AMD HD 7970 之 GCN 架構完全解析，帶來 GPU 革命

4D源於顏色與座標

那為什麼要分SIMD與MIMD呢？這應該要先從3D影像的特性說起。對於影像而言，最重要的就是顏色及位置，1個像素顏色可由RGB三原色配上半透明通道Alpha構成，可利用RGBA來描述像素顏色。像素的座標則可透過XYZ三維座標，加上遠近參數W，形成齊次座標XYZW來描述。

顏色跟座標都是使用4個數據進行標定，因此1個像素進行位置或顏色的變換，需要透過4次運算，這也是為什麼AMD的向量架構用的是4D+1D或4D架構，而不是6D或7D之類。

AMD的ALU可在1個週期內執行4次平行運算，則稱之為4D向量運算。跟向量運算對應的是純量，恰巧NVIDIA用的就是純量架構。純量是單一數值，多個純量平行串在一起也能組成向量。

AMD所用的SIMD就是由1個發射端，配上4或5個ALU而成。其中Radeon HD 6970用的就是修改過的VLIW 4，即為4D向量架構，而之前採用VLIW 5的則是4D+1D或稱為5D向量架構。

強化的4D架構

AMD的VLIW 5也就是4D+1D架構，內有5個1D的ALU，還有1個Branch Unit。運算時，1個發射口會對上5個ALU，這5個ALU會以1+1+1+1+1或2+3等不同方式分配運算。收到指令時，會透過驅動程式編譯並最佳化分配，再轉給ALU去執行。

Cayman核心使用的4D架構，則是少了VLIW 5用於運算Sin、Cos、Log等特殊運算的ALU（T Unit），但是剩下的4個ALU與原先的4個ALU又略有不同，反而像是被去掉運算能力比較強的那個T Unit。因此雖然看起來架構精簡，但實際上效能不減反增，不過也造成一些隱憂。

VLIW 4/5架構對比圖

▲前後代差異在用於特殊運算的T Unit，VLIW 4雖然看似架構精簡，但是每個ALU都堪比這個特殊運算的T Unit，因此整體效能會比較好。此外，架構上ALU總數減少，但是以核心架構來看，反而增加80個發射端、Branch Unit與General Purpose Registers，讓電晶體總數來說反而增加，也連帶讓功耗明顯提升。

VLIW 4功耗、成本高

要比較VLIW 4與5，可從HD 5870與HD 6970來看。前者ALU數量是1600個後者則是1536個，數量相當相近因此可以稍做比較。從核心面積、電晶體數量與TDP等規格來看，HD 6970都比較高，代表不計效能的前提下，光成本與功耗VLIW 4都比VLIW 5還高。

HD 5870核心面積、電晶體數量與TDP分別為334平方公厘、21.5億個與188W，HD 6970則是389平方公厘、26.4億個與250W。雖然兩者架構不甚相同，但是從ALU數量、核心面積等參數來看，也不難想像4D架構的缺點就是要耗費更多的電晶體，而且TDP也比較大。

SIMD成本低、堆疊容易

NVIDIA打從G80以來，使用的MIMD架構，是把所有單元打散成最基本的1D純量，特點是比4D或5D架構靈活。以往4D向量運算，透過1D純量運算，可變成1個週期內，4個ALU各自運算；或是4個週期內，1個ALU獨自完成，不論1D、2D、3D或4D都得拆成1D指令。

雖然MIMD架構看起來很好，但是最大缺點就是每個SP都要有獨立的發射口，電晶體數量與功耗都會增加，自然成本會更高。簡單來說，AMD以前的SIMD架構，特點是1個發射口對上4～5個ALU，成本比較低。而且若能讓驅動程式最佳化，理論上的效能會比MIMD更高。而NVIDIA的MIMD架構，優勢是運算靈活，實際效能會比SIMD更高，但是電晶體使用量跟功耗會比SIMD架構更多。

有位網友jk21234對於雙方架構的比喻雖粗俗但不失中肯，他說：「剛踏入Unified Shader的時代一家想要又粗又長，一家想要抽插速度很快」，其中那個想要又粗又長的是AMD，而想要速度很快的則是NVIDIA。對照一下上面的原理，再看看這比喻會比較容易了解吧！

Cayman與GF 110

▲Cayman使用的VLIW 4架構核心就是24組SIMD陣列，而GF 110使用的MIMD架構，則是16組SM（Streaming Multiprocessors）為主。

▲AMD會想將VLIW 4架構修正，其中一個原因是MIMD架構有利於GPGPU運算，而大動快取設計，也是為了強化處理器與顯示核心間的聯繫。

砍掉做成GCN架構

VLIW架構設計能夠提升4D向量運算能力，但是若碰到1D純量運算時，使用率就會只剩四分之一，容易出現效能不彰的問題。必須依靠強而有力的驅動程式進行最佳化與資源調度，才能發揮最大效益。

從DirectX 9之後，雙方相繼投入Co-issue運算模式，可執行向量與純量運算。某些方面而言可緩解效能不彰的問題，但是隨API複雜化，4D向量指令比重隨之降低，這也是為什麼後來4D+1D架構改為4D架構，後來又將4D改為GCN架構的原因之一。

影像品質難以提升

另一個原因則是現今3D影像品質難以向上提升，除非Ray Tracing（光線追蹤）技術能成熟，否則對高階卡而言，流暢度已經相當足夠，不停堆疊ALU沒有太大的意義。

反觀GPGPU應用一直是AMD的罩門，而NVIDIA的CUDA又有相當的斬獲，AMD對此難免會緊張。雖然VLIW的理論效能比對手還好，但是實際效能卻不是這麼回事，這也加速AMD更改架構的決心。

Keyword：Ray Tracing（光線追蹤）

▲Ray Tracing稱為光線追蹤，是幾何光學的一項技術。它會計算光線經過物體時的折射與反射，讓物體的光線質感更逼真。目前3D模組也有應用光線追蹤技術讓影像更逼真，然而此技術需要大量的運算效能，即便用高階顯卡在轉換時仍稱不上流暢，但勢必會成為未來遊戲的發展方向之一。圖中的車輛就是透過光線追蹤技術而來，車輛板金上的光影十分逼真。

（後面還有MIMD運算架構）