显卡GPU的架构和工作原理

显卡GPU（图形处理单元）是专为并行计算和图形处理设计的芯片，广泛应用于游戏、科学计算、人工智能和数据中心等领域。以下详细介绍GPU的架构和工作原理，涵盖核心组件、计算流程和关键技术，尽量简洁清晰。

一、GPU架构概述

GPU架构与CPU不同，专注于高并行计算，适合处理大量简单、重复的任务。其核心设计目标是最大化吞吐量，而非单任务的低延迟。主流GPU厂商（如NVIDIA、AMD、Intel）架构虽有差异，但基本原理一致，以下以通用架构说明。

1. 核心组件

• 计算单元（Compute Units / Streaming Multiprocessors）：
  • GPU的基本计算模块，NVIDIA称为SM（Streaming Multiprocessor），AMD称为CU（Compute Unit）。
  • 每个计算单元包含多个处理核心（如NVIDIA的CUDA核心、AMD的Stream Processor），负责执行浮点运算、整数运算等。
  • 例如，NVIDIA Ada Lovelace架构的SM包含128个CUDA核心，AMD RDNA 3架构的CU包含64个流处理器。
• 寄存器和缓存：
  • 寄存器：每个计算单元有大量寄存器（如NVIDIA SM约256KB），用于快速存储线程数据。
  • L1/L2缓存：用于减少内存访问延迟。L1缓存靠近计算单元，L2缓存共享于多个单元。
• 内存层次结构：
  • 显存（VRAM）：高带宽显存（如GDDR6、HBM3），容量从4GB到数百GB，存储纹理、帧缓冲区等数据。
  • 全局内存：显存的整体地址空间，带宽高但延迟较高。
  • 共享内存：计算单元内部的快速内存，供线程组共享数据。
• 调度单元：
  • 负责线程分配和任务调度。GPU采用SIMD（单指令多数据）或SIMT（单指令多线程）模型，同一计算单元内的核心执行相同指令，处理不同数据。
• 光栅化单元：
  • 处理几何数据，将3D模型转化为2D像素（光栅化），包括顶点着色、图元组装等。
• 纹理单元：
  • 负责纹理映射和过滤，优化图像质量（如各向异性过滤）。
• 光线追踪单元（NVIDIA RT Core、AMD Ray Accelerator）：
  • 专为实时光线追踪设计，处理光线与场景的交点计算，模拟真实光影效果。
• AI加速单元（NVIDIA Tensor Core）：
  • 专为矩阵运算优化，加速深度学习和AI推理任务。

2. 典型架构示例

• NVIDIA Ada Lovelace（2022）：
  • 每个SM包含128个CUDA核心、4个Tensor Core（第4代）、1个RT Core（第3代）。
  • 支持FP8精度，优化AI性能；DLSS 3技术通过AI提升帧率。
  • 高带宽GDDR6X显存，L2缓存增至96MB（RTX 4090）。
• AMD RDNA 3（2022）：
  • 每个CU包含64个流处理器，双指令流SIMD单元。
  • 引入芯片let设计（分片式架构），降低成本；Infinity Cache作为高带宽缓存，减少显存依赖。
  • 支持光线追踪和AI加速，但性能稍逊于NVIDIA。
• Intel Arc Alchemist（2022）：
  • 基于Xe-HPG架构，包含Xe核心（类似CU），每个核心有16个矢量引擎。
  • 支持光线追踪和XeSS（类似DLSS的超采样技术）。
  • 性能在入门至中端市场竞争力较强。

二、GPU工作原理

GPU通过并行计算处理图形渲染和通用计算任务，其工作流程分为以下阶段：

1. 输入数据

• 来源：GPU接收来自CPU的任务，包括3D模型（顶点数据）、纹理、着色器程序等。
• API接口：通过DirectX、Vulkan或OpenGL等图形API与应用程序通信。

2. 渲染管线（Graphics Pipeline）

GPU的图形渲染遵循固定功能管线或可编程管线，现代GPU以可编程为主，流程如下：

• 顶点处理（Vertex Shader）：
  • 处理3D模型的顶点数据，计算位置、变换（如旋转、缩放）、光照等。
  • 输出：变换后的顶点数据。
• 图元组装（Primitive Assembly）：
  • 将顶点连接成图元（如三角形、线段）。
• 光栅化（Rasterization）：
  • 将图元投影到2D屏幕空间，生成像素片段（Fragment）。
• 片段处理（Fragment Shader）：
  • 为每个像素片段计算颜色、纹理、阴影等。
  • 涉及纹理采样、颜色混合等操作。
• 测试与混合：
  • 执行深度测试、模板测试，剔除不可见像素。
  • 混合颜色，生成最终像素值，写入帧缓冲区。
• 输出：最终图像显示在屏幕上。

3. 并行计算（GPGPU）

GPU不仅限于图形渲染，还通过CUDA（NVIDIA）、ROCm（AMD）等框架执行通用计算：

• 任务划分：将计算任务拆分为大量线程（如数千到数百万），分配到计算单元。
• SIMT执行：同一计算单元内的线程执行相同指令，处理不同数据。
• 应用场景：深度学习（矩阵运算）、科学模拟、加密货币挖矿等。

4. 光线追踪（Ray Tracing）

• 原理：模拟光线与场景物体的交互，计算反射、折射、阴影等，生成逼真图像。
• 流程：
  • 光线生成：从相机发射光线。
  • 交点计算：使用BVH（边界体层次结构）加速光线与物体交点检测。
  • 着色：根据材质和光源计算颜色。
• 硬件加速：RT Core或Ray Accelerator专用单元大幅提升性能。

5. 内存管理

• 显存访问：GPU通过高带宽显存（如GDDR6，带宽可达1TB/s）存储数据，优化吞吐量。
• 缓存优化：L1/L2缓存和共享内存减少全局内存访问，降低延迟。
• 统一内存（UMA）：部分架构（如AMD APU）支持CPU与GPU共享内存，提升数据传输效率。

三、关键技术与优化

• 多线程并行：GPU支持数千个线程同时运行，适合数据并行任务。线程束（NVIDIA Warp，32线程）或波前（AMD Wavefront，64线程）是调度单位。
• 流水线优化：GPU通过深流水线设计隐藏延迟，保持计算单元高占用率。
• AI加速：Tensor Core（NVIDIA）或矩阵核心（AMD）优化矩阵运算，加速AI训练和推理。
• 超采样技术：DLSS（NVIDIA）、FSR（AMD）、XeSS（Intel）通过AI或算法提升分辨率，降低性能开销。
• 芯片let设计：AMD RDNA 3引入分片式架构，降低制造成本，类似CPU的chiplet趋势。

四、GPU与CPU的对比

特性	GPU	CPU
设计目标	高吞吐量，并行处理	低延迟，通用计算
核心数量	数百至数千个简单核心	几个至几十个复杂核心
线程管理	大量线程，SIMT模型	少量线程，复杂调度
缓存	小容量高带宽缓存	大容量多级缓存
应用场景	图形渲染、AI、科学计算	通用计算、操作系统管理

五、未来趋势

• AI驱动：GPU将进一步优化AI工作负载，如NVIDIA H200 Tensor Core GPU针对大模型推理。
• 工艺进步：3nm、2nm制程提升性能和能效，台积电和三星为主力代工厂。
• 生态竞争：NVIDIA CUDA生态领先，AMD ROCm和Intel oneAPI迎头赶上。
• 国产GPU：中国厂商（如摩尔线程、景嘉微）基于自研架构（如MUSA）进入市场，但性能和生态仍落后。

六、总结

GPU通过高度并行的计算单元、高带宽显存和专用加速单元（如RT Core、Tensor Core），高效处理图形渲染和通用计算任务。其架构围绕SIMT模型和渲染管线设计，优化吞吐量和数据并行。NVIDIA、AMD和Intel在技术上各有侧重，NVIDIA在AI和高性能计算领先，AMD注重性价比，Intel在入门市场发力。未来，AI应用、先进制程和生态竞争将推动GPU持续演进。