NVIDIA Tegra K1技术详解

　　NVIDIA在2013年的CES上召开了自己的专场发布会，发布了Tegra 4 SoC芯片。时间过去了一年，NVIDIA又在CES2014的的专场发布会中发布了全新的Tegra Kl SoC芯片。如果说Tegra 4在2013年的表现的确不够亮眼的话，那么新的Tegra K1会怎么样？这颗被人寄予厚望的产品，能带来NVIDIA又一次新的崛起吗？

　　2014年1月6日，NVIDIA在CES 2014上发布了全新的Tegra K-I处理器。这次发布会上令人震撼的消息主要有两个：首先是NVIDIA在移动平台全面引入了来自于桌面GPU的架构和技术特性，使得移动平台的图形性能、功能向前大幅度跃进。其次是NVIDIA首次公开了秘密研发多年的“丹佛计划”，并将“丹佛计划”的具体成果使用在了Tegra K1中。除此之外，TegraK1还在CPU核心、ISP设计以及节能设计等方面有独特之处。

　　令人惊讶的图形性能-Tegra K1初窥

　　根据NVIDIA在发布会上的信息，Tegra K-I将有两个版本：已经发布上市的版本采用了四核心CortexA1 5的CPU搭配1 92个CUDA Core的开普勒架构GPU、以及其他～些功能性核心共同组成Tegra Kl SoC。此外，NVIDIA还将在2014年中期发布基于ARM 64位丹佛核心、也同样搭配192个CUDA Core的另一个版本Tegra K1。有关这两个版本核心的具体消息，本文将会做出详细的介绍，这里先来看看大家喜闻乐见的性能比拼。

　　虽然目前没有厂商宣称已经有Tegra K1的实际产品上市，但在CES2014上，联想新发布的ThinkVision 28 4K显示器搭配了‘ARM SoC芯片和安卓操作系统（也就是可以化身为特大号平板电脑的显示器），结果外媒记者不小心发现这款显示器使用的竟然是一颗频率较低的Tegra K1。经过简单测试，Tegra K1早期版本的部分性能也大白于天下。

　　由于时间有限，外媒的测试只包含了3DMark、GFXBench 2.7、安兔兔三个项目。在3DMark的测试中，Tegra K1的总分达到了22285分，超越高通骁龙800 30.5%、超越Tegra 4 34%，超越苹果A7处理器53.6%。在图形部分，Tegra K-I的成绩达到了24927分，超越高通骁龙800的Adren0 33038.8%、超越Tegra 4 45.g%、超越苹果A7 3-1%。在3DMark酌物理测试得到的CPU性能方面，Tegra K1的3DMark Physics成绩达到了1 6299分，超越高通骁龙800 -10.7%、超越Tegra 4 8.7%、更是达到了苹果A7的205%。GFXbench测试中，Tegra K1在公平的Offscreen模式下，平均帧数达到了48帧，远远高出苹果A7的27帧、骁龙800的23帧和Tegra 4的20帧。不过在安兔兔测试中，Tegra K1由于系统、测试软件版本等问题，总成绩甚至没有超越Tegra 4，失去了比较意义。由于测试样机的原因，Tegra K-I在这次测试中的频率只有2.OGHz，并未达到之前宣传的2.3GHz。不过即使如此，Tegra K1的性能还是出乎人们的预料。从GFXBench的数据来看，Tegra K1的GPU性能甚至达到了目前高通骁龙800的两倍以上，这是非常惊人的胜出幅度。

　　除了上述测试外，另一家媒体也得到了TegraK1的测试成绩。他们依1日使用了GFXBench 2.7作为对比，不过对比的产品直接标明了图形核心名称：分别是拥有384个流处理器的NVIDIA GeForceGT 740M(GK107核心，开普勒架构)、Intel HDGraphics 4400相Intel HD Graphics 4200（就是Haswell处理器中集成的显卡）、PowerVRG6430(来自苹果A7)、Adren0 330(来自骁龙800)、GeForceURL(来自Tegra 4的72个图形核心)。测试表明，在-1920 x1080分辨率下，Tegra K-I大约能跑出60帧的成绩，性能是GT 740M1 12帧的大约一半，基本上和Intel HD Graphics 4400的57帧持平，明显超出Intel HD Graphics 4200的47帧，更远超PowerVRG6430的27帧、Adren0 330的24帧和Tegra 4的16帧。

　　总体来看，这两家的性能测试结果基本吻合，对Tegra K1的性能判断也应该都是真实的，其强大的图形性能令人侧目。这还不算完，NVIDIA表示在压力更大、负荷更重的GFXBench 3.0中，Tegra K1可以达到苹果A7性能的最高三倍。那么，为什么Tegra K1的性能尤其是图形性能如此强大呢？

　　开普勒进驻：强悍图形核心

　　说到Tegra K1的图形性能，就不得不提起NVIDIA强大的桌面GPU架构——开普勒(Kepler)了。作为老牌的视觉计算厂商，NVIDIA的招牌产品就是GPU。桌面市场上，NVIDIA从Fermi时代后开始转向重视GPU的每瓦特性能．开普勒架构的GPU产品是NVIDIA在每瓦特性能上的—次突破。

　　开普勒进驻Tegra

　　在之前的Tegra产品上，NVIDIA并没有使用和桌面产品相同的GPU架构，而是采用了老1日的、源自NV40时代以及NVIDIA收购的芬兰公司Hybrid Graphics所提出的混合架构。这个架构的优势在于在当时的情况下，能够提供非常不错的每瓦特性能和每晶体管性能，但是随着技术进步，老架构的问题也逐渐凸显，比如技术支持不够先进，规格落后较多，尤其是在Tegra 4上，竟然无法提供对OpenGL ES 3.0的完整支持——虽然Tegra 4已经支持了部分OpenGL ES 3.0中的关键性技术，但在快速发展的移动图形技术面前，无法完整支持OpenGL ES 3.0不但显得颇为落后，而且很难满足NVIDIA Tegra系列顶级移动SoC的定位。因此，NVIDIA很早就宣称自己肯定会将桌面GPU的技术带到移动平台来。

　　终于，在Tegra K1上，NVIDIA将完整的一颗开普勒SMX单元纳入了SoC中。其中包括了整个多形体引擎部分（完整支持顶点拾取、曲面细分等功能）、流处理器部分、特殊运算单元、线程调度、L2缓存、纹理模块等全部SMX肉容。其他方面，NVIDIA为Tegra K1配备了4个ROP单元和8个纹理单元。L2缓存更是一步到位增加到128KB，基本满足现代GPU计算的需求。总的来说，通过上述步骤，NVIDIA实现了在ARM SoC上从之前老1日的分离式渲染架构到目前先进的开普勒架构的跃进。此外，由于有了完整的一个开普勒核心，因此Tegra K1获得了GPU部分的单精度和双精度计算能力；不过双精度计算能力由于缺乏相关的单元（和GK104-样），其速度是单精度计算能力的1/24。

　　目前的Tegra K1支持规格是所有ARM SoC中最为先进、齐全的。其规格完全支持诸如OpenGL 4.4、OpenGL ES 3.0、DirectX 11、OpenCL l.2、CUDA 6.0以及移动GPU中常见的ASTC、ETC、DXT等多种纹理压缩格式。相比前代产品Tegra4，Tegra K1真正做到了规格和性能上的大跃进。

　　为了证明自己GPU强大的规格以及惊人的性能，NVIDIA在发布会和会后多次展示了由Tegra K1带来的实时渲染DEMO。其中包含了在开普勒发布时展示的人头DEMO，主要展示了皮肤模拟、表情模拟以及曲面细分技术，此外还有基于计算渲染的全局光照技术、Unreal Engine 4基于Tegra K1的多个DEMO等。从这些DEMO的演示效果来看，Tegra K-I本身的性能和所能呈现的图形画面足令人震撼的，基本上超越了目前所有主流SoC至少一个世代。在PC平台上几乎所有的特效都可以在Tegra K1上呈现，虽然由于Tegra K1本身性能问题、部分DEMO缩减了特效，整体效果无法做得很完美，但至少Tegra K1在图形部分的跨越性和颠覆性毋庸置疑。

　　在Tegra K1发布时，NVIDIA还抛出了一份对比，宣称TegraK1的浮点计算能力高达365GFLOPS，已经远远超越了PS3和XBox 360。虽然这样的对比有吸引眼球的意味在内，但是不得不说，Tegra K1的具体性能还是非常令人满意的。目前一些消息称部分PC游戏在经过简单的处理后，就能直接运行在Tegra K1上，效果甚至不亚于PC平台。考虑到目前有多家厂商宣布基于Tegra 4的游戏机产品问世，我们不禁期待，Tegra K1的游戏机产品如果能以较低的价格，在安卓平台上达到XBox 360、PS3的水准，是否会引起一场革命？

　　功耗迷局：2W的GPU？

　　开普勒的确很强大，但还有一个问题挥之不去，那就是功耗。开普勒再强大，依1日是面向桌面用户的产品，在SoC产品中能使用吗7根据NVIDIA在发布会上的数据，Tegra K1在GPU部分的功耗不超过2VV．真的这么低？

　　这个数据实际上是有可能达到的：以GeForce GT 740M为例，这颗移动平台使用的GPU拥有两个SMX核心，包含了384个CUDA Core，它的TDP功耗为19VV。其中3W左右会被用在内存控制单元、PCI-E总线以及其余的非GPU部分，这样剩余的功耗只有16VV。此外，由于工艺改变，大约6VV的额外漏电不复存在(Tegra K1采用了漏电更低、更适合移动平台的HPM工艺，并非桌面GPU使用的HP等工艺)，功耗进一步降低到了10W左右。考虑到Tegra K1只有1个SMX，因此功耗会被控制在5W左右。在Tegra K1中，GPU观察到的最大频率只有900-950MHz，比桌面动辄1GHz以上低了不少，而且使用的电压会更低，因此功耗降低到2W-3W并非难事。况且NVIDIA本身就对GPU的动态频率、动态电压技术烂熟于心，在动态调整的情况下实际运行功耗还会进一步降低。

　　除了本身在规格上进行改动外，NVIDIA还使用了大量的技术来保证Tegra K1的功耗不会超标。在GPU部分，NVIDIA使用了诸如Rail Gating(轨道栅极)、Power Gating(功率栅极)、Multi-Level Clock Gating（多极时钟栅极）、Optimized Interconnectand Data Patch(优化的互联和数据模块)、ldle，Low-utilizationand Active Regimes(闲置、低功耗和活跃状态的功耗控制)等多种技术来保证GPU劝耗在绝大多数状态下都能处于较高的性能功耗比状态。

　　根据NVIDIA的数据，Tegra K1的GPU性能功耗比相比骁龙800的Adren0 330和苹果A7的PowerVR SGX6400大幅胜出。在NVIDIA给出的测试环境(GFXBench 3.0以及-1080pOffscreen分辨率)中，Tegra K1在提供相同的性能时，功耗表现都远远好于对比机型，其每瓦特性能是对比机型的1.5倍。

　　写在最后

　　NVIDIA Tegra K1的最大变化是采用了192个与PC同代次的开普勒架构CUDA Core，从而实现了手持移动芯片图形性能的飞跃。从之前的技术分析中，我们就可以认识到Tegra K1在图形性能方面的提升。不过，Tegra K1之所以被称为“革命性”的手持移动芯片，除了GPU部分的革新外，还有更多的创新被融合进包括CPU在内的其他部分。