GPU發展簡史，從NVIDIA Fermi到Maxwell：核心群組打散重排，製程未改中階先行

Keper：28nm製程先行者

從Fermi接棒到Kepler，最明顯的規格差異就是製程從40nm提升到28nm，意即相同的面積內能塞下更多的電晶體。或是相同的電晶體數量，只需要更小的面積即可達到相同的效能。

取消Shader分頻機制

老玩家應該都知道NVIDIA的架構設計相當特別，Shader時脈不等於核心時脈。早在G71時期NVIDIA嘗試Shader分頻技術，當時Shader時脈僅比核心時脈（Core Clock）高出數10MHz，直到G80時期才徹底近入分頻時代，到了GT 200之後，核心、Shader時脈才將比例固定為1：2。如果安裝GPU-Z等軟體，可看到早期NVIDIA顯卡的Shader時脈，而現在沒了Shader時脈，但卻多了Boost時脈。

Shader分頻技術對當時NVIDIA好處是很明顯的，能夠以較少的運算資源換取大量的吞吐量。搭配Co-Issue技術，讓NVIDIA保住Shader運算量的底限。以至於G80甚至後期的GF 110，都能用較少的CUDA Core數量來取得運算上的抗衡能力。節省出來的電晶體，更可用來配置其他硬體單元，這些都是Shader分頻所帶來的優勢，但到了Kepler卻放棄這行之有年的設計，為什麼呢？

分頻設計好歸好，但是仍是雙面刃。這問題不難想像，主要是分頻後的Shader時脈過高，會提早壓迫到核心與技術所能承受的時脈上限，讓GPU的溫度與發展都受到限制。實際來說會造成核心發熱量不均，連帶影響其他元件的效能。且嚴重時會迫使其他硬體單元以較低的時脈運作，破壞整個GPU運算流水線的平衡。Kepler回歸同頻機制，也讓Kepler有較大的時脈提升空間，把核心時脈一舉突破1.0 GHz大關。

動態超頻的GPU Boost

相較於CPU有動態超頻的Turbo Boost等技術，NVIDA在Kepler時期也導入GPU Boost功能，而AMD陣營也有類似但不相同的技術，該技術名為Boost State。簡單來說，該技術會視運作環境的功耗、負載、時脈等參數，若在容許值範圍內，則會稍微再拉高時脈，藉此提升效能表現。可以想像成早期顯示卡在2D與3D模式下的時脈設計，但過程更為複雜且會即時、動態調整時脈。當然這一切都是自動在背景作業，你能變動的並不多，最多就是調整Power Target（目標功耗），讓顯卡的超頻空間更高，但仍有個上限並非無限提升。

核心大堆疊時代

相較於Fermi的CUDA Core數量，Kepler時代得益於製程，有爆發性的提升。比較GF 100、GF 110、GK 104、GK 110的CUDA Core數量，分別為480個、512個、1533個、2880個。不難看出Kepler時代的高階卡，CUDA Core數量遠高於Fermi時代。若未來Maxwell有機會使用20nm製程，或許這數字還會向上攀升，畢竟效能提升的最快方法，就是大量堆疊內容。當然，Kepler還有許多創新的功能，像是Adaptive VSync、TXAA等，但礙於篇幅有限，只能讓我們繼續看接下來的Maxwell。

Kepler核心架構圖

▲比較前幾頁的Fermi，Kepler核心規模大得多。但基本構成單位CUDA Core沒改變，但SM內藏的數量與結構有大幅度的調整。此外，Kepler的PCI-E介面更改為3.0版本，也是此架構最大的特點。

SMX架構圖

▲如果把Kepler核心的SMX放大，則會看到比Fermi更多的LD/ST存取單元，這也代表Kepler在單一周期處理的執行緒數量高於Fermi。

Maxwell：製程不變，效率取勝

終於來到了這次的主角Maxwell，Fermi帶來全新的PolyMorph Engine，Kepler藉由製程精進大幅堆疊CUDA Core數量，且取消了行之有年的Shader分頻機制。那麼Maxwell帶來什麼新的架構設計呢？有，那就是重新排列組合的SMM單元。

大量部署控制邏輯

SMM是什麼東西，原來就是Fermi時代的SM、Kepler時代的SMX，指的都是那由CUDA Core、PolyMorph Engine等單元構成的Streaming Multiprocessor，為了不讓。改名成SMM有什麼變化？簡單來說是將SMM單元內藏的CUDA Core數量微調，從192個降低到128個。其中SMM內分成4個小區塊，每個區塊內有獨立的控制邏輯（Control Logic），以往這些控制邏輯需要負責大量的CUDA Core，透過小區塊切割，根據官方數據每個CUDA Core效能約是先前的1.35倍，而每瓦的效能約是先前的2倍。

目前Maxwell架構的GPU只有GM 107這個型號，在GM 107當中共計有5個SMM組成1個GPC（Graphics Processing Cluster）。也因為GM 107並不像GK 104、GK110是高階核心，因此架構規模相對精簡。未來Maxwell若推出高階核心，像是GM 100就有可能搭載多個GPC，而這次的GM 107只是基本版Maxwell而已。

如果先翻下一章節的效能篇，可以看到Maxwell架構的確優於過去的同級產品，意即在效率方面的確有其出色之處。但若要說Maxwell在架構上有些什麼重大改變，若只從架構圖以及僅有的GM 107中階核心來看，的確沒有太大的改變。而2013年GTC曾公開的規劃上，2014年推出的Maxwell應搭載Unified Virtual Memory技術。但這次的產品上並無支援該功能，或許得真的要等到年中之後完整版才會看到。