NVIDIA GeForce GTX480/470显卡详尽评测
- 来源:微型计算机
- 关键字:显卡
- 发布时间:2010-06-30 12:01
是的，Fermi终于来了，在上期杂志中我们已经提前对GeForce GTX 470显卡进行了预览。如今，老大哥GeForce GTX 480也抵达了微型计算机评测室，下面就让我们一起揭开Fermi神秘的面纱吧。
回首Fermi的发布历程，有用户戏称它是NVIDIA历史上让用户和业界等待时间最长的顶级显卡。从2009年9月30日NVIDIA在美国GTC大会上首次展示基于Fermi架构的Tesla高端产品（此时距离竞争对手正式发布首款DirectX 11显卡Radeon HD 5870已经过去一周）；到2010年CES大会上Fermi的惊鸿一瞥；再到2010年1月17日NVIDIA高调宣布Fermi纸面发布......Fermi始终和大家玩着“躲猫猫”的游戏，不肯现身。就在大家都等得有些不耐烦的时候，甚至竞争对手AMD都已经完成了DirectX 11产品线的布局，Fermi终于在2010年3月27日从幕后站到了前台，走进了我们的视野，并向全世界大声疾呼：“我来了！”可Fermi究竟是王者终归来，还是在经历一次次跳票、面对舆论的压力仓促上阵呢？
是宿命？还是轮回？眼前的此番景象是那么的熟悉。
在显卡产品线更新换代之际，NVIDIA和AMD在基于全新DirectX API产品上的角力和你追我赶的大戏又一次上演了。遥想DirectX 10显卡上市阶段，NVIDIA快人一步，抢先发布了基于DirectX 10的G80系列产品。而AMD直至半年以后才推出相应的R600系列产品。而如今，历史正在重演，只不过故事的主角NVIDIA和AMD互换了身份。
面对这一切，我们不仅要问：“Fermi为何姗姗来迟？
背后都有哪些不为人知的秘密？面对竞争对手早已发布的DirectX 11产品和挑剔的玩家，Fermi又会拿出什么法宝与之争锋相对？”Fermi此次究竟是上演宿命的轮回还是涅磐重生，我们拭目以待！
你所不知道的GPU几何性能
在本文开篇之际，我们需要说明的是，本文的理论部分主要针对Fermi的图形架构和新增功能进行介绍。而有关通用计算介绍的部分请参考本刊2009年10月上杂志，在此不多做介绍。
在深入探讨Fermi以前，我们先来谈谈一直以来被大家忽视的GPU几何性能，因为它和Fermi的图形架构设计甚至是最终性能表现有莫大的关联——充分认识GPU的几何性能有助于我们进一步理解Fermi的图形架构设计理念。
游戏的发展永远是以真实为基础。在经历了DirectX和OpenGL的历代升级后，我们突然发现，3D游戏对光影、贴图的处理已经达到了非常精细的地步，各种各样的特殊贴图技术能够模拟凹凸不平的视觉效果，甚至能让平面贴图看起来充满立体感。但这一切依旧有点问题，比如为什么游戏主人公的头充满棱角？为什么肩膀看起来像个立方体？我们知道，游戏中的人物和物体都是通过建立3D模型以及对三角形的光栅化来实现的。理论上，我们只需要增加建模的精细程度，使用更多的三角形来完成图形构建就可以解决上述问题。可问题是，新增加的巨额3D几何运算由谁来完成呢？CPU？别指望了，尽管一直以来CPU都参与了大量的几何运算，但CPU的性能也是有限的，目前桌面电脑的CPU计算能力是难以承担如此大规模的三角形计算的。
即使多核心发展如此迅速，但在短期内，我们不可能看到一个场景模型使用几千万个三角形的情况出现。
期待GPU？更不用考虑了。过去由于几何计算不算太复杂，显卡一直使用的是一个前端控制模块辅助CPU进行几何运算，无法调动处理核心进行运算，几何运算能力非常有限。我们来看一组数据，几何性能从GeForceFX5800开始到GeForce GTX 285，五代时间只增长了300%，但期间像素处理性能却增长了1500%。在这种背景下，Tessellation处理应运而生，并被加入了DirectX11 API中。借助Tessellation，GPU可以让物体细节更加精细，趋于真实。但问题又来了，Tessellation是比较耗费GPU资源的，必须对现有图形架构进行调整，并增加专门用于Tessellation计算的模块。那么，针对Tessellation运算的新应用，Fermi的图形架构又做了哪些设计和改进呢？请参看我们下文的介绍。（有关GPU几何性能的跃进和Tessellation对游戏和图形处理的推动，近期我们将单独进行介绍，敬请关注。）
GF100全新图形架构一览
GF100被NVIDIA定义为新一代CUDA计算与图形架构，在GF100图形架构上，NVIDIA引入了GPC（Graphics Processing Cluster）图形处理器集群的全新概念，摈弃了过去的TPC（Texture Processing Cluster）概念。GF100由四组GPC构成，每组GPC内部包含了除ROP单元以外的SM阵列、PolyMorph Engine等基本图形运算单元，可以将顶点、几何、光栅、纹理以及像素处理资源进行有机整合。我们甚至可以将一组GPC看成是一个可以执行绝大部分指令的GPU核心，而GF100就由四个这样的核心组成。
需要说明的是，由于受到良品率、功耗和发热量问题的影响，首批上市的基于GF100的旗舰型号GeForceGTX 480并没有采用完整的GF100规格，其中一个GPC中的一组SM阵列被屏蔽，减少了32个流处理器和四个纹理单元。而GeForce GTX 470则是在GeForce GTX 480基础上再次屏蔽了一组SM阵列、一组显存控制器（位宽减少64-bit）而成，减少了64个流处理器、八个纹理单元和八个光栅单元，显存位宽为320-bit。而本文主要针对GF100的图形架构进行介绍。
对于GPC的创新性我们可以这样去理解，它有一个用于三角形的设置、光栅化以及Z坐标压缩（Z-cull）的可扩展Ra s t e rEn g i n e，驻留在G P C中；它有一个用于提取顶点属性与Tessellation的可扩展PolyMor phEn g i n e，驻留在SM中。
下文将重点介绍Ra s t e rEngine和PolyMorph Engine，它们是将GF100的几何性能推向新的高度的关键部件，也是GF100架构的关键创新所在。
除此之外，GF100的纹理单元也进行了全新设计，和SM绑定，提升了效率；对ROP单元进行了改良，提升了抗锯齿性能；加入更多用于几何运算的关键部件，在Tessellation运算方面有突出表现；具备了改进型SPH解算器，能够让游戏开发者在游戏中加入高品质SPH流体效果并流畅运行，加入SPH效果的代表游戏是《雪域危机》；工作模式能够与光线追踪渲染轨迹同步，能循环进行工作，是首款全面支持光线追踪的桌面级显卡（在本文之后，我们将单独对GF100架构的深度技术进行介绍）。
决战DirectX 11之巅 GF100性能测试
接下来我们将进入精彩的性能测试部分，你将了解到GF100真实的3D、Tessellation、CUDA、PhysX方面的性能和功耗温度方面的表现，以及它和AMD Cypress之间的对比。究竟是研发时间短、风险小、通过相对简单核心规格堆积的Cypress性能出色？还是研发时间长、风险大、经过全新图形架构设计的GF100的性能更佳？我们将组建英特尔Core i7 965 Extreme平台进行测试，告诉你最详细和真实的的测试结果。
GF100的图形架构是专为DirectX 11优化设计的，NVIDIA也特别强调GF100的曲面细分、置换贴图性能以及几何性能的大跃进。那么这是否意味着GF100在包括《3DMark Vantage》在内的DirectX 10/10.1的游戏和软件测试中无法从Cypress那里讨到更多的便宜呢？为此，在3D性能测试方面，我们会选取《3DMark Vantage》、《生化危机5》、《孤岛危机》等五款热门的Di rectX10/10.1的游戏和软件对GF100的DirectX 10/10.1性能进行测试，来验证GF100是否为了满足几何性能计算的需要而弱化传统的纹理贴图、3D渲染方面的性能。当然对DirectX 11显卡而言，它的DirectX 11性能才是大家最为关心的话题。为此，我们将选取《地铁2033》、《异形大战铁血战士》、《Unigine Heaven Benchmark 2.0》、《Stone Giant》Demo等六款DirectX 11游戏和软件重点考查GF100在DirectX 11游戏和软件中的性能，看看它的DirectX 11执行效率究竟有多高？
上文已经提到，G F 1 0 0 在图形架构上专为Tessellation做了优化，理论上它的Tessellation性能应该非常强悍，我们也将通过《Unigine Heaven Benchmark2.0》和《Stone Giant》Demo这两款DirectX 11软件来重点验证Fermi的几何性能。《Unigine HeavenBenchmark》是首款支持DirectX 11的基准测试软件，类似于3DMark系列软件。该软件的测试场景中包含了大量基于Tessellation的测试画面，可以深度考查显卡的Tessellation性能。《Stone Giant》Demo与此类似，也加入了Tessellation测试场景。
在《Unigine Heaven Benchmark 2.0》的测试中，“DirectX 11+Shader(High)+Tessellation(Extreme)”表示显卡运行在最高画质、极致Tessel lat ion等级的DirectX 11模式下，这是考验显卡在极致Tessellation画面下的性能；“Di rectX 11+Shader (High)+Tessel lat ion（Disabled)”表示显卡运行在最高画质、关闭Tessellation特效的DirectX 11模式下，这是考验显卡在Di rectX 11模式下，关闭Tessellation特效后（此时Oc clusion等其它Di r e c tX 11特效仍然存在）对其它Di rectX 11特效执行的情况；“Di rectX10 +Sh a d e r (Hi g h)”表示显卡运行在最高画质的Di rectX 10模式下，这是考验显卡在Di rectX 10模式下的性能。通过这三种不同模式的测试，我们将对GF100的Di r e c tX 11性能，尤其是Tes sel lat ion性能一目了然。同理，在由NVIDIA提供的《St oneGiant》Demo的测试中，我们也将分为“TessellationOFF+Wireframe OFF”（Wireframe，即线框模式，开启此模式后将更为耗费GPU资源）、“Tessellation”和“Tessellation+Wireframe”三种模式进行测试，目的也是为了清楚地了解GF100的几何性能。
由于GF100的ROP单元被重新整合设计，在数量和效率上都有一定提升，再加上具备全局共享的L2缓存的帮助，理论上GF100的AA性能将有较大幅度提升，有望一改上一代GT200显卡在8xMSAA模式下性能不济的劣势。我们将通过不同等级的AA模式、尤其是NOAA与8xAA之间的性能对比来验证GF100的AA性能究竟有没有明显提升，理想的状态是显卡在打开AA后性能下降越小越好。在PhysX性能方面，我们将通过《雪域危机》以及《地铁2033》（虽然它是一款DirectX 11游戏，但同时也加入了PhysX引擎）来验证GF100的PhysX性能。
DirectX 10测试：Fermi仍然占据优势全新的图形架构设计让GF10 0不仅仅在更强调Tessellation性能的DirectX 11游戏中受益，在DirectX10游戏中亦有良好的表现。GeForce GTX 480在几乎所有的DirectX 10/10.1游戏测试中大幅超越RadeonHD 5870，根据不同的游戏领先幅度在12%～51%，而GeForce GTX 470则领先直接竞争对手Radeon HD5850 8%～43%。值得一提的是，在与更高级别的RadeonHD 5870的较量中，GeForce GTX 470与之互有伯仲，处于同一水平线上。GF100能够在不具备Tessellation运算、更强调纹理贴图和3D渲染的DirectX 10游戏中胜出，也从另一个层面反映出GF100在纹理单元上的改进是很成功的。虽然纹理单元不升反降，但它在和每组SM绑定以后，执行效率更高，借助专属的纹理单元缓存也进一步提升了GF100的纹理贴图性能。需要说明的是，借助双核心的优势，Radeon HD 5970领先低一级别的GeForceGTX 480/470的幅度还是很明显的。
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回首Fermi的发布历程，有用户戏称它是NVIDIA历史上让用户和业界等待时间最长的顶级显卡。从2009年9月30日NVIDIA在美国GTC大会上首次展示基于Fermi架构的Tesla高端产品（此时距离竞争对手正式发布首款DirectX 11显卡Radeon HD 5870已经过去一周）；到2010年CES大会上Fermi的惊鸿一瞥；再到2010年1月17日NVIDIA高调宣布Fermi纸面发布......Fermi始终和大家玩着“躲猫猫”的游戏，不肯现身。就在大家都等得有些不耐烦的时候，甚至竞争对手AMD都已经完成了DirectX 11产品线的布局，Fermi终于在2010年3月27日从幕后站到了前台，走进了我们的视野，并向全世界大声疾呼：“我来了！”可Fermi究竟是王者终归来，还是在经历一次次跳票、面对舆论的压力仓促上阵呢？
是宿命？还是轮回？眼前的此番景象是那么的熟悉。
在显卡产品线更新换代之际，NVIDIA和AMD在基于全新DirectX API产品上的角力和你追我赶的大戏又一次上演了。遥想DirectX 10显卡上市阶段，NVIDIA快人一步，抢先发布了基于DirectX 10的G80系列产品。而AMD直至半年以后才推出相应的R600系列产品。而如今，历史正在重演，只不过故事的主角NVIDIA和AMD互换了身份。
面对这一切，我们不仅要问：“Fermi为何姗姗来迟？
背后都有哪些不为人知的秘密？面对竞争对手早已发布的DirectX 11产品和挑剔的玩家，Fermi又会拿出什么法宝与之争锋相对？”Fermi此次究竟是上演宿命的轮回还是涅磐重生，我们拭目以待！
你所不知道的GPU几何性能
在本文开篇之际，我们需要说明的是，本文的理论部分主要针对Fermi的图形架构和新增功能进行介绍。而有关通用计算介绍的部分请参考本刊2009年10月上杂志，在此不多做介绍。
在深入探讨Fermi以前，我们先来谈谈一直以来被大家忽视的GPU几何性能，因为它和Fermi的图形架构设计甚至是最终性能表现有莫大的关联——充分认识GPU的几何性能有助于我们进一步理解Fermi的图形架构设计理念。
游戏的发展永远是以真实为基础。在经历了DirectX和OpenGL的历代升级后，我们突然发现，3D游戏对光影、贴图的处理已经达到了非常精细的地步，各种各样的特殊贴图技术能够模拟凹凸不平的视觉效果，甚至能让平面贴图看起来充满立体感。但这一切依旧有点问题，比如为什么游戏主人公的头充满棱角？为什么肩膀看起来像个立方体？我们知道，游戏中的人物和物体都是通过建立3D模型以及对三角形的光栅化来实现的。理论上，我们只需要增加建模的精细程度，使用更多的三角形来完成图形构建就可以解决上述问题。可问题是，新增加的巨额3D几何运算由谁来完成呢？CPU？别指望了，尽管一直以来CPU都参与了大量的几何运算，但CPU的性能也是有限的，目前桌面电脑的CPU计算能力是难以承担如此大规模的三角形计算的。
即使多核心发展如此迅速，但在短期内，我们不可能看到一个场景模型使用几千万个三角形的情况出现。
期待GPU？更不用考虑了。过去由于几何计算不算太复杂，显卡一直使用的是一个前端控制模块辅助CPU进行几何运算，无法调动处理核心进行运算，几何运算能力非常有限。我们来看一组数据，几何性能从GeForceFX5800开始到GeForce GTX 285，五代时间只增长了300%，但期间像素处理性能却增长了1500%。在这种背景下，Tessellation处理应运而生，并被加入了DirectX11 API中。借助Tessellation，GPU可以让物体细节更加精细，趋于真实。但问题又来了，Tessellation是比较耗费GPU资源的，必须对现有图形架构进行调整，并增加专门用于Tessellation计算的模块。那么，针对Tessellation运算的新应用，Fermi的图形架构又做了哪些设计和改进呢？请参看我们下文的介绍。（有关GPU几何性能的跃进和Tessellation对游戏和图形处理的推动，近期我们将单独进行介绍，敬请关注。）
GF100全新图形架构一览
GF100被NVIDIA定义为新一代CUDA计算与图形架构，在GF100图形架构上，NVIDIA引入了GPC（Graphics Processing Cluster）图形处理器集群的全新概念，摈弃了过去的TPC（Texture Processing Cluster）概念。GF100由四组GPC构成，每组GPC内部包含了除ROP单元以外的SM阵列、PolyMorph Engine等基本图形运算单元，可以将顶点、几何、光栅、纹理以及像素处理资源进行有机整合。我们甚至可以将一组GPC看成是一个可以执行绝大部分指令的GPU核心，而GF100就由四个这样的核心组成。
需要说明的是，由于受到良品率、功耗和发热量问题的影响，首批上市的基于GF100的旗舰型号GeForceGTX 480并没有采用完整的GF100规格，其中一个GPC中的一组SM阵列被屏蔽，减少了32个流处理器和四个纹理单元。而GeForce GTX 470则是在GeForce GTX 480基础上再次屏蔽了一组SM阵列、一组显存控制器（位宽减少64-bit）而成，减少了64个流处理器、八个纹理单元和八个光栅单元，显存位宽为320-bit。而本文主要针对GF100的图形架构进行介绍。
对于GPC的创新性我们可以这样去理解，它有一个用于三角形的设置、光栅化以及Z坐标压缩（Z-cull）的可扩展Ra s t e rEn g i n e，驻留在G P C中；它有一个用于提取顶点属性与Tessellation的可扩展PolyMor phEn g i n e，驻留在SM中。
下文将重点介绍Ra s t e rEngine和PolyMorph Engine，它们是将GF100的几何性能推向新的高度的关键部件，也是GF100架构的关键创新所在。
除此之外，GF100的纹理单元也进行了全新设计，和SM绑定，提升了效率；对ROP单元进行了改良，提升了抗锯齿性能；加入更多用于几何运算的关键部件，在Tessellation运算方面有突出表现；具备了改进型SPH解算器，能够让游戏开发者在游戏中加入高品质SPH流体效果并流畅运行，加入SPH效果的代表游戏是《雪域危机》；工作模式能够与光线追踪渲染轨迹同步，能循环进行工作，是首款全面支持光线追踪的桌面级显卡（在本文之后，我们将单独对GF100架构的深度技术进行介绍）。
决战DirectX 11之巅 GF100性能测试
接下来我们将进入精彩的性能测试部分，你将了解到GF100真实的3D、Tessellation、CUDA、PhysX方面的性能和功耗温度方面的表现，以及它和AMD Cypress之间的对比。究竟是研发时间短、风险小、通过相对简单核心规格堆积的Cypress性能出色？还是研发时间长、风险大、经过全新图形架构设计的GF100的性能更佳？我们将组建英特尔Core i7 965 Extreme平台进行测试，告诉你最详细和真实的的测试结果。
GF100的图形架构是专为DirectX 11优化设计的，NVIDIA也特别强调GF100的曲面细分、置换贴图性能以及几何性能的大跃进。那么这是否意味着GF100在包括《3DMark Vantage》在内的DirectX 10/10.1的游戏和软件测试中无法从Cypress那里讨到更多的便宜呢？为此，在3D性能测试方面，我们会选取《3DMark Vantage》、《生化危机5》、《孤岛危机》等五款热门的Di rectX10/10.1的游戏和软件对GF100的DirectX 10/10.1性能进行测试，来验证GF100是否为了满足几何性能计算的需要而弱化传统的纹理贴图、3D渲染方面的性能。当然对DirectX 11显卡而言，它的DirectX 11性能才是大家最为关心的话题。为此，我们将选取《地铁2033》、《异形大战铁血战士》、《Unigine Heaven Benchmark 2.0》、《Stone Giant》Demo等六款DirectX 11游戏和软件重点考查GF100在DirectX 11游戏和软件中的性能，看看它的DirectX 11执行效率究竟有多高？
上文已经提到，G F 1 0 0 在图形架构上专为Tessellation做了优化，理论上它的Tessellation性能应该非常强悍，我们也将通过《Unigine Heaven Benchmark2.0》和《Stone Giant》Demo这两款DirectX 11软件来重点验证Fermi的几何性能。《Unigine HeavenBenchmark》是首款支持DirectX 11的基准测试软件，类似于3DMark系列软件。该软件的测试场景中包含了大量基于Tessellation的测试画面，可以深度考查显卡的Tessellation性能。《Stone Giant》Demo与此类似，也加入了Tessellation测试场景。
在《Unigine Heaven Benchmark 2.0》的测试中，“DirectX 11+Shader(High)+Tessellation(Extreme)”表示显卡运行在最高画质、极致Tessel lat ion等级的DirectX 11模式下，这是考验显卡在极致Tessellation画面下的性能；“Di rectX 11+Shader (High)+Tessel lat ion（Disabled)”表示显卡运行在最高画质、关闭Tessellation特效的DirectX 11模式下，这是考验显卡在Di rectX 11模式下，关闭Tessellation特效后（此时Oc clusion等其它Di r e c tX 11特效仍然存在）对其它Di rectX 11特效执行的情况；“Di rectX10 +Sh a d e r (Hi g h)”表示显卡运行在最高画质的Di rectX 10模式下，这是考验显卡在Di rectX 10模式下的性能。通过这三种不同模式的测试，我们将对GF100的Di r e c tX 11性能，尤其是Tes sel lat ion性能一目了然。同理，在由NVIDIA提供的《St oneGiant》Demo的测试中，我们也将分为“TessellationOFF+Wireframe OFF”（Wireframe，即线框模式，开启此模式后将更为耗费GPU资源）、“Tessellation”和“Tessellation+Wireframe”三种模式进行测试，目的也是为了清楚地了解GF100的几何性能。
由于GF100的ROP单元被重新整合设计，在数量和效率上都有一定提升，再加上具备全局共享的L2缓存的帮助，理论上GF100的AA性能将有较大幅度提升，有望一改上一代GT200显卡在8xMSAA模式下性能不济的劣势。我们将通过不同等级的AA模式、尤其是NOAA与8xAA之间的性能对比来验证GF100的AA性能究竟有没有明显提升，理想的状态是显卡在打开AA后性能下降越小越好。在PhysX性能方面，我们将通过《雪域危机》以及《地铁2033》（虽然它是一款DirectX 11游戏，但同时也加入了PhysX引擎）来验证GF100的PhysX性能。
DirectX 10测试：Fermi仍然占据优势全新的图形架构设计让GF10 0不仅仅在更强调Tessellation性能的DirectX 11游戏中受益，在DirectX10游戏中亦有良好的表现。GeForce GTX 480在几乎所有的DirectX 10/10.1游戏测试中大幅超越RadeonHD 5870，根据不同的游戏领先幅度在12%～51%，而GeForce GTX 470则领先直接竞争对手Radeon HD5850 8%～43%。值得一提的是，在与更高级别的RadeonHD 5870的较量中，GeForce GTX 470与之互有伯仲，处于同一水平线上。GF100能够在不具备Tessellation运算、更强调纹理贴图和3D渲染的DirectX 10游戏中胜出，也从另一个层面反映出GF100在纹理单元上的改进是很成功的。虽然纹理单元不升反降，但它在和每组SM绑定以后，执行效率更高，借助专属的纹理单元缓存也进一步提升了GF100的纹理贴图性能。需要说明的是，借助双核心的优势，Radeon HD 5970领先低一级别的GeForceGTX 480/470的幅度还是很明显的。
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