拒绝显存瓶颈 解读GDDR5显存技术

在显卡技术领域，随着GPU性能的逐步提升，显卡对显存带宽的需求也与日俱增，而GDDR3显存已经无法满足下一代GPU的需求。为此芯片厂商推出了GDDR4显存颗粒，遗憾的是，相比GDDR3而言，GDDR4并没有彻底解决功耗和带宽问题，而且成本过于昂贵。芯片厂商则直接跳过了GDDR4，转而发展GDDR5显存颗粒，与GDDR3显存颗粒相比，GDDR5具有哪些特点呢？
　　突破瓶颈：带宽提升三倍
　　显存带宽决定了GPU与显存之间的数据传输速率，通常来说显存带宽越大，显卡性能就越出色，但要提高显存带宽，最直接有效的办法是提升显存位宽。遗憾的是，显存位宽并不是由芯片技术决定，而是取决于板卡设计，它与显存颗粒位宽和显存频率息息相关，在这点上，尽管GDDR3显存颗粒是时下的主流，但面对采用RV770核心的新一代GPU（VPU）构架，如Radeon HD4870，GDDR3显存颗粒已经呈现出了疲态，此时GDDR4或GDDR5显存颗粒就是最好的补充。不过由于GDDR4显存颗粒的频率提升不够显著，加之颗粒参数上的限制，有时会造成性能缺陷，而GDDR5显存颗粒却拥有足够大的带宽。
　　

　　GDDR5的信号传输原理
　　根据公式：显存带宽＝显存频率×显存位宽。我们知道，如果要提高显存带宽，可以增加显存工作频率或显存位宽，而要改变显存位宽，最常见的办法就是增加显存颗粒数，这样势必提升显卡成本，而且还会增加显存的功耗。对于显存颗粒厂商而言，提升显存频率以提升显存带宽成了一条主攻路线，而显存频率的大小，又主要取决于显存颗粒的速度，GDDR5显存颗粒就是通过采用最新的技术工艺，使得显存芯片拥有更高的频率。
　　据资料显示，目前主流显卡采用了GDDR3显存颗粒，其每个引脚的数据传输率仅为1.6Gbps，单显存颗粒（32bit）也只能提供6.4GB/s带宽，而现在高速的GDDR5显存颗粒每个引脚的数据传输率可以达到5Gbps（即传输频率为5GHz，时钟频率为2.5GHz）或6Gbps，单显存颗粒（32bit）可以提供20GB/s带宽（即5GHz×32bit/8），如果搭配同数量、同显存位宽的显存颗粒，GDDR5显存颗粒提供的总带宽是GDDR3的3倍以上，譬如显卡的显存位宽为256bit，其数据传输率可以达到160GB/s，如果使用主流512bit配置设计，显卡数据吞吐可以达到惊人的320GB/s带宽。
　　

　　GDDR5的带宽高达6Gbps
　　小贴士：显存的引脚是指显存颗粒与内存PCB上的金属触点，显存芯片在封装后，显存与PCB需要通过金属触点进行信号传输，对于GDDR5显存而言，由于其采用了FBGA封装形式，为此柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，并向芯片中心方向引出，其优点是有效地缩短了信号的传导距离，信号传输线的长度仅是TSOP封装（薄型小尺寸封装）的1/4，降低了抗干扰，也提升了性能，而“每引脚数据传输率”指的是每个金属触点所能提供的数据传输速度。
　　高效节能：功耗降低20℅
　　毫无疑问，相比GDDR3或GDDR4显存颗粒而言，GDDR5显存颗粒最大的亮点就是拥有更高的带宽，但显存频率的提升，也增加了芯片功耗，这会制约显卡性能的发挥。从技术标准来看，GDDR3显存颗粒的工作电压为1.8V，而GDDR4及GDDR5的工作电压都为1.5V，不过GDDR4并没有解决高功耗、高发热的问题，导致GDDR4显存颗粒的功耗反而比GDDR3高，这也是造成GDDR4显存颗粒的频率停留在1GHz～1.4GHz的主要原因。
　　相比GDDR4显存颗粒而言，GDDR5显存颗粒不单单将数据传输率提升了一倍，它还拥有更低的工作功耗。据了解，得益于优秀的电源管理技术，GDDR5显存颗粒会比 GDDR4省电20℅左右。譬如在空闲时自动降低显存的频率，功耗和发热量得到了很好的控制。而且在制程技术上，GDDR4显存颗粒采用的是80nm甚至90nm工艺制程，而GDDR5显存颗粒将采用66nm或55nm工艺制程，并采用170FBGA封装方式（是指采用了FBGA封装，并拥有170个球状触点），从而大大减小了芯片体积，芯片密度也可以做到更高，为此进一步降低了显存芯片的发热量。
　　对于显卡来说，基于应用需求的不同，涉及大量图形数据处理的GPU需要更快的显存支持，GPU自身也因此具有惊人的内存位宽，而面对下一代512bit位宽的显卡，GPU必须与频率更高的显存芯片配合，如果让频率相对较低的GDDR3显存颗粒去搭配Radeon HD4870显卡，显然无法发挥GPU的性能潜力，而使用55nm工艺制程的GDDR5显存颗粒就正好门当户对。这不仅仅可以实现低功耗，还能让显卡内部的协调更有效，从而最大限度地发挥显卡性能。
　　

　　GDDR5的制造工艺更高
　　新技术：让显卡更稳定
　　正是由于GDDR5显存颗粒具有低功耗、高性能的特点，为此还有利于提高显卡电路设计的稳定性，显卡在实际应用中，可以获得更高的数据安全性，因而相比GDDR4的误纠正技术，该技术可以检测显存在读取和写入数据的错误，而且可实现同步检测并修正。譬如发现有数据读写有错误或数据传输不同步，错误纠正技术能够实现快速重新发送，以确保显卡能够稳定运行。
　　

　　GDDR5的错误纠正技术
　　GDDR5显存颗粒还加入了一项“适应性界面计时”技术，该技术可以根据系统的实际需要，自动调节显存可伸缩的字节。此举可以让数据传输更加高效，同时还具有节能的效果，确保显卡的稳定运行。对于显卡厂商而言，利用“适应性界面计时”技术还可以减少PCB板的成本，让显卡更加廉价。GDDR5显存颗粒还有一项“DEO（数据眼优化）”技术，它支持时间延迟调整，允许厂商自行设定延迟，让显卡可以满足不同用户的应用需求。此外，“数据眼优化”技术还能对界面驱动、工作电压等进行优化和调节，不仅可以提升显卡性能，也让显卡PCB板和电路设计更加稳定。
　　

　　GDDR5的数据优化技术
　　高显存带宽：引爆PCI-E 2.0
　　对于高端显卡来说，PCI-E 2.0显卡搭配GDDR5显存颗粒是十分必要的，PCI-E 2.0接口带宽达到了单向8GB/s（双向16GB/s），充足的接口带宽对于高性能GPU会有明显的性能提升，但如果只搭配GDDR4显存颗粒，显存带宽低了不少，也就意味着显卡性能大打折扣，从实际应用角度来看，随着GPU性能越来越强，以及SLI、Quad SLI双模式甚至多核心显卡的推出，GDDR5显存颗粒与PCI-E 2.0规格的双双联合，会让显卡GPU的3D性能得到充分发挥。而且也降低了显卡成本，让主流显卡更具竞争力。
　　写在最后：GDDR5市场趋势
　　与GDDR4相比，GDDR5拥有高性能、低功耗、稳定性更好等优势，它更能满足3D图形带宽的发展需求。我们可以断定，尽管GDDR4早已在市场上开始应用，但它只是过渡性的临时方案，GDDR5才代表未来的主流趋势。据了解，在2007年的高端图形市场中，GDDR4仅占了10%的市场，2008年GDDR4市场的成长幅度较快，但仍无法在一年之内成为主导。而在2008年下半年，奇梦达、三星、现代等厂商将会开始大规模量产GDDR5芯片，而且将占显卡市场7%的份额，预计到2009年，GDDR5将会超过20%的市场占有率，2010年时将成为主流，此时GDDR4的市场将被彻底挤占。NVIDIA、ATI及Intel已经开始准备在下一代显卡，如Radeon HD4870上采用GDDR5显存。
　　

　　GDDR5能提供的带宽
　　总的来看，GDDR5 显存颗粒可大幅提升绘图硬件效能，同时为软件设计师带来更大空间，让游戏及绘图世界能更加真实，减少因显存频率、带宽不足而造成的瓶颈。在显存容量上，目前主流显卡为512MB、768MB，尽管相比此前的256MB有突破性提升，但依然无法满足双核CPU在大型程序下的数据交换需要。采用GDDR5显存后，显卡显存的容量起点将是512MB，这让入门级显卡也拥有了出色的3D性能，而且届时1GB显存容量将成为市场主流。为了满足市场需求，预计到2009年，显存芯片商将会推出更高容量的显存颗粒。到那时候，GDDR5显存将全面统领显卡市场。