NVIDIA Shield捨棄掌機大變身，挾Kepler繪圖核心殺進平板市場

經典架構配電腦GPU

與去年推出Tegra 4與Tegra 4i一樣，今年推出的Tegra K1也具有2種版本，不過兩者的差異更大，分別是4+1核心、32bit處理器，與2核心、64bit處理器。目前32bit版本Tegra K1已經隨小米平板，與本文主角Shield Tablet出貨，然而64bit版本則尚未正式上市，可能會隨著新款Nexus平板一起問市。

鎖定遊戲影音功能

Sheild系列的定位非常明確，主打的特色就是遊戲功能，Sheild Tablet也不例外。雖然它不像前代產品讓人一看就知道是台掌上型遊戲機，但是將輸入設備改為無線手把的Sheild Tablet，卻也不會因此降低專注遊戲的訴求。

換個角度來看，將裝置改為平板電腦加無線手把的組合，會讓攜帶比較不方便。但是螢幕尺寸卻從5吋提升至8吋，可視面積為前代產品的2.56倍，解析度也從1280 x 720升級為1920 x 1200，加上前置立體聲喇叭，在互有消長的情況下，Sheild Tablet的改變不見得是壞事。

▲誰也沒想到NVIDIA會把掌上型遊戲主機砍掉重練，變成遊戲取向平板電腦，更大的螢幕與喇叭都有助於提升影音表現。

Tegra K1維持4+1核心設計

Shield Tablet採用的32 bit版本Tegra K1 SoC，在處理器核心部分大體上與Tegra 4相當類似，兩者都是採用ARM Cortex A15架構、4+1核心設計。前後代產品最大的差異是Cortex A15架構的版本從r2p1提升至r3p3，除了修正一些錯誤之外，在r3p0版本中納入的regional clock gating，也可以更精細地控制各邏輯區塊（如暫存器）的時脈，進一步提升電力效率。

自從Tegra 3導入4+1核心的配置之後，這個設計就成為Tegra最大的特色。4+1指的是4個主要核心與1個省電核心（battery saver core）。當裝置處於背景處理郵件或是播放影片等，這類效能需求較低的情境時，系統將關閉主要核心，並使用省電核心負責執行程式。

Tegra K1的多核心管理機制，依然維持使用與前代處理器相同的可變式對稱多工技術（Variable Symmetric Multiprocessing），能夠依處理器負載動態調整運作時脈，或是關閉閒置中的核心，但是開啟中的核心需以相同時脈運作，而且主要核心與省電核心不能同時運作。

▲Tegra K1具有32bit與64bit等2種版本，64bit版只有2個主要核心，沒有省電核心。兩者的腳位與繪圖核心是一樣的。

繪圖核心跟上電腦腳步

顯示效能是Tegra歷來相當重要的特色之一，到了Tegra K1依舊如此，NVIDIA除了大幅提升顯示核心數量之外，還將電腦版的Kepler架構完整導入行動裝置，除了有助於拉抬效能表現之外，更重要的是能夠帶來電腦與行動裝置API的大一統。

根據NVIDIA所提供的Tegra K1白皮書，Tegra K1採用與GeForce GTX 780M、Quadro K6000等顯示卡相同的Kepler架構，是市面上首款能夠支援目前所有GPU運算API的行動裝置繪圖核心，支援OpenGL 4.4、DirectX 11.2等主流API ，以及CUDA 6等GPGPU的API。

此外，Tegra K1也支援FXAA和TXAA等反鋸齒技術，以及可強化曲面細分（Tessellation）技術的Ploymorph Engine v2.0，讓每個Shader可以讀取超過100萬件紋理資料的Bindless Textures，以及其他多種繪圖技術。

▲32bit版本Tegra K1的處理器部分幾乎沒有改變，不過繪圖核心部分進步相當大，不但核心數量從72攀升至192，也完全導入電腦版本的Kepler架構。

架構有細微差異

雖然Tegra K1的繪圖核心架構上電腦版Kepler相同，不過在整體配置上還是有些微的差異。Kepler架構顯示卡最基本的運算單元為CUDA核心，串流多工處理器（SMX）由多個CUDA核心加上IO單元、暫存器元件集合而成，1個或多個SMX會配上光柵引擎組合成繪圖處理叢集（GPC）。最後1個或多個GPC再配上ROP、L2快取記憶體、記憶體介面等單元，構成Giga Thread Engine，也就是Kepler架構的主體。

以GeForce GTX 680為例，1536個CUDA核心分散在4個GPC、8個SMX之中，記憶體控制器介面則有4組，具有32組ROP單元，所有核心共用512KB L2快取記憶體。Tegra K1的繪圖核心雖然具有192個CUDA核心，但僅具有1個GPC、1個SMX和1組記憶體控制器介面，總共只有4組ROP單元和128KB L2快取記憶體，架構比桌上型Kepler核心精簡。

除了整體效能會有所落差之外，像是位於SMX中的PolyMorph Engine數量也比較少，會進一步影響Tessellator（曲面細分產生器）的數量，恐將造成特效瓶頸。不過Tegra K1畢竟是行動用SoC，根據NVIDIA官方執行多款熱門手機遊戲的測試，顯示核心的平均功耗約為2W，如此看來這樣的妥協也不是沒有意義。

▲標準GeForce架構與行動平台架構在Kepler架構會合，兩者還會繼續攜手走向教堂，不對，是攜手往下代Maxwell架構邁進。

▲是只需原本45%的電力達到相同效能水準。

支援硬體曲面細分

曲面細分最大的特色，就是具備無中生有的能力，可以讓程式在基礎3D模型上，自動產生更多多邊形，讓物體表面更加細緻。相較於傳統繪圖技術，若大量使用多邊形來建構3D模型，不但會增加開發時的工作量，在繪圖時也會拖累效能，曲面細分能夠改善這個問題。

遙想2001年，ATI還存在這個世界上的時候，該公司推出的Readon 8500就具有曲面細分的功能，當時該技術的名稱為TruForm，可惜的是只有少數遊戲支援，而且沒有成為DirectX或是OpenGL等API的標準功能。

時至今日，曲面細分已經被納入DirectX 11與OpenGL 4之中，而Tegra K1是第一款支援曲面細分的行動裝置SoC。相較於使用OpenGL ES2.0進行繪圖，可以省下超過50倍的預先繪製的多邊形，就能達到與使用曲面細分繪圖品質和細節，有助於提供更細膩的遊戲畫面。

▲Tegra K1的繪圖核心採用Kepler架構，基本上SMX長得和電腦版Kepler相同，但整體組成有些差異。

全域照明

與全域照明相對的繪圖技術為區域照明（Local Illumination），兩者最大的差異在於全域照明除了會計算直接光源外，還會計算光線碰觸到物體後所產生的漸接光源。全域照明可以處理包含反射、折射以及陰影等不同漸接光源現象，並模擬光線在場景中的多次反射、折射，或是被陰影吸收的狀況，帶來更加逼真的光影表現。

由全域照明對於運算量的需求更大，因此往往會對效能造成衝擊，而Compute Shader則是對繪圖核心進行最佳化的平行運算技術，與CUDA、DirectCompute，以及 OpenCL等GPGPU的應用類似，可以在節省電量與資料傳輸頻寬的前題下，進行諸如全域照明等運算的運用。

▲全域照明會透過更加複雜的方式，計算光線與場景互動的狀況，能夠更加逼真地模擬各種反射、折射與陰影的現象。

跑分效能傲視群雄

附表中的各項跑分測試，皆是在預設狀態下進行3次測試並取平均值。整個測試跑下來，可以發現Tegra K1的成積幾乎都是直接排在該測試軟體內建排行榜的第一名，不負筆者對其效能表現的期望。

需要一提的是，在3DMark測試部分，由於Ice Storm與Ice Storm Extreme會受到Android裝置的Vsync限制。當實際fps效能超過60幀時，超出的部分即無法測得（fps會強制鎖定在60幀），3DMark的測試結果僅會顯示Maxed Out，因此這邊只列入Ice Storm Unlimited的成績。

在各測試項目中，Tegra K1處理器效能普遍僅小幅領先競爭對手，與前代產品Tegra 4的差異也不大。最亮眼的部分還是在於繪圖效能的成長，與Tegra 4相比成長幅度近1倍，也於其他產品保持較大的效能領先。

▲Tegra K1的Kelper顯示核心，比眾多採用Adreno 330顯示核心產品有更好的表現。（Shield Tablet、Portable以外數據為測試軟體內建資料）

▲能衝上3000分的3款產品都採用Tegra K1，Shield Tablet的成績幾乎是上代產品的3倍。（Shield Tablet、Portable以外數據為測試軟體內建資料）

(下頁有更多結構設計介紹)