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PS3專用圖形處理器RSX專業技術分析

中國投影網行業資訊　2008-7-10 11:33:27　編輯：羽彤　[ 大中小 ]

一：RSX圖形芯片就是Geforce 7800 GTX翻版?

　　Sony電腦娛樂(SCEI)與Nvidia公司合作開發下一代PlayStation 3游戲機，搭載了Nvidia公司開發的代號為“RSX(Reality Synthesizer現實合成器)”的圖形芯片，這個圖形芯片可以看作是Nvidia GeForce GPU 7800 GTX(G70)的兄弟版本。

　　Nvidia的首席工程師David B. Kirk稱，關于兩款GPU芯片的“Shader架構”，RSX和G70并沒有什么差別，兩者的差別集中在生產工藝，系統總線，記憶體頻寬等方面。如G70采用TSMC的110nm工藝制造，采用PCI-E x16接口，搭載256Bit帶寬的GDDR3記憶體，而RSX則采用SONY/Toshiba的90nm 工藝，FlexIO前端總線架構搭配128bit記憶體寬度。

　　為什么說G70和RSX在Shader架構上沒有區別呢，原因有幾個，最主要的根據來自與Nvidia在E3大展上公開發表的RSX規格說明，證實RSX每個周期能夠運行136 shader運算。Xbox 360所使用的GPU來自于ATI所開發的R500，根據微軟透露的資料顯示，R500每個周期可執行96個Shader操作(運行頻率500MHz)，也就是每秒可執行480億個Shader指令，這一數值要高過Nvidia的RSX。“每秒執行的Shader操作”這種叫法來源于ATI;而Nvidia則稱之為“每秒執行的指令數”，這是因為Nvidia同時計算了一次Shader操作中所導致的復述操作，所以Nvidia在關于RSX Shader結構的規格計算方法和ATI的截然不同，這在E3大展上面也曾成為議論點。

　　按照Nvidia的計算方法，RSX的“每周期136個Shader操作指令”的參數實際上與G70相同(因為G70的架構為8VS/24PS，而G70的每個VS流水線等價于2個指令/周期，PS流水線等價于8指令/周期)，故RSX和G70均為每周期136個Shader操作。換句話說，如果觀察周期指令運算能力的話，你會發現G70和RSX的Shader架構幾乎完全相同，因為RSX也是具備8VS和24PS流水線，這一點和G70完全相同。

　　事實上，公開表示G70和RSX擁有相同的架構的著名業界人士透露，由于Nvidia直到去年的夏天才和Sony電腦娛樂(SCEI)最終確定合作事宜，Nvidia 實際上根本沒有足夠的時間來為PS3著身定制一款專門的圖形芯片。

　　目前我們可以假定，RSX實際上和G70是基本相同的同一架構的圖形芯片，甚至連晶體管的個數都差不多(此前傳RSX是包括3億只晶體管，而G70為3.02億)由于G70的PCI-E x16架構對于帶寬的要求比RSX的FlexIO前端總線高的多，因此G70的顯存帶寬是RSX的兩倍不難理解。

二:RSX的Shader運算能力比G70增長28%?

　　G70的Shader架構，其實是以GeForce 6800(NV40)為基礎，不過對Pixel Shader的并行運算( parallelism )進行了加強;例如，NV40在Pixel Shder內部擁有2個引導操作單元，不過其中的1個單元不能執行1個周期內芯片演算的數據量總和，而G70則能做到這一點，而我們現在猜測RSX同G70一樣。

　　雖然G70和RSX的Shader架構幾乎完全相同，但是兩者的性能還是有差距的，原因在于運行頻率的高低，根據Nvidia的官方數據，G70的默認頻率為430MHz，而RSX為550MHz，頻率方面的差距在28%,那么兩者的Shader運算性能差距能夠達到理論上的28%嗎?

　　根據Nvidia公布的G70資料顯示，Vertex Shader引擎具備4路 VLIW單元和1個梯狀單元，可以并行處理5個數據;故計算得知一個周期內包括10個浮點指令操作，而G70的Vertex Shader引擎數目是8條，因此，最近計算得到的G70浮點運算能力為:

　　(4路+1梯形) X 2FP(浮點操作 MADD) = 10FP/周期;10個FP(浮點操作)×8Shader×430MHz=34.4GFlops

　　而G70的Pixel Shader引擎中，具備2個梯形操作單元以及4路×2 SIMD單元，此外還擁有可以處理處理算數指令(mini ALU)的FP16規格化處理單元(共7路)，因此，G70的Pixel Shader引擎浮點效能如下:

　　((4路 x 2 單元 + 2梯形單元) x 2 FP) + 7 規格化處理器單元 = 27 FP操作/周期:27 FP x 24 Shader x 430MHz = 278.6GFLOPS

有了這樣的計算公式，我們可以很輕松地計算出頻率為550MHz的RSX的Vertex Shader和Pixel Shader引擎的浮點運算能力:

　　Vertex Shader

　　10 FP x 8 Shader x 550MHz = 44GFLOPS

　　Pixel Shader

　　27 FP x 24 Shader x 550MHz = 356.4GFLOPS

　　總共為44GFLOPS + 356.4GFLOPS = 400.4GFLOPS

　　而 Xbox 360 GPU(R500)的Shader浮點運算能力為240GFLOPS，雖然數值上僅為RSX的60%，但是由于R500和RSX在開發架構上有不小的區別，RSX是分離的VS/PS設計，Xbox 360 GPU是一體化的設計，故R500的實際性能并不能僅從數字上來判斷。

三:FlexIO的帶寬決定了如何使用GPU

　　可以這么說，G70和RSX最大的不同在于其總線技術(Host bus)，G70支援PCI-Express x16總線技術，而RSX則使用Rambus的FlexIO(Redwood紅木)總線技術。

　　我們知道，總線的并行結構與高頻率、布線難度素來就是矛盾:并行總線存在嚴重的信號干擾，無法穩定工作在較高的頻率下、傳輸性能極為有限，且總線寬度越大、工作頻率越高，對布線工作要求就越苛刻，這就造成并行總線的性能很難有繼續提升的空間。為此，計算機內的高速總線無一例外均轉向串行體系，如PCI Express、HyperTransport、Serial ATA、IEEE1394a/b、USB 2.0等等—但RAMBUS公司提出的FlexIO總線技術卻是一個例外，它以并行模式工作，工作頻率高達6.4GHz，且布線工作相當容易，完全克服了并行總線的“先天弊病”。

　　眾所周知PCI-Express x16的帶寬為4GB/S，如果雙向傳輸則可達到8GB/S;但是FlexIO總線中Cell-RSX的傳輸速度最高可以達到20GB/S以上，RSX-Cell的傳輸速度可以達到15GB/S以上，是PCI-E x16的5倍以上。較高的總線帶寬，有利于CPU和GPU的協同工作和數據分配;而對于總線帶寬相對較小的PC來說，GPU與CPU的溝通則顯得不太方便。對于這點，我們會進行進一步的細節說明。

　　使用的FlexIO的總線另外一個優勢在于，即使裝備Cell 96bit帶寬其側面僅占據13.1平方mm，RSX的側面因為帶寬的變大而變得狹窄，并且有可能比13.1平方mm還要更小。

　　順便提及的是，具備并行接口的FlexIO總線很容易組成8bit運算單元，標準傳輸率為6.4Gbps。但是SONY公布的PS3的資料中，20GB/S的Cell-RSX和15GB/S RSX-Cell的傳輸速率并不吻合。傳輸速率下降為5Gbps，符合下32bit和上24bit的計算，因為這個原因，FlexIO的傳輸速率有可能會掉到5Gbps。目前，PS3的Cell處理器以及XDR DRAM記憶體的運行頻率已經確定了，隨著CPU頻率的下降，XDR DRAM的傳輸速率也會下降。但是，FlexIO被看成是異步模式下工作的。

四:RSX和G70記憶體接口架構對比

　　G70和RSX的另一個差別在于顯存記憶體的帶寬，為PC所設計的G70采用了256bit帶寬的GDDR3記憶體，而RSX采用了128bit帶寬的GDDR3記憶體，不過顯存的容量相同均為256MB。

　　目前RSX的記憶體控制器的架構圖仍然只是處在猜測階段;根據NV40/G70的架構，顯存記憶體控制器分為4個分塊，每個分塊均連接到DRAM控制器，帶寬均為64bit。同時有每個分塊同時連接4個ROP(像素結果輸出處理器)像素單元，此外分塊之間也相互連接，因此總共具備16個ROP。這些ROP像素單元以每條2×2像素流水線為單位分為4組，在需要的情況下，這些ROP單元能實現alpha混合和附加的Z/Stencil功能，這讓它可以每個時鐘頻率處理32個Z/Stencil運算，還完全支持Multiple Render Targets(多重著色目標)和加速的陰影著色能力。

　　我們假定RSX和G70采用同樣的設計，每個記憶體分塊連接有4個ROP像素單元，而每個記憶體分塊都連接到DRAM記憶體，并且被分配到32bit帶寬;如果我們假設有8個ROP像素單元的話，那么就表明連接到DRAM控制器的部分擁有64bit帶寬。

最后要提到的是，此前Nvidia透露的資料顯示PlayStation3游戲機，具備256MB XDR DRAM@3.2GHz的系統內存，以及256MB GDDR3@700MHz的顯存。

五:RSX和G70的制造工藝對比

　　前面也曾提到，RSX和G70采用了不同的制造工藝進行生產，G70采用了和NV4x相同的TSMC 0.11微米制造工藝，制造工藝相當成熟，內部集成3.02億個晶體管，這是迄今為止顯示芯片晶體管集成數目的世界紀錄;而RSX采用Sony/Toshibia的0.09微米制造，內部集成了3.0億晶體管。在顯示核心面積上，0.11微米制程的G70面積為300平方mm，而90nm工藝的RSC面積僅為G70的70%左右，在200～250平方mm之間;而PS3的上一代PS2的顯示核心采用0.25微米制程，面積為279平方mm。而隨著芯片制造的進步，未來65nm和45nm制造工藝的芯片表面積降可以控制在100平方mm以內。

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