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| 本文作者： 龔黎明 | 2016-05-24 13:46 |
雷鋒網按：本文作者龔黎明，威盛電子高級芯片工程師。
2016年5月7日，NVIDIA發布了最新的基于帕斯卡架構，16nm Finfet工藝的GTX1080，72億晶體管，最新的架構，最新的工藝，高達1607MHz的核心頻率，更低的功耗，連帶著8GB GDDR5X高端顯存，單引腳高達10Gb/s的超高速率，使得GTX1080剛一推出就緊緊抓住了玩家們的眼球。
在NVIDIA給出的GTX1080白皮書中，介紹了其令人矚目的GDDR5X顯存技術。其高達10Gb/s的超高傳輸速率，著實讓人驚嘆。要知道，如此之高的傳輸速率，相鄰數據之間將只有0.1ns的時間間隙，這么短的時間里光速也只能傳3cm。而工程師必須設計精巧的電路使得在這么短的時間內，相鄰數據能夠區分開來，互不干擾，這其中涉及到的高速IO（INPUT/OUTPUT）接口設計和電路設計技術極其高深。
根據GDDR5X的JEDEC（即固態技術協，是微電子產業的領導標準機構）協議規范：
GDDR5X接口協議最大支持16Gb的單顆顯存芯片。而NVIDIA使用的是鎂光提供的8Gb GDDR5X，總共有8顆，總容量達到64Gb（8GB）。
GTX1080的顯卡位寬是256bit，其單根引腳就具有10Gb/s的超高傳輸速度，據此計算總帶寬達到了驚人的320GB/s，也就是說500G的硬盤進行全盤傳輸只需要不到2s！相比于上一代的GTX980單根引腳7Gb/s的GDDR5，總帶寬224GB/s的顯存性能，新一代顯存性能提高了43%左右，而這僅僅是從GDDR5變成了GDDR5X，多了一個“X”而已！
今天我們就來講講GDDR5X顯存技術，要想搞明白為什么多了一個“X”就能提高這么多，我們需要了解GDDR接口的原理。而要了解GDDR接口，就不得不提到DDR接口，也就是內存接口技術，因為GDDR接口正是由DDR內存接口演進而來！
DRAM(Dynamic Random Access Memory，即動態隨機存取存儲器，最為常見的系統內存）技術從1970年，Intel推出第一款1KB的內存開始，發展至今已經46年了。其前23年一直按部就班的提高容量與速度，直至1989年，DRAM的最大容量只有4MB。
由于采用異步控制，內存控制器的頻率被限制在50M以下，在當時這個速度是夠用的，因為1989年Intel的486 DX處理器主頻也只有33M。但是緊接著，沒幾年Intel就推出了奔騰CPU，然后與AMD展開了長達十幾年的頻率大戰。CPU頻率一路飆升，從133M Hz上升到2G Hz乃至以上。此時內存的速度就跟不上了，因此從1993年開始，推出了SDRAM的技術，簡稱同步DRAM，給內存引入了時鐘，并與CPU時鐘鎖定在一個頻率上，即是“同步”DRAM接口技術。
很快，2000年開始出現更強勁的DDR技術，緊接著DDR2，DDR3乃至如今最新的DDR4技術。
DDR技術的演進
我們今天要講的GDDR5X就是內存DDR3技術的演進分支。
GDDR技術的演進，HMC將是下一代技術
自從DDR技術推出以后，DRAM的頻率就開始一路飆升，下圖就給出了DRAM頻率的提升路線。從2005年DDR2的533M，到2013年，DDR4的2400M，短短8年，內存的頻率翻了4倍以上。
下表給出了各代DRAM技術參數的差別。可以看到隨著DRAM接口由SDRAM演化到DDR4，其工作電壓從3.3V一路下降到了1.2V，數據傳輸的速率，由SDRAM的100Mb/s提升到了DDR4的3200Mb/s。但是注意看，DRAM的核心頻率沒有絲毫提高，一直都是133M~200M，關于什么是核心頻率，以及為什么會這樣，我們一會兒會講。
需要指出的是，現代化的內存技術，更像是一門接口技術，而不像是存儲技術。得益于摩爾定律，隨著工藝尺寸的不斷縮進，DRAM的容量越做越大，這個并不難，但是如果沒有幾代DDR技術中不斷出現的倍頻高速接口，DRAM的速度基本沒有辦法提高。
其原因在于，DRAM作為一個大的存儲體，尤其是靠電容作為存儲的手段，其內部操作速度很難做到很高。電容的容量做得太小，內存讀寫的確可以變快，后果是漏電也會很快，需要不停的刷新防止數據丟失，內存的性能會受到影響。電容的容量做得太大，數據確實可以保存的很久，但是寫入和讀取的延時就會大大增加，DRAM的性能又會大大降低。
基于此，DRAM的內部存儲操作速度難以大幅度改進。即使DRAM接口pin做到了1066M，DRAM的存儲單元其實并沒有工作在1066M這么高的時鐘下面，相反只有133M，快的只是接口而已。就好像一個很粗的水管，里面的水流速其實并不快，但是只要我們把出口收窄，出口的水速就會大幅提高，遠遠高于水管內的水速。
在下圖給出的示例中，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，這幾代接口的核心頻率都是100M，也就是說，DRAM存儲單元的讀寫速度沒有絲毫提高。
這是怎么做到的？
核心技術點就在于：雙沿傳輸和預取
SDRAM是單沿傳輸的，核心頻率100M，沒有預取，所以接口頻率也是100M，接口速度還是100M。DDR1在核心頻率不變的情況下，采用2bit預取，并采用雙沿傳輸，使得接口頻率仍然只有100M情況下，接口速度達到了200M。DDR2和DDR3則進一步將預取增加到4bit和8bit，使得接口速度再次連續翻倍。最新的DDR4相比于DDR3，并沒有增加預取寬度。但是DDR4引入了bank group（塊分組）技術，該技術本質上還是變相增加了預取，提高DRAM內部并行度，使得DDR4的速度再次實現翻倍！
GDDR5技術是內存接口DDR3技術的衍生品，其預取為8bit，實現性能達到6Gb/s，超頻后可以達到7Gb/s。而GDDR5X則是在GDDR5基礎之上做了兩個變化：
將預取由8bit提高到16bit
引入QDR高速接口
我們之前講過，簡單粗暴的繼續增加預取，性能就可以大大提高。GDDR5X的第一個改變正是如此。通過將預取從8bit提高到16bit，GDDR5X獲得了極大的性能提高！
GDDR5X的另一個改進叫QDR（Quad Data Rate，是4倍數據倍率的意思）接口的引入，也就是說接口的每個時鐘可以傳輸4bit數據！我們知道SDRAM使用的是SDR接口，接口只有上升沿才傳輸數據。而DDR接口對此做了大幅提高，通過上升沿和下降沿同時傳輸速度，性能相比于SDR得以翻倍！而QDR則是每個時鐘傳輸4bit數據，性能相比于DDR再次翻倍！
當然了，GDDR5其實已經實現了等效的QDR接口，雖然并不是真正的QDR技術。以往GDDR1/2/3/4和DDR1/2/3的數據總線都是DDR技術(通過差分時鐘在上升沿和下降沿各傳輸一次數據)，接口頻率x2就是數據傳輸率，也就是通常我們所說的等效頻率。而GDDR5則不同，它有兩條數據總線，帶寬上相當于QDR技術，所以接口頻率x4才是數據傳輸率，因而GDDR5實現了超高頻率。
QDR技術這么厲害，大家可能首先想到的是需不需要一個比WCLK更快的時鐘來傳輸數據？答案是不需要。GDDR5X接口在實現的時候，利用WCLK加相位偏移，生成了4個同頻時鐘，WCLK_0，WCLK_1,WCLK_2,WCLK_3，每個時鐘有1/4周期的偏移。使用這4個時鐘的上升沿傳輸數據，這樣，就實現了相比于SDRAM x4的傳輸能力。
當然，為了生成這種高精度帶延時的時鐘，需要使用DLL（鎖相環）來鎖定時鐘的相位。下圖給出了使用DLL生成這4種各帶1/4相位偏移的時鐘：
除了之前提高的16bit預取以及QDR技術之外，GDDR5X跟GDDR5相比還有一些小的不一樣的地方。GDDR5的核心電壓是1.35V，管腳電壓是1.5V。GDDR5X的電壓是統一的1.35V。封裝也有些不一樣，這使得針對新的顯卡需要設計新的電路板，不過由于改動并不大，設計同時支持GDDR5和GDDR5X顯存的電路板應該并不難。
根據之前的介紹我們知道，GDDR5X技術依然來源于DDR3內存接口技術，通過將預取由8bit提高到16bit，并且采用最新的QDR接口，每個時鐘傳輸4bit數據，從而使得GDDR5X的性能高出上一代GDDR5顯存43%的性能。意味著對于高清游戲可以支持更高的幀率，或者相同幀率下更高的清晰度。
比如對于1080P的高清游戲，如果采用GDDR5顯存可以達到100幀的幀率，采用GDDR5X的顯存則理論上可以達到140幀左右！而最近針對GTX1080的實測也顯示，該顯卡在1080P分辨率極限畫質下，幾乎所有游戲都能擁有平均100幀以上的表現，而4K分辨率下也能保證在30幀以上，這是以前的GTX980Ti根本達不到的性能。
而最新的測評，也證實了GTX1080超高的性能：
從測評結果來看，無論是4K綜合表現還是1080P的綜合表現，GTX1080的性能都高出GTX980 45%以上。當然了，除了顯存接口的升級，其余的比如CUDA單元的增加，16nm Finfet工藝帶來的能耗比的提高，核心頻率的提高，以及最新的圖像壓縮技術，都大大提高了GTX1080的性能。
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