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南岛看点：Graphics Core Next架构概览

反反复复传闻了数月之久，Graphics Core Next（简称GCN）架构终于伴随着Radeon HD 7000系列的到来正式浮出水面，它不仅是AMD数年以来真正的全新图形架构，也是Radeon HD 7000最为精华的部分。所以我们先从这里说起，看看GCN架构在宏观和底层上有哪些特点，以及全新的矢量单元、计算单元、缓存设计、增强曲面细分等等。

事情还要回到去年6月份的AMD Fusion开发者峰会上，AMD首席技术官兼图形业务执行副总裁Eric Demers登台演讲，其中着重提到了AMD的“真正全新下一代图形架构（Graphics Core Next）”，除了传统图形架构的变革还将通用计算上升到战略高度，也就意味着Radeon HD 2000（R600）之后AMD数代产品沿袭已久的VLIW架构将会大规模革新。

此时，我们以为这不过是AMD对未来自家GPU架构的展望和规划而已，谁知仅仅半年之后，GCN就已经来到我们眼前了。

由于当时缺乏开发代号，全新的图形架构目前被称作Graphics Core Next（后来就被沿用了下来）。按照AMD当时的说法，Graphics Core Next是AMD未来GPU架构的基础，包括所有桌面独立显卡以及APU融合的集成显卡。新架构将会以未来市场需求为导向，最大化的发挥GPU的功能，这也是自R600以来，AMD图形架构最大规模的一次变革。

按照AMD GPU架构进化的历史可以大概分为三个阶段：1、最早期的固定功能渲染；2、简单的编程；3、现代图形并行核心。第三个阶段是AMD现代GPU统一渲染架构的演化过程，经历了VLIW5、VLIW到目前GCN三种方案。

在最新的GCN架构中，传统的图形性能表现和特性发展依然占据很重要的地位，不过GPU的计算能力将会得到前所未有的增强。从某种意义上来讲，后者一致是A卡的一个软肋，再加上近年来NVIDIA不断提倡GPU通用计算的理念逐步深入人心，所以新架构的计算能力将成为改革的重点。

当然，AMD也强调了新架构会找到图形和计算性能之间的最佳平衡点，图形和计算架构并不是单独进化，而是隶属于更大的体系Fusion系统架构的一部分，也就意味着今后GPU、CPU会联系得越来越紧密，协同加速。事实上，经过多年的发展，尤其是统一渲染架构出现以后，GPU的用途不再仅仅是图形处理，并行计算能力被不断挖掘，在应付某些高负载并行处理任务的时候更像是一颗广义的CPU。所以以长远的目光来看看，新架构的改变也与AMD倡导的异构计算理念相符。

限于篇幅，有关GCN架构的出现背景以及AMD以往VLIW架构缺陷的详细分析这里不再过多深入介绍，有兴趣的读者可以参看我们之前的文章。接下来我们将直接从核心架构的设计方式切入，看看GCN到底有哪些独到之处。

Tahiti核心架构图

从AMD官方提供的Tahiti核心架构图来看，无论是流处理器的设计方式还是图形引擎的安排都发生了不小变化。当然，这种变化也不是“面目全非”，部分功能模块上我们还是能够看到AMD以往GPU架构的影子，比如UVD、Crossfire Compositor、Eyefinity Controller等等。

最上方可以看到指令处理器、两个异步计算引擎(ACE)、两个几何引擎、两个光栅器、全局数据共享(可读写)等等；中间占据核心位置的就是GCN架构的一组组流处理器，分成32个计算单元(CU)，左右两侧分布着渲染后端(ROP单元)和一级、二级缓存；下方是6个64-bit双通道显存控制器，总计384-bit；最右侧通过Hub与核心相连的是各个扩展功能模块，包括PCI-E 3.0控制器、视频编码引擎(VCE)、UVD解码引擎、CrossFire交火合成器、Eyefinity控制器等等。以上重点部分，下面将分别进行介绍。

Tahiti图形引擎模块设计

Cayman图形引擎模块设计

与目前的Cayman类似，指令处理器（Command Processor）位于新架构的顶层，负责整个GPU组件单元执行任务的调遣（功能与传统架构中的GCP基本相同）。往下依然是双图形引擎（Graphics Engine）设计，双几何着色指令分配器（Geometry Assembler）以及双顶点着色指令分配器（Vertex Assembler），光栅器（Rasterizer）也是双份设计，两个曲面细分单元（Tessellator Gen 9）提升到第九代，整体来说和Cayman差别不大。

另外，一个不是特别起眼但意义重大的变化是，图形引擎上方增加了两个异步计算引擎（Asynchronous Compute Engines，ACE），主要作用就是接受任务并将其下遣分配给CU处理（主要是分配的过程）。全新架构强化了多任务的并行处理设计，一个GPU中将会看到多个ACE用于多重并发操作，例如资源分配、上下文切换以及任务优先级决策等等。由于AMD目前尚未明确指出各个ACE之间的直接关系以及可以最多并行处理任务的数量，所以我们也不好做出猜测。

不过可以确定的是，有了ACE的直接作用就是新架构拥有了一定程度的乱序执行能力。虽然严格意义上新架构依然是顺序执行架构，一个完整线程组中的指令执行顺序不能被打乱，但是ACE可以做到对不同的任务进行优化和排序，划分任务执行的优先级别，进而优化资源。从本质上来说，这与很多CPU（比如Atom、ARM A8等等）处理多任务的方式并没有什么不同。所以，ACE加入之后，通用计算时的指令分配将更加有序，效率更高。