NVIDIA_GeForce_900

**NVIDIA GeForce 900 系列**，是輝達研發的圖形處理器產品系列，用於桌上型電腦平台和筆記型電腦平台。此代顯示核心將採用第二代 Maxwell 微架構（晶片代號將以『GM』開頭），以蘇格蘭理論物理學家詹姆斯・克拉克・麥克斯韋的名字命名。2010 年，NVIDIA 將此時代 Maxwell 核心的首發旗艦級產品命名為 GeForce 900 系列，分別為桌面平台的 GTX 970、GTX 980、GTX 980 Ti、GTX TITAN X、GTX 950 和 GTX 960 以及行動平台的 GTX 950M GTX 960M GTX965M GTX 970M 和 GTX 980M、GTX 980 GeForce 800 系列則全為使用在筆記型電腦 OEM 市場上的移動式顯示核心。

## 概觀

2010 年 9 月 NVIDIA 宣布下一代顯示核心架構『Maxwell』。首款基於『Maxwell』架構的消費級顯示核心的產品將於 2014 年早期發賣，是為 GeForce GTX 750/750 Ti。

第二代『Maxwell』介紹了幾種新技術： 動態超分辨力、第三代三角洲顏色壓縮和多圖元程式設計採樣、Nvidia VXGI (Real-Time-Voxel-Global Illumination) 和 MFAA。此外增加了 HDMI 2.0 支援。

## 架構特性

GeForce GTX 980/970 使用「GM204」核心，是 Maxwell GPU 架構的第二作。它們分別採用了 GM204 的兩個細分型號 GM204-400-A1 以及 GM204-200-A1 晶片，擁有 52 億的電晶體規模，晶片面積為 398 平方毫米 (此為 NVIDIA 公布資料)。由於有製造「GK110」這種大面積晶片的經驗，加上面向消費級遊戲應用市場而削減該領域中甚少使用的雙精度浮點數運算電路單元，使得 GPU 可以更專精於安放遊戲應用更常用的單精度浮點運算電路單元、紋理單元及彩現輸出單元。這些因素成了「GM204」晶片用於遊戲娛樂應用時，擁有卓越效能功耗比的重要因素之一。

與 Kepler 架構的 GK110 相比，儘管 GM204 架構的運算資源總量從 2880 個 ALU（NVIDIA 稱為 CUDA 核心）分別下降到了 GeForce GTX 980 的 2048 以及 GeForce GTX 970 的 1664 個，Texture Filter Unit 則由 240 個下降到了 128 個以及 104 個，但構成後端的 ROP 在 GM204 當中被提升到了 64 個，更龐大的 ROP 陣列為 GM204 帶來了理想的像素處理能力。

### 顯示記憶體

GeForce GTX 980/970 均擁有 4 個 64bit 雙連結視訊記憶體控制器組合形成的 256bit 視訊記憶體控制單元，也都採用了 4096MB 的尺寸的視訊記憶體體系。

### SMM

新的 SMM 單元較之原先的 SMX 單元來了一次結構變動，在保留完整的幾何前端的前提下，SMM 陣列在內部將 ALU 團簇再次劃分成了 4 個並列的獨立子團簇 SM，每個 SM 包含 32 個 ALU，並且都擁有獨立的 Scheduler/Dispatch 以及 Register，每兩組 SM 共享一組統一的 Texture/L1 D\$ cache，這與 SMX 單元 192 個 ALU 共享同一組 Scheduler、Dispatch、L1 D\$ cache 以及 Register 形成了鮮明的對比，而且也進一步提升了每個 ALU 所能夠獲得的 Register 資源量。

### 支援 API

GeForce 900 系列目前支援 OpenGL 4.5、DirectX 11.3 以及 OpenCL 1.2，未來可支援 DirectX 12。

## 產品介紹

### 桌上型平台

基於 Maxwell 架構的顯示核心 GM204 的首發產品是 GeForce GTX 970 和 GTX 980，它們均於 2014 年 9 月 19 日發布。隨後還有 GeForce GTX 960，該產品於 2015 年初發佈；之後還有 2015 年 6 月 1 日發布的 GTX 980 TI 以及 8 月 20 日發布的 GTX 950。而頂級顯示核心 GM200，被冠以 GeForce GTX TITAN X 的名號於 2015 年 3 月 5 日公布，除了 TITAN X 之外，其餘的顯示卡會有不同的廠商生產自製顯示卡，還會有背板支撐。

押後發表的 GeForce GTX 960、950 還支援 HEVC/H.265 硬體解碼，以前發表的型號則只支援 HEVC/H.265 硬體編碼。

* **GeForce GTX TITAN X** - 2015 年 3 月 GDC 大會上 NVIDIA 公佈此顯示卡的訊息，顯示核心代號「GM200」，首款產品是為 GeForce GTX TITAN X。此顯示核心擁有 80 億個電晶體，搭配 12GiB 容量的顯示記憶體；仍使用台積電 28 奈米製程；供電僅使用了 6pin+8pin 的輔助供電，功耗 250 瓦，而 12GiB 的顯示記憶體容量，則各佈置於顯示卡的正背兩面，外觀保留和 TITAN 系列的一貫風格但從銀色變成了啞光黑，相對於上一代的 TITAN (Black、Z) 以及 GTX980 而言沒有背板支撐和散熱。另外，GTX TITAN X 還將配備低溫散熱風扇停轉的功能。
* **GeForce GTX 980 TI** - 2015 年 6 月 1 日發售，核心代號與 GTX TITAN X 一樣是「GM200」、80 億個電晶體、6GiB 顯示記憶體，但一共只有 2816 個 CUDA 核心、192 個紋理貼圖單元、96 個輸出彩現單元，不過其餘的規格與熱設計功耗跟 TITAN X 大致相同，而且與 GTX TITAN X 相比效能也相差不多，其它的廠商會生廠自製顯示卡，顯示時脈會比公板還要高，也會有背板支撐。
* **GeForce GTX 980** 和 **GeForce GTX 970** - 兩者均於 2014 年 9 月 18 日發售，核心代號均為「GM204」之顯示核心（內建 52 億個電晶體）以及 4GiB、等效時脈 7010MHz 的 GDDR5 顯示記憶體。但 GTX 980 的 GM204 顯示核心是完整版的，共 16 組 SMM 陣列（一共 2048 個 CUDA 核心、128 個紋理貼圖單元）、64 個彩現輸出單元、2MiB 二級快取，記憶體位寬為 256 位元，頻寬 224GB/s；而 GTX 970 的 GM204 核心則相對完整的 GTX 980 而言刪減了 3 組 SMM 陣列（這裡共 384 個 CUDA 核心、24 個紋理貼圖單元（TMU））以及 8 個輸出彩現單元（ROP）、二級快取也從 2MiB 縮減至 1.75MiB，記憶體位寬為 224 位元 + 32 位元的結構，頻寬 192GB/s+28GB/s。
* **GeForce GTX 960** 以及 **GeForce GTX 950** - 前者 2015 年 1 月 22 日發售，核心代號「GM206」，內建有 29.4 億顆電晶體，完整規格，擁有 8 組 SMM 單元（共 1024 個 CUDA 核心、64 個紋理貼圖單元）、32 個輸出彩現單元（ROP），使用 2GiB 或 4GiB 容量、等效時脈 7010MHz 規格的 GDDR5 顯示記憶體，記憶體位寬 128 位元、頻寬 112GB/s；除了核心時脈以外，規格上幾乎是「GM204」的一半，用作取代 GeForce GTX 760 及其衍生型號。而 GTX 950 則於 2015 年 8 月 20 日發售，核心代號與 GTX 960 的同為「GM206」，但比 GTX 960 的少了兩組 SMM 單元（而 ROP 單元數量維持不變），時脈參數也比 GTX 960 的來得低，是 GeForce 900 系列中階產品，用來取代 750/750TI，只不過熱設計功耗進一步降低到 90W，僅需要接一個 6PIN 外掛電源接頭；此款型號恢復了在 650/650TI 以及 750/750TI 中取消的 SLI 功能。

#### GeForce GTX 970 規格參數爭議

GeForce GTX 970 的規格參數爭議主要在於顯示記憶體、ROP 單元、二級快取的數量 / 容量上實際產品與發布宣傳時公佈的不一致。其中，特別是顯示記憶體存取結構，因為沒詳細公佈出來，而導致用家在一些使用場合上觀察到顯示記憶體存取效能上有差異：GTX 970 搭載了 4GiB 容量的 GDDR5 顯示記憶體，而實際上只有 3.5GiB 的容量可以全速存取，越過了 3.5GiB 容量的界限以後的區塊幾乎沒有存取動作，儘管一般使用甚少會越過此界限，但使用這剩餘的 0.5GiB 容量的顯示記憶體存取效能明顯下降了。其後越來越多的效能測試以及調查結果，使輝達承認，GTX 970 的顯示記憶體的使用超過 3.5GiB 容量界限以後效能下降的事實，並對此做出解釋道，顯示卡正式發售前沒有事先通知或公佈 Maxwell 架構的顯示核心更精細的核心單元遮蔽方式（這種遮蔽方式更有利於良品率和成本控制）。

顯示核心硬體後端的參數，最初輝達的發布會上顯示，GTX 970 和 GTX 980 是一樣的。而實際上，970 後端的 ROP 單元僅有 56 個而非 980 的 64 個，二級快取也僅有 1.75MiB 而非 980 的 2MiB，這些後端單元數量 / 容量上的差異導致了 970 上的 4GiB 顯示記憶體定址與 980 的有差異，使得 4GiB 中的 3.5GiB 可供顯示核心全速存取，剩餘的 0.5GiB 區段的效能只有全速 3.5GiB 區段的 1/7。 儘管這一結果不影響此前幾乎所有的 GTX 970 效能測試結果，而輝達也對規格參數錯誤一事做出道歉並承諾下次會準確公佈各型號圖形處理器的參數，並在驅動程式的開發上對 GTX 970 的顯示記憶體使用作特別的最佳化，盡可能避免使用 4GiB 中最後 512MiB 的低速區段以減輕其效能衝擊。然而輝達又改口稱，因內部的溝通不暢，此前發布供 GeForce900 系列使用的驅動程式中實際已對 GTX 970 的顯示記憶體使用做過最佳化，不再需要特別對待。而輝達的討論社區中也有工作人員稱會對欲退貨的 GTX 970 買家提供協助 2015 年 2 月 26 日，輝達的 CEO 黃仁勳在輝達的官方部落格上對該起失誤事件做出正式道歉。

輝達發布的勘誤聲明中，表示 SMM 中各單元是可進行單獨的遮蔽，每一個單元包括 256KiB 的二級快取和 8 個 ROP 單元後端，而遮蔽這些單元並不影響顯示記憶體的記憶體控制器。這樣做的代價是記憶體匯流排被分為高速區段和低速區段，這兩段不能夠同時進行存取操作，最多只能在一個區段進行讀操作的同時另一區段進行寫操作，不能同時進行存取操作，是因為二級快取和 ROP 單元都管理著這些 GDDR5 記憶體控制器以共享在兩個 GDDR5 記憶體控制器和它們自己之間的讀迴圈通道和資料寫入匯流排，即一個 64 位元的記憶體控制器管轄最後 512MiB 慢速區段的和鄰近的 3.5GiB 高速區段的 512MiB，共同由一組 8 個 ROP 單元和這 0.25MiB 的二級快取連接使用。這樣做使得 GTX 970 可使用 4GiB 的顯示記憶體而非 3GiB。簡單來說就是 GTX 970 上 256 位元寬度的 GDDR5 記憶體匯流排，有 224 位元連接 3.5GiB 的高速區段，有 32 位元連接 512MiB 的低速區段。

部分早前購買 GTX 970 的用家，以及留意到這起事件的律師行，也就這起參數爭議事件涉嫌侵犯使用者知情權或對輝達發起集體訴訟，儘管實際使用表明 GTX 970 顯示記憶體的特殊結構對效能影響並不高，只有 1～3%，而非畫面卡頓，而輝達此前也有 GeForce GTX 660 使用非對稱顯示記憶體的先例。

#### 有限的 DirectX 12 硬體支援

NVIDIA 標榜「Maxwell」GPU 微架構是可以完整支援 DirectX 12。但是，首款使用 DirectX 12 的遊戲 —— 奇點灰燼，其開發商 ——Oxide Games 遊戲工作室，在遊戲的開發階段，發現「Maxwell」架構 GPU 的顯示卡，並不能在 DirectX 12 下發揮出應有的效能（相比 DirectX 11 下並沒有明顯的效能進步）。

Oxide Games 表示，儘管 NVIDIA 的官方文宣上宣稱 GeForce 900 系列 GPU 能使用 DirectX 12 的所有功能，但是 Maxwell 的 GPU，實際上並不能使用 DirectX 12 的核心功能 —— 非同步運算以及非同步彩現管線，而 NVIDIA 為了實現這些新功能，在驅動程式層級中安插了 Shim（一種提供應用程式介面（即 API）的驅動庫）中介層來實作它們，但這種實作方式，需要佔用一定的 GPU 運算資源。簡單來說，NVIDIA 採用了軟體的方式實現 DirectX 12 的部分核心功能，因此會造成效能上的折損。

而與之相對，Oxide Games 則表示，AMD 的 GCN GPU 架構中已經包含了非同步運算及彩現的硬體電路，因此可以無需透過中介層，驅動程式可直接調用硬體電路單元來實作 DirectX 12，儘管支援的功能層級是基本的 Feture Level 12\_0，因此 GCN 架構的 GPU 可以憑藉 DirectX 12 在效能測試抑或是遊戲效能中獲得較為明顯的效能提升。

Oxide Games 稱在於 NVIDIA 磋商解決效能問題時，卻遭到 NVIDIA 方面向工作室的施壓，要求在遊戲效能測試中不能使用 DirectX 12 的非同步運算功能，因此工作室方面認為，NVIDIA 的 GeForce 900 系列 GPU 面對對手 AMD 同級別的、對 DirectX 12 的核心功能能順利支援的 GCN 架構 GPU 時會處於劣勢。不過在 2015 年 8 月 4 日，Oxide Games 方面解釋，「我們確實與 NVIDIA 的人員交流關於非同步運算方面的話題，確實，驅動程式方面尚未能完全實作它，但驅動程式卻報告它能夠實作之」，NVIDIA 也正與 Oxide Games 合作，令 900 系列能夠實現非同步運算。由於不像 AMD 的 GCN 架構以硬體電路實現非同步運算，NVIDIA 將必須仰賴驅動程式及其中介層，實現軟體層級的隊列及軟體層級的任務分發器，來轉發非同步運算任務到其 GPU 的硬體任務排程器上，令其勝任將運算負荷能分配至 GPU 中正確的電路單元上的工作。

### 行動平台

本系列同時還有針對行動平台發佈的 GeForce GTX 970M 和 GTX 980M 以及 GTX 960M GTX 965M ,GTX 950M 和 GeForce 940M 930M 920M ，他們在桌上型平台發佈之後跟進。搭載這數款型號的筆記型電腦現已上市，後期會有從桌上型移植到行動平台的 980 Notebook。

NVIDIA 於 2016 年 3 月無預警推出 3 款 MX 型號顯示核心 ——920MX、930MX 及 940MX，同時也推出 910M。930MX 與 940MX 者架構與 930M 及 940M 相同，920MX 架構則放棄 Kelper/Fermi 架構改用 Maxwell 架構；910M 則使用 Kelper/Fermi 架構，然而 MX 型號的記憶體及處理器時脈比 M 型號高，同時記憶體也支援 GDDR5，不過有些廠商為了節省成本則仍然使用 DDR3 記憶體。

## 晶片規格

註：

* 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 單元）數量
* 2 畫素填充率的計算：ROP 單元數量乘以基準核心時脈
* 3 紋理填充率的計算：紋理對映單元數量乘以基準核心時脈
* 4 單精度浮點數運算效能的計算：彩現器 / CUDA 核心 / 流處理器的數量 ×2，再乘以基準核心時脈
* 5 GTX 980，GTX 970，GTX 960 以及 GTX 950 的雙精度浮點數運算效能是單精度浮點數運算效能的 1/32
* 6 NVIDIA SLI 支援最多 4 塊相同 GPU 的單 GPU 的顯示卡組成 4 路 SLI 組態，除此以外多塊相同 GPU 的顯示卡可組成 3 路或雙路連結組態。然而由於雙 GPU 的顯示卡已經相當於雙路 SLI 組態，這類顯示卡組成 4 路 SLI 僅需另外一塊可識別的相同的雙 GPU 顯示卡即可，但不能組成 3 路 SLI 的組態。
* 7 由於遮蔽了一個或數個區塊的二級快取 / ROP 單元而不影響所有對應的記憶體控制器，顯示記憶體會被分段。一個區段在寫入資料時另一區段也必須保持讀取資料以達成兩者的最高效能，這個效能數值不會高於純讀取或純寫入時的效能數值，在下表中記憶體匯流排已被分別顯示（「224+32」的樣式）

### 桌上型平台顯示核心

### 行動平台顯示核心

某些實作方式（如筆記型電腦）會使用不同的參數。 

## 參見

* NVIDIA GeForce 400
* NVIDIA GeForce 500
* NVIDIA GeForce 600
* NVIDIA GeForce 700
* NVIDIA GeForce 800
* NVIDIA Quadro
* NVIDIA Tesla

## 腳註

### 註解

### 參考資料

## 外部連結

* Nvidia Nsight（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）