GCN架構

**AMD Radeon HD 7000** 系列，是 AMD 的圖形處理器系列產品，研發代號為 Southern Islands（翻譯為南方群島），採用 28 奈米製程，由台積電代工。本系列第一款產品為 Radeon HD 7970，於 2012 年 1 月 16 日發佈。全系列顯示核心採用「次世代圖形核心」（Graphics Core Next）架構，針對通用計算而優化。流處理器由 4-Ways VLIW SIMD 架構（俗稱 4D 架構）改良，亦提升了曲面細分效能。透過 ZeroCore Power 技術，顯示核心待機的時候，功耗小於 3W。另外，Radeon HD 7000 支援 PCI-Express 3.0 匯流排和 Direct X 11.1。

Radeon HD 7000 系列的主要競爭對手為 NVIDIA 的 GeForce 600 系列，兩者同樣使用台積電的 28nm 製程製造。HD 8000 只是 HD 7000 的更名版本，僅供 OEM。HD 7000 的真正後繼者是代號 Volcanic Islands（火山島）的 Radeon Rx 200 系列。

## 新標誌

2013 年，AMD 時更換了全線產品的標誌，包括中央處理器和圖像處理器，力圖更新 Radeon 及其他產品的品牌形象。官方網站的產品介紹都改用了新標誌，但零售產品依然是印著舊的 Radeon 標誌。

## 架構

從「Southern Islands」南方群島系列開始，超微開始使用新一代名為「Graphics Core Next」（次世代顯示核心，GCN）的顯示核心架構，主要為加強圖形核心的通用計算能力而特別設計。這種設計概念類似於英特爾已經取消的 Larrabee 專案，但不同的是 AMD 的專案仍然會重視傳統的圖形處理能力。

### 流處理器模組化

對比圖形引擎，流處理器的改動相對比較大。

以往的 5-Ways VLIW SIMD 或 4-Ways VLIW SIMD（俗稱 5D/4D 架構）架構流處理器是針對指令而優化的：自 R600 顯示核心以來，AMD/ATI 顯示核心的流處理單元上是由一個指令發射端 + 五個「流處理器」（四個向量運算單元 + 一個超標量運算單元，後期變更為僅有四個向量單元），理論上，透過將幾個短指令組合為一個長的指令，使每個流處理單元可同一時間處理一個 5D/4D 指令，達到大資料吞吐量的目的。但這樣做的缺點也很明顯：需要依賴指令的恰當組合，而且在指令組合時會出現延時。實際上執行時指令組合往往並非最佳組合，造成有部分流處理器處於閒置狀態，致使執行效率不高，而造成超微顯示核心一直以來給人「理論參數高，實際效能低」的印象。。所以 AMD 放棄以往的 VLIW 架構，改用稱為 GCN 的新架構。

而新的 GCN 架構是針對執行緒而優化，儘管仍然保留 SIMD 的設計。GCN 架構中，為強化通用處理能力，超微開始引入類似於對手輝達的「串流多處理器」、「GPC」等概念。在 GCN 架構的顯示核心上，劃分為多個計算單元（Compute Unit，CU，前稱「GCN 陣列」），每個 CU 單元裏包含指令獲取 / 仲裁單元（Instruction Fetch Arbitration）、控制 / 解碼單元（Control and Decode）、獨享的一級指令 / 資料快取記憶體、65 個 ALU：一個純量運算單元（Scalar Unit）以及 64 個向量運算單元（Vector Unit，即流處理器），這 64 個向量運算單元中，每 16 個向量運算單元組成一個 16 位元的 SIMD 陣列並獨享 64KB 的暫存器，這樣一來，一個 CU 單元就擁有 4 組 SIMD 向量陣列。在執行運算任務時，所有資料都會被拆散為 1D 資料，每個 SIMD 向量陣列運行一條執行緒，由此一組 CU 單元可運行四條硬體執行緒，一個 GCN 架構的顯示核心中包含多個 CU 單元，因此整個 GCN 顯示核心可以同時運行多個任務 / 進程，以一組 SIMD 陣列為一個運算單元的角度看，一個 CU 單元具備 MIMD 的特性。超微官方的資料指出，這是一種「基於 SIMD 陣列的 MIMD 架構」（「Southern Islands is a MIMD architecture with a SIMD array」）。

這樣做的話，只要一直有數據輸入顯示核心，就不會有流處理器閒置。這與 NVIDIA 的處理方式相似，將所有數據都分解為 1D 數據。效率的提升，可以彌補額外配套而增加的線路。在某些特定情況，執行緒可以亂序執行，減少執行緒之間互相影響。

### 圖形引擎

核心配備兩個幾何引擎。每一個幾何引擎包含曲面細分單元、幾何裝配器、頂點裝配器各一個，還有可用於卷積運算、傅里葉變換等特殊運算任務以及材質貼圖處理的材質陣列。單從數量而言，光柵器和曲面細分單元依然比不上對手 NVIDIA。AMD 特別針對相關單元的執行效率，聲稱 Radeon HD 7970 的曲面細分效能最高是上一代 Radeon HD 6970 的 4 倍，即使平均下來也有兩倍的效能提升水準。

### 任務仲裁

新增一級和二級執行緒排程機制。為此，核心額外新增了一到兩個 Asynchronous Compute Engine（非同步運算引擎，ACE），用作 CU 單元（包括其內部）/ 流處理器的任務分配和仲裁，增強顯示核心的亂序執行能力（顯示核心本質上依然是順序執行），提高幾何和通用計算的效能。

### 暫存器

GCN 架構中，為保證資料快速存取，暫存器數量驚人。在一個 CU 單元中，每一組 SIMD 向量陣列擁有各自的暫存器，容量為每組 64KB，一個純量單元獨占 4KB 的暫存器，這樣一來一個 CU 單元裏共有 5 個獨立的暫存器。而對手 NVIDIA 的 Kepler 架構的 GeForce 600 中，每個 SMX 單元（相當於一個 CU 單元）僅有 1 個全域暫存器，即使是早期 Fermi 架構的 GeForce 400 上，每組 SM 單元也是僅有一個全域暫存器。但是，過多的暫存器會使得顯示核心過於龐大，在出於成本考量時還會擠壓運算單元的電晶體使用量，而且還不利於功耗發熱控制以及時脈的提升，Tahiti XT 頂級顯示核心就擁有約 43.13 億個電晶體。有評論指出如此龐大的暫存器數量，顯示出 Radeon HD 顯示核心暫存器的使用演算法不佳。

### 記憶體架構

#### 快取以及記憶體

以往的緩衝記憶體只支援讀取模式。新的緩衝記憶體，可支援讀寫模式，方便交換數據。每一個 CU 單元擁有 64KB 的一級快取，被劃分為一個 32KB 的一級唯讀指令快取、一個 16KB 的一級唯讀資料快取和一個 16KB 一級可讀寫資料快取，全部是連通的，而且可供其它 CU 單元存取，以保證資料同步和共享。而且，這種設計更多的似乎是為了日後 CPU+GPU 協同運算著想。

顯示核心配備每通道容量為 64KB 到 128KB 的可讀寫二級快取，與各 CU 的一級快取之間以及與圖形引擎之間以 64 位元通道連接，以支援它們之間的資料傳送以及同步。二級快取的通道數還與顯示記憶體控制器數量相對應，比如，Radeon HD 7970 擁有 6 個 64 位元的 GDDR5 記憶體控制器，每個控制器擁有一個通道的二級快取對應，即 7970 的二級快取容量為 386KB～758KB。支援 X86 虛擬記憶體技術，可將顯示記憶體中的一部分容量對映到系統記憶體上，供中央處理器存取，以解決紋理生成速率樽頸。

頂級型號 Radeon HD 7970 擁有 6 個 64 位元的 GDDR5 記憶體控制器，合組 384 位元，擁有 3GB 的顯示記憶體容量。系統介面支援 PCI-E 3.0 匯流排。

### 通用運算和 GPU 加速

* 支援 C、C++（及後來的 C++ AMP）以及其它高階程式語言
* 支援 CPU 和 GPU 之間統一虛擬尋址、支援 GPU 讀取記憶體資料和記憶體分頁除錯、CPU 和 GPU 間記憶體資料同步
* 支援 FP64 雙精度浮點運算，和單精度浮點運算的速率比率為 1:4
* 支援 ECC 記憶體
* 新增 VCE 視訊編碼引擎以及 SAD 媒體處理指令，UVD 升級至 3.0 版本
* 支援 OpenCL 1.2

### 圖形程式介面

硬體支援 Direct X 11.1 所有特性，支援 OpenGL 4.3。增加 Partially Resident Textures（局部儲存紋理）特性。支援光柵作業與 Z 緩衝單元繼續獨立運作、所有紋理作業支援快取讀寫作業等。

### 獨立多路音訊輸出

新增 Discrete Digital Multi-Point Audio（DDM Audio）。以往的顯示核心只支援一個音訊數據流輸出。Radeon HD 7000 則支援多個。如果顯示卡接駁三個整合揚聲器的顯示器，以往只可以一個發聲，現在則是三個皆可有聲效輸出。另外，每個顯示器的音效，都是基於該顯示器顯示中的影像。

### 多屏視訊輸出

Eyefinity 2.0（寬域技術）：

* 支援 HDMI 1.4a 3GHz 以及 DP 1.2 HDR2
* 不同尺寸的顯示器都可以組成一個 Eyefinity 群組。
* Eyefinity 技術可配合 HD3D 技術
* 桌面圖標自訂
* 自訂解析度
* 最大支援 16K×16K 的超高解析度

### HD3D

需要一個支援 120Hz 重新整理頻率的顯示裝置，配合 DisplayPort 或者 HDMI 1.4a 輸出。

### 電源管理

新增 ZeroCore 技術，可使顯示核心閒置時進入深度休眠狀態，將功耗降至小於 3 瓦。在 Radeon HD 7970 GHz Edition（使用 Tahiti XT2 核心）上還新增 Boost 特性，使顯示核心能自動超頻或在拷機測試時使核心頻率和電壓降至安全值，最大值為 1125MHz，Radeon HD 7990 推出以後，最低值更低至 500MHz。Radeon HD 7790 推出時還對電源級別進行了改進，在顯示核心使用中可根據負載需要進行更細膩的電源和時脈調整。但與對手 NVIDIA 的 GPU Boost 相比，此技術仍略顯粗糙。

## 產品

28 奈米新架構的 AMD Radeon HD 7000 系列被劃分為三個級別：用於 Radeon HD 7900 系列的「Tahiti」頂級顯示核心、Radeon HD 7800 系列效能級的「Pitcairn」以及 Radeon HD 7700 系列主流級的「Cape Verde」。以完整的晶片來看，效能級的顯示核心（擁有 20 組 CU）大約擁有旗艦級（擁有 32 組 CU）的一半，或兩倍於主流級（擁有 10 組 CU）的流處理器數量，相對應的是單精度浮點運算和雙精度浮點運算的效能也是如此。消費級產品的旗艦型號 Radeon HD 7900 系列的雙精度浮點運算的速率大約為單精度浮點運算的四分之一，而效能級的 Radeon HD 7800 系列和主流級的 Radeon HD 7700 系列則是十六分之一。每個更大的晶片上有兩個額外的記憶體控制器可擴充 128 位元的匯流排頻寬，實際效能測試中，「Pitcairn」核心擁有和「Tahiti」核心一樣的一對前端曲面細分單元，使得兩者的重度 DirectX 11 曲面細分效能得分相近。

### Radeon HD 7900 系列

首款使用 GCN 核心，開發代號為「Tahiti」的 Radeon HD 7900 系列，於 2011 年 12 月 22 日發布。產品系列包括：Radeon HD 7970 GHz Edition、Radeon HD 7970 以及 Radeon HD 7950。首發顯示卡 Radeon HD 7970（核心代號「Tahiti XT」）擁有 32 組 CU 共 2048 個流處理器，核心時脈 925MHz；接著的 Radeon HD 7950 在 7970 的基礎上削減有瑕疵的 4 組 CU 共 256 個流處理器，擁有 28 組 CU 共 1792 個流處理器，核心代號「Tahiti Pro」，核心時脈 800MHz。

後來 2012 年 5 月發布的 Radeon HD 7970 GHz Edition 是採用基於小幅改良過的「Tahiti XT2」，新增 Boost 動態時脈調節，核心時脈最高可達 1050MHz。這三者的公版顯示卡均配備 3GB 的 GDDR5 顯示記憶體，核心使用台積電的 28 奈米 HKMG 製程來製造。

發燒級的 Radeon HD 7990，最初的核心代號是「New Zealand」，採用兩顆「Tahiti XT」核心。後來因功耗限制，先是改由合作廠商利用「Tahiti XT2」顯示核心組成「7970 ×2」形式並冠名「7990」的名義推出非公版的「Radeon HD 7990」。實際上超微已經於 2012 年第四季度推出過採用兩顆削減過硬體規格「Tahiti」核心的 FirePro S10000 專業繪圖卡，但直到 2013 年 4 月，超微才發布消費級領域的 Radeon HD 7990，開發代號「Malta」，採用兩顆「Tahiti XT2」顯示核心，核心最高時脈 1GHz，採用 6GB 的 GDDR5 顯示記憶體，最大熱設計功耗控制在 375 瓦。

### Radeon HD 7800 系列

開發代號為「Pitcairn」的 Radeon HD 7800 系列於 2012 年 3 月 5 日正式發布，2012 年 3 月 29 日正式進入零售市場。這一系列包括 Radeon HD 7870 GHz Edition 以及 Radeon HD 7850。Radeon HD 7870 採用「Pitcairn XT」顯示核心，擁有 20 組 CU 共 1280 個流處理器，核心時脈 1000MHz；Radeon HD 7850 則使用「Pitcairn Pro」顯示核心，擁有 16 組 CU 共 1024 個流處理器，核心時脈 860MHz。這兩款公版顯示卡使用 2GB 的 GDDR5 顯示記憶體，晶片也是由台積電的 28 奈米製程生產。

2013 年，新增 Radeon HD 7870 XT（原來是 Radeon HD 7890）一員，使用的是「Tahiti」最低階的「Tahiti LE」顯示核心，擁有 24 組 CU 共 1536 個流處理器，但和「Tahiti XT2」一樣擁有動態調頻，最高時脈為 970MHz，但仍然是使用 2GB 的 GDDR5 顯示記憶體，而且是以非公版型號推出市場。

### Radeon HD 7700 系列

開發代號為「Cape Verde」的 Radeon HD 7700 系列於 2012 年 2 月 15 日發布。產品系列有 Radeon HD 7770 GHz Edition 和 Radeon HD 7750。Radeon HD 7770 GHz Edition 採用「Cape Verde XT」顯示核心擁有 10 組 CU 共 640 個流處理器，核心時脈 1000MHz；Radeon HD 7750 採用規格削減的「Cape Verde Pro」擁有 8 組 CU 共 512 個流處理器，核心時脈 800MHz。同樣兩款公版顯示卡配備 1GB 的 GDDR5 顯示記憶體，晶片也是由台積電的 28 奈米製程製造。

2013 年 3 月 22 日，新增 Radeon HD 7790，採用基於 GCN 小幅改良版本 GCN 1.1 的「Bonaire XT」顯示核心，效能高於 Radeon HD 7770 而弱於 Radeon HD 7850。超微也準備推出基於 GCN 架構的新入門級產品 Radeon HD 7730，儘管是入門級產品，但根據工程樣品的效能測試表明其仍然擁有兩倍於 Radeon HD 6670 的效能表現。

### Radeon HD 7600/7500/7400/7300 系列

目前除了內建於下一代低功耗 AMD APU 的 Radeon HD 7420G 以外，其它型號均為上一代產品的更名版本。

## 顯示核心列表

### 桌上型平台

#### 獨立顯示核心

* HD 76xx 及以下的顯示核心採用舊有的 5Ways-VLIW SIMD 架構
* HD 73xx-76xx 支援 DirectX 11，OpenGL 4.2 和 OpenCL 1.2
* HD 77xx-79xx 則採用新的 GCN（Graphics Core Next）架構。
* HD 77xx-79xx 支援 DirectX 11.1，OpenGL 4.2 和 OpenCL 1.2
* HD 7790 支援 DirectX 11.1，OpenGL 4.3 和 OpenCL 1.2
* HD 7790 的核心設計上，包含兩個異步運算引擎（ACE），和 7800/7900 系列一樣，而不是 7700 系列的一個
* 「Bonaire」核心，和未來即將發布的「Caribbean Sea」、「Malta」地中海海島（Mediterranean Sea）系列一樣，是 GCN 架構的小幅度改良版本之一
* HD 7990 官方版本直到 2013 年 4 月方有發布，最早由諸如 Powercolor、華碩以及 HIS 等超微官方合作夥伴推出的帶有「HD 7990」的 HD7970 X2 的顯示卡均為非官方 / 非公版設定。
* 雙精度浮點效能實際基於販售市場的不同會有所改變，這裡列出的是超微官方公佈的最高效能數據

　
: 1 （計算單元，Compute Units）：統一彩現器（頂點彩現器 / 幾何彩現器 / 像素彩現器) : 紋理鏡射單元（Texture mapping unit） : 彩現輸出單元（Render Output unit）

　
: 2 GDDR5 顯示記憶體的資料存取時脈是顯示記憶體時脈的四倍，而不是 GDDR3/DDR3 的兩倍

　
: 3 熱設計功耗（TDP）是超微官方數據，實際由於不同廠商有不同的顯示卡線路板設計以及不同的核心時脈參數設定，會影響實際的 TDP 數值

　
: 4 Radeon HD 7990 的資料是基於超微官方於 2013 年 4 月發布時的正式資料，而非此前 PowerColor、華碩以及 HIS 推出的「HD 7990」的參數

　
: 5 採用 Tahiti 的繪圖卡都有兩個 BIOS，第二個 BIOS 貯存了較高的核心頻率，稱為「BOOST」，但初版的 HD7970 沒有此功能

#### 整合式顯示核心

* 全部型號均支援 DirectX 11.1、OpenGL 4.2 和 OpenCL 1.2
* 全部型號內建「統一北橋」（UNB/MC）匯流排輸出輸入介面
* 全部型號均由驅動程式設定強制停用雙精度浮點運算特性
* 全部型號支援角度無關各向異性過濾、UVD3.2 以及最高支援四屏輸出的 Eyefinity 寬域顯示技術
* 全部型號均基於 Radeon HD 6900 系列「Cayman」核心採用的 4Ways-VLIW SIMD 架構
* 全部型號是內建於 AMD APU 的部分型號中，並由格羅方德採用和 CPU 核心一致的 32 奈米 HKMG 製程製造
* 1：熱設計功耗（TDP）的數據中是包含 CPU 核心的熱功率，根據超微的官方資料。顯示核心的實際 TDP 取決於 AMD APU 的核心負載

### 行動平台

#### 獨立顯示核心

* 內部系列型號「London」
* 部分型號仍使用舊有顯示核心，40 奈米製程；其餘的為新的 GCN 架構顯示核心，28 奈米製程
* 全部型號支援 OpenCL 1.2

以下是使用新架構的顯示核心

#### 整合式顯示核心

* 全部型號支援 DirectX 11.1, OpenGL 4.2 以及 OpenCL 1.2
* 全部型號內建「統一北橋」（包括記憶體控制器和 PCI-E 控制器），UMI（United Media Interface）匯流排
* 由於驅動程式的設定，全部型號暫不支援雙精度浮點運算
* 全部型號支援角度無關各向異性過濾、UVD3.2 和 Eyefinity 多屏顯示技術（最高支援四屏輸出）
* 除 Radeon HD 7420G 是基於 GCN 架構以外，全部型號的顯示核心是基於 AMD Radeon HD 6900 的 4VLIW SIMD 架構設計
* System：由系統決定
* TDP 數值是基於整塊 APU 晶片的，而不單是圖形處理部分

## 注釋及參考資料

## 參見

* ATI 顯示核心列表
* GeForce 600

## 外部連結

* GCN 架構（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） - AMD