條，可回傳轉速資料，但不具備PWM功能。 本文同步刊載於電腦王雜誌

Radeon R9 285完全拆解