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yalefield金蟲 (文壇精英)
老漢一枚
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【分享】GPU為什么跑得快 [轉(zhuǎn)載]
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去年底、今年初，老漢有兩篇關(guān)于GPU的帖子。 GPU文獻(xiàn)1篇：http://www.gaoyang168.com/bbs/viewthread.php?tid=702923 談?wù)凣PU吧：http://www.gaoyang168.com/bbs/viewthread.php?tid=672463 這里再轉(zhuǎn)載一篇： 作者：佚名 計(jì)算機(jī)能以每秒數(shù)十幀的速率，根據(jù)當(dāng)前的三維景物實(shí)時(shí)生成三維動(dòng)畫。你所看到的圖像會(huì)隨著你視點(diǎn)的變化而即時(shí)改變，使人產(chǎn)生“身臨其境”的感覺(jué)。高的幀率可以得到更流暢的畫面。一般來(lái)說(shuō)30fps就是可以接受的，但是將幀速增加至60fps則可以明顯提升交互感。這與計(jì)算機(jī)影視制作不同，電影特效可以通過(guò)很多臺(tái)工作站，花幾十個(gè)小時(shí)繪制出長(zhǎng)度僅為幾秒的高質(zhì)量畫面，并不強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性。 渲染一個(gè)復(fù)雜的三維場(chǎng)景，需要在一秒內(nèi)處理幾千萬(wàn)個(gè)三角形頂點(diǎn)和光柵化幾十億的像素。早期的3D游戲，顯卡只是為屏幕上顯示像素提供一個(gè)緩存，所有的圖形處理都是由CPU單獨(dú)完成。 圖形渲染適合并行處理，擅長(zhǎng)于執(zhí)行串行工作的CPU實(shí)際上難以勝任這項(xiàng)任務(wù)。所以，那時(shí)在PC上實(shí)時(shí)生成的三維圖像都很粗糙。不過(guò)在某種意義上，當(dāng)時(shí)的圖形繪制倒是完全可編程的，只是由CPU來(lái)?yè)?dān)綱此項(xiàng)重任，速度上實(shí)在是達(dá)不到要求。 直到1995年，PC機(jī)領(lǐng)域第一款GPU (Graphical Processing Unit) 3dfx Voodoo出來(lái)以后，游戲的速度、畫質(zhì)才取得了一個(gè)飛躍。 3dfx Voodoo有兩個(gè)主要的特征：深度緩沖區(qū)(z-buffer)和紋理映射（texture mapping）。z-buffer執(zhí)行“隱藏面消除”這一工作，這樣可以避免渲染“不可視”的無(wú)效像素。利用紋理映射功能則可以十分逼真地表達(dá)物體表面細(xì)節(jié)。 1999年，第二代GPU (Nvidia GeForce256,GeForce 2和ATI Radeon 7500)包括了圖形的幾何變換與光照計(jì)算功能(T&L)。而在此之前T&L都是由CPU完成的，這對(duì)CPU來(lái)說(shuō)是很復(fù)雜的計(jì)算。 第二代GPU解決了系統(tǒng)的一個(gè)瓶頸，減輕了CPU的負(fù)荷，速度明顯提高了。但是由于是固定的渲染流水線，缺乏靈活性，束縛了開發(fā)人員的創(chuàng)造性。 2001年，NIVIDA公司的GeForce 3首先引入了可編程的頂點(diǎn)著色器（Vertex Shader）單元。 2002年，可編程的像素著色器(Pixel Shader)單元也加入了GPU (見(jiàn)圖1)。 在繪制時(shí)，GPU首先接收CPU以三角形頂點(diǎn)形式的發(fā)送的幾何數(shù)據(jù)。然后由可編程的頂點(diǎn)著色器單元進(jìn)行處理，完成幾何變換與頂點(diǎn)屬性計(jì)算等功能。接著，這些三維空間的三角形由一個(gè)固定功能的光柵生成器轉(zhuǎn)換為二維屏幕上的像素。每個(gè)像素的最終顏色值都通過(guò)運(yùn)行在像素著色器上的小程序運(yùn)算而得。目前三維游戲借助于GPU，已經(jīng)能夠?qū)崟r(shí)生成十分細(xì)膩、逼真的畫面。 [ Last edited by xuefei06 on 2008-12-30 at 00:03 ] |
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8樓2008-12-30 13:12:12
yalefield
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GPU的功能更新很迅速,平均每一年多便有新一代的GPU誕生，運(yùn)算速度也越來(lái)越快。 2004年推出的GPU Nvidia GeForce 6800 Ultra可達(dá)到峰值40 Gigaflops( 1 GigaFLOPS＝1秒鐘進(jìn)行10億次的浮點(diǎn)運(yùn)算) 2005年發(fā)布的 Nvidia GeForce 7800 GTX更是將峰值提高至令人驚訝的169 Gigaflops。而Intel 3GHz Pentium 4采用SSE指令集也只能達(dá)到6 Gigaflops（見(jiàn)圖2）。 GPU的運(yùn)算速度如此之快，主要得益于GPU是對(duì)圖形實(shí)時(shí)渲染量身定制的，具有兩點(diǎn)主要特征：超長(zhǎng)流水線與并行計(jì)算。 GPU、CPU浮點(diǎn)運(yùn)算速度對(duì)比圖： |
2樓2008-04-26 02:26:48
yalefield
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流水線技術(shù)與工廠里的裝配線在原理上類似。 如果裝配一臺(tái)汽車需要10個(gè)時(shí)間單元，將它分成10個(gè)流水線階段，每個(gè)階段分配一個(gè)時(shí)間單元，那么一條裝配線每一個(gè)時(shí)間單元就可以生產(chǎn)一輛汽車。顯然流水線模式的生產(chǎn)在理想狀況下要比串行方式快了十倍。 從這個(gè)例子中，可以看出為了提高流水線的速度，可以將任務(wù)劃分成更小的單元，這樣流水線的級(jí)數(shù)就增加了。CPU的設(shè)計(jì)中就使用了流水線原理，奔騰IV就有20級(jí)的流水線。但是流水線級(jí)數(shù)越多，一條指令從開始進(jìn)入流水線到最后被執(zhí)行完畢這之間的延遲間隔會(huì)相當(dāng)大。換句話說(shuō),當(dāng)流水線級(jí)數(shù)過(guò)多時(shí)，控制臺(tái)發(fā)出一條指令，會(huì)經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)真正生效，這不適用于快速反應(yīng)要求很高的場(chǎng)合。 打個(gè)比方，當(dāng)用消防水龍頭救火時(shí),正常情況下打開閥門開關(guān)幾秒后水便噴射出來(lái)，立刻可用來(lái)?yè)錅缁馂?zāi)。但是如果延遲了十幾分鐘，才有水流出，即使這時(shí)水流速度(吞吐量)還是很快，不過(guò)這時(shí)火災(zāi)就會(huì)造成更大的損失了。 CPU的設(shè)計(jì)目標(biāo)是不僅要有很高的吞吐量，還要求很小的延遲，這是CPU并不采用過(guò)多流水線級(jí)數(shù)的原因之一。另外流水線只有在滿載時(shí)，才能發(fā)揮出最佳效率來(lái)。由于CPU執(zhí)行的代碼中有很多分支語(yǔ)句，因此長(zhǎng)流水線需要用有效的技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)分支，盡量保持流水線在滿負(fù)荷狀態(tài)。但是一旦預(yù)測(cè)分支失敗，就會(huì)清除流水線中滯留的大量無(wú)用指令，同時(shí)將新指令流重新注入流水線。但是如果流水線階段過(guò)多的話，充滿整個(gè)流水線就需要很長(zhǎng)的時(shí)間，這樣使流水線保持滿載的機(jī)會(huì)不多，速度反而下降了。所以權(quán)衡利弊，CPU不會(huì)使用深度流水線。 但是GPU卻采用了幾百級(jí)的流水線，比如GeForce 3的流水線有800個(gè)階段。 是什么原因，GPU的應(yīng)用為何可以忍受這么大的延遲呢？假設(shè)以每秒50幀的速率顯示畫面，那么只要求每幀在20ms以內(nèi)生成就行。而GeForce 3的時(shí)鐘頻率是200MHz（每個(gè)時(shí)鐘周期是5ns）,5ns * 800 = 4μs < 20ms。所以對(duì)GPU來(lái)說(shuō)這一些延遲根本不成問(wèn)題，而且GPU中執(zhí)行的Shader程序中，分支語(yǔ)句用的很少（在早期的GPU中，甚至不提供動(dòng)態(tài)的分支語(yǔ)句）。因此，GPU的流水線深度變大后，利大于弊，大大提升了整體性能。 GPU的執(zhí)行速度很快，但是當(dāng)運(yùn)行從內(nèi)存中獲取紋理數(shù)據(jù)這樣的指令時(shí)（由于內(nèi)存訪問(wèn)是瓶頸，此操作比較緩慢），整個(gè)流水線便出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間停頓。在CPU內(nèi)部，使用多級(jí)Cache來(lái)提高訪問(wèn)內(nèi)存的速度。GPU中也使用Cache，不過(guò)Cache命中率不高，只用Cache解決不了這個(gè)問(wèn)題。所以，為了保持流水線保持忙碌，GPU的設(shè)計(jì)者使用了多線程機(jī)制(multi-threading),見(jiàn)圖3。 當(dāng)像素著色器針對(duì)某個(gè)像素的線程A遇到存取紋理的指令時(shí)，GPU會(huì)馬上切換到另外一個(gè)線程B，對(duì)另一個(gè)像素進(jìn)行處理。等到紋理從內(nèi)存中取回時(shí)，可再切換到線程A。但是使用這種方法有一個(gè)前提，線程A與線程B沒(méi)有數(shù)據(jù)依賴性,也就是說(shuō)兩線程之間無(wú)需通訊。如果線程B需要線程A提供某些數(shù)據(jù)，那么即使切換到線程B，線程B仍是無(wú)法運(yùn)行，流水線還是處于空閑狀態(tài)。不過(guò)幸運(yùn)的是，圖形渲染本質(zhì)上是一個(gè)并行任務(wù)。 無(wú)論是CPU送給GPU的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，還是GPU光柵生成器產(chǎn)生的像素?cái)?shù)據(jù)都是互不相關(guān)的，可以并行地獨(dú)立處理。而且頂點(diǎn)數(shù)據(jù)（xyzw），像素?cái)?shù)據(jù)（RGBA）一般都用四元數(shù)表示，適合于并行計(jì)算。在GPU中專門設(shè)置了SIMD指令來(lái)處理向量，一次可同時(shí)處理四路數(shù)據(jù)。SIMD指令使用起來(lái)非常簡(jiǎn)潔，可以看一個(gè)頂點(diǎn)矩陣變換的例子（見(jiàn)下代碼）。此外，紋理片要么只能讀取，要么只能寫入，不允許可讀可寫，從而解決了存貯器訪問(wèn)的讀寫沖突。GPU這種對(duì)內(nèi)存使用的約束也進(jìn)一步保證了并行處理的順利完成。 GPU中的多線程機(jī)制： |
3樓2008-04-26 02:29:26
yalefield
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為了進(jìn)一步提高并行度，可以增加流水線的條數(shù)。 在GeForce 6800 Ultra中，有多達(dá)16組像素著色器流水線， 6組頂點(diǎn)著色器流水線。多條流水線可以在單一控制部件的集中控制下運(yùn)行，也可以獨(dú)立運(yùn)行。在單指令多數(shù)據(jù)流（SIMD）的結(jié)構(gòu)中，單一控制部件向每條流水線分派指令，同樣的指令被所有處理部件同時(shí)執(zhí)行。 另外一種控制結(jié)構(gòu)是多指令多數(shù)據(jù)流（MIMD），每條流水線都能夠獨(dú)立于其他流水線執(zhí)行不同的程序。GeForce 6800 Ultra的頂點(diǎn)著色器流水線使用MIMD方式控制，像素著色器流水線使用SIMD結(jié)構(gòu)。MIMD能比較有效率地執(zhí)行分支程序，而SIMD體系結(jié)構(gòu)運(yùn)行條件語(yǔ)句時(shí)會(huì)造成很低的資源利用率。不過(guò)SIMD需要硬件少，這是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。 CPU中大部分晶體管主要用于構(gòu)建控制電路（象分支預(yù)測(cè)等）和Cache，只有少部分的晶體管來(lái)完成實(shí)際的運(yùn)算工作。而GPU的控制相對(duì)簡(jiǎn)單，而且對(duì)Cache的需求小，所以大部分晶體管可以組成各類專用電路、多條流水線，使得GPU的計(jì)算速度有了突破性的飛躍，擁有了驚人的處理浮點(diǎn)運(yùn)算的能力。 現(xiàn)在CPU的技術(shù)進(jìn)步正在慢于摩爾定律，而GPU（視頻卡上的圖形處理器）的運(yùn)行速度已超過(guò)摩爾定律，每6個(gè)月其性能加倍。 雖然GPU最初專門是為圖形渲染設(shè)計(jì)的，但是GPU還可以有效地執(zhí)行多種通用計(jì)算，從線性代數(shù)和信號(hào)處理到數(shù)值仿真等等。有的專家甚至認(rèn)為GPU將進(jìn)入計(jì)算的主流。過(guò)去，學(xué)生們?cè)谡n堂學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)時(shí)，聽(tīng)老師講解各類并行計(jì)算機(jī)時(shí)，仿佛覺(jué)得這些東西都是科學(xué)家才使用的尖端產(chǎn)品�？捎趾卧氲�,現(xiàn)在并行計(jì)算機(jī)(GPU) 就在我們的普通PC電腦內(nèi),觸手可及。 主要參考文獻(xiàn)： [ Last edited by yalefield on 2008-4-26 at 02:37 ] |
4樓2008-04-26 02:31:52
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