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| 本文作者： 龚黎明 | 2016-05-24 13:46 |
雷锋网按：本文作者龚黎明，威盛电子高级芯片工程师。
2016年5月7日，NVIDIA发布了最新的基于帕斯卡架构，16nm Finfet工艺的GTX1080，72亿晶体管，最新的架构，最新的工艺，高达1607MHz的核心频率，更低的功耗，连带着8GB GDDR5X高端显存，单引脚高达10Gb/s的超高速率，使得GTX1080刚一推出就紧紧抓住了玩家们的眼球。
在NVIDIA给出的GTX1080白皮书中，介绍了其令人瞩目的GDDR5X显存技术。其高达10Gb/s的超高传输速率，着实让人惊叹。要知道，如此之高的传输速率，相邻数据之间将只有0.1ns的时间间隙，这么短的时间里光速也只能传3cm。而工程师必须设计精巧的电路使得在这么短的时间内，相邻数据能够区分开来，互不干扰，这其中涉及到的高速IO（INPUT/OUTPUT）接口设计和电路设计技术极其高深。
根据GDDR5X的JEDEC（即固态技术协，是微电子产业的领导标准机构）协议规范：
GDDR5X接口协议最大支持16Gb的单颗显存芯片。而NVIDIA使用的是镁光提供的8Gb GDDR5X，总共有8颗，总容量达到64Gb（8GB）。
GTX1080的显卡位宽是256bit，其单根引脚就具有10Gb/s的超高传输速度，据此计算总带宽达到了惊人的320GB/s，也就是说500G的硬盘进行全盘传输只需要不到2s！相比于上一代的GTX980单根引脚7Gb/s的GDDR5，总带宽224GB/s的显存性能，新一代显存性能提高了43%左右，而这仅仅是从GDDR5变成了GDDR5X，多了一个“X”而已！
今天我们就来讲讲GDDR5X显存技术，要想搞明白为什么多了一个“X”就能提高这么多，我们需要了解GDDR接口的原理。而要了解GDDR接口，就不得不提到DDR接口，也就是内存接口技术，因为GDDR接口正是由DDR内存接口演进而来！
DRAM(Dynamic Random Access Memory，即动态随机存取存储器，最为常见的系统内存）技术从1970年，Intel推出第一款1KB的内存开始，发展至今已经46年了。其前23年一直按部就班的提高容量与速度，直至1989年，DRAM的最大容量只有4MB。
由于采用异步控制，内存控制器的频率被限制在50M以下，在当时这个速度是够用的，因为1989年Intel的486 DX处理器主频也只有33M。但是紧接着，没几年Intel就推出了奔腾CPU，然后与AMD展开了长达十几年的频率大战。CPU频率一路飙升，从133M Hz上升到2G Hz乃至以上。此时内存的速度就跟不上了，因此从1993年开始，推出了SDRAM的技术，简称同步DRAM，给内存引入了时钟，并与CPU时钟锁定在一个频率上，即是“同步”DRAM接口技术。
很快，2000年开始出现更强劲的DDR技术，紧接着DDR2，DDR3乃至如今最新的DDR4技术。
DDR技术的演进
我们今天要讲的GDDR5X就是内存DDR3技术的演进分支。
GDDR技术的演进，HMC将是下一代技术
自从DDR技术推出以后，DRAM的频率就开始一路飙升，下图就给出了DRAM频率的提升路线。从2005年DDR2的533M，到2013年，DDR4的2400M，短短8年，内存的频率翻了4倍以上。
下表给出了各代DRAM技术参数的差别。可以看到随着DRAM接口由SDRAM演化到DDR4，其工作电压从3.3V一路下降到了1.2V，数据传输的速率，由SDRAM的100Mb/s提升到了DDR4的3200Mb/s。但是注意看，DRAM的核心频率没有丝毫提高，一直都是133M~200M，关于什么是核心频率，以及为什么会这样，我们一会儿会讲。
需要指出的是，现代化的内存技术，更像是一门接口技术，而不像是存储技术。得益于摩尔定律，随着工艺尺寸的不断缩进，DRAM的容量越做越大，这个并不难，但是如果没有几代DDR技术中不断出现的倍频高速接口，DRAM的速度基本没有办法提高。
其原因在于，DRAM作为一个大的存储体，尤其是靠电容作为存储的手段，其内部操作速度很难做到很高。电容的容量做得太小，内存读写的确可以变快，后果是漏电也会很快，需要不停的刷新防止数据丢失，内存的性能会受到影响。电容的容量做得太大，数据确实可以保存的很久，但是写入和读取的延时就会大大增加，DRAM的性能又会大大降低。
基于此，DRAM的内部存储操作速度难以大幅度改进。即使DRAM接口pin做到了1066M，DRAM的存储单元其实并没有工作在1066M这么高的时钟下面，相反只有133M，快的只是接口而已。就好像一个很粗的水管，里面的水流速其实并不快，但是只要我们把出口收窄，出口的水速就会大幅提高，远远高于水管内的水速。
在下图给出的示例中，SDRAM的接口速度是100M，DDR1接口的速度是200M，DDR2接口的速度是400M。每提高一代，接口性能都提高了一倍，但是注意看，这几代接口的核心频率都是100M，也就是说，DRAM存储单元的读写速度没有丝毫提高。
这是怎么做到的？
核心技术点就在于：双沿传输和预取
SDRAM是单沿传输的，核心频率100M，没有预取，所以接口频率也是100M，接口速度还是100M。DDR1在核心频率不变的情况下，采用2bit预取，并采用双沿传输，使得接口频率仍然只有100M情况下，接口速度达到了200M。DDR2和DDR3则进一步将预取增加到4bit和8bit，使得接口速度再次连续翻倍。最新的DDR4相比于DDR3，并没有增加预取宽度。但是DDR4引入了bank group（块分组）技术，该技术本质上还是变相增加了预取，提高DRAM内部并行度，使得DDR4的速度再次实现翻倍！
GDDR5技术是内存接口DDR3技术的衍生品，其预取为8bit，实现性能达到6Gb/s，超频后可以达到7Gb/s。而GDDR5X则是在GDDR5基础之上做了两个变化：
将预取由8bit提高到16bit
引入QDR高速接口
我们之前讲过，简单粗暴的继续增加预取，性能就可以大大提高。GDDR5X的第一个改变正是如此。通过将预取从8bit提高到16bit，GDDR5X获得了极大的性能提高！
GDDR5X的另一个改进叫QDR（Quad Data Rate，是4倍数据倍率的意思）接口的引入，也就是说接口的每个时钟可以传输4bit数据！我们知道SDRAM使用的是SDR接口，接口只有上升沿才传输数据。而DDR接口对此做了大幅提高，通过上升沿和下降沿同时传输速度，性能相比于SDR得以翻倍！而QDR则是每个时钟传输4bit数据，性能相比于DDR再次翻倍！
当然了，GDDR5其实已经实现了等效的QDR接口，虽然并不是真正的QDR技术。以往GDDR1/2/3/4和DDR1/2/3的数据总线都是DDR技术(通过差分时钟在上升沿和下降沿各传输一次数据)，接口频率x2就是数据传输率，也就是通常我们所说的等效频率。而GDDR5则不同，它有两条数据总线，带宽上相当于QDR技术，所以接口频率x4才是数据传输率，因而GDDR5实现了超高频率。
QDR技术这么厉害，大家可能首先想到的是需不需要一个比WCLK更快的时钟来传输数据？答案是不需要。GDDR5X接口在实现的时候，利用WCLK加相位偏移，生成了4个同频时钟，WCLK_0，WCLK_1,WCLK_2,WCLK_3，每个时钟有1/4周期的偏移。使用这4个时钟的上升沿传输数据，这样，就实现了相比于SDRAM x4的传输能力。
当然，为了生成这种高精度带延时的时钟，需要使用DLL（锁相环）来锁定时钟的相位。下图给出了使用DLL生成这4种各带1/4相位偏移的时钟：
除了之前提高的16bit预取以及QDR技术之外，GDDR5X跟GDDR5相比还有一些小的不一样的地方。GDDR5的核心电压是1.35V，管脚电压是1.5V。GDDR5X的电压是统一的1.35V。封装也有些不一样，这使得针对新的显卡需要设计新的电路板，不过由于改动并不大，设计同时支持GDDR5和GDDR5X显存的电路板应该并不难。
根据之前的介绍我们知道，GDDR5X技术依然来源于DDR3内存接口技术，通过将预取由8bit提高到16bit，并且采用最新的QDR接口，每个时钟传输4bit数据，从而使得GDDR5X的性能高出上一代GDDR5显存43%的性能。意味着对于高清游戏可以支持更高的帧率，或者相同帧率下更高的清晰度。
比如对于1080P的高清游戏，如果采用GDDR5显存可以达到100帧的帧率，采用GDDR5X的显存则理论上可以达到140帧左右！而最近针对GTX1080的实测也显示，该显卡在1080P分辨率极限画质下，几乎所有游戏都能拥有平均100帧以上的表现，而4K分辨率下也能保证在30帧以上，这是以前的GTX980Ti根本达不到的性能。
而最新的测评，也证实了GTX1080超高的性能：
从测评结果来看，无论是4K综合表现还是1080P的综合表现，GTX1080的性能都高出GTX980 45%以上。当然了，除了显存接口的升级，其余的比如CUDA单元的增加，16nm Finfet工艺带来的能耗比的提高，核心频率的提高，以及最新的图像压缩技术，都大大提高了GTX1080的性能。
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