NVIDIA GPU 架構(gòu)

NVIDIA GPU 的 SM（Streaming Multiprocessor） 和 GPC（Graphics Processing Cluster） 是 GPU 架構(gòu)中的關(guān)鍵組成部分。它們決定了 GPU 的計(jì)算能力和性能，以下是對(duì)這兩個(gè)參數(shù)的詳細(xì)介紹：

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1. GPC（Graphics Processing Cluster）—— 圖形處理集群

定義：

GPC 是 GPU 中更高層次的組織單元，負(fù)責(zé)管理多個(gè) SM 和其它子單元，協(xié)調(diào)圖形渲染、計(jì)算任務(wù)的調(diào)度與執(zhí)行。

性能意義：

• GPC 的數(shù)量直接影響 GPU 的渲染能力，更多的 GPC 允許顯卡在更復(fù)雜的場(chǎng)景下保持高性能。
• 在最新架構(gòu)中，GPC 的設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化以支持更高分辨率、更復(fù)雜的幾何和光追任務(wù)。

架構(gòu)示意圖

一個(gè)典型 NVIDIA GPU 的架構(gòu)層級(jí)可以表示為：

GPU├── GPC (Graphics Processing Cluster)│     ├── TPC (Texture/Processor Cluster)│     │      ├── SM (Streaming Multiprocessor)│     │      │     ├── CUDA 核心 (CUDA Cores)│     │      │     ├── 張量核心 (Tensor Cores)│     │      │     ├── RT 核心 (Ray Tracing Cores)│     │      │     └── 紋理單元 (Texture Units)│     │      └── PolyMorph Engine│     └── Raster Engine (光柵引擎)└── L2 Cache (共享緩存)

• TPC（Texture/Processor Cluster）：每個(gè) GPC 包含多個(gè) TPC，每個(gè) TPC 包括兩個(gè) SM 單元。
• Raster Engine（光柵引擎）：負(fù)責(zé)光柵化任務(wù)，將 3D 場(chǎng)景轉(zhuǎn)換為像素。
• PolyMorph Engine：支持幾何處理、頂點(diǎn)著色、投影等任務(wù)。
• L2 Cache：為 GPC 提供數(shù)據(jù)緩存，提高數(shù)據(jù)訪問效率。

總體架構(gòu)關(guān)系

• GPC 是最頂層的計(jì)算集群，包含多個(gè) TPC。
• 每個(gè) TPC 包含多個(gè) SM，以及負(fù)責(zé)幾何運(yùn)算的 PolyMorph Engine。
• 每個(gè) SM 包含大量的 CUDA Core 和 Tensor Core，分別執(zhí)行標(biāo)量計(jì)算和矩陣運(yùn)算任務(wù)。
• CUDA Core 與 Tensor Core 是具體的計(jì)算執(zhí)行單元，協(xié)作完成復(fù)雜的并行計(jì)算任務(wù)。

通過 GPC 和 SM 的協(xié)同工作，NVIDIA 顯卡實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的圖形處理和計(jì)算性能，能夠滿足游戲、渲染、AI 和科學(xué)計(jì)算的高需求任務(wù)。

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2. TPC（Texture/Processor Cluster）—— 紋理/處理集群

TPC 是 NVIDIA GPU 架構(gòu)中的中間層模塊，位于 GPC 和 SM 之間。它起到整合和協(xié)同 SM 工作的作用，是 GPU 架構(gòu)中關(guān)鍵的組織單元。

定義：
TPC 是由 NVIDIA 定義的硬件集群?jiǎn)挝?#xff0c;包含多個(gè) SM（流多處理器） 和紋理處理單元。TPC 作為 GPC 的子單元，為 GPU 提供高效的計(jì)算和紋理處理能力。

架構(gòu)位置：

• 每個(gè) TPC 包含 2 個(gè) SM（部分架構(gòu)中可能不同，如早期架構(gòu)有單個(gè) SM）。
• 每個(gè) GPC（圖形處理集群）包含多個(gè) TPC。
• 每個(gè) GPU 包含多個(gè) GPC，因此整個(gè) GPU 架構(gòu)分為 GPU > GPC > TPC > SM。

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組成:

一個(gè)典型的 TPC 包含以下子模塊：

1. SM（Streaming Multiprocessor）

   • TPC 的主要計(jì)算單元，每個(gè) TPC 包含 2 個(gè) SM（在 Ampere 和 Ada Lovelace 架構(gòu)中）。
   • SM 內(nèi)部包含 CUDA 核心、張量核心、RT 核心、紋理單元等。

2. 紋理單元（Texture Units）

   • 專門處理紋理采樣、紋理過濾等任務(wù)。
   • 與 SM 協(xié)同工作，加速紋理數(shù)據(jù)的加載和計(jì)算。

3. PolyMorph Engine（多變形引擎）

   • 負(fù)責(zé)幾何處理，包括頂點(diǎn)變換、投影和曲面細(xì)分。
   • 每個(gè) TPC 中包含一套獨(dú)立的 PolyMorph 引擎。

4. 緩存模塊

   • 包括一級(jí)緩存（L1 Cache）和紋理緩存，為 SM 和紋理單元提供快速的數(shù)據(jù)訪問能力。

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功能:

TPC 是連接 GPC 和 SM 的橋梁，主要功能包括：

1. 并行計(jì)算能力擴(kuò)展：

   • 每個(gè) TPC 通過包含多個(gè) SM，顯著提升 GPU 的并行計(jì)算性能。

2. 紋理處理：

   • 集成了紋理單元和紋理緩存，用于高效處理游戲和渲染中的紋理任務(wù)，如采樣、過濾和貼圖。

3. 幾何處理：

   • PolyMorph 引擎負(fù)責(zé)幾何階段的計(jì)算，例如頂點(diǎn)著色和幾何曲面變換，支持復(fù)雜的 3D 場(chǎng)景。

4. 模塊化擴(kuò)展：

   • NVIDIA 的 TPC 設(shè)計(jì)使 GPU 架構(gòu)具備高度模塊化，方便擴(kuò)展性能和功能，適應(yīng)不同的市場(chǎng)需求（游戲、AI、科學(xué)計(jì)算）。

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架構(gòu)變化

不同架構(gòu)中 TPC 的設(shè)計(jì)有所變化：

• Pascal 架構(gòu)（如 GTX 10 系列）：每個(gè) TPC 包含 1 個(gè) SM。
• Turing 架構(gòu)（如 RTX 20 系列）：每個(gè) TPC 包含 2 個(gè) SM，首次引入 RT 核心。
• Ampere 架構(gòu)（如 RTX 30 系列）：每個(gè) TPC 包含 2 個(gè) SM，改進(jìn)了張量核心和 RT 核心。
• Ada Lovelace 架構(gòu)（如 RTX 40 系列）：延續(xù)每 TPC 2 個(gè) SM 的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步優(yōu)化性能。

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示例分析：RTX 4090 的 TPC 設(shè)計(jì)

• RTX 4090 的架構(gòu)細(xì)節(jié)：

  • GPC 數(shù)量：12
  • TPC 數(shù)量：72
  • SM 數(shù)量：128（每 TPC 包含 2 個(gè) SM）
  • CUDA 核心總數(shù)：16,384（每 SM 包含 128 個(gè) CUDA 核心）

• 每個(gè) TPC 的具體配置：

  • SM 數(shù)量：2
  • PolyMorph 引擎：1
  • 紋理單元：4（每個(gè) SM 包含 2 個(gè)紋理單元）

這種設(shè)計(jì)允許 RTX 4090 在高分辨率和復(fù)雜場(chǎng)景中表現(xiàn)出色。

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TPC 的重要性

TPC 的模塊化設(shè)計(jì)在性能和效率上具有以下優(yōu)勢(shì)：

1. 性能擴(kuò)展：通過增加 TPC 的數(shù)量，GPU 可線性擴(kuò)展計(jì)算能力。
2. 靈活性：TPC 內(nèi)部功能整合度高，可以適應(yīng)計(jì)算密集型任務(wù)和圖形渲染任務(wù)的需求。
3. 效率提升：將 SM 和紋理單元緊密結(jié)合，減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。

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TPC 是 NVIDIA GPU 架構(gòu)中不可或缺的組成部分，它在 SM、紋理單元和幾何處理單元之間起到整合和調(diào)度的作用。通過 TPC 的模塊化設(shè)計(jì)，GPU 能夠在性能和效率之間找到平衡，同時(shí)支持不同的應(yīng)用場(chǎng)景，如游戲、圖形渲染和深度學(xué)習(xí)。

3. SM（Streaming Multiprocessor）—— 流多處理器

定義：

SM 是 NVIDIA GPU 的核心計(jì)算單元，包含一組執(zhí)行通用計(jì)算和圖形任務(wù)的子模塊。每個(gè) SM 包含多個(gè) CUDA 核心、TMU（紋理映射單元）、張量核心和其他支持單元。

組成與功能：

• CUDA 核心：負(fù)責(zé)執(zhí)行通用計(jì)算任務(wù)（整數(shù)運(yùn)算和浮點(diǎn)運(yùn)算）。
• 張量核心：加速深度學(xué)習(xí)任務(wù)中的矩陣計(jì)算。
• RT 核心：用于處理光線追蹤計(jì)算（部分架構(gòu)中）。
• 共享內(nèi)存（Shared Memory）：提供快速的中間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
• 寄存器文件：為線程分配寄存器資源。
• 紋理和緩存單元：加速紋理采樣和數(shù)據(jù)讀取。

性能意義：

• SM 的數(shù)量決定了 GPU 的并行計(jì)算能力，更多的 SM 意味著可以處理更多的線程。
• 現(xiàn)代 NVIDIA GPU 使用分級(jí)架構(gòu)，例如 Ampere、Ada Lovelace，每一代的 SM 內(nèi)部結(jié)構(gòu)都有優(yōu)化，例如更高效的緩存、更強(qiáng)的計(jì)算單元。

示例：

• NVIDIA RTX 4090 擁有 128 個(gè) SM，每個(gè) SM 包含 128 個(gè) CUDA 核心，總計(jì) 16,384 個(gè) CUDA 核心。

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