NVIDIA GTX TITAN 遊戲、運算二合一，打造全新產品線

二月下旬 NVIDIA 突然發表 GTX TITAN，跌破不少玩家與媒體的眼鏡。TITAN 使用GK 110-400-A1，但依照過去的經驗，再強的新款高階核心，也不可能拼過前代雙核心顯卡。那TITAN究竟有什麼本事賣到35,000元？答案就是雙精度運算。

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首張GK 110遊戲卡

雖然早在2012年的GTC大會上，NVIDIA就曾經發表採用GK 110核心的Tesla K20X與K20，但一直到快1年之後使用GK 110的遊戲卡才正式發表。本以為首張GK 110核心的遊戲卡，會是以GTX 780命名，但並不是這麼一回事。NVIDIA選擇在AMD仍未發表新核心之前的這個時間點，發表運算與遊戲並重的產品線TITAN，不失為一個好的選擇。

先發表遊戲、運算並重的TITAN，不僅能奪得曝光率，另外也能等待AMD出招。依照過去幾代AMD與NVIDIA的過往戰績來看，搶先發表的AMD的優勢在於能夠提前支援新標準，像是DirectX 10.1或是DirectX 11。不過既然NVIDIA的二代Kepler架構GK 110早已備妥，加上市面上高階卡仍以NVIDIA佔優勢，某些層面也不需要急著發表。

TITAN的命名由來

TITAN命名方式相當有意思，名稱是取自美國能源部旗下橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）使用的超級電腦TITAN。這台超級電腦是第一台以GPGPU為主要運算單元的超級電腦，自2012年10月啟用至今，也是Top 500排名上最快的超級電腦，每秒運算效能達17.59PFLOPS。在另一個功耗效能比的Green 500排名中，TITAN每瓦可換得2.142GFLOPS運算效能，排名則是世界第三。

運算篇：9倍快的雙精度運算

筆者認為，TITAN是個全新的產品線，不宜只使用傳統遊戲的角度進行評測。這次TITAN幾乎有一半以上的價值都是在高速運算上，其中雙精度運算更是官方特別突顯出來的重點，那事實上表現如何，我們就來驗證看看。

通用運算2大關鍵

對於GPGPU（General Purpose Graphics Processing Unit）應用來說，由於牽扯到大量的資料運算，因此對於精確度的要求就很嚴苛。其中GPU的雙精度模式與記憶體的ECC校正，更是精確度中的關鍵。前者可在運算當中紀錄較多的位數，確保大量運算時的最高精確度，後者則是透過檢查碼，確保核心與記憶體資料傳遞時的正確性。

少了ECC的TITAN

很不幸地，為了讓TITAN與Tesla K20系列有所區隔，NVIDIA抹去了TITAN身上的ECC（Error Checking and Correcting，錯誤檢查及校正）技術，這也讓TITAN的運算可靠性下降。也因此不會有高速運算中心拿TITAN取代Tesla K20或K20X，藉此降低硬體成本。但對於TITAN的目標族群，個人工作室等環境來說，雖然少了ECC校正，但是成本卻只有Tesla K20的三分之一，相信還是相當有吸引力。

附帶一提，ECC技術NVIDIA在GF 110時期就已經支援，而AMD在Cayman之前只有EDC（Error Detection and Correction，錯誤檢測及校正）機制，其後才逐漸支援ECC。在通用運算領域之中，AMD起步雖然較早但相關技術支援較少，也讓OpenCL開放標準的ATI Stream名聲與推廣度，明顯不如NVIDIA私有標準CUDA。

ATI Stream與NVIDIA CUDA

ATI Stream與NVIDIA CUDA都是用於通用運算的標準，前者是ATI根據開放標準OpenCL訂定的運算標準，而CUDA則是NVIDIA訂定的私有標準，是在傳統C、C++的基礎上增加延伸語法。

ATI Stream早在2005年就被提出，且支援早期的GPGPU應用Folding@Home計畫。當年Top 500超級電腦中，天河一號內使用2560張HD 4870X2，但在天河一號第二期計畫後，就將顯卡改為7168張NVIDIA的Tesla M2050。

預先封印的雙精度

說來雙精度運算其實也不是什麼新技術，NVIDIA早在GT 200時期就將其納入核心當中，但是當年效能較差沒有實用價值，到了Fermi之後才逐漸嶄露頭角。而AMD方面則是波折較多，最初Cypress也就是HD 5870開始支援雙精度運算，但在Barts（HD 6800）卻又取消該功能，直到Cayman意即HD 6900之後才恢復支援。

雖然TITAN支援雙精度運算，且以此為賣點，但是TITAN出廠的雙精度功能卻是被關閉的，必須從驅動程式當中的CUDA選項手動開啟。原因相當簡單，開啟雙精度功能後，核心時脈會被限制，也連帶影響Boost時脈，會導致遊戲效能下降。

根據編輯部的測試，開啟雙精度運算後，遊戲效能約下降10%左右，因此若同時有通用運算、遊戲需求的人，務必手動切換CUDA中的雙精度選項，否則會白白損失許多效能。遊戲若開啟雙精度功能，效能表現會少了10%，那麼通用運算呢？相信這測出來的數值大會讓你感到驚訝。

FP32與FP64

經常聽到的單精度浮點數（Single Precision Floating Point，FP32）與雙精度浮點數（Double Precision Floating Point，FP64），都是IEEE 754二進位浮點算數標準的表示方式。其中單精度與雙精度的差異，主要在於前者是紀錄單位為32位元，後者則是64位元。依照紀錄的位數多寡，會影響到數值的精確度。因而在運算交換量龐大的通用計算中，是否具備精確度較高的雙精度運算就特別重要。

▲sign bit（符號）：用於表示正負號／exponent（指數）：用於表示次方數／mantissa（尾數）：用於表示精確度

雙精度選項務必開啟

由於雙精度選項預設關閉，我們特地做了前後效能對照。利用OpenCL GPC benchmark這套軟體進行測試，可看出不論開啟與否，並不影響單精度運算的效能，但是對於雙精度影響相當巨大。雙精度加法（Add）、乘法（Multiply）部分，開啟後效能提升約567%，而在雙精度乘加（MAD）的部分則是提升約530%，最後特殊函數（Special Functions）提升幅度則約345%。

普遍而言開啟雙精度選項後，大致上會有3～5倍不等的效能提升。由此可見，對於有通用運算需求的玩家來說，雙精度是必要開啟的選項，效能差距大到無法忽視，關閉的話運算效能僅能跟GTX 680相當。

雙精度選項開啟前後對比（單精度測試：綠色、雙精度測試：藍色）

▲開啟雙精度（Double Precision）與否，會大幅影響TITAN的通用運算效能。開啟前後雙精度運算落差高達3～5倍不等，但對於單精度運算並沒有明顯影響。

雙精度預設關閉

預設環境下，Double Precision（雙精度）功能是被關閉的，且目前只有TITAN會出現Double Precision選項，GTX 680等卡則無法強制開啟。

前後代相差約9倍

若將TITAN跟GTX 680相比，在單精度運算方面，效能TITAN明顯領先，但領先幅度不到1倍。但在雙精度測試項目中，兩者的效能落差約9倍。TITAN在雙精度乘加中，運算效率最高可達1366.415GFLOPS，而GTX 680卻只有136.522GFLOPS，兩者相差9倍。

TITAN共有2688個CUDA Core，單精度環境中，2688個CUDA Core都能進行運算。但在雙精度模式中，進行雙精度運算的CUDA Core卻只有896個，是單精度的三分之一。而前代GTX 680則是每組SMX中，只有8個CUDA Core可進行雙精度運算，核心差異導致前後兩代的效能落差。加上官方可能有意無意的進行限制，導致前代雙精度運算效能不彰。

在官方數據中，TITAN單精度運算效能為4.5TFLOPS，雙精度為1.3TFLOPS，理論性能雙精度只有單精度的三分之一，在實際測試中，表現也相當符合理論數據。

GK 104、GK 110運算效能對比（GK 110：綠色、GK 104：藍色）

▲單精度環境（Single Precision）中，前後代Kepler運算效能受限於CUDA Core數量而有一些落差。至於在雙精度環境，效能幾乎差了9倍。

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（後面還有－效能篇：GK110遊戲卡初登場）