工藝架構雙雙逆襲？AMD下代顯卡搶先看！

張一山

自2011年末公布GCN架構后直到現在，AM D都沒有徹底革命性架構的新顯卡問世。包括當前旗艦R9 Fury X在內，所有的顯示核心都是在第一代GCN架構上修修補補、增加一些新特性得來。而且芯片工藝依1日是多年不變的28nm……近5年之后，AIxAD終于放出下代“Polaris”（北極星）GPU架構將大幅革新的消息。而且這一次，隨著半導體新工藝的攻克，新核心將使用先進的14nm工藝。

雙重利好究竟能為新GPU帶來什么優勢？

能否幫助AMD完成性能上相對競品的逆襲，奪回高端市場份額？

距離新卡發布還有一段時間，但各種消息已經勾起了玩家們對北極星的極大興趣。所以讓我們這就來搶先打探一番，通過現有信息預估一下新核心的特性和性能。

AMD上一次宣布如此重要的產品還是2011年底，當時GCN架構橫空出世，一掃AMD此前VLIW架構硬件利用率較低的陰霾，使AMD在GPU架構和產品性能上擁有了將當時稱雄的英偉達Fermi架構產品挑于馬下的實力。從2012年起，GCN架構不斷地通過調整規格、推陳出新，為AMD贏得了市場認可和玩家的青睞。但不得不說的是，自那時起至今，AMD都在吃GCN的老本。最近幾代GPU產品在架構方面都沒有革命性改進，只是在原來架構的基礎上不斷地優化，通過增添功能、縮放規模獲得產品迭代。有些人說這是迫于工藝原地踏步的無奈，但NVIDIA卻能在工藝沒升級的情況下，通過架構改進獲得能耗比的大幅提升，讓AMD相當被動。

其實AMD并不缺乏創新，比如最后一代GCN架構就率先用上了跨時代的HBM顯存。作為GCN架構最后的巔峰，去年發布的R9 FuryX已經在芯片面積上達到600平方毫米水平，這是AMD自推崇小核心甜點策略以來，很久沒有嘗試過的大核心產品了。雖說有HBM顯存的增益，但是GCN架構與生俱來的能耗比較低、架構效率不高等問題依舊無法得到徹底改善，甚至都沒法完美發揮出HBM的高帶寬優勢。在R9 Fury X核心面積已經和GTXTITAN X相差無幾的情況下，性能卻明顯落后對手，無法幫助AMD重新奪回高端市場的玩家認可度。很顯然，架構換代的需求已經刻不容緩。好在AMD終于在加州舉辦了圖形技術峰會，公布了全新的代號為“Polaris”的GPU產品。宣稱要為用戶帶來一場極其值得期待的史詩級架構革命，希望重拾用戶信心。

很顯然，AMD敢稱史詩級架構革命，那么新顯卡的GPU架構勢必不再是基于老舊GCN的修補版，即使不是推倒重來的全新設計，也絕對是大刀闊斧式的全新改版。那么該架構是否能幫AMD重新獲得競爭優勢？讓我們這就來看看它都具備哪些特殊設計。

工藝終于提升

了解半導體的玩家應該非常明白，無論是CPU還是GPU或是其他芯片，更優秀的工藝都是性能提高的重要條件。當一個芯片能借助新工藝容納更多的晶體管時，就能實現更多的功能和更強大的性能。無論架構設計得再合理，缺少優秀工藝都難以發揮芯片應有性能。反之，優秀的工藝卻能在很多時候彌補芯片設計上的不足。但無可奈何的是，顯示芯片廠商一直以來都采用代工制造模式，工藝水平取決于代工廠TSMC的發展情況，而TSMC近幾年來工藝發展并不順利，近5年都只能提供成熟的28nm產品。導致AMD和NVIDIA的產品換代非常被動。顯然，在五年后的今天，28nm工藝已經不能滿足GPU發展的需求了，尤其是DirectX，12等技術的出現，推動了整個圖形業界的技術再次躍進，GPU也需要全新工藝來滿足新架構產品的設計和制造，以帶來跨越式的性能和功能改善。因此，無論是AMD還是NVIDIA，都準備在全新一代GPU上采用新工藝。但不同的是，NVIDIA應該還會繼續和老伙伴TSMC合作，使用TSMC最新的高性能16nm工藝生產下一代“帕斯卡”架構核心。而AMD則很可能將代工訂單轉投到GlobaIFoundries和三星。GlobaIFoundries（本文簡稱GF）大家應該很熟悉，就是從AM D剝離出去的半導體制造廠，是AMD CPU的指定代工廠。三星的加入顯得比較意外，實際上沒有三星提供的14nm技術支持，GF想給AMD代工GPU都難。

這一次AMD之所以沒有再選擇和TSMC繼續合作，據稱是因不滿TSMC近年來越來越糟糕的代工服務能力。熟悉行業的玩家應該知道，AM D在GPU工藝升級方面一直比NVIDIA激進。依靠比NVIDIA快半步的工藝優勢，賦予芯片更好的特性，常常能在競爭中給NVIDIA帶來不少麻煩。但TSMC經常在新工藝啟用的過程中給AMD帶來麻煩，良率、價格、芯片質量一直是讓AMD不滿的問題。只是苦于沒有別家代工廠有實力或愿意幫助AMD代工高性能GPU，只能勉強維持。但這樣的局面在GF獲得三星14nmLPP工藝授權后，迅速被打破。那么三星授權給GF的14nm LPP工藝究竟有什么特點，能從TSMC手中搶過代工大單？

14nm FinFET優勢何在？

其實在代工的選擇上，AMD-直是很謹慎的，TSMC合作了多年，逼不得已AMD并不想換代工r但很顯然，在經歷了28nm的各種坑之后，TSMC向16nm過渡的情況也并不好，量產時間的推遲讓TSMC先后丟掉了高通、博通等大單。雖說TSMC后續補救還算及時，在16nmFinFET（FF）之后，迅速推出了加強版的16nm FFP和針對低功耗的FFC工藝。但爭分奪秒的競爭最需要的就是時間上搶先，三星14nm工藝先于TSMC的16nm工藝量產，能為AMD爭取到更早的流片和試產時間，可能是AMD放棄TSMC的一個重要原因。再加上在20nm時代，TSMC優先蘋果訂單，讓AMD和NVIDIA不得不憋屈地使用28nm至今，也確實讓AMD感到了威脅。所以將生產轉回自家的GF可謂水到渠成。至于為何要同時交予三星，很可能是因為GF雖得到技術授權，但是產能估計難以滿足AMD需求，需要借助三星保證芯片數量和質量吧。endprint

FinFET，相信大家不再陌生了，其全稱是Fin Field-EffectTransistor，鰭式場效應晶體管。這個名詞的首次出現還是在英特爾強推22nm工藝的時代，FinFET實際上就是當時英特爾大力宣傳的“3D晶體管”。FinFET的目的是為了對抗越來越薄、越來越小的晶體管所擁有的不良物理特性（最重要的就是漏電），并用于根本性改善20nm甚至更高級別制程下晶體管的性能。舉例來說，在FinFET出現之前，AMD曾采用過多重電壓島、后偏置、高級時鐘門控電路等多重技術，但都沒有很好地解決漏電問題，導致芯片能耗比不佳，始終在競爭中受制于對手。從技術角度來看，FinFET將原本扁平、薄而不可靠的漏極和源極之間的連接“豎立”起來，在另一個維度上變相增加了厚度（或者面積），使得晶體管在繼續縮小后還能夠有比較好的性能表現。在使用了FinFET后，原本比較令人煩惱的漏電電流得到了有效控制，同時還帶來了很多優秀特性，比如使用更低電壓即可驅動、晶體管可承受電流上限也更高等。

而三星授權給GF用于制造Polaris核心的工藝，是繼初代-14nmLow Power Early（LPE）之后的改進版14nm Low Power Plus（LPP）工藝。LPE已經為我們帶來過Exynos7420等名滿天下的產品，而LPP還將在LPE基礎上進一步提升能耗比，減少15%以上漏電率，更利于制造高性能大體積芯片。

AMD在全新的Polaris核心上采用FinFET，有助于降低芯片發熱、提高工作頻率、降低驅動電流，最終實現提高性能功耗比的目的。根據AMD的介紹，14nm FinFET相比28nm平面工藝，能在晶體管數量翻倍的情況下，還進一步縮小芯片面積。借此獲得優秀得多的能耗表現和翻倍的性能。通過測試當前已經用14nm工藝流片成功的PolarisGPU，AMD宣稱Polaris架構相比之前的Fiji等核心在能耗比上提升了2倍，也遠遠超過了當前NVIDIA的Maxwell架構。為此，AMD還特地公布了一段演示視頻，視頻中AM D使用了相同的軟硬件平臺，在相同設置下對比了某款Polaris架構GPU和GTX 950的功耗表現。在游戲畫面都一樣流暢的前提下，其中GTX 950的平臺功耗為150W，而Polaris GPU的平臺功耗僅為85W，只有前者的56%，整體表現相當令人滿意。

舊瓶裝新酒的GCN 4.0

我們說過，工藝只是重要的基礎，架構是芯片性能的關鍵。Polaris核心顯然不僅有三星的14nm LPP工藝撐腰，更重要的是AMD賦予了它一個全新的高效率架構。AMD在介紹Polaris架構時，提到了第四代GCN架構，也就是俗稱的GCN 4.0。別看命名還是GCN，但和之前修修補補的初代GCN差別甚大。首先GCN 4.0架構下，跟執行效率關系緊密的GPU中指令調度器已經被重新設計。當然，跟指令調度器相關的周邊模塊也是重新設計或進行了大幅改進，以保證計算任務的調度更加高效和智能。不僅有更快的指令處理速度，還能根據負載和任務類型，自動劃分指令，將復雜指令和重復性簡單指令分別分派，盡可能讓計算核心更多時候能處于高效率利用狀態，提高整體計算性能。另外，跟計算性能關系最緊密的幾何處理器、流處理器核心、二級緩存等也是重新設計的，以進一步解決初代GCN流處理器集群使用效率不佳的問題。避免出現同一集群中，某些流處理器一直滿載，而部分單元卻無事可做的尷尬。與之匹配的外圍顯示引擎、顯存控制器等也全部都經過了重新設計，能夠達到更高的計算性能匹配，提供更小的核心和顯存數據存取延遲，讓整體性能和性能功耗比大幅度提高。至于顯存搭配，并非全為HBM（后文會詳細講解）。在功能方面，此前只有Intel一家在視頻編碼、解碼上獨大，而GCN 4.0決定不再讓其獨美。除GPU計算核心，AMD還重新設計了多媒體協處理核心，全面加入了對H.265的支持，增加了原生的H.265 main10解碼能力和H.265@60fps的編碼能力。并加強了4K及其以上超高清分辨率硬件編、解碼能力。借此，玩家們可以不再依靠高性能處理器，只需用GPU硬件輔助就能完成超高分辨率下的H.265影視流暢播放了。另外，GCN 4.0增加了原語丟棄加速器（Primitive Discard Accelerator）、硬件調度器、指令預取、高效著色器、顯存壓縮等功能，能夠進一步配合DirectX 12 API、驅動等底層軟件，提供更高的圖形渲染效率。

多媒體輸出功能方面，Polaris架構正式開始支持HDM I 2.Oa和DisplayPort 1.3兩種最先進的視頻接口標準。HDMI 2.Oa的最主要特性在于帶寬提升至18Gbps、支持3840×2160分辨率和50fps、60fps刷新率。音頻方面能夠提供最多32個聲道和1536kHz采樣率，支持多個用戶同時傳輸音頻、視頻流，還提供了對HDR傳輸格式的支持。而DP 1.3的規范則將帶寬提升至32.4Gbps，擁有四條通道，實際傳輸速度高達25.92Gbps，最高能夠支持5，120×2880分辨率，也同樣支持多顯示器。

HBM2、GDR5X：一個都不會不少

顯存將是本次產品更新的一個亮點。AMD已經在Rg Fury X上啟用了HBM顯存，其優勢我們就不再贅述，其缺點則是被不少玩家詬病的最大4GB容量問題。別擔心，與Pola ris架構搭配的新一代HBM2顯存已經將最大容量從此前的單顆1GB提高到了單顆最大8GB。此前4顆HBM總計4GB，HBM2代4顆最大可到32GB。另外，HBM引以為傲的位寬優勢繼續得到加強，HBM2單顆粒位寬可以達到2048bit，相比HBM的1024bit再次翻倍。當然，受制于高昂的成本，估計只有Polaris架構的旗艦產品能用上HBM2顯存，且會有-16G B標配和32GB高配之分。面向中端的Polaris產品則會搭配基于GDDR5改進的GDDR5X顯存。GDDR5X相比GDDR5，預取數再次翻倍，從之前的8提升到了16，這樣一來帶寬又能在GDDR5的基礎上繼續提升。考慮到GDDR5轉換至GDDR5X生產比較容易，成本控制應該也很容易讓廠商接受，因此未來很長一段時間里，中端顯卡將以搭配GDDR5X顯存為主。

Polaris10、Polaris11：具體產品有哪些？

在了解了Polaris架構的一些特性后，大家最關心的應該是產品型號了。根據AMD Radeon事業部Raja Koudri的消息，Polaris家族目前有兩款核心，分別被稱為Polaris11和Polaris10，兩個一大一小，但目前并不知道確切的對應型號。只是說新顯卡流片比較順利，應該會在今年中發布，很可能在6月的臺北電腦展上展示。

在CPU市場的持續失利，讓AMD長期受困于虧損、裁員、拆分、重組等各種負面影響，甚至影響到了以往表現還不錯的圖形部門。以至于長達5年時間里，AMD都沒有革新GCN架構，而是依靠GCN設計的先進性，先后力戰了NVIDIA的Fermi、Kepler、Maxwell等多代架構。在M axwell將GPU的性能功耗比推至28nm下的極限水平后，AMD更是大量丟失圖形顯卡市場份額。還好，充滿激情的AMD還沒有倒下，這次不僅公布了新顯卡的消息，還公布了闊別已久的CPU架構換代計劃。再加上有三星技術支持的GF終于在工藝上趕上了競爭對手的步伐，讓AMD有了更大的逆襲資本。下半年好戲一定不會少，AMD很可能在CPU和GPU兩個重要的市場上發布重量級產品，重新收拾舊山河，玩家們敬請期待。endprint