透视“48条像素流水线“的奥秘——深入分析Radeon X1900的像素渲染结构

2024-07-29 作者:

维普资讯

ｉａｍｚｙｃ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｒｎ　热点聚焦　　，新闻纵横　当ＡＴｉ最近推出Ｅａｄｅｏｎ　Ｘ１９００系列显卡核心（ＧＰＵ）之后，市场上便开始流行这样一种说法——“￣ａｄｅｏｎ　Ｘ１　９００ＸＴＸ　集成了４　８条像素渲染流水线”。这种说法正确吗？在目前的技术条件下，ＯＰＵ能集成这么多条渲染流水线吗？　●理解ＧＰＵ像素流水线的概念　在讨论显卡Ｇ　Ｐ　Ｕ的像素渲染流水线之前，我们想先让大家了解一下３　Ｄ游戏的制作　过程，这对于理解后续的像素渲染流水线慨念将有很大的帮助。事实上，３　Ｄ游戏初期的　开发就像制作一部电影：策划一剧本撰写一角色圈定等等，在确定主角的造型风格之后，　制作厂商将把原画交给３Ｄ建模部门。至此，３Ｄ工作正式开始，此时需要处理纹理，后　期混合等等，具体的工作内容就是构造顶点　几何变换（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）、光照（Ｌｉｇｈｔｉｎｇ）　（Ｒａｓｔｅｒｉｚｅ）等。　设定（Ｓｅｔｕｐ）、光栅化　对于传统的显　卡核心，以上的一些　【小知识ｌ　Ｖｅｒｔｅｘ　Ｓｈａｄｅｒ是流　水线中的吗　Ｖｅｒｔｅｘ　Ｓｈａｄｅｒ仅　工作全部由ＣＰＵ代　为执行。到了３　Ｄ时　代，．ＧＰＵ作为图形处　仅是顶点计算中特　效部分的指令榘处　理嚣，因此它并非　理单元开始承担更　多的工作，因此我们　是流据线中的一部　分。尽管我们经常　听到ＧＰＵ的Ｖｅｒｔｅｘ　Ｓｈ＆ｄｅｒ数量也与性能　有很大的关系，但　也开始接触纹理贴　图　像素渲染等慨　念。然而时至今日，　ＧＰＵ已经发展得更　是速的确与我们今　天所讨论的内容关　系不大　此外，Ｖｅｒｔｅｘ　为全面，几乎每一款　ＧＰＵ都内置了多条　渲染流水线。　不同时代对于　像素渲染的大致流程示意图　Ｓｈａｄｅｒ可以由ＣＰＵ来　模拟执行，因此我　们会看到很多集成　显卡只拥有Ｐｉ　Ｘ　ｅＩ　Ｓｈａｄｅｒ而没有Ｖｅｒｔｅｘ　Ｓｈａｄｅｒ。　Ｇ　Ｐ　Ｕ渲染流水线的定义不完全相同。如今我们对于一条渲染流水线的定义，一般是　“Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ（像素着色器单元）＋ＴＭＵ（Ｔｅｘｔｕｒｅ　Ｍａｐｐｉｎｇ　Ｕｎｉｔ　纹理单元）＋ＲＯＰ　（光栅化引擎。ＡＴｉ将其称为Ｒｅｎｄｅｒ　Ｂａｃｋ　Ｅｎｄ）”。从功能上简单的说，Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ完　成像素处理，ＴＭＵ负责纹理渲染，而ＲＯＰ则负责像素的最终输出。　因此，一条完整的ＧＰＵ像素渲染流水线，包括Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ　ＴＭＵ、ＲＯＰ三个部　分，这条流水线至少可以在一个时钟周期内完成１个Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ运算，输出１个纹理　和１个像素。　一２００　一ＪＪ　，、、　撼　盟—一　维普资讯

ｉａｍｚｙｃ＠ｇｍａｉｌ．Ｃｏｍ　●ＧＰＵ渲染流水线的发展趋势　“流水线＝Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ４一ＴＭＵ＋ＲＯＰ”，这一概　２．３Ｄ游戏现在时：追求像素渲染流水线　进人ＤｉｒｅｃｔＸ　９时代以后，Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ技术开始应用　念一直得到ＧＰＵ厂商的拥护。然而随着技术的发　展，３　Ｄ游戏开始有明显的取向性，此时这一平衡　得十分普遍，此时显卡能否提供更大的像素填充率成为关键　也自然被打破。从当年的Ｇ　ｅ　Ｆ　Ｏ　ｒ　ｃ　ｅ　４到如今的　因素。而要提升ＧＰＵ的像素填充率。除了提升核心工作频　Ｒａｄｅｏｎ　Ｘ１９００ＸＴＸ，我们通过对比这一发展过程将　率之外，增加ＧＰＵ内的像素渲染流水线的数量也是关键的　能很清楚地理解为什幺ＡＴｉ开始采用“４　８流水线　解决之道。　技术”。　１．ＤｉｒｅｃｔＸ　８时代：追求ＴＭｕ　如果大家了解Ｇ　Ｐ　Ｕ的发展史，一定会对　ＧｅＦ０　ｒｃｅ４　Ｔｉ４２　０　０这款产品记忆犹新　当时　ＧｅＦｏｒｃｅ４　Ｔｉ４２００也仅仅是一款４条流水线的显卡，　但是每条流水线却拥有２个ＴＭ　Ｕ纹理单元，因此　很多用户将其称为４　Ｘ　２架构，认为这已经等效于　８条像素渲染流水线的显卡。当然，这种说法不够　科学，只不过站在当时的时代背景还有些许道理。　在ＤｉｒｅｃｔＸ　８时代，３Ｄ游戏仅仅少量应用Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ特效，而且考虑到照顾ＤｉｒｅｃｔＸ　７游戏，因　此纹理填充依然是最关键的技术　通过茌一个流　水线中集成两个ＴＭＵ单元，ＧｅＦｏｒｃｅ４　Ｔｉ４２００取得　了很出色的性能表现，这也令其成为一代王者。同　样，Ｒａｄｅｏｎ　８５００也是相同的做法，即在一个流水　线中集成两个ＴＭＵ单元，使得只有４条像素渲染　流水线的显卡能够具备８个纹理填充单元。　不知道大家是不是还记得这样的说法：当时　我们将Ｒａｄｅｏｎ　９０００称为“阉割版　产品，之所以　这样说便是因为Ｒａｄｅｏｎ　９０００取消了双ＴＭＵ单元，　即一个流水线中只集成一个ＴＭＵ单元，因此其性　能下降得比较厉害。此外，当ｎＶＩＤＩＡ推出ＧｅＦｏｒｃｅ　ＦＸ５６００这款新一代ＤｉｒｅｃｔＸ　９显卡时，很多３Ｄ玩　家也发现其ＤｉｒｅｃｔＸ　８性能居然还不如ＧｅＦｏｒｃｅ４　Ｔｉ４２００，造成这一现象的关键也是ＴＭＵ单元，因　为ＧｅＦｏｒｃｅ　ＦＸ５６０Ｏ的一　条流水线中只有一个ＴＭＵ　单元。　按照常规的思路，在…条像素渲染流水线中，　Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ、ＴＭＵ以及ＲＯＰ的比例是１：１：ｌ。不　过，在ＤｉｒｅｃｔＸ　６到ＤｉｒｅｃｔＸ　８这个时代，由干当　时的游戏开发大量应用纹理贴图，因此当时那些　Ｐｉｘｅｌ　Ｓｔｌａｄｅｒ，ＴＭＵ、ＲＯＰ的比例是１：２：ｌ的显卡　产品，在其他技术参数差不多的情况下，其表现要　明显优于那些比例为ｌ：１：ｌ的产品——在那个时　代，纹理填充率是ＧＰＵ的主要性能瓶颈。　一——　２　当然，造成ＧＰ　Ｕ开始追求更多像素渲染流水线的因素　绝不仅仅是３Ｄ游戏普及化应用Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ，Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ　本身版本的提升也是一个重要原因。单流水线内置一条像素　渲染流水线在ＤｉｒｅｃｔＸ　８游戏横行的时代是比较合理的，因　为ＤｉｒｅｃｔＸ　８的Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ１．３允许的着色器程序比较短，　此时单流水线内的多个像素渲染流水线无法发挥并行工作的　优势。然而ＤｉｒｅｃｔＸ　９时代的Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ　２．０／３．０则全然　不同，更长的着色器程序指令让多个像素渲染流水线有了用　武之地。　当然，我们也并非单纯否定ＴＭＵ纹理填充单元的作用。　但是也应该清楚地意识到，随着纹理压缩以及Ｚ缓存技术的　不断成熟，再加上显存带宽越来越出色，ＴＭ　Ｕ逐渐摆脱了　性能瓶颈，此时自然也就无需在单流水线中集成多个ＴＭｕ　单元。而与此同时，ＲＯＰ也在数量上足以满足ＧＰＵ的需求，　因此也没有随着像素渲染流水线数量的递增而不断增长。　按照ＡＴｉ对于未来３Ｄ游戏技术的预测，今后像素渲染　将会越来越得到重用。在２００１年刚刚出现具备像素着色器的　显卡时，当时游戏的像素着色器程序中算术指令和纹理指令　数量的比例在１：１左右，打达以后．算术指令的数量呈显著　增加之势。在２００６年，游戏中每个像素的平均着色器程序指　令数目是３　０条，算术指令和纹理指令数量平均比率达到了　５：１，也就是ｉ兑现在的像素着色器程序中，平均每５条算术　指令才会出现一条贴图指令，而这样的算术指令数量急剧增　长趋势仍将继续保持下去。　４５　ｊ！　Ｉ　■　广］　Ｉ　‘　＿＿　Ｉ　２ｏ０１　２∞２　２００３　２∞４　２００５　２００６　ＹＮｒ　ＰｌｘｅｌＳｈａｄｅｒＩｎＳｔｒｕｃｔｉｏｎ　ＣｏｕｎｔｓＩｎ　ｐＣＧａｍｅ　№　根据Ａｌｌ的预测，像素与纹理的数量比例变化　一柏　∞　∞　西　置Ｉｄ　Ｌ置一－　占　兰鼍维普资讯

ｉａｍｚｙｃ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｒｎ　●ｘ　１　９００ＸＴＸ渲染流水线的特点　正是基于像素着色器程序中算术指令比重不断提高这一事实现状，ＡＴｉ开始　不遗余力地致力于提高像素渲染流水线数量。以Ｘ１９００ＸＴＸ为例，它拥有１６条真　正意义上的流水线，只不过Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ　ＴＭＵ以及ＲＯＰ的比例是３：１：１。因　【小知识】　为何不楗高ＲＯＰ数量　每一个像素在Ｐ　ｉ　Ｘ　ｅ　Ｉ　此，确切的说，Ｘ　１　９００ＸＴＸ具备４８个像素着色器单元，而不是４８条像素渲染流　水线。　ｘｌ　９００ＸＴＸ系列有　Ｓｈａｄｅｒ中需要的处理周期都随　着日后游戏以殪相关软件的　发展而大幅增加，在单周期　４８个Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ，而　内不一定会有待处理像素下　降到Ｒ０Ｐ单元。于是，考虑到　Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ与ｇＯＰ负载的平衡　性、核心制造工艺以厦整卡　ＴＭＵ和ＲＯＰ却只有１　６　个，因此这款ＧＰＵ核心　在一个周期内可以进行　４８次Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ运　的成本问题．新一代ＧＰＵ没有　再添加曼多的ｇ０Ｐ单元，而是　着重改善了ｇＯＰ处理算法以　殪增加ＴＡＡ模式下的超缱采　算。输出１　６个纹理和１　６　个像素。也就是说，　Ｘ　１　９　００ＸＴＸ在Ｐｉｘｅｌ　样和多重采样。此外，更多的　Ｒ，ＯＰ也需要更高的显存位宽　Ｓｈ　ａ　ｄ　ｅ　ｒ运算上等同于　来支持，目前显存位宽普遍　４　８流水线显卡，但在纹　ｘ１　９００ＸＴ的内部架构　在２５６ｈｉｔ，此时很难达到１　６个　以上的Ｒ，ＯＰ　理填充串和像素填充率上等同干１　６流水线显卡。虽说Ｘ　１　９００ＸＴＸ应该更趋向　于我们平时所说的１　６流水线显卡，但是今后的游戏更加注重Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ运算，　到时候其架构的优势就会显现出来。　●ｎＶ　Ｉ　Ｄ　Ｉ　Ａ：带给我们不一样的信息　ＡＴｉ并非是第一个在单流水线中集成多个像素渲染　Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ、ＴＭＵ以及ＲＯＰ的比例关系是３：３：２，也　单元的ＧＰＵ厂商，ｎＶＩＤＩＡ的行动甚至比之更早，而且　就是２４条像素渲染流水线、２４个ＴＭＵ纹理填充单元以　更加彻底。以目前ｎＶＩＤＩＡ的旗舰级产品ＧＴ０为例，其　及ｌ６个ＲＯＰ。　搭配了总共２４条Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ像素渲染流水线。更加　特别的是，Ｇ７０的Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ以４　ＵＮＩＴ为一束，大　家也可以直观地将其理解为６条流水线，而每条流水线　内具备４个Ｐｔｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ单元，这比ＡＴｉ　Ｒａｄｅｏｎ　Ｘ１９００ＸＴＸ的３个Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ单元更加夸张。　我们在此并不想评论这两种方式的优劣，但可以　肯定的是，ｎＶＩＤＩＡ和ＡＴｉ至少是在单流水线内集成多　个Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ单元这一点上达成了共识，这也是令人　欣喜的局面。正是有了这样一个变化，未来游戏将会更　加大胆地使用像素计算，此时也能展现出更加完美的画　面特效。然而另外有所区别的是：ｎＶＩＤＩＡ　Ｇ７０在追求　Ｐｉｘｅｌ　Ｓｈａｄｅｒ的同时并未抛弃ＴＭＵ纹理填充单元，其　ＧｅＦｏｒｃｅ　７８００　Ｇ＇ＴＸ的像素渲杂流水线架构的局部　附表：主流ＧＰＵ的像素渲染流水线构成　Ｇ　：　．　Ｄ　ｒ　Ｆ　＿　＿　ｆ｝・’’｜　Ｌ１　Ⅲ　Ｇｅｌ。ｒ　ｉ　０　ｒ　ｅ　，　Ｘ５５０　ｘ　Ｘ　鲫　｜　ｊ　Ｘ　ｒ　１儿０　蝎ｌ０¨　－３∞　Ｙ　Ｋｒｊ　×　蛐　毗　作　ｒ　１　椎ｎ＋　∞　，’　∞　叠ｉ　Ｊ∞。　７　：　Ｉ　Ｉ　７∞【　　。ｒ（ｉ　＾；¨１　。”　Ｉ　枉ｒ　．、　、　４・：　４　ｌ、　ｆｉ　４　。ｉ　Ⅳ　８　４　，　｜　Ｉ　．＇　ｊ　１　】　ｌ６　；０　Ｂ　Ｎ￣／４７　ｍ　１　０　７　　１‘７　博ｉ４　７　。Ｉ　４　ｌ　｛　・１　ｊ　Ｖ，ｌ：０　４　』　制０　８　Ｂ　０　１２，　－】“　０　４　“　．？　］４２０　ｍ　：‘　１　｝１　　ＩＲ‘∞　ｆ　Ｙ　・　０　　１４　ｌ∞　［Ｉ：）∞　嘶　　ｌ４　Ｅ　：０　ｒ‘　　，ｔ　Ｐ　。　８　４　Ｉ？　　ｌｊ　Ｈ　＾　ｆ）　６　ｌ　　‘丽　Ｌ一～