NVIDIA_GeForce_700

**NVIDIA GeForce 700 系列**是 NVIDIA 公司在 2013 年發布的第十五代 GeForce 圖形處理器，用於筆記型電腦和桌上型電腦。它主要是使用於 GeForce 600 系列 Kepler 架構的改進版（晶片代號以『GK』開頭），不過，和 GeForce 600 系列一樣，一些低階型號則仍使用 Fermi 架構或是其製程升級版。2013 年 4 月，已經有部分 GeForce 700 系列的行動版顯示核心悄然發布，但都是舊有顯示核心的更名版。2013 年 5 月 23 日，首款基於 GeForce 700 系列顯示核心的顯示卡 GeForce GTX 780 正式發布，同時也將此前劃分至 GeForce 600 系列的 GeForce GTX TITAN 重新劃分到 GeForce 700 系列中。2014 年 2 月 19 日，NVIDIA 隨著 Maxwell 架構發布推出 GeForce GTX 750 與 GeForce GTX 750 Ti，宣稱能以更少的功耗達到與 GeForce GTX 480 同等的效能。

## 概觀

NVIDIA GeForce 700 系列的首款顯示核心，代號『GK110』，特別針對通用運算的效能提升而設計，其擁有 71 億顆電晶體，而且還會根據負載需要以及各流處理器負載情況來分派運算任務，從而加強並行多任務效能，並盡可能來最佳化效能能耗比表現。

在『GK110』上，暫存器堆和 2 級快取（L2 cache）的容量和頻寬比此前的型號都有所提升。與『Fermi』架構相比，在 SMX/SM 流處理器陣列的層面上，『GK110』的暫存器堆容量增至 256KB，由 65536 個 32 位元的暫存器組成。『GK110』的 2 級快取的容量增加到 1.5MB，兩倍於費米的『GF110』。2 級快取和暫存器堆的頻寬與『Fermi』架構相比提升了兩倍，使得在需要為每條執行緒分配更多可用暫存器資源時導致的暫存器匱乏的情況下的效能也得到提升，而且，GK110 上每條執行緒可進行定址、搬移的暫存器總數，也由每執行緒 63 個暫存器提升到每執行緒 255 個暫存器。

GK110 上，NVIDIA 也修改了 GPU 的紋理快取，使其不僅只用於圖形處理，還可以用於通用運算。48KB 容量大小的紋理快取，在執行通用運算時作為唯讀快取，專門用於未對齊的記憶體存取操作。此外，錯誤偵測功能也被加入，使得依賴於 ECC 糾錯的負載任務更穩定安全。

對比 GeForce 600 系列，GeForce 700 系列的部分型號的顯示記憶體由上代 0.33ns 顆粒改用了更低延遲的 0.28ns 顆粒，等效頻率由 6000MHz 上升到 7000MHz，GPU 時脈亦有所上升。此外，GeForce 700 系列的部分型號還引入 GPU Boost 2.0，令 GPU 可根據負載需要自動加速到更高頻率。

未來輝達還會透過驅動程式的支援，在『Fermi』、『Kepler』、『Maxwell』顯示核心上實作 DirectX 12。

## 特性

NVIDIA GeForce 700 系列包括來自『GK104』和『GK110』的特性。GeForce 700 系列中基於 Kepler 架構的各款型號根據市場定位需要加入了以下功能特性。

來自『GK104』的特性：

* PCI Express 3.0
* DisplayPort 1.2
* HDMI 1.4a 4K x 2K 視訊輸出
* Purevideo VP5 硬體視訊加速（最高支援 4K x 2K 的 H.264 解碼）
* 硬體 H.264 編碼器（NVENC）
* 支援最多 4 個 2D 螢幕輸出，或是 3 螢幕 3D 視訊輸出（NV Surround）
* 無邊界紋理
* GPU Boost
* TXAA 抗鋸齒
* 台積電 28 奈米製程

來自『GK110』的新特性：

* GPU Boost 2.0
* 針對通用運算而進行的 SMX 提升改進
* CUDA 3.5
* 隨機搬移指令（Shuffle）
* 動態並行
* Hyper-Q（Hyper-Q 的 MPI 功能僅為 Tesla 系列保留）
* 網格管理單元
* NVIDIA GPUDirect（GPU Direct 的 RDMA 功能僅保留在 Tesla 和 Quadro 系列）

### 針對運算而進行的 SMX 提升改進

NVIDIA 在設計『GK110』時，重在提升其運算效能。『GK110』與『GK104』最大的改變在於，『GK104』的 SMX 陣列中，每個 SMX 陣列擁有 8 個 CUDA 核心（流處理器）專門用於 FP64（雙精度浮點數）運算操作，而『GK110』中每個 SMX 陣列擁有 64 個 CUDA 核心用於 FP64 運算操作，這使得『GK110』中每個 SMX 陣列的雙進度浮點數運算作業吞吐量可達 8 倍於一個『GK104』的 SMX 陣列。『GK110』的 SMX 陣列的全域暫存器檔案空間也有增加，達 256KB。紋理快取也有改進，48KB 的空間，可在通用運算中充當唯讀快取。

### 隨機搬移指令

在低階程式語言層面上，『GK110』增加了額外的指令和操作，來求得更好的效能。新增的隨機搬移指令，允許執行緒可存取共享資料而無需到記憶體中存取，使處理進程比以往的載入 / 共享 / 存放模型來得更快。原子操作也被徹底分解，這樣做除了加速原子操作執行速度之餘，還加入一些 FP64 的操作使其獲得對 FP64 資料的處理能力，而此前僅支援 FP32 單精度浮點數的資料。

### Hyper-Q

在執行通用運算時，Hyper-Q 將『GK110』的硬體工作隊列從 1 個擴展到 32 個。在『Fermi』架構時代，一個工作隊列無論它是否會動用顯示核心內每個 SM 陣列，都會在隊列任務處理完畢前佔用這些陣列，這樣做就會有部分 SM 陣列處於閒置，而造成效率低下。『GK110』上，由於擁有 32 個工作隊列，在不同的情況下，能夠將不同的任務流輸入至原本閒置的 SMX 陣列中，增進單元復用率來達成運算資源利用最佳化。Hyper-Q 不僅在顯示核心內負責任務隊列分派作用，還能與 MPI 通訊以及建立對映（在高效能運算領域裏頻繁使用的一個通訊介面），來加強 Hyper-Q 的在高效能運算方面的功用。此前基於 MPI 的解題運算步驟，多為多 CPU 系統而設計，利用顯示核心作運算加速的話，由於一般顯示核心僅能對圖形任務進行排程，對顯示核心內的運算單元等進行通用運算任務分配仍需要依賴 CPU 處理，這樣又加重了 CPU 的負擔，而且顯示核心也沒有被充分利用，這樣就成為效能提升的一大瓶頸，而 Hyper-Q 則可以解決這個瓶頸，GPU 可自動根據負荷需要對 SMX 陣列執行通用運算任務分配。提升 MPI 任務數量，可在這些求解運算步驟中充分利用 Hyper-Q，提升效率進而提升效能，而且，運算程式還無需做修改或只需小許修改。

### Dynamic Parallelism

Dynamic Parallelism 是使顯示核心根據需要對 Grid 的運算結果進行判別並在顯示核心內建立新的 Kernel。『Fermi』時代，當前一個 Kernel 執行完畢後只有 CPU 可以回收判別運算結果然後才為顯示核心分配新的 Kernel，這使得需要花費不少的資源來維持顯示核心與 CPU 之間的通訊。在核心加入判別運算結果以及分派 Kernel 能力，使其它的 Kernel 也能按照接到 CPU 發出的運算請求的 Kernel 去派遣分配，那樣顯示核心就可以節省大量與 CPU 通訊的資源以及時間，降低延時、提升顯示核心內部的 Kernel 密度、任務執行連貫度以及低負載高密集度任務中的運算單元復用率，同時也能解放 CPU，使 CPU 能有更多時間處理其它任務。

### Gird 管理單元

Dynamic Parallelism，由 Grid Management Unit（GMU，Gird 管理單元）用作管理 Grid 以及對將要運行的 Gird 進行優先級排程，可以暫停新網格和隊列的分派，並且在網格準備執行時方會解除網格的暫停等待狀態，為准許像是動態並行能力等高負載的功能的運行提供更好的靈活性。在 Kepler 上的二級仲裁機制 CUDA Work Distributor（CUDA 工作分發器，CWD）持有準備可被分派多達 32 個活動的 Grid，雙倍於『Fermi』的 CWD，GMU 對其收到的 Grid 進行執行 / 停止、回收、判斷、暫停等待以及重新排序等作業。『Kepler』上的 CWD 經由一種雙向鏈路與 GMU 通訊，以使得 GMU 可以暫停新 Grid 的分派並在需要時令 Grid 繼續執行。GMU 也與 Kepler 的 SMX 陣列直接連接，以允許開啟額外工作的 Grid 以動態並行的方式發送新工作回 GMU，令其對新工作進行優先級排程並分派。如果分派了額外工作負載的核心暫停了，GMU 將使其進入不活動狀態，直到從屬的工作已經完成方會調回。

### NVIDIA GPUDirect

NVIDIA GPUDirect™特性，允許在一台電腦上或數台伺服器中的多顆 GPU 連接為一個網路，而且它們之間可直接交換資料而無需經過 CPU 或系統記憶體。GPUDirect 的 RDMA 特性允許第三方裝置，像是固態硬碟、網路卡以及 IB 適配器等在多 GPU 網路上的同一系統中直接存取顯示記憶體，最重要的是，可以降低 MPI 發送到或接收自其它 GPU 的顯示記憶體的資訊。它也降低了系統記憶體的頻寬需求，減低 GPU 的 DMA 引擎的壓力並使其可用於其它 CUDA 任務上。Kepler『GK110』也支援其它 GPUDirect 特性，包括點對點（P2P）以及視訊專用 GPUDirect。

### DirectX 12

GeForce 700 全系列顯示核心的顯示卡上皆可以支援部分 DirectX 12 功能。輝達在基於 DirectX 11 的 GPU 上透過驅動程式支援 DirectX 12 的 API。

## 產品介紹

### 桌面平台

目前基於『Kepler』顯示核心的有 6 款產品推出，GeForce GTX 760、770、780、780 Ti、TITAN 以及 TITAN Black。GTX 760 和 770 採用 GK104 核心。GTX 780 採用與 TITAN 相同的 GK110 核心，僅在紋理單元數量，時脈以及驅動程式特性上有不同。780Ti 以及 TITAN Black 搭載完整版『GK110』顯示核心，兩者的驅動程式特性也有所不同。

* **GeForce GTX TITAN** 以及 **GeForce GTX TITAN Black**- 前者於 2013 年 2 月 19 日推出。GeForce GTX TITAN 採用和 NVIDIA Tesla K20X 相同的，核心代號為 GK110 的顯示核心：擁有 71 億個電晶體，2688 個 CUDA 核心，48 個 ROP 單元，224 個紋理單元，384 位元的記憶體位寬和 6GB 容量的 GDDR5 顯示記憶體，雙精度浮點運算速率和單精度浮點運算速率的比率維持在設計的 1/3，而非 GTX690/680/670 等限制在 1/24 的比率。然而在 GeForce GTX TITAN 的驅動程式中，預設雙精度浮點運算速率和單精度浮點運算速率的比率仍為 1/24（但可以手動在 NVIDIA 控制面板中開啟全速雙精度浮點運算），核心時脈和著色器時脈均為 837MHz（開啟全速雙精度浮點運算後降為 732MHz），等效顯示記憶體時脈為 6008MHz，記憶體頻寬 288.4GB/s。除此以外還支援新的電源管理 GPU Boost 2.0，提供相對更自由的電壓調整和更細緻的時脈和電壓調整。外接輔助供電採用 6Pin+8Pin 的形式。NVIDIA 的宣傳口號：『DNA Of the World's Fastest Supercomputer』。在多個效能測試中遠超 GeForce GTX 680 以及對手 AMD 的 Radeon HD 7970 GHz Edition。但是，NVIDIA 卻嚴格限制合作廠商生產非公版的 GeForce GTX Titan。後續的升級版『GTX TITAN Black』已於 2014 年 2 月 18 日推出，規格更新至和 Quadro K6000 以及 Tesla K40X 一致的完整版『GK110』顯示核心，擁有 2880 個流處理器，240 個紋理單元，預設時脈也提升到 889MHz（全部核心加速時為 980MHz），而其餘規格與 GTX TITAN 一致，其顯示卡外觀上僅散熱器金屬罩的標識相異。
* **GeForce GTX 780** 以及 **GeForce GTX 780 Ti** - 前者於 2013 年 5 月 23 日發布，相比 GTX TITAN，流處理器數量進一步削減至 2304 個（1 組 SMX 單元），紋理單元也削減至 192 個，但其它基本規格和 GTX TITAN 一致；公版顯示卡的顯示記憶體容量也削減到 3GB，核心預設時脈則小幅上升至 863MHz（全部核心加速時可達 900MHz），也閹割了雙精度浮點數運算的效能（1/24 比率），相對 GTX TITAN，NVIDIA 允許合作廠商推出非公版顯示卡。在 GTX TITAN 發布後續升級版 GTX TITAN Black 前，消費級的完整版『GK110』顯示核心出現在 2013 年 11 月 7 日推出的 GTX 780 Ti 上，規格和後續的 GTX TITAN Black 的基本一致，但公版顯示卡的顯示記憶體容量也只有 3GB，而且和 GTX 780 一樣閹割雙精度浮點運算效能，核心時脈上升至 876MHz（加速可達 928MHz），效能表現稍勝於對手 AMD 的 Radeon R9 290X。但是由於 GTX 780 Ti 的規格和 GTX 780 的規格相差非常小（僅供電不一致），因此有合作廠商曾將用於 GTX 780 的電路板用於 GTX 780 Ti 上，但由於供電規格的差異而導致這批使用 GTX 780 電路板的 GTX 780 Ti 會有顯示卡燒毀的危險。而對於問題顯示卡，廠商也願意對購買了這批顯示卡的使用者免費更換新批次的顯示卡。
* **GeForce GTX TITAN Z** - 2014 年 3 月 25 日由黃仁勳於 NVIDIA GTC 2014（GPU 年度技術大會）上公佈，GTX TITAN Black 的雙芯版本，單張電路板上搭載兩顆完整規格的『GK110』顯示核心，5760 個流處理器，480 紋理單元，56 個 ROP 單元，12GB 容量的 GDDR5 顯示記憶體，2×384 位元的記憶體位寬，但具體的時脈仍沒有公佈，輝達的官方建議售價高達 2999 美元。但正式販售日期已數度延期，最終於 2014 年 5 月 28 日正式販售，維持和發佈時硬體規格以及價格。儘管公版顯示卡的效能上略為不及對手 AMD Readeon R9 295X2 公版，但最大僅 375W 的熱設計功耗以及發熱控制（僅使用風冷）要比對手的 500W 優勝，但在散熱器的噪音控制方面不及對手。

### 行動平台

輝達首先推出的使用於行動電腦的 GeForce 710M 和 GeForce GT 730M 均為上一代產品的更名版本。後續陸續發布了低階入門、中階以及高端的行動 GPU，見下面的晶片規格表。

## 晶片規格

### 桌上型顯示核心

GeForce 700 系列的桌上型顯示核心，首發實際上是 GeForce GTX TITAN，稍後是 GeForce GTX 780，規格進一步刪減、價格更低的產品都在 GeForce GTX 780 發布以後陸續發布並上市。和 GeForce 600 系列一樣，幾乎所有的『Kepler』架構的顯示核心儘管支援 DirectX 11.1 的應用程式介面，但硬體支援度上僅支援到 Direct3D 11.1 的硬體特性層面 11\_0，Direct3D 硬體特性層面 11\_1 並沒有完整支援，11\_1 相比 11\_0 多出的 4 個特性在『Kepler』的硬體上沒有予以支援。即使後續可以支援 Direct3D 12，也只能支援到 Feture Level 11\_0 的功能級別。

* 1 統一彩現器 / 流處理器數量 : 紋理對映單元數量 : 彩現輸出單元（ROP）數量
* 2 畫素填充率的計算：ROP 的數量乘以基準核心時脈速率（時脈單位 Hz），單位畫素數每秒（P/s）。
* 3 紋理填充率的計算：TMU 的數量乘以基準核心時脈速率（時脈單位 Hz），單位紋理數每秒（T/s）。
* 4 單精度浮點數運算效能的計算：兩倍彩現器的數量然後乘以基準核心時脈速率（時脈單位 Hz），單位 FLOPS。
* 5 雙精度浮點數運算效能的計算：GeForce GTX TITAN 的為單精度浮點數運算效能的最高的 1/3 或 1/24，具體取決於使用者於驅動程式附帶的 NVIDIA 控制台上的設定（預設為 1/24），但是其它型號的顯示核心，雙精度效能都被固定為單精度的 1/24；基於 Maxwell 架構的顯示核心，更被壓低至 1/32。
* 6 GDDR5 視訊記憶體的資料傳輸時脈速率是其運作時脈的四倍，DDR3 記憶體的則為兩倍。
* 7 列表數據絕大部分來源於輝達的公版顯示卡的資料，實際數據會因不同廠商推出的非公版型號而有所出入；另外 GF108、GF117 以及 GF119 的時脈數據標示為：CUDA 核心時脈 / 彩現器時脈
* 8 GeForce GTX 750 以及 GeForce GTX 750 Ti 採用的是『Maxwell』架構的顯示核心，詳見 NVIDIA GeForce 800 系列
* 9 GeForce GT 740 只有非公版顯示卡，實際顯示核心、視訊記憶體之時脈會與 NVIDIA 發布的資料有所差異。

### 行動平台顯示核心

某些筆記型電腦或低功耗裝置製造商會使用特定規格，特別是低階入門型號的顯示核心。因此該列表中低階型號的顯示核心的數據僅供參考，實際數據取決於裝置製造商。

* 1 統一彩現器 / 流處理器數量 : 紋理對映單元數量 : 彩現輸出單元數量

## 參見

* NVIDIA 顯示核心列表
* NVIDIA Tesla
* NVIDIA Quadro

## 腳註

### 註解

### 資料來源

## 外部連結

* NVIDIA 主頁（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* NVIDIA Kepler Compute Architecture（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Nvidia Nsight（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）