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在NVIDIA推出了16nm工藝Pascal架構的GTX1080顯卡之前，這半年來的顯卡市場上基本上沒什麼新品，無論是AMD還是NVIDIA主推的還是上一代架構的顯卡，恍恍惚惚之間28nm工藝的顯卡竟然支撐了4年時間，這在以往的GPU升級曆史上可并不多見。之所以雙方沉寂這麼久，毋庸置疑，兩者一定在醞釀着什麼，AMD的新一代顯卡架構為14nm工藝的Polaris（北極星），NVIDIA準備的則是16nm工藝的Pascal（帕斯卡），後者在GTC2016大會上首次揭開了面紗，NVIDIA發布的TeslaP100專業卡就使用了旗艦GP100核心。
也許是許久未見到新工藝、新架構的顯卡，現在看到GP100這樣的龐然大物竟有了一種莫名的興奮感。從Kepler到Maxwell架構，NVIDIA前兩次都是選擇首發面向主流遊戲市場的核心GK104、GM204（Maxwell首發的其實是GM107這樣的低端核心），GK110、GM200大核心産品通常要晚半年時間，但這次的Pascal顯卡就跟當年的GF100費米架構一樣選擇了大核心首發，曆史終于又一次輪回了。
作為16nm工藝的新一代旗艦，NVIDIA的GP100核心到底有多強呢？或者說它與目前的顯卡架構有什麼質的不同？接下來，我們就詳細分析一下GP100核心的特色，同時，回顧它與Kepler和Maxwell架構有哪些不同。
Pascal與Kepler、Maxwell規格對比
切入正題之前，我們先來了解看看GP100核心與Kepler、Maxwell架構的規格，此前NVIDIA官方也公布了GP100核心與GK110、GM200核心的一些對比，這裡我們做了一份更詳細的表格，并加入了GM204及GK104這兩款遊戲顯卡的核心規格。
這份規格表的内容非常多，粗粗看來會覺得手足無措，對此，我們有針對性的把需要重點關注的地方标記為紅色。簡單來說，就是GP100核心的晶體管密度再次攀升、CUDA核心大幅增加、雙精度性能逆天增長、緩存/寄存器容量翻倍、HBM2顯存及NVLink總線，這幾點基本上能概括GP100核心的特色。
Pascal架構看點之一：計算性能是關鍵，雙精度性能逆市回歸
GP100的性能一經公布，給我們最直接的感覺就是，NVIDIA這次回歸了GK110大核心時代注重雙精度運算的設計，而且比之前更加“變态”——GK110架構中FP64雙精度與FP32單精度的比例不過1：3，每組SMX單元中有192個FP32單元，64個FP64單元；但GP100核心中每組SM單元中有64個FP32單元，但有32個FP64單元，FP64與FP32比例是1：2。
要知道，Maxwell架構中單雙精度比砍到了1/32，GK104核心中單雙精度比是1/24，這都遠遠低于Pascal核心，唯一能與之媲美的就是當年Fermi核心的Tesla加速卡了。
因此，在雙精度性能上，GP100核心可以說是突破天際了，FP64浮點性能可達5.3TFLOPS，而GK110核心不過1.68TFLOPS，GM200核心更是隻有可憐的0.21TFLOPS，GP100雙精度性能達到了GK110核心的3倍多，是GM200核心的20多倍。
事實上，HPC的很多應用都需要雙精度性能，不過深度計算（deeplearning）這樣的應用并不需要高精度運算，因為它天生自帶糾錯能力。而GP100的FP32CUDA核心可以同時執行2個FP16半精度運算，因此FP16浮點性能高達21.6TFLOPS。NVIDIA在TeslaP100之外還推出了基于GP100核心的DGX-1深度學習超級計算機，它由8顆GP100核心及2顆16核XeonE5處理器組成，深度計算性能達到了170TFLOPS，号稱比250台X86服務器還要強大。
GP100為了提升計算性能，增強的不僅僅是雙精度單元，其L2緩存、寄存器容量也大幅提升，總計擁有4MBL2緩存、14MB寄存器空間。
總之，NVIDIA的GP100核心為了計算性能可謂煞費苦心，雙精度性能簡直逆天。值得注意的是，NVIDIA針對高性能運算所做的設計固然讨好了HPC市場，但對遊戲市場來說，雙精度是沒多少用處的，反而浪費了大量晶體管單元，提高了成本及功耗。
Pascal架構看點之二：升級16nm工藝，密度、能效提升
從AMD的HD7970顯卡率先使用28nm工藝開始算起，TSMC的28nm工藝已經陪伴我們四年時間了。期間，AMD、NVIDIA數次升級過的新核心都沒有工藝升級，依然堅持28nm工藝，雙方都跳過了20nm工藝、直接進入了性能更好的FinFET工藝節點，隻不過AMD選擇了三星/GF的14nmFinFETLPP工藝，NVIDIA則堅持沿用老朋友TSMC的16nmFinFETPlus工藝。
對半導體芯片來說，升級工藝通常意味着晶體管性能提升、功耗下降，同時晶體管密度大幅提升。具體到TSMC的16nm工藝，該公司此前表示其16nm工藝的晶體管密度是28nmHPM工藝的2倍左右，同樣的功耗下性能提升38%，同樣的速度下功耗降低54%，對比20nm工藝則是20%速度提升、35%功耗下降。
我們再來看看GP100核心的相關數據：
我們簡單地把幾款GPU的晶體管密度換算（晶體管數量除以核心面積，由于GPU核心的電路複雜，這種算法不一定精确，僅供參考）了一下，16nm工藝的GP100核心晶體管密度大約是2510萬每平方毫米，算起來晶體管密度比之前28nm工藝的Maxwell、Kepler恰好多了一倍。
至于每瓦性能比，這裡使用的是FP32浮點性能與TDP功耗的比值，考慮到上述核心面向的市場不同，在此要說明的是，側重高性能的GP100與遊戲市場的GM204、GK104對比TDP是不公平的，不過最終的結果依然顯示出16nm工藝的GP100在每瓦性能比上有明顯優勢。
從這一點也可以猜測，未來針對遊戲市場的Pascal核心（比如GP104、GP106）問世之後，它們勢必要“閹割”掉GP100核心上很多不必要的功能，優化功耗，所以其每瓦性能比無疑會更出色。
Pascal架構看點之三：HBM2顯存登場，16GB很好很強大
早在2年前的GTC大會上，NVIDIA就公布了Pascal顯卡的2大特色——一個是NVLink總線，一個就是3DMemory，号稱容量、帶寬是目前顯卡的2-4倍，帶寬可達1TB/s，這個顯存實際上就是HBM2顯存。有意思的是，NVIDIA此舉也意味着盡管AMDFury顯卡搶先使用HBM顯存，但NVIDIA還是在新一代HBM顯存上搶了先機。
對于HBM2顯存，我們之前也多次做過介紹，HBM2顯存現在已經被JEDEC吸納為标準。相比第一代HBM顯存，HBM2顯存IO位寬不變，但核心容量從2Gb提升到了8Gb，支持4Hi、8Hi堆棧，頻率從1Gbps提升到了2Gbps，帶寬從512GB/s提升到了1024GB/s，這也是TB/s帶寬的由來。
目前三星、SKHynix已經或者正在量産HBM2顯存，單顆容量是4GB的，NVIDIA的GTC大會上展示了SKHynix的HBM2顯存，GP100核心使用的應該也是Hynix的産品，每個GP100核心周圍堆棧了4顆HBM2顯存，總容量是16GB，要比AMD的Fury顯卡的4GBHBM顯存容量高得多。
支持HBM顯存對NVIDIA來說還有個好處，那就是ECC校驗。此前的架構中，NVIDIATesla顯卡的ECC校驗需要占用6.25%的顯存空間，這意味着有相當部分的顯存要被“浪費”，TeslaK40加速卡的12GB顯存中有750MB預留給ECC校驗，可用的内存容量就剩下11.25GB，而且這還會影響内存帶寬。
相比之下，HBM2顯存原生支持ECC校驗，不需要額外的内存占用，這不僅提高了顯存利用率，帶寬也不會受到影響。
16GBHBM2顯存總量在Tesla及Quadro專業卡中不算第一，但HBM2顯存超高的帶寬是GDDR5顯存望塵莫及的。值得注意的是，在GTC大會上展示的HBM2顯存頻率标明是2Gbps的，但NVIDIA的GP100核心目前帶寬隻有720GB/s，并沒有達到之前宣稱的TB/s帶寬，算下來頻率應該隻有1.4Gbps左右，這說明GP100核心的HBM2顯存并沒有全速運行，暫不清楚NVIDIA為何留了一手。
Pascal架構看點之四：NVLink可支持8路顯卡并行
如果說3D顯存是NVIDIA公布的Pascal的第一個關鍵特性，那麼NVLink總線就是另外一項關鍵特性了，它同樣是NVIDIA針對高性能運算所開發的技術，号稱速度是PCI-E總線的5-12倍，前面提到的DGX-1深度計算超級計算機就使用了NVLink技術。
NVLink的優點就是帶寬超高，目前PCI-E3.0x16的帶寬不過16GB/s，用在遊戲顯卡上是足夠的，但在超級計算中就顯得捉襟見肘了，而新一代的PCI-E4.0規範又延期，這就得靠NVLink總線了。NVLink實際上是NVIDIA與IBM合作開發的産物，其每個通道的帶寬是40GB/s，GP100核心支持4個NVLink，雙向帶寬高達160GB/s，而且帶寬效率高達94%，這些都要比PCI-E總線更有優勢。
NVLink技術主要是為高性能運算而生的，IBM會在他們的Power9處理器中使用該技術，Intel就不太可能使用NVIDIA的技術了，他們有自己的并行總線技術。對于普通消費者來說，NVLink的意義不大，不過，超高的帶寬、更低的延遲使得NVLink技術可以支持8路顯卡并行，對“高玩”來說有一定吸引力，不過多卡互聯的關鍵在于，目前恐怕沒有哪些應用或者遊戲能夠完美支持8卡運行。
Pascal顯卡最關鍵的問題：消費級顯卡如何“閹割”
以上四點隻是NVIDIAPascal顯卡的部分特色，由于官方公布的細節還不夠多，我們對Pascal顯卡的了解還需要進一步深入。毫無疑問的是GP100大核心在高性能計算市場大有用武之地，不論是超高的雙精度性能、超高的每瓦性能比，還是超高的顯存帶寬、超高的NVLink總線，GP100大核心都擁有極強的競争力。想來也并不意外，就在該卡剛剛發布，歐洲最強的超級計算機就準備使用TeslaP100專業卡進行升級了。
不過，非專業用戶對GP100最大的擔心也來源于此，因為它身上集成了太多的專業技術，雙精度運算對遊戲應用沒多少用處，16GBHBM2顯存雖然夠強悍，但成本控制讓人擔心。而NVLink總線對遊戲顯卡來說更是屠龍之技，隻有16nm工藝的高能效對遊戲玩家來說絕對是有價值的。随着NVIDIA正式發布針對遊戲市場的GP104顯卡，AMD很快也會發布Polaris11顯卡，雙方新一代顯卡大戰很快就要揭幕了。
GP100核心與GK110、GM200、GM204、GK104核心規格對比
GK110核心架構示意圖
GM200核心架構示意圖
GP100核心架構示意圖
TSMC的16nmFinFET工藝優勢
GP100核心的晶體管密度、頻率及TDP功耗
GP100顯卡背後的NVLink接口
GTC大會展示的SKHynix公司的4GBHBM2顯存
DGX-1的8路GP100顯卡并行就靠了NVLink技術