AMD RDNA 与 GCN GPU 架构之间的差异：AMD 如何赶上 ...
随着Big Navi显卡的推出，AMD终于重回高端GPU领域。虽然 RDNA 2 的设计在计算和图形管线方面与 RDNA 1 基本相似，但有一些变化允许包含无限缓存和高升压时钟。在这篇文章中，我们将讨论 Navi GPU 与由 GCN 架构提供支持的传统 Vega 和 Polaris 部件有何不同。
AMD 的 GCN 架构为 Radeon 显卡提供了近十年的支持。尽管该设计具有强大的计算引擎、硬件调度程序和统一内存等优势，但它在游戏方面的效率并不高。与当代 NVIDIA 部件相比，硬件利用率相当低，在每个着色器引擎的前 11 个 CU 之后缩放急剧下降，总体而言，每个 GPU 使用超过 64 个 CU 是不可行的。
因此，尽管拥有强大的计算架构，AMD 的 GCN GPU (Vega) 屡次输给 NVIDIA 的高端游戏产品，同时功耗明显更高。
RDNA 是 GPU 架构，Navi 是使用它构建的图形处理器的代号。同样，GCN 是架构，而 Vega 和 Polaris 是代号。
为 Navi 10 和 Navi 14 GPU（Radeon RX 5500 XT、5600 XT 和 5700/XT）提供动力的第一代 RDNA 架构基于与 GCN 相同的构建块：带有一些用于地址计算和控制的专用标量的矢量处理器流，独立的计算和图形管道异步运行。称为流处理器的 ALU 提供计算能力，命令处理器（连同 ACE）处理每个计算单元的工作负载调度。
核心区别在于 RDNA 重新组织了 GCN 的基本组件，以获得更高的 IPC、更低的延迟和更高的效率。这就是 Navi 的全部意义所在：它用更少的硬件做更多的事情！
AMD GCN：功能强大但未充分利用
AMD 的 GCN 图形架构由每个计算单元 64 个波前或工作项（和 ALU/核心）组成。它们被分成四个 SIMD（多数据类型的单指令），每个包含 16 个 ALU（SP）。
这是大多数人感到困惑的地方。是的，调度程序可以在每四个周期后发布新的 wave 组，但每次每个 Compute Unit 也将处理四个 64-item 的 wave，而不是一个 64-item 的 wave。与推土机一样，其目标是最大化并行化。同时，GCN 不是乱序架构。波前内的指令仍然按照它们的顺序执行。不同之处在于 CU 或 SIMD 可以切换到四种可用波形中的任何一种。
这不是很有效的原因是大多数游戏使用较短的工作队列，因为每个执行周期四个波前中只有一两个是饱和的。因此，由于采用了 Super-Scalar 架构，具有相似着色器数量的竞争 NVIDIA GPU 的速度要快得多，并且只需要一到两个周期来执行这些更短的调度。另一方面，尽管有额外波前的空间，AMD 的同行不得不等待四个周期才能下一个周期。
总而言之，与许多其他 SIMD 设计一样，GCN 计算单元一次处理四个波前，并花费四个周期来执行它们。在理想的世界中，这意味着一波的有效时间是一个周期。但是，由于 SIMD 的工作方式，情况并非如此，并且 CU 经常未被充分利用。
AMD RDNA：双计算架构和 Wave32
Navi 中实现的 RDNA 架构使用 wave32，这是一种具有 32 个工作项的较窄波前。它比旧的 wave64 设计更简单和有效。每个 SIMD 更宽，但计算单元更窄。
计算单元是 GCN 中的基本着色器单元，RDNA 将其替换为 WGP（工作组处理器）：两个 CU 与共享本地数据协同工作。RDNA SIMD 由 32 个着色器或 ALU 组成，是 GCN 的两倍。每个 CU 有两个 SIMD，双计算单元中有四个。一个 CU 中的流处理器总数仍然是 64 个，但它们分布在两个（而不是四个）更宽的 SIMD 上。请参阅下面的四个周期与每个指令一个周期的关系图。
这种安排允许在一个时钟周期内执行一个完整的波前，减少瓶颈并将 IPC 提高 4 倍。通过以 4 倍的速度完成波前，寄存器和缓存的释放速度更快，从而允许整体调度更多指令。此外，wave32 使用的寄存器数量是wave64 的一半，也降低了电路复杂度和成本。
为了适应更窄的波前，还重新组织了矢量寄存器文件。每个向量通用寄存器 (vGPR) 现在包含 32 个 32 位宽的通道（对于 FP32），并且一个 SIMD 包含总共 1,024 个 vGPR——同样是 GCN 中寄存器数量的 4 倍。
总体而言，较窄的 wave32 模式通过改进 IPC 和并发波前总数来提高吞吐量，从而显着提高性能和效率。
为确保与较旧的 GCN 指令集兼容，Navi 中的 RDNA SIMD 支持混合精度计算。这使得新的 Navi GPU 不仅适用于游戏工作负载 (FP32)，还适用于科学 (FP64) 和人工智能 (FP16) 应用程序。RDNA SIMD 在 wave32 模式下将延迟提高了 2 倍，在 wave64 模式下提高了 44%。
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