统一终止分立,架构之争日趋激烈
●统一渲染架构的诞生
Shader Model 在诞生之初就为我们提供了Pixel Shader(顶点着色器)和Vertex Shader(像素着色器)两种具体的硬件逻辑,它们是互相分置彼此不干涉的。但是在长期的发展过程中,NVIDIA和ATI的工程师都认为,要达到最佳的性能和电力使用效率,还是必须使用统一着色器架构,否则在很多情况下Pixel Shader计算压力很轻造成大量Pixel Shader单元闲置,Vertex Shader资源有限但遇到大量三角形时会忙不过来。也就是说不再区分Pixel Shader和Vertex Shader,最终设计出来的产品可以在任何API编程模型中都不存在任何顶点/像素着色器固定比率或者数量限制。
每一帧渲染中Vertex Shader和Pixel Shader负载压力几乎没有相关性,总是在出现资源闲置和资源紧缺,所以有必要使用统一着色器架构。
在统一着色器架构的GPU中,Vertex Shader和Pixel Shader概念都将废除同时代之以ALU。ALU是个完整的图形处理体系,它既能够执行对顶点操作的指令(代替VS),又能够执行对象素操作的指令(代替PS)。GPU内部的ALU单元甚至能够根据需要随意切换调用,从而极大的提升游戏的表现。
微软XBOX 360所采用的Xenos图形处理器,第一次引入了统一着色器架构,这个着色器架构包含了3个独立的着色器矩阵,每个着色器矩阵内有16个5D向量SIMD单元,这些SIMD单元既可以执行Vertex Shader也可以执行Pixel Shader,可以称之为符合DirectX9标准的统一着色器架构。随后NVIDIA推出的GeForce 8800 GTX使用了128个标量流处理器(Stream Processor)。在通用计算方面,GeForce 8800 GTX的统一架构比Xbox 360的C1更先进、更强大,这表现在标量设计、整个US和Shader簇内的MIMD化执行。
图注:AMD历代着色器演进
在GeForce 8800 GTX之后,AMD经过数月的延迟后推出了代号R600的RADEON HD 2900XT核心,这款产品和NVIDIA的新品一样使用了统一渲染架构,不同之处在于2900XT的64个SIMD着色器内包含了5路超标量(superscalar)的运算单元(ALU),我们习惯性称其拥有320个流处理器。组织形式方面,SIMD单元采用超标量+VLIW(甚长指令)设计,虽然从数量上看规模庞大(共拥有320个ALU,8800 GTX为128个),但是执行效率在实际运算中会发生不可忽视地衰减。为方便讨论,在后文分析中,我们将更多地把着色器Shader称为流处理器Stream Processor。