Ada Lovelace (微架構)

發布於｜(2022 年 10 月 12 日12)

設計者｜Nvidia

製造商｜、TSMC

製造工藝｜TSMC 4N

產品系列

台式機系列｜、GeForce RTX 40 series

專業級/ 工作站系列｜、RTX 4000 Ada * * RTX 6000 Ada

伺服器/ 數據中心系列｜* * Tesla Ada (L4x)

技術規格

時鐘頻率｜735 MHz - 2640 MHz

一級緩存｜128 KB (每組 SM)

二級緩存｜32 MB - 96 MB

顯存類型｜、GDDR6、GDDR6X

顯存頻率｜21 - 22.4 Gbps

PCIe版本｜PCIe 4.0

圖形API

DirectX｜DirectX 12 Ultimate (12.2)

Direct3D｜Direct3D 12

Shader Model｜Shader Model 6.7

OpenCL｜OpenCL 3.0

OpenGL｜OpenGL 4.6

CUDA｜Compute Capability 8.9

Vulkan｜Vulkan 1.3

通用計算API

CUDA｜CUDA Toolkit 11.6

DirectCompute｜支持

媒體編解碼引擎

編碼引擎｜、H.264、H.265、AV1

解碼引擎｜、H.264、H.265、AV1

色彩深度｜、8-bit、10-bit

編碼器｜NVENC

顯示輸出｜、DisplayPort 1.4a、HDMI 2.1

歷史

前代產品｜Ampere

變體｜Hopper (數據中心)

Ada Lovelace 是Nvidia開發的圖形處理單元(GPU) 微架構，用於取代上一代安培架構，於 2022 年 9 月 20 日正式宣布。架構名稱首次同時包含名字和姓氏，它以英國數學家愛達·勒芙蕾絲 的名字命名，她通常被認為是第一位電腦程式員。Nvidia 同時發布了使用該架構的GeForce 40 系列消費級顯卡 和 RTX 6000 Ada Generation 專業工作站顯卡。據透露，新的 GPU 使用台積電新的5 納米「4N」工藝，與 Nvidia 用於上一代安培架構的三星8 納米和台積電N7工藝相比，效率更高。

## 背景

Nvidia 執行長黃仁勛在 2022 年 9 月 20 日的 GTC 2022 主題演講中宣布了 Ada Lovelace 架構，該架構為 Nvidia 的遊戲、工作站和數據中心 GPU 提供動力。

## 微架構詳解

Ada Lovelace 架構的架構改進包括以下內容：

- CUDA 計算能力(版本) 8.9
- 台積電4N工藝（NVIDIA 定製工藝）- 與台積電N4節點不同
- 第 4 代 Tensor Cores，支持 FP8、FP16、bfloat16、TensorFloat-32 (TF32) 和稀疏加速
- 第三代光線追蹤核心，並發光線追蹤，著色與計算
- 著色器執行重新排序 (SER)
- 影片編解碼器(NVENC/NVDEC) 支持 8K 10 Bit 60FPS AV1
- 不支持NVLink

### 流處理器 (SM)

#### CUDA 核心

每個 SM 單元包含 128 個 CUDA 核心。

#### 光線追蹤單元 (RT)

Ada Lovelace 採用第三代光追單元。其中，RTX 4090 具有 128 個光追單元，而上一代 RTX 3090 Ti 為 84 個。這 128 個光追單元可以提供高達 191 TFLOPS 的計算能力，其中每個光追單元 1.49 TFLOPS。全新的光線追蹤管線引入了著色器執行重排序 (SER)，Nvidia 聲稱它在光追工作負載中能提供 2 倍的性能提升。

#### 張量核心 (Tensor)

第四代張量核心引入了基於 AI 的 DLSS 3 幀生成技術。Ada Lovelace 中每個 SM 單元包含 4 個張量核心，與上代安培架構非常相似。但是由於包含了更多的 SM 單元，張量核心的總數對比上代有所增加。

### 核心頻率

Ada Lovelace 架構的核心頻率顯著提高，RTX 4090 的基礎頻率甚至高於 RTX 3090 Ti 的加速 (Boost) 頻率。

RTX 2080 Ti｜RTX 3090 Ti｜RTX 4090

架構｜圖靈｜安培｜埃達·洛夫萊斯

基礎頻率 (MHz)｜1350｜1560｜2235

加速頻率 (MHz)｜1635｜1860｜2520

### 緩存與記憶體

RTX 2080 Ti｜RTX 3090 Ti｜RTX 4090

架構｜圖靈｜安培｜埃達·洛夫萊斯

一級緩存｜6.375MB (每組SM 96 KB)｜10.5MB (每組SM 128 KB)｜16MB (每組SM 128 KB)

二級緩存｜5.5MB｜6MB｜72MB

完整版的 AD102 核心擁有高達 96 MB 的二級緩存，相比基於安培架構的 GA102 核心，有著十六倍的提升。相較於那些通過較慢GDDR顯存讀取數據的GPU，新的GPU能夠快速訪問大量二級緩存，這有利於複雜的操作，例如光線追蹤。與此同時，通過減少需要頻繁訪問的重要數據對顯存的依賴，較低位寬的顯存也可以和大容量二級緩存協同工作。

每個記憶體控制器占用一個 32 位連接，最高 12 個連接，組合得到記憶體總線位寬為 384 位。Ada Lovelace 架構支持GDDR6或GDDR6X顯存。台式機 GeForce RTX 40 系列採用 GDDR6X 顯存，而相應的移動版本和 RTX A6000 工作站 GPU 則使用更節能的 GDDR6 顯存。

### 效率和工藝

與上一代相比，Ada Lovelace 架構能夠使用更低的電壓。Nvidia 聲稱，RTX 4090 在與上一代旗艦 RTX 3090 Ti 使用相同 450W 功耗的情況下，性能提高了 2 倍。

能耗比的提升歸功於更先進的製造工藝。Ada Lovelace 架構採用TSMC為Nvidia定製的頂尖4N工藝製造。上一代安培架構從 2018 年開始使用三星基於 8nm 的8N工藝節點，在該架構推出時已經是兩年前的製造工藝。此外，具有 763 億個電晶體的 AD102 晶片，電晶體密度為 1.255 億/mm 2，比 GA102 的 4510 萬/mm 2密度增加了 178%。

### 媒體引擎

Ada Lovelace 架構採用了新的第 8 代 Nvidia NVENC影片編碼器，以及從安培架構沿用下來的第 7 代 NVDEC 影片解碼器。

NVENC AV1硬體編碼的加入，使得新架構支持高達 8K 60FPS 10 位色深。與H.264和H.265編解碼器相比，能夠以更低的比特率實現更高的影片保真度。Nvidia 聲稱其採用 Ada Lovelace 架構的 NVENC AV1 編碼器比採用安培架構的 H.264 編碼器效率高 40%。

### 輸出接口

Ada Lovelace 架構因仍舊使用 32Gbps 的舊 DisplayPort 1.4a，不支持具備更高數據帶寬的DisplayPort 2.0接口而受到批評。因此，儘管 GPU 的性能能夠達到更高的幀率，但依然會受到 DisplayPort 1.4a 的刷新率限制。反觀同樣於 2022 年 10 月發布的英特爾Arc GPU 卻帶有 DisplayPort 2.0 接口。在 Ada Lovelace 發布的兩個月後， AMD對標的 RDNA 3 架構發布，RDNA 3 甚至支持 DisplayPort 2.1。

## 核心參數

晶片｜AD102｜AD103｜AD104｜AD106｜AD107

尺寸｜608 mm2｜378.6 mm2｜295 mm2｜190 mm2｜146 mm2

電晶體｜763億｜459億｜358億 | 358億｜未知

電晶體密度｜1.255 億/mm2｜1.211 億/mm2｜1.214 億/mm2 | 1.214 億/mm2

圖形處理集群 (GPC)｜12｜7｜5｜3｜2

流處理器 (SM)｜144｜80｜60｜36｜24

CUDA 核心｜18432｜10240｜7680｜4608｜3072

紋理映射單元｜576｜320｜240｜144｜96

渲染輸出單元｜192｜112｜80｜64｜32

張量核心｜576｜320｜240｜144｜96

光追單元｜144｜80｜60｜36｜24

一級緩存｜18MB｜10MB｜7.5MB｜4.5MB｜3MB

每個 SM 單元 128KB

二級緩存｜96MB｜64MB｜48MB｜32MB

## 基於 Ada Lovelace 架構的產品

### 消費級

- GeForce RTX 40系列
- GeForce RTX 4050（移動端）(AD107)
- GeForce RTX 4060（移動端）(AD107)
- GeForce RTX 4070（移動端）(AD106)
- GeForce RTX 4070 (AD104)
- GeForce RTX 4070 Ti (AD104)
- GeForce RTX 4080（移動端）(AD104)
- GeForce RTX 4080 (AD103)
- GeForce RTX 4090（移動端）(AD103)
- GeForce RTX 4090 (AD102)

### 專業級

- 桌面工作站
- RTX 4000 SFF Ada Generation
- RTX 6000 Ada Generation
- 移動工作站
- RTX 2000 Max-Q Ada Laptop
- RTX 2000 Ada Laptop
- RTX 3000 Ada Laptop
- RTX 3500 Ada Laptop
- RTX 4000 Ada Laptop
- RTX 5000 Ada Laptop
- 數據中心
- L4
- L40
- L40G
- L40 CNX