AMD HD 7970 之 GCN 架構完全解析，帶來 GPU 革命

睽違1年，AMD 的新顯卡終於來了。這次代號為 Tahiti XT 的 HD 7970 維持 AMD 以往「規格搶先」的傳統，使用 28nm 核心製程、PCI-E 3.0 傳輸介面，還支援 DirectX 11.1，而使用 GCN 架構則是最大的亮點。

快速目錄：

• SIMD 與 MIMD 兩個架構之爭
• 為什麼要做成新的 GCN 架構？
• GCN 架構的主要內涵
• GCN 改革點在於執行方式、複雜的記憶體共享架構、X86虛擬記憶體的支援

其中最令人期待的還是新的GCN（Graphic Core Next）架構，一改過去SIMD（Single Instruction Multiple Data，單指令流多數據流）設計，成為「基於SIMD基礎的MIMD架構」，試圖在繪圖與GPGPU（General-Purpose Computing on Graphics Processing Units，通用繪圖處理器）運算取得平衡點，有什麼特色？接著看下去就知道。

效能指標 T&L

在討論GCN架構之前，得從頭開始考古，才會比較容易了解。早在10年多前那個DirectX 9年代，顯示卡還沒現在這麼複雜，主要就是處理幾何圖形變換以及光線渲染。當時遊戲的靜態圖像生成有4個關鍵步驟，分別是Transform（座標轉換）、Lighting（光線投影）、Triangle Setup（三角形設定）與Rendering（成像）。

最初T&L（Transform & Lighting）是由處理器負責，直到NVIDIA將其導入GPU，人們才開始了解硬體T&L價值。受到遊戲的影響，顯卡效能指標自然就是Transform與Lighting管線的多寡。這個時期代表的顯卡是GeForce 256與GeForce 2 MX，前者是前幾款導入T&L硬體架構的顯卡，後者則透過低價大幅攻佔市場。至於此時期知名的遊戲則是Soldier of Fortune（傭兵戰場），相信不少老玩家都知道。

往後開始大量使用三角形產生3D模組，顯卡架構也越來越複雜。此時核心最重要的規格就是VS（Vertex Shader，頂點著色引擎）與PS（Pixel Shader，像素著色引擎），這樣的核心架構持續到DirectX 9末期，微軟推出了DirectX 10才打破這個規矩。

大一統的 DirectX 10

微軟在DirectX 10當中，取消了VS與PS，取而代之的是Unified Shader（統一著色引擎），也就是大家熟知的Stream Processor（串流處理器，簡稱SP）。現在我們所看到的顯卡，都是基於這種模式設計，但是AMD與NVIDIA設計方式略有不同，名稱也不太一樣。AMD稱之為SP或ALU（Arithmetic Logic Unit，算數邏輯單元），NVIDIA則先稱之為SP後來改命名為CUDA Core。

▲第一代核心是以T&L硬體架構為主，接著到了VS與PS的時代，這時買顯卡還是看管線的多寡。直到DirectX 10時代，第三代核心將VS與PS統一為SP，讓效能指標變成了SP。不過在第三代架構中，AMD與NVIDIA的作法略有不同，前者採用SIMD架構，後者則是MIMD架構，直到今天AMD才從SIMD轉向MIMD架構靠攏。

SIMD與MIMD之爭

開啟DirectX 10時代後，NVIDIA以G80打頭陣，使用的是MIMD（Multiple  Instruction Multiple Data，多指令流多數據流）的1D純量（Scalar）架構；AMD則以R600為主，使用的是SIMD（Single Instruction Multiple Data，單指令流多數據流）的4D+1D向量（Vector）架構，也就是VLIW（Very Long Instruction Word，超長指令集）體系。直到HD 7970推出後，才轉換為SIMD與MIMD兼具的GCN架構。

Keyword：費林分類法

	單指令流	多指令流
單指令流	單指令流單資料流（SISD）	多指令流單資料流（MISD）
多指令流	單指令流多資料流（SIMD）	多指令流多資料流（MIMD）

▲費林分類法（Flynn's Taxonomy）是電腦運算分類方式，1972年費林（Michael J. Flynn）將資訊流（Information Stream）根據指令（Instruction）與資料（Data）進行分配，歸類出4種運算模式。（資料來源：Wikipedia）

（後面還有運算架構詳解）

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