● GPU第一次成功的Tick-Tock

　　2004年4月發(fā)布的NV40是世界上第一顆支持DirectX 9.0C的GPU，采用帶冗余電路的IBM Fishkill 130nm銅互連工藝生產(chǎn)，集成超過2億晶體管，芯片面積288平方毫米。作為第一代DirectX 9.0C芯片，NV40的芯片面積在當(dāng)時(shí)可謂巨大，而且曾一度盛傳因良率問題而難產(chǎn)，如果不是IBM Fishkill親自操刀帶來的貴族級的工藝，相信NV40不會像后來那樣順風(fēng)順?biāo)?/P>

一雪前恥的NV40

　　作為NVIDIA的第二代DirectX 9.0C構(gòu)架，2005年6月登場的G70不僅大幅放大了NV40構(gòu)架諸資源的規(guī)模，改進(jìn)了每條流水線中負(fù)責(zé)co-issue的第二組ALU，盡管工藝方面從IBM的130nm轉(zhuǎn)向了TSMC的110nm，但由于大幅增加的資源總量，其芯片面積依舊增加到了326平方毫米。

　　伴隨著工藝的逐漸成熟以及對構(gòu)架的深入把握，NVIDIA于2006年3月推出了G70的改進(jìn)型構(gòu)架版本——G71。G71采用了TSMC Fab12 90nm工藝，在EDA及構(gòu)架層面上均進(jìn)行了清理和更新，這讓G71擁有了196平方毫米的瘦身面積。

　　整個(gè)DirectX 9.0C時(shí)代的3款NVIDIA芯片可以被看做是一次良好的構(gòu)架摸索—規(guī)模放大—工藝修正過程，這種穩(wěn)定提升性能然后開始平衡成本利潤關(guān)系的做法，最終讓G71取得了商業(yè)及用戶口碑的雙重佳績。

　　● 微觀“TT”，宏觀敗筆

　　有失敗鑄就的成功，當(dāng)然就會有成功鑄就的失敗，NVIDIA的DirectX 10時(shí)代雖然并不能說是失敗，其發(fā)展路線從構(gòu)架角度來講確屬必要，但DirectX 10時(shí)代后期那段并不算好過的日子也的確成了AMD構(gòu)架演進(jìn)的對照系。

　　首先登場的是可以被稱作是上最成功GPU的G80。由于對API需求的合理預(yù)判以及選擇TLP作為發(fā)展思路，正確的戰(zhàn)略方向讓G80在沒有多少包袱的前提下?lián)碛辛祟H高的單位效率和絕對性能。但與先進(jìn)構(gòu)架相對應(yīng)的是工藝方面的保守，NVIDIA并未采用當(dāng)時(shí)更加先進(jìn)的半代工藝升級法，因此采用90nm工藝制造的G80擁有了484平方毫米的芯片面積。

　　在經(jīng)歷了構(gòu)架調(diào)整完善以及工藝升級之后，采用65nm工藝制造的G92于2007年10月面世。相對于G80，G92在構(gòu)架層面補(bǔ)完了shared以及Texture部分，將MC從384bit削減至256it，但基本結(jié)構(gòu)較之G80并未有更大的變化，因此更換工藝之后的G92并未像R600-RV670那樣出現(xiàn)巨大的芯片尺寸降幅，屬于標(biāo)準(zhǔn)Tick-Tock過程的G92構(gòu)架的核心面積最終定格在了334平方毫米這一數(shù)值上。

　　接下來的GT200對NVIDIA來說可以算是一個(gè)“甜蜜的災(zāi)難”。按照NVIDIA的構(gòu)架演進(jìn)計(jì)劃，GT200不僅要完成超越G80/G92至少50%的圖形性能目標(biāo)，更要為NVIDIA打開通用計(jì)算及HPC應(yīng)用市場，甚至還要為即將到來的DirectX 11積累構(gòu)架方面的經(jīng)驗(yàn)。在雙重目標(biāo)以及Tick-Tock節(jié)奏的壓迫之下，GT200構(gòu)架不僅整體規(guī)模較之G80/G92提升了近100%，芯片面積更是達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的576平方毫米，這不僅讓GT200的發(fā)熱控制成了極其困難的事情，更讓NVIDIA背負(fù)了沉重的成本及可制造性負(fù)擔(dān)。

　　本來NVIDIA的故事到這里就該告一段落了，但由于GT200的問題確實(shí)嚴(yán)重，NVIDIA不得不對產(chǎn)品線的制造工藝進(jìn)行了比對手多一次的tick過程，將G92和GT200的制造工藝升級到了55nm，由此誕生的G92B和GT200B的芯片尺寸分別變成了276及470平方毫米。尺寸縮減之后的GT200B不僅一掃GT200的諸多陰霾，更創(chuàng)造了GTX260+這一“不老的神話”。

　　NVIDIA的DirectX 10時(shí)代是規(guī)律的，3代構(gòu)架演進(jìn)過程的每一步均達(dá)到了目的，之間也維持了完整規(guī)律的Tick-Tock節(jié)奏，性能層面也無可挑剔，但最終的GT200卻讓NVIDIA著實(shí)難過了一段時(shí)間。反觀AMD的DirectX 10時(shí)代雖然以悲劇開場，而且構(gòu)架的每一次演進(jìn)不僅沒有明確且具有延續(xù)性的宏觀路線，細(xì)節(jié)層面也僅僅是在不斷地償還之前開場所欠下的債務(wù)，但最終卻收獲了喜劇的結(jié)局。是什么讓悲喜劇的劇本完成了互換，又是什么讓本以疲態(tài)盡顯的GT200起死回生呢？

　　答案，就在影響一切卻又不為人知的潛規(guī)則——D線。

　　● 誰將D線丟給了我們

　　D線是一個(gè)伴隨著可制造性問題產(chǎn)生的指標(biāo)，它幾乎受所有半導(dǎo)體及GPU芯片業(yè)相關(guān)因素的影響。半導(dǎo)體工藝的更新節(jié)奏，NVIDIA以及AMD對產(chǎn)品的規(guī)劃以及更迭周期，DirectX的壽命周期以及芯片的可制造性等等要素都在左右著D線的游移和位置。

　　在通常情況下，每一代DirectX版本都會持續(xù)30~36個(gè)月的時(shí)間，而按照NVIDIA多次強(qiáng)調(diào)的12個(gè)月集成度提升一倍的GPU構(gòu)架更迭周期，每個(gè)版本的DirectX將對應(yīng)3款左右構(gòu)架的誕生。與此同時(shí)，這段時(shí)間周期內(nèi)半導(dǎo)體工廠還將發(fā)生最少一次的工藝更迭。伴隨著工藝的更迭以及半導(dǎo)體集成度的不斷放大，芯片能不能被制造出來以及能不能被大量的制造出來這一問題被越來越明確地提到了影響GPU構(gòu)架的決定性位置。這一切因素的影響，共同造就了D線的出現(xiàn)。

　　由于GPU廠商必須在某代DirectX出現(xiàn)之前便開始對應(yīng)GPU的研發(fā)工作，對即將到來的API的各種特性以及它們對市場需求所產(chǎn)生的影響之類的要素，廠商們基本上只能采取情報(bào)和信息判讀以及預(yù)測的方式來加以了解。因此即便極盡與微軟配合之能事，想要讓設(shè)計(jì)中的芯片完全滿足尚未出現(xiàn)的新版本DirectX以及隨之變化的市場的全部要求也幾乎是不可能完成的任務(wù)。另外，DirectX的更新周期往往還會與半導(dǎo)體新工藝的更新周期重疊，新的芯片究竟是否適應(yīng)新工藝的技術(shù)特點(diǎn)也是一個(gè)至關(guān)重要的問題。

　　有介于此，每代DirectX對應(yīng)的初代甚至是第二代GPU構(gòu)架幾乎全部都帶有實(shí)驗(yàn)性質(zhì)。它們被賦予的角色通常都是探路人，不僅要收集全新API的硬件需求情報(bào)，試探市場對API以及產(chǎn)品的接受程度，修正開發(fā)者自身對圖形技術(shù)發(fā)展方向預(yù)測的方式，改進(jìn)和改良新的半導(dǎo)體制造工藝與硬件之間的配合，甚至還會影響到關(guān)于與微軟合作深度、方式以及市場運(yùn)作形式之類可能影響公司生死的戰(zhàn)略和決策。

　　如果想要更好的完成這些任務(wù)，選擇貼近極限的大芯片設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。更大的芯片不僅能夠提供更多的單元作為試驗(yàn)場地，讓設(shè)計(jì)者盡可能全面的檢測構(gòu)架細(xì)節(jié)搭配以及邏輯結(jié)構(gòu)的合理性，為“頻率還是規(guī)?！边@個(gè)永恒的話題尋找適合當(dāng)下的答案，更能替后續(xù)的調(diào)整和優(yōu)化留下更大的余量，還可以檢測代工廠在可制造性方面所能夠耐受的極限以及市場對功耗和發(fā)熱的接受度。這些帶有探索性質(zhì)的特性混合在一起所帶來的挑戰(zhàn)，是該版本的DirectX后續(xù)階段所不可能提供的。因此初代芯片往往意味著極高的制造困難度和較低的市場接受度，這也正是D線對第二代GPU通常都會較為寬容的原因，同時(shí)也是D線存在的意義——D線就是界限，界限之內(nèi)只會有更好的可制造性和接受度，超過界限則只可能會越來越糟糕。

　　隨著API出現(xiàn)之后的逐漸穩(wěn)定，以及廠商對初代硬件構(gòu)架的各方面綜合檢討，DirectX中后期，尤其是末期的芯片將逐漸的趨于穩(wěn)定。芯片將從探索性的激進(jìn)轉(zhuǎn)變成以回收成本和獲利為目的的保守，對當(dāng)前API的優(yōu)化也會隨著對初代芯片的檢討而逐步完成，這種檢討如果表現(xiàn)為刪節(jié)和優(yōu)化不必要的單元結(jié)構(gòu)，顯然會比添加缺失單元更能降低可制造性方面的負(fù)擔(dān)。即使后續(xù)的芯片依舊需要進(jìn)一步釋放規(guī)模，不必要單元的刪節(jié)和邏輯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也會讓這種釋放過程變得更加容易，R600-RV770的過程就堪稱這方面的典范。結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化以及工藝的更新，有助于將芯片從可制造性的極限中解救出來，不需要再去挑戰(zhàn)工藝極限的第三代、第四代DirectX芯片，自然沒有必要去踩過D線。

　　可惜，世界上偏偏就有很多非要踩一下D線來以身試法的存在，這些存在的結(jié)局或悲或喜，甚至為我們演繹了一出近乎完美的“D線上的華爾茲”。

　　● D線上的華爾茲

　　D線上的第一幕悲喜劇發(fā)生在DirectX 9.0C時(shí)代，這個(gè)階段的NVIDIA芯片經(jīng)歷了一個(gè)Tock-Tock-Tick的過程，NV40更換了構(gòu)架，同時(shí)確立了DirectX 9.0C時(shí)代N卡陣營的D線，接下來的中期時(shí)代構(gòu)架G70雖然在更新工藝的前提下仍舊大幅超越了D線，但最終卻憑借G71的完美Tick過程將芯片面積拉到了D線以下很遠(yuǎn)的區(qū)域。

　　同時(shí)期的ATI芯片則走出了另外一種趨勢，從R420的臨時(shí)調(diào)整令其無法達(dá)成完整的設(shè)計(jì)理念，很多東西需要在R520中予以表達(dá)，再加上工藝的先天不足，R520雖然與G70一樣大幅超越了R420畫出的D線，但接下來，ATI完全沒有進(jìn)行構(gòu)架和工藝的同步優(yōu)化，而是直接大幅擴(kuò)展了R520的資源和GPU結(jié)構(gòu)，這讓R580最終于D線漸行漸遠(yuǎn)。

　　最終的結(jié)果，NVIDIA憑借G71的完美收官在DirectX 9.0C時(shí)代大獲全勝，一雪前DirectX 9.0時(shí)代由NV3X累積的恥辱。而ATI則不僅逐步喪失了之前積累的大量優(yōu)勢，更因?yàn)槌杀竞弯N量的難以為繼而最終被AMD收購，消失在了歷史的長河中。

　　圍繞D線的故事在DirectX 10時(shí)代同樣精彩，剛接手ATI的AMD面對R600這樣一個(gè)爛攤子，果斷地選擇了一次相當(dāng)完整同時(shí)極其經(jīng)典的Tick-Tock過程，先通過RV670對R600進(jìn)行大幅優(yōu)化修改以及瘦身，將芯片面積拉到與G71一樣距離D線非常遙遠(yuǎn)的區(qū)間，然后再利用由此換來的面積和晶體管資源富裕度創(chuàng)造了RV770這樣的經(jīng)典之作。值得注意的是，由于RV670的Tick過程太過成功，以至于運(yùn)算資源提升了250%的RV770的芯片面積依舊距離D線非常遙遠(yuǎn)，這不僅進(jìn)一步推動了RV770的成功，更為AMD積累寶貴的利潤資本創(chuàng)造了有利的條件。

　　NVIDIA在DirectX 10時(shí)代的表現(xiàn)則堪稱“D線上的華爾茲”，它不僅進(jìn)一步闡釋了D線的重要意義，更為我們一次性展現(xiàn)了所有圍繞D線可能出現(xiàn)的悲喜結(jié)局。G80-GT200b的構(gòu)架演進(jìn)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖駨牧薚ick-Tock-Tick的節(jié)奏，首先出現(xiàn)的G80在性能上為NVIDIA取得領(lǐng)先的同時(shí)，也為NVIDIA的整個(gè)DirectX 10時(shí)代畫上了484平方毫米這一D線。其后更換工藝且處于Tick節(jié)奏的G92由于相對G80的修正并不是很多，因此并未將面積大幅拉離D線，這不僅讓其在于RV670的攻防戰(zhàn)中表現(xiàn)得不如G80那樣氣定神閑，更為GT200的表現(xiàn)埋下了重要的伏筆。

　　接下來出現(xiàn)的GT200由于背負(fù)了NVIDIA賦予的太多使命和任務(wù)，再加上前代G92的Tick過程并未創(chuàng)造出充足的空間，其面積不僅大踏步的踩過了D線，令NVIDIA背負(fù)了沉重的功耗和成本負(fù)擔(dān)，更讓其在對手以單卡雙芯的形式奪走性能王冠時(shí)無計(jì)可施。可就在所有人都以為一幕曾經(jīng)上演過的悲劇即將再次鑄成時(shí)，NVIDIA卻又以強(qiáng)大的行動力對GT200進(jìn)行了一次Tick過程，成功的通過55nm工藝的部署將GT200b的核心面積再次拉回到了D線以下。這一Tick動作讓NVIDIA在整個(gè)DirectX 10時(shí)代經(jīng)歷了3次對D線的穿越，整個(gè)過程看上去就像是一場圍繞著D線旋轉(zhuǎn)的華爾茲一般。再次跨越D線的GT200構(gòu)架芯片不僅憑借可制造性的改進(jìn)以單卡雙芯重奪性能王冠，更創(chuàng)造了令人難忘的“不老的GTX260+”。

　　G71與R580的鮮明對比，ATI的命運(yùn)，GT200的悲劇預(yù)定以及GT200b的最終逆轉(zhuǎn)，還有整個(gè)DirectX 10時(shí)代NVIDIA那極富起死回生意味的華麗的華爾茲舞步，這一幕幕的悲喜劇無不圍繞著D線展開，由此可見，D線真是一條劃分生與死的奇跡之線啊。

　　● 第三場的高潮

　　斗轉(zhuǎn)星移，DirectX 9.0C和DirectX 10時(shí)代以及那些圍繞著各自的D線進(jìn)行的一幕幕悲喜劇，都已經(jīng)淹沒在時(shí)間的浪花中了。我們目前所面對的，是全新的DirectX 11時(shí)代。之前我們曾經(jīng)提到過，D線是用于衡量某代DirectX中同陣營不同階段GPU命運(yùn)的生死線，那么在進(jìn)入DirectX 11時(shí)代之后，AN雙方圍繞著D線又有著怎樣的表現(xiàn)呢？

　　率先進(jìn)入DirectX 11時(shí)代的是通過R600-RV770完美演繹D線優(yōu)勢的AMD，通過先前積累的面積率優(yōu)勢以及快速進(jìn)入的策略，AMD于2009年11月推出了世界上首款支持DirectX 11的GPU——RV870。RV870擁有一倍于RV770的構(gòu)架規(guī)模，除此之外在構(gòu)架結(jié)構(gòu)上并未有更多創(chuàng)新。較少的改進(jìn)以及制造工藝從55nm到40nm的進(jìn)步，讓RV870擁有了良好的功耗發(fā)熱表現(xiàn)以及可制造性，同時(shí)也將AMD在DirectX 11時(shí)代的D線畫在了334平方毫米上。

　　雖然達(dá)到了快速推出了第一代DirectX 11芯片的目的，但脫胎自R600構(gòu)架的RV870終于還是觸及到了性能以及物理界線方面的瓶頸，這讓AMD不得不選擇在接下來的產(chǎn)品中對構(gòu)架進(jìn)行必要的改進(jìn)。VLIW結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的Cayman依舊采用40nm工藝生產(chǎn)，芯片面積也小幅踏過了D線允許的范圍，并最終定格在了389平方毫米的數(shù)值上。

　　NVIDIA在DirectX 11時(shí)代的表現(xiàn)與AMD剛好相反，DirectX 11首代構(gòu)架Fermi擁有良好的邏輯結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)理念，但其糟糕的EDA和龐大的規(guī)模讓它的良率和功耗表現(xiàn)飽受詬病，甚至NVIDIA不得不首次推出了剛一登場便遭閹割的旗艦級單芯片，而且與GT200時(shí)代完全相同的，初代Fermi構(gòu)架的GF100芯片同樣不具備單卡雙芯的可制造性。先天問題多多的GF100，將NVIDIA在DirectX 11時(shí)代的D線畫在了529平方毫米這一GPU史上第二大的芯片面積上。

　　GF100的問題讓NVIDIA重新開始了對EDA過程的重視，經(jīng)過重新布局設(shè)計(jì)以及優(yōu)化的第二代Fermi構(gòu)架GF110雖然在邏輯結(jié)構(gòu)上與GF100極為接近，但在可制造性以及溫度功耗表現(xiàn)方面均大幅領(lǐng)先后者。同時(shí)，經(jīng)過EDA優(yōu)化過程，部分冗余且可以舍棄的部分被從構(gòu)架中剔除了出去，這讓GF110的芯片面積有了微小的下降，520平方毫米的核心面積讓NVIDIA的第二代DirectX 11芯片來到了D線下方的區(qū)域。

　　對于D線畫成之后的第二代芯片，也就是Cayman以及GF110的表現(xiàn)，每個(gè)人心中應(yīng)該都有比較明確的答案了，D線就像魔咒一般，無時(shí)不刻不在影響著芯片的實(shí)際表現(xiàn)。我們在前面提到過，D線對某代構(gòu)架中前期的芯片相對來說是比較寬容的，那么在DirectX 11發(fā)布2年多，已經(jīng)臨近API壽命尾聲的今天，即將到來的第三代也就是末代DirectX 11芯片，又會有著怎樣的表現(xiàn)呢？

　　● 后DirectX 11時(shí)代的詩

　　第三代的DirectX 11 GPU構(gòu)架無論對AMD還是NVIDIA來說都是至關(guān)重要的，這一代的GPU構(gòu)架不僅都處在工藝換代的階段，而且不出意外的話它們同時(shí)還將成為倒數(shù)第二代甚至最后一代的DirectX 11GPU。既然如此，這一代的GPU依舊會遇到來自D線的制約。

　　我們之前曾經(jīng)說過，正常情況下某代DirectX的后期GPU最好能夠?qū)⑿酒娣e維持在D線以下，最起碼不要大幅超過D線，這不僅能夠?yàn)槠鋼Q來更好的可制造性，更能令其在功耗及發(fā)熱端表現(xiàn)出更好的市場接受度。誰踩過D線太多，誰就一定會輸，那么接下來將要登場的AMD與NVIDIA芯片，又會受到怎樣的來自D線的影響呢？

　　AMD的下一代GCN將會承受不小的來自D線的壓力，原因很簡單——作為初代芯片，RV870因?yàn)榭焖俳槿胍约皼]有特色而帶來了更小的芯片面積，這雖然為其換來了較好的聲譽(yù)，但卻在限定絕對性能的同時(shí)大大壓縮了D線以下區(qū)間的范圍。換句話說，RV870太小了，它所構(gòu)筑的D線并沒有為后續(xù)的芯片留下足夠充分的修改和回旋的空間。這一點(diǎn)在Cayman中已經(jīng)切實(shí)的表現(xiàn)了出來。逐級提升的芯片面積不僅會為AMD帶來更大的制造難度，同時(shí)還會降低市場的接受度。AMD如果想讓GCN或者改進(jìn)型的Cayman在獲得理想的性能，其所需的緩沖資源總量將會相當(dāng)大，這種資源總量的增長會進(jìn)一步拉動晶體管需求總量的大幅增加，以目前來看，如果要實(shí)現(xiàn)與對手相近的資源密度，其難度還是挺大的。AMD如果以D線為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行考量，最好的辦法是稍微放大甚至停止放大Cayman構(gòu)架，而不是在現(xiàn)在就匆忙的引入GCN構(gòu)架。

　　NVIDIA的狀況相對來說要好一些，但僅是相對而已。盡管GF100所畫出的D線下空間較之AMD要寬裕很多，但并沒有人規(guī)定有空間就必須要去進(jìn)行利用。如果NVIDIA確定了“規(guī)模大于頻率”的基調(diào)，同時(shí)繼續(xù)在多功能性方面進(jìn)行追求，那么來自HPC領(lǐng)域的需求以及過大的芯片規(guī)格勢必會大幅抵消新工藝帶來的面積率下降空間，甚至有可能令其攜手AMD的GCN芯片一起雙雙翱翔在D線之上的天空。NVIDIA想要避免重蹈GT200的覆轍，最好的出路是將開普勒構(gòu)架的單芯規(guī)模提升到不超過費(fèi)米構(gòu)架的150%，也就是不超過768個(gè)SP單元的水平上。這樣不僅能夠在28nm工藝的幫助下將芯片面積控制在D線附近甚至以下，以高頻和單卡雙芯結(jié)構(gòu)來爭取性能王座的地位，更可以進(jìn)一步鞏固由GF110帶來的消費(fèi)者的接受度以及市場的信心。

　　我們看過太多關(guān)于D線的悲喜劇，甚至還因?yàn)樗チ艘婚g曾經(jīng)為我們帶來優(yōu)秀性能以及許多快樂的廠商。在DirectX 11的末期，我們不希望看到D線再次成為悲劇的裁判官。無論AMD還是NVIDIA，他們的存在對于消費(fèi)者來說都是至關(guān)重要的，畢竟公平、良性同時(shí)激烈的競爭才是我們獲得更優(yōu)秀產(chǎn)品的最好途徑。但遺憾的是，它倆的命運(yùn)最終掌握在它們自己手里，至于后DirectX 11時(shí)代這首關(guān)于構(gòu)架與D線的詩應(yīng)該怎么寫，只有它們自己知道。

　　想用到好產(chǎn)品的少年們，祈禱吧。