GPU炼金试验室 揭GTX660/660Ti显存之谜

　　前言：时隔五个月之后，GPU炼金试验室终于又和大家见面了。在先前的GPU炼金试验室中，我们揭开了Tahiti与Pitcairn的效率之谜，直面了Kepler架构对处理器的依赖以及新Scheduling过程的真相，那么在今天的炼金试验室中，我们又将面对哪个隐藏在现象背后的真相呢？

　　所谓隐藏在现象背后的真相，要从NVIDIA最近很热门的“小秘密”——非对称显存体系说起。

　　这就是我们的媒体同行在文章中所提到的问题。如果GeForce GTX 660 Ti以及GeForce GTX 660采用的非对称显存体系以及PCB布局真的导致了这样的问题，那可是一件非同小可的事，它代表NVIDIA向市场投放了带有设计问题，甚至可以说是不成熟的产品，这不仅会严重影响GeForce GTX 660 Ti以及GeForce GTX 660的可购买性，还会影响到由Kepler其他产品积累起来的认同度。更为严重的是，NVIDIA竟然并未对此做出任何回应，也没有对新的非对称显存体系进行任何有效地更深入的说明。

GeForce GTX 660的显存布局确实有些怪异

　　难道这里面，确实有什么不可告人的“小秘密”？

　　揭开现象背后的秘密，将本质暴露给需要知道真相的读者，这是我们制作GPU炼金试验室最根本的目的。所以在本期的炼金试验室当中，我们将会继续以针对性的测试和对测试结果与现象的解读来为您还原全新非对称显存体系的本来面目。如果带宽问题的确存在，我们必须得把它揪出来以便让消费者能够明了真相，如果问题并不存在，我们起码也要明白到底发生了些什么。接下来，就让我们一起来面对这个“小秘密”吧。

　　由于不同的应用场合会带来不同的读写操作方式，但无论是图形过程还是通用计算过程都会依赖相同的拷贝过程，所以我们决定采用拷贝测试的结果作为实际带宽测试的基准参考数值。另外，我们引入了采用常规的对称显存布局，显存带宽并无问题的GeForce GTX 670作为对比组来进行数据对比。由于现实操作中的显存带宽必定会低于理论数值，因此只要获得GeForce GTX 660 Ti以及GeForce GTX 660的实际显存带宽与理论带宽之间的比例，并将之与GeForce GTX 670的数据比例进行对比，我们就能得出前两者的显存体系是否存在问题的结论了。很明显，如果GeForce GTX 660 Ti以及GeForce GTX 660的显存实际/理论性能比例低于GeForce GTX 670的比例，这就说明相对于GeForce GTX 660Ti的显存设计存在更低带宽的部分，而不是连续的维持在正常的带宽范围内，这样我们就有充分的理由怀疑GeForce GTX 660 Ti以及GeForce GTX 660在显存体系设计层面层面存在问题了。

　　测试结果并没有如问题提出者预期的那样，我们的测试显示，在相同主频的前提下，GeForce GTX 660的实际/理论显存带宽比例与GeForce GTX 670相当，而GeForce GTX 660 Ti的比例甚至还要高于GeForce GTX 670，这表明采用非对称显存体系的GeForce GTX 660 Ti不仅不存在所谓的“有2颗显存颗粒只能享受到1/3的正常带宽”的问题，其显存的有效性能比例或者说效率比例（注意，这里讨论的并不是绝对性能）甚至还要强于拥有正常显存体系的显卡。

　　测试结果也许会令问题的提出者们感到沮丧，但也会让GeForce GTX 660/660Ti的用户们感到庆幸——在相同理论带宽的前提下，采用非对称显存以及奇特显存布位的GeForce GTX 660 Ti的实际有效带宽甚至还要高于采用正常显存布局的GeForce GTX 670，非对称显存外表上的不和谐并没有导致任何实际问题的产生。

　　可是，这好像不太科学啊？公版GeForce GTX 660/660Ti的走线明明所有人都可以看到，确实两两对称分布在PCB正反面的四颗显存只拥有和非对称颗粒相同的走线，这么少的连线加上点对点的连接，这四颗显存不应该会有正常的带宽才对啊？难道说NVIDIA又用了什么“黑科技”把带宽问题给搞定了？

　　其实，这里根本没有什么黑科技。一切关于非对称显存带宽和GeForce GTX 660/660 Ti问题的起点，都来自问题提出者对于memory controller结构以及GDDR5显存特性的不理解。比如说吧，你知道什么叫“显存与memory controller的点对点连接”么？

　　正因为此，采用非对称显存布局的显卡在理论上可以不受连线细节影响，只要有正确位宽的显存颗粒被连接，MC就能拥有与位宽/频率相符的理论带宽。GeForce GTX 660/660Ti的显存体系运行在6008MHz上，因此192bit位宽的它们也就拥有了144.2GB/S的理论显存带宽。

　　在明确了所谓点对点直连的形势之后，特殊非对称显存体系理论带宽的问题已经解决了，但这并不是所有矛盾的终结——两两对称分布在PCB正反面的4颗显存颗粒的连线资源都只有其他4颗颗粒的一半，2颗显存颗粒共用一组连线是很明显的，就算理论带宽没有受到影响，实际操作过程中共用连线的2颗显存应该也会遇到延迟撞车的问题啊？延迟大到接近翻倍的话，这4颗显存颗粒的实际带宽不可能跟其他4颗显存颗粒一样啊？总不能说这里的线很粗很强大，一根线可以顶两根用吧。

　　很不幸，在GDDR5显存体系中，对于对称分布在PCB正反面的显存颗粒来说，“一根连线就是当两根来用的”。造成这样奇特结果的原因，来自GDDR5显存体系的一个基本特性——clamshell mode。

　　clamshell mode不会带来任何性能损失，因为它保留了完整的点对点高速总线的所有特性，两颗挂在同一组Address/command上的显存颗粒实际上可以被看成是一个整体。clamshell mode实现难度也非常低，共享Address/command接口可以很容易地通过过孔和使用镜像功能模式来实现，只要两颗显存颗粒的所有引脚都处在PCB正反面完全对称的位置上即可。

　　在clamshell mode下，GeForce GTX 660/660Ti上看似有问题的4颗2048Mb显存颗粒，实际上可以被看做是2颗32bit/4096Mb显存颗粒，这4颗不仅没有任何带宽和延迟方面的问题，在性能上也与常规的2颗显存颗粒完全一样。最重要的是——它们很明显比2颗4096Mb的显存颗粒要便宜得多。

　　● 漂亮的“廉价”恰恰舞

　　好吧，我们再来梳理一下事情的始末，一起看看到底发生了些什么吧——当人们看到GeForce GTX 660/660Ti上前所未见的，甚至是怎么看怎么别扭的非对称显存布局时，各种各样的关于原因和性能问题的疑问便应运而生了。可实际上，无论我们专门进行的针对性测试，还是其他更加常规的图形化测试过程，都没有能够找到似乎铁定存在的所谓显存带宽有问题的证据，为什么那么不和谐的布局并没有导致性能问题呢？

　　首先，字面意思上的GDDR5显存与memory controller点对点连接是没有任何错误的，因为TOP LEVEL在逻辑上属于memory controller的一部分。但由于TOP LEVEL的存在，显存颗粒其实是点对点的连接在了作为交换层出现的TOP LEVEL而不是controller或者FIFO之类单元上的，这导致了显存颗粒对memory controller的完全开放而非绑定。所以在理论带宽层面，非对称显存体系只要完成足够承载位宽数的互联，其理论带宽就不会出现问题。

“普适”的怪异显存布局

　　在解决了理论带宽的问题之后，clamshell mode为实际应用带宽问题，也就是GeForce GTX 660/660Ti显存颗粒不对称连线方式所带来的延迟问题提供了答案。clamshell mode允许2颗对称分布在PCB正反面的显存颗粒同时使用同一组Address/command进行并行操作，因此GeForce GTX 660/660Ti的实际显存带宽同样不存在任何问题，它可以保持与对称显存架构同样甚至更高一些的实际显存效率（再次强调，这里说的并不是实际显存性能，而是实际显存带宽与理论带宽之间的比例）。

　　与此同时，clamshell mode还顺便解释了GeForce GTX 660/660Ti怪异PCB布局——8颗显存以两两对称加两两错开的方式布置，完全是为了满足clamshell mode的基本特性需求。只要2颗显存颗粒对称分布在PCB正反面，它们就可以在clamshell mode下等效成一颗容量和位宽都翻倍的显存颗粒。GeForce GTX 660/660Ti的非对称显存体系只会产生4颗有这样需求的显存颗粒，因此另外4颗也就不需要采用同样的布置方式了。

clamshell mode下显存颗粒的连线模式

　　所以你看，虽然新的非对称显存体系好像哪里都显得有些别扭，但由这种别扭产生的所谓新的非对称显存存在显存带宽问题的说法其实并不存在，NVIDIA没有启用任何意义上的所谓黑科技来掩盖什么问题，GeForce GTX 660/660Ti前所未见的显存布位也只是出于clamshell mode的基本需求，最重要的是，这么干不仅性能没有损失而且还非常得省钱。

　　性能和成本，NVIDIA成功地在这两个矛盾的对象之间跳了一场漂亮的恰恰舞，不仅维持了非对称显存体系的性能，还巧妙的利用各种既有的特性完成了成本的控制。也许这会加深你对NVIDIA这一论定价策略的负面情绪，但每个人都应该承认它这次干的确实漂亮……

　　● 答案——在正确的时间地点做正确的事

　　“黑科技”一直是伴随着Kepler架构的奇妙存在，每当遇到异于常规的现象，比如远高于过去的性能功耗比表现之类问题时，我们都会尝试寻找并最终获得NVIDIA引入的全新概念以及技术细节。但在本期的GPU炼金试验室中，我们没有遇到任何令人惊奇的“黑科技”。无论理论带宽、实际带宽还是成本，NVIDIA在GeForce GTX 660/660Ti解决问题的方法都来自“古老”的技术。

这次解决问题的功臣并不是“黑科技”

　　这种对古旧技术的巧妙搭配和应用，为我们展现了Kepler鲜为人知的另一面，“黑科技”并不是解决问题的万灵药，在充满了想象力和创造火花的同时，NVIDIA同样需要并且切实的在用踏踏实实的脚踏实地来解决各种各样的问题。不管你是不是N饭，不管你是否欣赏NVIDIA以及它的产品，不管你是不是觉得现在的N卡卖的好坑爹，你都要面对这样一个事实——在Kepler架构的产品中，NVIDIA用心了。

　　制作一款优秀的显卡产品最需要的并不是令人眼花缭乱的新概念，更不是空中楼阁一般的口号。在保持切实创新的基础上对既有技术进行恰当的组合，在正确的时间地点投注精力做正确的事情，只有这么做才能最终收获令人满意的产品。如果每一个研发GPU的厂商都能做到这一点，不仅用户将有机会获得更优秀的产品，我们一直反复回味的业界良性循环的状态也将从回忆中再次回到现实。

Unmatched Trace Length Routing

　　本期GPU炼金试验室对GeForce GTX 660/660Ti的非对称显存体系特征进行的解读，以及实测数据对解读的进一步验证和支撑，让我们消除了对其采用的全新非对称显存体系的各种疑惑和误解，同时还导致了许多伴生式的结论出现。比如说GeForce GTX 660/660Ti之所以可以以非常简单的PCB和周边用料轻松保证显存上到超过7000MHz甚至7500MHz的高频，就是得益于clamshell mode以及GDDR5的另一个特性：Unmatched Trace Length Routing（非强制匹配布线长度，可以让厂商部分放弃蛇形走线，改用长短各异的简单直线进行连接）共同作用的结果。更少的连线以及更低的布线难度不仅降低了对PCB以及成本的要求，更通过降低体系复杂度换取了更大的性能提升空间。这些结果一起向我们展现了一个信号——Kepler架构的定价空间下限以及性能空间上限，都还有相当大的可挖掘潜力。

放心吧，GeForce GTX 660 Ti并不存在显存问题

　　在发布GK106架构之后，Kepler架构线的完整亮相标志着AMD与NVIDIA正式全面战争的开始。既然Kepler架构的成功设计令其拥有了更大的降价空间和性能提升可能，能不能将这些要素转化成对消费者更加有利的现实就成了摆在NVIDIA面前的问题。我们渴望获得更好产品的期许，能得到怎样的回应呢？让我们拭目以待吧。

GeForce GTX 660和GeForce GTX 660 Ti具备相同的位宽、相同的显存频率、相同的显存理论带宽，这会拥有相同的实际显存效能吗？《炼金实验室》栏目为您揭开这不为人知的背后秘密，也许你会发现导致NVIDIA和AMD在这一代产品中PCB Layout上的本质区别。