回顾统一渲染架构，探寻SIMD极限

    ● 回顾统一渲染架构历程，探寻SIMD结构极限

    AMD从R600核心开始，一直延续着上述理念设计GPU产品，R600身上有很多传统GPU的影子，其Stream Processing Units很像上代的Shader Units，它依然是传统的SIMD架构。这些SIMD架构的5D ALU使用VLIW技术，可以用一条指令完成多个对数值的计算。

    由于内部的5个1D ALU共享同一个指令发射端口，因此宏观上R600应该算是SIMD（单指令多数据流）的5D矢量架构。但是R600内部的这5个ALU与传统GPU的ALU有所不同，它们是各自独立能够处理任意组合的1D/2D/3D/4D/5D指令，完美支持Co-issue（矢量指令和标量指令并行执行），因此微观上可以将其称为5D Superscalar超标量架构。

AMD的流处理器结构变化

    SIMD虽然很大程度上缓解了标量指令执行效率低下的问题，但依然无法最大限度的发挥ALU运算能力，尤其是一旦遇上循环嵌套分支等情况，SIMD在矢量处理方面高效能的优势将会被损失殆尽。同时VLIW的效率依赖于指令系统和编译器的效率。SIMD加VLIW在通用计算上弱势的原因就在于打包发送和拆包过程。

    NVIDIA从G80开始架构作了变化，把原来的4D着色单元彻底打散，流处理器不再针对矢量设计，而是统统改成了标量运算单元。每一个ALU都有自己的专属指令发射器，初代产品拥有128个这样的1D运算器，称之为流处理器。这些流处理器可以按照动态流控制智能的执行各种4D/3D/2D/1D指令，无论什么类型的指令执行效率都能接近于100%。

    AMD所使用的SIMD结构流处理器，具有非常明显的优势就是执行全4D指令时简洁高效，对晶体管的需求量更小。而NVIDIA为了达到MIMD流处理器设计，消耗了太多晶体管资源，同时促使NVIDIA大量花费晶体管的还有庞大的线程仲裁机制、端口、缓存和寄存器等等周边资源。NVIDIA为了TLP（线程并行度）付出了太多的代价，而这一切代价，都是为了GPU能更好地运行在各种复杂环境下。

    但是业界普通的共识是SIMD结构的流处理器设计能够有效降低晶体管使用量，特别是在已经设计好的架构中扩展流处理器数量的难度，比起MIMD结构要容易很多。对比R600和G80架构可知，4个1D标量ALU和1个4D矢量ALU 的理论运算能力是相当的，但是前者需要4个指令发射端和4个控制单元，而后者只需要1个，如此一来MIMD架构所占用的晶体管数将远大于SIMD架构。

    当然RV870目前的状态虽然不错，但是下一代的R900架构已经很难延续这种简单的性能提升模式了，说到底还是回到了文章开始的问题。R600拥有令人难以置信的512bit显存位宽，以此引出的问题是芯片面积很大因为你不得不进行复杂的绕线（route）。据可靠消息，R600的内部互联线长达到19000公里，RV770到了27000公里，如果RV770不换掉ringbus环形内存总线，线长可能要超过40000公里，现在R800在AMD的全力改进下稳定在了36000公里。理论上基于IC设计层面，R800还可以继续扩展规模，但是实际操作中几乎已经不可能了。IC设计中，不是晶体管多内部互联线长就会过度，要看芯片具体结构，大量重复的单元才会导致线长急剧放大。

用于芯片制造的CMP化学机械研磨机

    内部互联线长对芯片互联层数提出了极高要求，AMD一味增加GPU重复单元（流处理器）的做法，导致AMD手头已经没有继续上攻互联层的技术储备了，目前是9/14，既逻辑互联层为9，物理互联层为14。互联层越高，垂直互联越多，水平方向上的布局越松散，电磁和应力环境越好。但是互联层越高，垂直互联越复杂，空间电磁和应力环境越差，而且走线设计或者说布局也会成问题。互联层越高，核心面积就可以越小，但是两者并非线性关系，而且相应的设计难度也就越高。

    另外一个困扰AMD的问题是要保证严格同步，如果未来的R900为了扩充流处理器数量真提升到3200SP而且维持现有工艺和布线状态以及电压不变的前提下，芯片内的信号延迟将从飞秒级提升到接近纳秒级。以现在的互联状态和布局，没有任何一家厂商能够控制这样的延迟水平。

    据相关消息透露，AMD也会在今年晚些时候推出新一代的Radeon HD6000系列显卡（初步代号为R900），继续巩固过去半年来之不易的领先优势。目前关于R900的资料还非常少，最引人注目的变化是AMD的架构设计基础可能会从SIMD（单指令多数据）转向MIMD（多指令多数据），而这也是R900面临的最大风险之一。NVIDIA早就采用了MIMD结构了，并且在MIMD结构的流处理器中积累了深厚的经验。如今SIMD架构遇到瓶颈，AMD能否顺利过渡到MIMD，这也是未来一两年内显卡制高点争夺战的关键所在。