英伟达 GPU 架构简史

尽管近年来 Nvidia GPU 确实更频繁地成为新闻，但它们绝不是新事物。事实上，多年来，Nvidia GPU 已经进行了多次迭代，GPU 架构也取得了进步。因此，让我们回顾一下最近的历史，以了解 GPU 是如何随着时间的推移而发展的。我们将通过探索自 2000 年以来发布的每个流行的 Nvidia GPU 微架构来做到这一点。

Kelvin

• Kelvin 于 2001 年发布，是 Nvidia 千年以来第一个新的 GPU 微架构。最初的 Xbox 游戏机使用带有 Kelvin 微架构的 NV2A GPU。 GeForce 3 和 GeForce 4 系列 GPU 是采用这种微架构发布的。

Rankine

• Rankine 是 2003 年发布的 Kelvin 的后续产品，用于 GeForce 5 系列的 Nvidia GPU。 Rankine 支持顶点和片段程序，并将 VRAM 大小增加到 256MB。

Curie

• Curie——GeForce 6 和 7 系列 GPU 使用的微架构——于 2004 年作为 Rankine 的继任者发布。Curie 将 VRAM 数量翻了一番，达到 512MB，并且是第一代支持 PureVideo 视频解码的 Nvidia GPU。

Tesla

• Tesla GPU 微架构于 2006 年作为居里的继任者发布，为 Nvidia 的 GPU 产品线引入了几项重要变化。除了作为 GeForce 8、9、100、200 和 300 系列 GPU 使用的架构之外，Tesla 还被用于图形处理之外的用例的 Quadro 系列 GPU 使用。

• 令人困惑的是，Tesla 既是 GPU 微架构的名称，又是 Nvidia GPU 的品牌。 2020 年，英伟达决定停止使用特斯拉这个名称，以避免与流行的电动汽车品牌混淆。

Fermi

• 特斯拉的继任者费米于 2010 年发布。费米推出了多项增强功能，包括：

  • 支持 512 个 CUDA 内核
  • 64KB 的 RAM 和分区 L1 缓存/共享内存的能力
  • 支持纠错码 (ECC)

Kepler

• Kepler GPU 微架构作为 Fermi 2012 的继任者发布。对 Fermi 的主要改进包括：

• 一种新的流式多处理器架构，称为 SMX

• 支持 TXAA（一种抗锯齿方法）

• CUDA 核心增加到 1536 个

• 耗电量少

• 支持通过 GPU 加速自动超频

• 支持 GPUDirect，它允许 GPU（在同一台计算机上或通过网络相互访问）在不访问 CPU 的情况下进行通信

Maxwell

• 2014 年发布的麦克斯韦是费米的继任者。根据 Nvidia 的说法，第一代 Maxwell GPU 与 Fermi 相比具有以下优势：

• 由于与控制逻辑分区、时钟门控、指令调度和工作负载平衡相关的增强，多处理器效率更高

• 每个流式多处理器上有 64KB 的专用共享内存

• 与 Fermi 使用的锁定/解锁范例相比，本机共享内存原子操作提供了性能改进

• 动态并行支持

Pascal

• Pascal 在 2016 年接替 Maxwell。这个 Nvidia GPU 微架构提供了对 Maxwell 的改进，例如：

• 支持 NVLink 通信，与 PCIe 相比具有显着的速度优势

• 高带宽内存 2 (HBM2) - 4096 位内存总线，提供 720 GB 内存带宽

• 计算抢占

• 动态负载平衡以优化 GPU 资源利用率

Volta

• Volta 是 2017 年发布的一个有点独特的微架构迭代。虽然以前的大多数微架构都用于消费类 GPU，但 Volta GPU 的营销目的是严格用于专业应用程序。 Volta 也是第一个使用张量核心的微架构。

• 张量核心是一种新型的处理核心，可以执行专门的数学计算。具体来说，张量核心执行支持人工智能和深度学习用例的矩阵运算。

Turing

• Turing 于 2018 年发布，除了支持 Tensor Cores 之外，还包括许多以消费者为中心的 GPU。 Turing 是 Nvidia 广受欢迎的 Quadro RTX 和 * GeForce RTX 系列 GPU 使用的微架构。这些 GPU 支持实时光线追踪（又名 RTX），这对于虚拟现实 (VR) 等计算量大的应用程序至关重要。

Ampere

• Ampere 微架构刚刚开始投放市场。 Ampere 旨在进一步实现高性能计算 (HPC) 和 AI 用例。 Ampere 的增强功能包括第三代 NVLink 和 Tensor 核心、结构稀疏性（将不需要的参数转换为零以启用 AI 模型训练）、第二代光线追踪核心、多实例 GPU (MIG) 以实现将 A100 GPU 逻辑分区为单个隔离和安全的 GPU 实例。