Fermi架构的困惑

    ● Fermi架构的困惑

    RV870发布之后一周后，NVIDIA仓促宣布了下一代DX11产品——Fermi的规格。Fermi具备512个标量流处理器，384bit GDDR5内存界面，晶体管数量达到创纪录的32亿个。但是直到2010年3月末，Fermi才得以在媒体上和广大用户见面，Fermi相比原定的期限足足晚了半年才出现。

    如今我们对Fermi的性能已经了如指掌，在Fermi发布之前，很多用户对它的期望值很高，希望它能在大部分应用中大幅度领先于HD5870，毕竟两者的晶体管数量相差将近50%，发热和耗电也有巨大差异。但是在Fermi发布后，我们看到除了DirectX 11游戏中的Tessellation曲面细分特性方面Fermi有惊人表现，在其他领域Fermi只能用平常来形容。

Fermi架构示意图

    其实Fermi架构的困惑主要集中在3个问题上，首先是图形处理与通用计算的冲突没有得到化解，导致面向并行计算领域的Fermi在很多图形处理中吃亏。图形业界普遍认为从DirectX10统一渲染架构开始，Shader运算能力强劲的GPU在图形运算方面也会表现优秀，但是这种愿望没有实现。

    因为目前大部分的游戏是从PS3或者XBOX主机上迁移而来的，为了降低开发难度和节约成本，大多数游戏厂商会用一套源代码通吃整个PC和家用级平台。这些游戏虽然打着DirectX10甚至是DirectX 11的封装，但还是含有太多的DirectX9编程烙印，并不复杂的Shader效果背后，实际上是程序指令中的1D指令数量并不多，指令相关和分支嵌套等数量更为有限。这导致MIMD结构的流处理器无法发挥最佳效率，而传统的SIMD架构反而能够更好适应曾今的编程环境。

SIMD和MIMD架构的对比

    其次是Fermi架构的TMU资源发生了变化，这导致Fermi架构GTX470/480的纹理填充率低下，甚至还不如曾今的王者GTX285高，更别提和HD5870相提并论了。有两种观点来解释NVIDIA此次的设计，第一种认为NVIDIA已经没有足够的晶体管来做TMU部分了，所以Fermi是64个TA + 256个TF的1:4非对称设计，这种设计在G80上曾今出现过，当时比例为1:2，但是在G92又被改为1:1，因为非对称的TA/TF资源在运行大部分图形运算时，会对GPU全局速度产生不容忽视的影响。

    另一种观点认为DirectX10引入了一种叫直接像素纹理的技术，如果未来的图形编程能遵循这项技术，则输出的像素直接构成材质，没有纹理和混合等概念了，这样GPU中的TMU和ROP等单元都将消失，Shader承担绝大部分图形运算，Fermi很可能是在下这个赌注，因为Fermi的Shader运算性能很强劲。

    导致Fermi难产和功耗较大的另一个因素是芯片的栅氧层漏电情况加剧。RV870的内部互联极为密集，采用CMP可以更好的保障层间以及层面上的应力稳定性和可加工性。虽然NVIDIA的线密度和布局决定无需借助CMP进行处理，但也因为这些，NVIDIA不得不面对比ATI更加严重的接触性热电跃迁。

AMD GlobalFoundries的德累斯顿工厂内部

    RV870系列多为重复单元，互联级别和走线长度都很大，这样层上的应力负担就会很大。这时候使用CMP可以减小层上以及层间的应力负担。NVIDIA没这问题，但是NVIDIA的布线触点很多，触电部分是最容易受热电子迁移导致的物质迁移影响的部分，所以必须想办法减少这部分所带来的影响。

    简单来说栅氧层越薄，晶体管也会有更高的性能。按规律MOS管的栅氧层每一代都要变得略薄，90nm阶段，栅氧层厚度发展到了小于2nm。2nm以上的栅氧层可以看作理想的绝缘层，但是2nm以下就会出现明显的穿通泄漏现象，这个泄漏也是按指数形式增加的。栅氧层漏电的情况AMD和NVIDIA都在忍受，但是RV870的21亿个晶体管规模明显小于Fermi架构GF100的32亿个晶体管，所以宏观上漏电导致的发热也就更低。