AMD HD 7970 之 GCN 架構完全解析，帶來 GPU 革命

魯蛇實驗室 魯蛇實驗室 發表於 2012年1月30日 10:46

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不完全的MIMD架構

說了那麼多，那GCN究竟是SIMD還是MIMD架構？答案是MIMD架構但是仍有SIMD的影子。為什麼會這麼說呢？先從常理來判斷，HD 7970的規格是28nm製程、電晶體數量為45億個、ALU是2048個、核心面積大概是380平方公厘。稍微推算一下，假設前代HD 6970的4D架構換算成NVIDIA的1D架構，那ALU數量應該是1536除以4，等於384個1D運算單元。

若HD 7970用的是SIMD的1D架構，不太可能在核心面積相等的情況下，將ALU數量從384個提升到2048個，整整變成5.3倍。即便核心製程精進，這還是不可能的數字。

AMD曾說過「Southern Islands is a MIMD architecture with a SIMD array.」，意思是GCN的確是MIMD架構，不過是基於SIMD陣列而生。簡單來說GCN與之前VLIW體系相比，並非使用SIMD陣列，取而代之的是所謂Compute Unit（簡稱CU）的運算單元。

AMD HD 7970 之 GCN 架構完全解析，帶來 GPU 革命

▲Tahiti是第一款28nm顯卡，同時也是AMD首度踏入MIMD架構的核心。不過雖然具備MIMD特性，但是在核心內仍有SIMD的影子。

CU整合純量與向量

HD 7970內有32個CU，而CU內有Instruction Fetch Arbitration、Control and Decode、對應的快取記憶體，以及最重要的純量運算單元（Scalar Unit）、向量運算單元（Vector Unit）。此外，每個CU包含64個ALU。

先前說到GCN是基於SIMD架構的原因，就在向量運算單元內有4組SIMD陣列，每個陣列由16個ALU所構成。每個CU的SIMD每周期能執行64個FMAD（乘加指令）向量運算，不過CU的4組SIMD在每周期內可執行4個執行緒，因此具備MIMD的特性。

不過GCN的SIMD陣列，存在向量運算單元內，不是整個CU都是SIMD架構。HD 6970的SIMD則是相對於HD 7970的CU，兩者層級應該先搞清楚，後面才不會混淆。

另外，CU內還有1個純量運算單元，不過ALU只支援整數（Integer）運算，且暫存器（Scalar Registers）只有4KB（早期的AMD資料是寫8KB），看起來GCN的改革並不徹底。

AMD HD 7970 之 GCN 架構完全解析，帶來 GPU 革命

▲CU內的核心就是Vector Unit也就是向量運算單元，此單元採用SIMD架構，這也是為什麼GCN被稱為還有SIMD影子的原因。

AMD HD 7970 之 GCN 架構完全解析，帶來 GPU 革命

▲不過GCN的CU每周期可執行4個執行緒，因此被稱為具備MIMD特性。

（後面還有執行方式大改革）

#零組件#電腦王#顯示卡#AMD#gpu#radeon#hd 7970

魯蛇實驗室
作者

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2.  Ed （發表於 2012年1月30日 14:35）
引用回覆
建議這種電腦結構的介紹文章可以減少縮寫或特殊名詞的使用，因為在這些元件／名詞有些並不是文章中的主角，甚至只是稍微提到而已，但卻可能會使閱讀短暫中斷（因為無法理解內容）。

其實現在很多新名詞都是廠商創造出來的商業口號，有些時候拿起書本翻一翻，會突然發現，"咦，這根本就是最近在推的ＸＸ嘛"。

個人認為，可以記得住各種電腦名詞用語固然有趣，但最有趣的還是當你看到隱藏在這詭異詞語之後的美麗原理，恍然大悟的那一刻。

所以，電腦王要不要從電腦圖學開始介紹啊？（逃）
Shinwill

4.  Shinwill （發表於 2012年1月30日 16:22）
引用回覆
夠專業的好文章 !!
就是要到這種程度才是T客邦應該要有的水準 <(￣︶￣)>
收藏了~~~~
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8.  halien （發表於 2012年1月30日 19:41）
引用回覆
VLIW跟SIMD八竿子打不著,你的計算機結構該重修了.
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10.  pppee （發表於 2012年1月31日 07:53）
引用回覆
※ 引述《halien》的留言：
> VLIW跟SIMD八竿子打不著,你的計算機結構該重修了.
>
我到覺得你國文閱讀能力才應該加強
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11.  halien （發表於 2012年1月31日 13:58）
引用回覆
※ 引述《pppee》的留言：
> ※ 引述《halien》的留言：
> > VLIW跟SIMD八竿子打不著,你的計算機結構該重修了.
> >
> 我到覺得你國文閱讀能力才應該加強
讓我們重看一遍原文:
===
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
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請問這位計算機結構大師, 哪一本計算機結構的教科書教你SIMD是VLIW的體系?
陳茗豪

12.  陳茗豪 （發表於 2012年9月10日 21:23）
引用回覆
"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"
這句話的確有待商榷..SIMD.與VLIW本質上是不能混為一談的
但也不至於八竿子打不著關係..一直以來..對於提升處理器性能
大致上朝向兩個方向發展..
1.透過製程精進.將電子元件的體積規模不斷微縮.在有限面積裡能集成更多的電路元件.增加處理器晶片更多的功能性單元.也減少了電子元件工作時所產生的廢熱.可以讓處理器平穩運行於更高的時脈設定.
2.平行運算:平行運算其實也可以算是由精進製程所衍生的
相對於提升時脈是讓處理器能在更短的時間完成一項工作(降低CPI)平行運算則是在同樣的時間裡完成更多的工作(提升IPC)由於處理器能夠集成更多的IC電路.將這些增加的電晶體用在提升效能的刀口上.正是平行運算的思維.而SIMD與VLIW都是基於平行運算而生的架構
平行運算大致可分為時間平行與空間平行兩個主軸..由這兩項主軸對於不同層級運算瓶頸增加硬體運算單元.從而使效能得到提升.這種"哪裡癢,抓哪裡"直覺式思維..說來簡單..做來卻不容易
每個架構都有其優點..當然不免也有"力有未逮"的缺憾..
SIMD的作法是以一組控制器加上多組平行處理微元.能夠同時的處理多筆的資料.很明顯屬於空間平行而就程式的運行層級來區分是屬於資料平行..這種架構的優勢在於不需要增加許多複雜的電路結構.就能夠達到加速運算的結果.能夠取得最佳指令執行效率.不過只能適用於指令所處理的資料都具備同樣的性質而且之間不存在相依關聯性一般來說..只有影像等多媒體程式才具備這樣的性質所以在應用上有其侷限
至於VLIW的作法是將多個短指令結合成一串長指令執行..相當於處理器核心同時執行多個指令..屬於時間並行而就運算層級區分
則是指令級並行.不能避免的VLIW也有指令依存的頭疼問題
指令能不能並行是最重要的障礙..相較於管線化技術把指令依存的交由硬體管線判斷.指令在解碼後會在經過分派決定那些任務可以同時執行.但這增加硬體結構設計的複雜度.'當然開發成本也因此提高.VLIW則是以另一種方式因應..一開始在短指令組成長指令串時就已經將不能並行的指令排除處理器核心就無需顧慮是否有依存的指令只要傻傻地運算就輸出效率來說肯定是會提高.不過
並不是指令依存的障礙就此消失.由於一開始指令編譯時就得避免將無法並行的指令排除..代表指令執行的分派重任得由編譯器一肩扛起..所以開發編譯器的複雜度自然提高..除此之外..VLIW架構還有相容性的問題.編譯器只能適用於特定架構也就是說VLIW4的編譯器無法用於VLIW5..而能夠有效調度這麼多平行指令的任何編譯器都將是十分複雜而且難以編寫..加上VLIW編譯軟體絕大部份要比它所控制的硬體落後.都是VLIW架構目前所遭遇到的責難另外運行過程中無法隨時改變指令執行條件使得VLIW僅能在圖像處理技術中發揮所長所以一般使用VLIW架構的多為DSP
嵌入式晶片
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