简单认识显卡

学习视频来自B站从零开始认识显卡https://www.bilibili.com/video/BV1xE421j7Uv这是你最近在玩的电脑游戏形态各异的建筑、细节丰富的车辆一切都很真实它们的本质其实是一个个不同位置的点这些顶点在空间中相互连成线形成无数个三角面再经过贴图、光照、着色等复杂的渲染过程最终形成了我们看到的精美画面从三角形的生成再到图像的输出其中每一个步骤都需要显卡作为电脑里晶体管数量最多的核心组件显卡有哪些结构又是如何工作的以ROG Strix RTX 4080猛禽为例。1.显卡的结构显卡外观显卡正面是散热风扇底部黄色长条是传输数据和PCIe 供电接口侧面是装饰用的 logo 和供电接口尾部是用来连接显示器的视频接口显卡通常会以侧插的形式安装在主板上此时风扇会朝向机箱底部视频接口则会出现在机箱尾部。显卡外接供电接口与电源连接以后可为显卡提供充足供电。大部分显卡都在使用8pin的PCIe供电接口能提供225W左右的供电高功耗显卡需要使用多个8pin才能满足要求。这张4080猛禽使用最新12V电压2×6接口单个接口便可提供高达600W供电这张显卡在满载时的功耗可以达到360W。华硕也设计出无需外接供电的背插显卡可以直接从主板取电安装以后会更加的简洁美观但要搭配特定的主板或者转接头才能使用散热模组显卡的散热模组占据了整张显卡90%的体积而最下面这张小小的电路板其实才是显卡的本体也是热量的来源。散热模组由风扇、鳍片、热管与均热板构成。散热模组的核心是热管热管的内壁是由粉末烧结成的多孔结构在制造成型后热管内部会填充少量的高纯水并被抽成真空以降低水的沸点和凝固点当热管的一侧接触到热源以后这一侧的水就会蒸发为水蒸气往压强更低的另一侧飘荡在温度更低的区域释放热量重新凝结成液态水而凝结的液滴会在毛细作用下沿着多孔的内壁回流达成气液循环实现热量的高效传导。为什么会有均热板为了提高导热效果大部分显卡会使用多根热管来传递热量但热管直接接触核心不仅会有空隙还会有热管无法接触到 GPU 芯片所以现代高端显卡一般会使用纯铜底包裹热管进行均热一些高端显卡会使用导热能力更强的均热板取代均热板可以理解为面积非常大的板状热管同样采用气液转换传递热量导热能力是纯铜底的数倍。为什么会有散热鳍片因为热管和均热板能提供的对流面积非常有限因此还需要搭配大量的铝制散热鳍片扩大散热面积最后通过风扇加强空气对流带走鳍片上的热量。现代显卡为了提高散热效果会采用贯穿式风道设计热量可以直接从背板的格栅处排出这张4080风扇还使用特殊设计中间风扇与左右两侧的风扇旋转方向不同保证风扇之间的气流方向相同从而更高效地排出热量并降低噪音。显卡主板显卡主板从外往里划分成四个部分接口、供电、显存以及GPU。GPU相当于显卡的大脑负责几乎所有的运算任务。GPU芯片主要英特尔、 AMD和英伟达3家厂商供应而我们熟知的华硕等 AIC 厂商主要完成的是电路板与散热的设计和生产。显卡电路板上的所有元器件都是为 GPU 服务的视频接口让显卡可以直接把运算好的图像发送给显示器显示这张4080猛禽搭载了两个 HDMI2.1和三个DP1.4接口不同的视频接口承载的分辨率和刷新率不同。PCIE接口让显卡能够通过主板、CPU、内存等其他元器件交互数据它的数据传输能力和版本以及规格有关比如这张4080显卡用的就是PCIE4.0×16接口在主板同样支持PCIE4.0的情况下单条4.0通道每秒可以传输2GB 的数据16条总共可以传输每秒32GB的数据。供电模块保证了显卡有充足的电力分配它们分布在GPU和显存的外围由PWM芯片、电容、电感和MOS管组成。电源会从右上方的供电接口输入12V的供电之后再由供电模块降压至1.1V与1.35V输送给GPU与显存这张 RTX 4080猛禽采用直出供电的设计一个MOS管和一个电感就是一个供电相总共有18相70A的GPU供电和3相50A的显存供电即使显卡满载运转也能提供持续稳定的电能。GPU周围黑色小方块就是显存高速运行的GPU需要把数据暂存在显存里4080猛禽使用的是最新的GDDR 6X 显存频率1400MHz每颗显存容量都是2GB位宽32bit8颗容量一共16GB位宽256bit。Bit比特‌计算机中最小的信息单位仅能表示二进制状态0或1。Byte字节‌由8个bit组成可存储一个英文字符或半个汉字是文件大小、内存容量的标准单位。‌‌显存的总带宽显存的总带宽是由频率、位宽和显存类型共同决定的显存频率代表一秒钟可以传输多少个周期位宽代表显存一次可以传输的数据量GDDR 6X显存每个周期内可以传输16倍的数据把它们相乘再把bit换算成 Byte以后就得到了716.8GB/每秒的总带宽代表显存每秒能传输的数据量一般来说游戏的分辨率越高贴图和模型越精致对显存容量和带宽的要求就越高‌。GPU的内部构造我们一般会用一张简化图来观察 GPU 结构主要由SM流式多处理器L2缓存、 NVENC视频编码器、 NVDEC 视频解码器显存控制器和PCIe控制器构成。其中SM流式多处理器占据了GPU 的大部分面积负责几乎所有的图形运算。显卡内部这颗AD103-301核心里一共有76组SM单元每组SM单元里包含128个流处理器总共76*1289728个流处理器英伟达把这些流处理器叫做CUDA核心显卡的流处理器数量越多频率越高性能就会越强。如果把每组SM类比成一个CPU核心那么这颗GPU就相当于一颗76核9728线程的处理器不过CPU核心就像经验丰富的数学家能处理更加复杂的任务而GPU核心更像是只会四则运算的小学生适合做简单的并行计算在AI模型的训练和推理3D游戏里的图形渲染都是需要这样大量简单计算的场景显卡核心的数量优势就比CPU核心的质量优势更加有效率。游戏画面到底是如何渲染的?空间中两个顶点可以连成一条线三个顶点能组成一个三角面千千万万个三角面就构成了一个精美的模型真实的物体还需要更多的色彩和细节所以还要给模型加上贴图在三维空间中每个模型都有自己的位置模型上所有的顶点都有对应的坐标而无数个带坐标的模型共同构成了这个世界。想要观察这个世界我们还需要一个虚拟摄像机只有位于摄像机视野范围内的模型才会被渲染出来同时这些模型相对于摄像机的位置也会被重新计算得到新的坐标值摄像机所捕获到的这些画面实际上是一个二维平面三维空间中的模型需要通过投影的方式映射到这个平面上最后我们需要将这个二维画面显示在由像素点构成的屏幕上。为了获得最终的渲染效果我们还需要对每个像素点的纹理光照和颜色等属性进行单独计算经过这一系列复杂的运算才能最终生成一帧在屏幕上显示的图像。显卡算力计算计算的过程中三角面的顶点坐标一般用32位的零和一来表示第一位为符号位中间八位为指数位后23位为尾数位我们把这个叫做 FP32单精度浮点数流畅的画面需要每秒30帧甚至60帧以上的图像而每一帧都需要大量精确的数学计算每秒钟能算的次数就是单精度浮点数算力可以用来衡量图形渲染的性能RTX 4080的GPU核心可以让9728个CUDA核心同时进行单精度浮点计算在2800MHz的频率下可以提供大约2800MHz9728254TFLOS 的单精度浮点算力意味着每秒钟能计算54万亿次。单精度浮点主要影响的是游戏图像的渲染性能在这颗4080的GPU核心中所有的CUDA都能计算单精度浮点数除了能计算单精度浮点数FP32之外同时向下兼容精度更低的半精度浮点数FP16但只有一半的CUDA能支持INT32的整数计算英伟达会把不同GPU支持的具体算例标注在官网上供大家查询。GPU的算力和架构有关架构是GPU的设计方案设计方案越先进相同算力下的图形渲染效率就越高比如 GTX 1660的GPU架构比GTX 980更先进虽然他们的FP32算力差不多但1660的游戏性能却明显更强所以 NVIDIA在官网标注算力的时候还会同时标注GPU的架构单精度浮点算力和架构共同决定了GPU的游戏性能。Tensor CORE张量核心现在的GPU还承担了许多AI相关的任务在CUDA核心的右边是第四代Tensor CORE张量核心它非常适合做AI相关的深度学习计算所有的Tensor CORE一共可以提供780 AI tops的算力比如说现在的 AI 绘图软件就可以调用Tensor CORE生成图片的速度远比纯CUDA要快很多游戏里的DLSS功能同样可以调用Tensor CORE用更低的分辨率渲染再通过AI采样到更高的分辨率从而提升游戏的流畅度。逼真的游戏画面还离不开真实的光照效果而光线的反射和折射需要庞大的算力这张4080的核心中每组SM里都有一颗第三代RT CORE光线追踪核心专门用来加速光照和反射的计算一共可以提供113RT-TFLOS的光追算力光线追踪可以明显提升画质但也非常的吃性能如果用的是低端显卡开了光追以后就可能很卡顿只有性能更强的高端显卡才适合开启光线追踪。在 SM 单元之外还有很多其他的单元视频解码器让显卡能把0101的数据转换成连续播放的视频画面解码器性能过弱就可能在播放视频时出现卡顿、掉帧。视频编码器可以让你把拍摄到的视频数据以新的编码方式压缩成期望的格式和大小编码器性能过弱则会在剪辑视频导出时浪费过多的时间。显存控制器让GPU和显存得以顺利交互数据。PCIe控制器让显卡能和主板上的CPU、内存、硬盘等其他元器件交互数据。除开上述内容显卡的电路板上还有很多其他的附属芯片和接口它们共同协作让显卡得以顺利运行。如何选择适合自己的显卡?挑选一张显卡的顺序大概可以按照性能需求、GPU型号、AIC品牌、实际产品这四个步骤来考虑性能需求可以借助timespy天梯图做参考在各个网站里你都可以搜到它将显卡的跑分从高到低依次排列虽然跑分和实际的游戏性能会略有差异但是一个非常值得参考的数据。在天梯图里盲选一张显卡然后搜索他的评测类节目就可以大概知晓这张显卡是否符合预期要求再使用淘宝第三方店作为价格参考如果觉得超出预算就在天梯图里往下找如果觉得性能不太满足要求那么就往上找多看几张显卡的性能评测与价格平衡一下预算和性能需求该选择什么型号的GPU就非常清晰。确定好GPU型号以后网上一搜就会发现虽然都是4070却有着各种各样不同型号、不同品牌的显卡不免让小白们犯难这里我们其实可以剥离成两部分来看一部分是品牌另一部分是品牌内部的子型号由于 AIC 品牌只完成电路板和散热模块的设计与生产所以在确定了GPU型号是4070以后各个品牌之间的性能差距不会非常的大不同品牌之间的差异主要集中在外观、散热、噪音、做工、用料售后以及特色功能上这些也往往和各家品牌内部的子型号挂钩这是目前市面上通过了官方认证的主流 AIC厂商通常来讲我们会更建议小白选择例如华硕这样的一线大厂他们的全自动化制程技术不仅在品控上更有保障大品牌在售后服务上也会更加完善如果你看中的品牌不在这个表里那建议谨慎考虑在品牌内部也划分有子型号虽然GPU型号相同性能差距也不大但这些子型号往往决定了显卡的用料水平高端产品线往往具有更强大的供电、更好的散热、更低的噪音更好的超频空间以及更拉风、更炫酷的外观但通常也会更贵低端产品线可能在散热、噪音、用料以及外观上相较于旗舰产品会欠缺一些但它的价格也相对便宜适合那些追求性价比的用户到底是选择更贵的旗舰还是选择性价比高的主流产品还是要根据自己的钱包、喜好的外观对噪音和温度的接受程度以及是否要超频来决定。