GPU的一般架构

2025 年 1 月 25 日 星期六
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GPU的一般架构

一、GPU核心架构

计算单元(Cores)
    流处理器(Shader Processor):GPU中最基本的计算单元,负责执行各种图形运算和并行计算。每个流处理器可以处理多个数据流,并独立进行计算。
    多处理单元(SM,Streaming Multiprocessors):由多个流处理器组成的单元,通常用于处理一个工作组的任务。每个SM拥有多个线程执行单元,这些线程能够同时进行计算,充分利用GPU的并行计算能力。
    张量单元(Tensor Core):用于执行张量计算,支持并行执行FP32与INT32运算,特别适用于人工智能运算场合。
    光线追踪单元(RT Core):负责处理光线追踪加速,用于实现超现实主义实时渲染。

内存系统
    显存:专为显卡设计的内存,用于存储图形渲染数据、纹理、着色器代码、帧缓冲等。显存的带宽和容量对显卡性能至关重要。常见的显存类型包括GDDR(Graphics Double Data Rate)和HBM(High Bandwidth Memory)。
    高速缓存:包括L1、L2等,用于存储数据和指令,以减少GPU访问主存的延迟,提高内存访问效率。

二、显卡的其他组件

显卡控制器:负责调度和协调不同硬件组件之间的工作,保证计算任务的顺利进行。包括任务调度(控制各个流处理器、SM单元执行的任务,并合理分配计算负载)、数据管理(管理显存中的数据流动,将需要的图形数据从显存加载到计算单元中,处理后再存回显存)和任务同步(确保并行计算过程中,多个线程的执行顺序和同步,避免冲突)。
显卡管线:指GPU执行图形渲染任务的流程。显卡管线通常可以分为多个阶段,每个阶段都负责特定的计算任务。主要阶段包括顶点处理(负责对输入的顶点数据进行变换和裁剪,计算顶点的最终位置)、光栅化(将顶点处理后得到的几何数据转换为像素数据)、纹理映射(将图像纹理应用到每个像素上,为每个像素增加细节信息)、光照计算(根据场景中的光源和材质信息计算每个像素的颜色和亮度)和像素着色(片段着色,决定每个像素的最终颜色,可能还包括抗锯齿、阴影、反射等高级效果)。
接口:显卡通过PCIe(Peripheral Component Interconnect Express)接口与主板进行连接,提供高速数据传输通道。显卡的输出端口可以包括HDMI、DisplayPort、DVI等,用于连接显示器或其他输出设备。
电压调节模块(VRM):负责管理显卡各个部分的电压。显卡需要稳定的电力供应来保证性能,尤其在高负载情况下,VRM会根据负载情况调整电压,保证显卡的稳定运行。

三、GPU架构的厂商特性

NVIDIA架构
    CUDA(Compute Unified Device Architecture):NVIDIA的GPU核心架构,特别适用于并行计算。CUDA架构将GPU分为多个多处理单元(SM),每个SM包含多个流处理器。CUDA架构使得开发者可以利用GPU进行通用计算(GPGPU),如科学计算、深度学习等。

AMD架构
    RDNA(Radeon DNA):AMD最新的显卡架构,旨在提高图形性能和计算能力。RDNA架构继承了AMD早期的GCN(Graphics Core Next)架构,但在性能、能效和可编程性上进行了优化。

Intel架构
    Xe架构:Intel进军显卡市场的重要战略。Xe架构旨在提供多用途的图形解决方案,不仅适用于游戏和娱乐,还包括深度学习和高性能计算。Xe架构采用多核设计,支持高效的并行计算。

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