NVIDIA GeForce GTX Titan显卡深度评测

巅峰对决:GTX Titan全面测试

代表Kepler架构强性能、拥有独特命名的GTX Titan究竟在实际游戏测试中的表现如何？其性能究竟能领先定位相同的GTX 680、HD 7970多少？面对目前的旗舰级双核心产品GTX 690、HD 7990的胜算又有多少？它的通用计算性能究竟达到了什么水平？GTX Titan SLI能带来怎样的惊艳表现？接下来我们将在基于英特尔Core i7 3960X处理器的顶级平台上对GTX Titan进行测试。

考虑到GTX Titan的出色性能和定位，我们此次不仅会在1920×1080的全高清分辨率下进行测试，还会在对显卡性能要求更高的2560×1440分辨率下测试。同时，还会开启4倍或8倍MSAA抗锯齿全方面考察GTX Titan的性能。终每款游戏会在1920×1080（高画质）、1920×1080（高画质、MSAA）、2560×1440（高画质）、2560×1440（高画质、MSAA）这四种模式下进行测试。

主要测试平台

处理器 英特尔Core i7 3960X

主板 英特尔原装X79

内存 DDR3 1600 4GB×4

电源 X7-1200W

操作系统 Windows7 Ultimate 64bit

驱动程序 NVIDIA 314.09、314.07；AMD催化剂13.2Beta4

基准测试软件方面，除了3DMa rk系列测试软件、新版本的Unigine Heaven Benchmark4.0以外，我们还加入了DirectComputeBenchmark、ComputeMark以及微软DirectX SDK这三款软件对GTXTitan的通用计算能力进行测试。而在游戏方面，我们选取了6款游戏大作，除了《使命召唤:黑色行动2》（这款游戏虽然不支持DirectX11，但目前相当火爆，因此加入测试）以外，另外5款游戏均基于DirectX 11设计。我们特别加入了新发布的、有着“显卡杀手”之称的《孤岛危机3》、《孤岛惊魂3》进行测试。

GTX Titan Vs.GTX 680:理论领先幅度高达40%以上

前文已经说过，GTX Titan的理论图形性能是GTX 680的140%左右。从三款图形基准测试软件的测试来看，领先幅度甚至比40%更高:在3DMark 11 Extreme、新3DMark Fire Strike Extreme、Unigine Heaven Benchmark 4.0的测试中，GTX Titan的领先幅度分别达到了47%、45%、65%。

而在实际游戏测试中，GTX Titan较GTX 680的平均领先幅度在35%左右，无法达到图形基准测试软件中的领先幅度。我们不妨从两个方面来看，一方面是由《失落的星球2》为代表的老一代DirectX11游戏，这类游戏发布时间相对较早，具有较强的代表性，没有加入太多DirectX 11的内容，在新产品的测试中优势不明显。在这类游戏的测试中，1920×1080、高画质下，GTX Titan的平均领先幅度不到20%，比如在《失落的星球2》测试中，GTX Titan的领先幅度只有15%；在1920×1080、高画质下、4×MSAA以及2560×1440、高画质下，GTX Titan的平均领先幅度在25%左右；不过在2560×1440、高画质、4×MSAA设置下，GTX Titan的384bit显存位宽、6GB显存容量的优势开始显现，平均领先幅度达到了40%左右，例如在《战地3》、《失落的星球2》中的领先幅度分别达到了42%、30%。

另一方面，以《使命召唤: 黑色行动2》、《孤岛惊魂3》、《孤岛危机3》这类新发布的游戏大作为代表，它们对GTX Titan的支持明显更好。GTX Titan在这类游戏中较GTX 680的优势已经接近40%，基本达到了理论领先水平。究其原因，这类游戏要么是NVIDIA驱动程序专门进行了特别优化，要么是游戏本身全面采用了DirectX 11的众多技术，如各种阴影、光照、离子效果和大量的Direct Compute计算等等，要求显卡具备很强的计算能力。毫无疑问，相比GTX 680，GTXTitan的“硬实力”无疑要强太多，无论是CUDA流处理核心数量、显存位宽、单精度计算能力、显存容量等影响计算能力的指标都大大超过GTX 680。因此GTX Titan在这类游戏中如鱼得水，大程度地发挥了其性能水平。

后我们想说的是，无论是以上哪种类型的游戏，GTX Titan在2560×1440、高画质、4×MSAA设置下较GTX 680的性能领先幅度都在40%以上（《失落的星球2》的领先幅度为30%）。不仅如此，在如此严苛的设置下GTX Titan的低平均帧率都在27fps以上，保证了游戏的流畅性，并不是那种“A卡帧率为12fps，B卡帧率为8fps，A卡领先B卡50%”式的毫无意义的领先。可以说，GTX Titan是目前为止唯一能在2560×1440、高画质、4×MSAA设置下流畅运行所有游戏大作的单核心显卡，具有里程碑式的意义。

GTX Titan Vs.HD 7970:压倒性的优势

正如HD 7970性能不敌GTX 680那样，GTX Titan也全面领先HD 7970，平均领先幅度达到了40%左右，优势极为明显。GTX 680相对于HD 7970的劣势在于“硬指标”不够，例如显存容量、显存位宽等参数偏低，因此GTX 680在那些运用了大量DirectX 11技术、考验显卡计算能力的游戏中开始捉襟见肘。不过它的优势是架构先进，执行效率高因此实际表现并不差。而GTX Titan在GTX 680的基础上全面提升了硬件规格，一改过去N卡旗舰显卡硬件规格不高，凭架构优势、执行效率“打天下”的惯例，在硬件规格上彻底将HD 7970击败。再加上架构上的优势，GTX Titan可谓“两手都要抓、两手都要硬”。这一点可以从《孤岛惊魂3》、《孤岛危机3》这两款新发布的DirectX11游戏大作的测试中看出来，GTX Titan凭借强大的计算能力，在这两款游戏中分别领先HD 7970高达 50%和70%左右。

另一方面，GTX Titan在大规模增加核心规格、保持对HD 7970的优势情况下，并没有出现过去AMD采用4D＋1D架构的显卡一旦大规模增加核心规格后，执行效率不高的问题。这其中固然有架构先进的关系，但很重要的一点就是得益于Dynamic Parallelism和Hyper-Q技术。这两项技术让GTX Titan可以接受来自多个CUDA命令以及MPI的进程，甚至一个进程内部的多工作执行单元都可以并行执行。这增加了它的执行效率，让计算在短时间内完成。

GTX Titan SLI:理论图形性能破新高

两块GTX Titan组成的 SLI系统会有怎样的表现呢？在三款图形基准测试软件的测试中，GTX Titan SLI充分发挥了双核心的优势，性能较GTX Titan几乎成倍提升，例如在3DMark 11、新3DMark、Unigine Heaven Benchmark 4.0测试中，分别领先GTX Titan 83%、65%、68%。类似的领先幅度也出现在GTX 690、HD 7990上，GTXTitan SLI领先这两款双核心显卡的幅度也达到了50%以上。图形基准测试的结果很好地反映出GTX Titan SLI的理论图形计算能力:威力尽显，任何一款双核心显卡或者双卡系统的性能都无法与之媲美。

在实际游戏测试中，受限于驱动程序的优化、双卡执行效率，GTX Titan SLI出现了三种较为明显的状态。第一种状态是GTX TitanSLI在部分游戏中仍然有较为明显的优势，例如在《使命召唤:黑色行动2》中仍然保持了对GTX Titan 50%左右的优势。第二种状态是在部分游戏中的全高清分辨率、高画质下，GTX Titan SLI的优势非常小，甚至出现了性能下降的情况，例如在《孤岛惊魂3》、《失落的星球2》，GTX Titan SLI较GTX Titan的领先幅度分别只有10%、6%。第三种状态是GTX Titan SLI在2560×1440、4×MSAA下仍然保持了非常高的领先优势，例如在《孤岛危机3》、《孤岛惊魂3》、《战地3》测试中，GTX Titan SLI较GTX Titan的领先幅度分别高达100%、80%、42%。

GTX Titan Vs.GTX 690、HD 7990:堪比双芯显卡

众所周知，双核心产品的一大优势就是跑分，即理论图形性能很高，能够充分发挥出双核心的优势。而从图形基准测试来看，GTXTitan落后GTX 690 15%左右，而和HD 7990的差距则不足10%，甚至在Unigine Heaven Benchmark 4.0测试中性能基本持平。GTX Titan凭借超高的硬件规格，理论图形性能已经很接近双核心旗舰产品了。出现这样的测试结果也很好理解，GTX Titan的硬件规格本来就非常高，即使与双核心产品相比也不遑多让，因此在理论测试中性能差距并不算很大。

而在实际游戏测试中，GTX Titan的表现则更加惊艳。和GTX690相比，GTX Titan除了在《使命召唤:黑色行动2》、《孤岛危机3》、《尘埃3》中落后20%左右，在另外三款游戏中几乎平分秋色。和HD7990相比，GTX Titan除了在《使命召唤:黑色行动2》、《战地3》中不敌以外，在另外4款游戏中两者都基本处于一个游戏水平。前文已经提到双核心显卡的大优势在于跑分，而在实际游戏中受限于驱动优化、执行效率、游戏差异等众多因素，性能反而不如其理论图形性能，因此这两款双核心显卡的实际游戏性能差距和GTX Titan进一步缩小也就在情理之中。综合理论图形性能、实际游戏性能来看，毫不夸张地说，GTX Titan是近来首款在性能上和同时代双核心显卡如此小的单核心产品。

GTX Titan SLI的理论图形测试成绩非常惊人

通用计算:GTX Titan优势明显

下面我们抛开游戏测试，进入GTX Titan的通用计算测试部分。我们一共选取了三款软件对GTX Titan、GTX 680、HD 7970进行测试，它们分别是ComputeMark、DirectCompute Benchmark、微软DirectX SDK。

ComputeMark号称能100%调用DirectX 11 Compute Shader的基准测试，几乎不需要CPU进行计算。DirectCompute Benchmark是早发布的针对DirectX 11 Compute Shader的基准测试软件，新的0.35版本不仅能够测试DirectCompute性能，还能测试OpenCL的性能。而微软DirectX SDK里面包含了众多测试程序，我们选取的是FluidCS11测试程序。该程序利DirectCompute性能进行流体力学的模拟，算法较为复杂，可以较为全面地考验采用不同图形架构的显卡的通用计算能力。

从测试来看，GTX Titan的优势较为明显。在ComputeMark的测试中，GTX Titan表现出了极强的统治力，在全高清分辨率、Extreme设置下领先GTX 680高达78%，相对于HD 7970也有44%的领先幅度。与此结果类似的是，GTX Titan在DirectCompute BenchmarkOpenCL、微软DirectX SDK的测试中，较GTX 680和HD 7970都有明显的性能优势。

功耗、温度、噪音: GTX Titan令人满意

尽管GTX Titan的核心规格非常恐怖，但借助热均腔板散热器、改进的28nm工艺，GTX Titan功耗、温度、噪音控制仍然达到了一个令人满意的水平。在FurMark拷机测试中，GTX Titan的待机核心温度、满载核心温度分别为29℃、81℃。重要的是在满载状态下，GTXTitan并不像其他顶级单核心显卡那样噪音较大，而是将噪音控制在一个完全能令人接受的范围，充量也就是一款中高端显卡满载时的噪音表现（同档次的GTX 680、HD 7970的满载噪音较为明显，特别是HD 7970的风扇在满载时一直处于全速运行状态）。功耗控制方面，GTX Titan所在系统的待机系统功耗、满载系统功耗分别为83W、343W，满载系统功耗只比GTX 680高了29W，比HD 7970低了22W，功耗控制非常不错。

GTX Titan出色的功耗、温度、噪音控制也延续到了GTX TitanSLI系统上，GTX Titan SLI系统的待机系统功耗、满载系统功耗分别为103W、612W。GTX Titan SLI的待机温度为32℃、30℃，满载温度为82℃、87℃，温度基本与单卡状态下一致。值得一提的是，在双卡状态下，GTX Titan SLI的噪音控制也很不错，并没有出现噪音猛增的情况。

属于GTX Titan的巅峰时代

这是一个好的时代，也是一个差的时代。对GTX Titan来说无疑是好的时代，它开创了一个属于它的单核心巅峰时代。请记住，它是目前为止唯一能在2560×1440、高画质、4×MSAA设置下流畅运行所有游戏大作的单核心显卡。作为一块单核心显卡，GTXTitan的晶体管数量达到了当前生产工艺的极限，堪比双核心显卡。同时，借助一些新功能、新技术，它的执行效率得到了保证。此外，噪音、温度表现它也几乎让人无可挑剔。而对于同时代的单核心旗舰显卡，甚至双核心显卡来说，无疑是差的时代，GTX Titan是那样的鹤立鸡群，远远将同时代的同档次单核心显卡抛在身后，性能比肩同时代的双核心旗舰显卡。

人类伟大的工程一般都是以体量著称的，比如万里长城、金字塔、三峡大坝、空客A380、航母战斗群、超级计算机等。如何实现这么庞大的工程以及如何使用这样庞大的设备，都需要极高的技术积累和严格的管理训练。

利用微软DirectX SDK FluidCS11可以进行流体力学的模拟，GTX Titan在其中有上佳表现

GTX Titan SLI即使在满载状态下，依然保持了不错的温度、噪音表现。

晶体管的生产也是如此，由于计算机的性能基本与晶体管数量成正比，因此晶体管数量越多就证明性能有可能越强大。设计、制造和使用数量惊人的晶体管成为展示厂商技术实力好的舞台。NVIDIA设计的GK110是目前巨大的GPU芯片，71亿个晶体管的规模本身就证明了NVIDIA在大芯片设计、大芯片制造上的实力。当然，终的物理制造是由TSMC完成的。但从芯片设计开始，NVIDIA就需要和TSMC紧密合作，确保在逼近目前民用工艺制造极限（一般会考虑成本因素）的情况下如何生产出如此庞大的芯片。从传统来看，NVIDIA从NV30开始就有意触碰当前工艺下晶体管制造的上限，虽然屡遭挫折，但也为NVIDIA积累下了无数宝贵的经验。

大芯片的制造是一方面，如何安排每一个晶体管有效运作、发挥足够的效能则是另一方面。NVIDIA在这方面披露的内容非常少，目前来看，NVIDIA在GK110以及整个开普勒架构上，使用了诸如全新的Scheduling过程、动态并行技术、Hyper-Q等全新设计来保证GPU工作的高效率。这些技术不但将GPU本身可以做好的事情做得更好，还将一些GPU本身不太擅长（比如预处理Scheduling）等转由软件在CPU中完成——虽然看起来是偷懒，但更高的工作效率证明了NVIDIA这些设计的成功。

当然，NVIDIA只揭开了GK110设计中的一小部分内容，包括基础的CUDA Core设计以及SMX设计等依旧处于“不可知”状态。甚至GPU本身的CUDA Core数量是如何统计出来的，目前依旧不得而知。但正是这种不可知状态，给业界和图形技术发展带来的震撼更大——当大家认为两家本来技术层次相当的公司在竞争，突然有一家公司抛出了似乎不是一个世代的产品，然后以更快的速度大踏步前行，这就颇为让人玩味了。

从NVIDIA为GK110预留的强大双精度能力和并行计算能力，以及GK104孱弱的双精度能力、相比GK110较差的计算能力来看，NVIDIA似乎一开始就将GK110瞄准了超级计算市场，图形性能只是其“传统优势”而已。实际上到现在GK110销售的主力对象依旧是HPC并非图形用户。我们有理由相信，GTX Titan有可能只是NVIDIA的一个孤品，不会有太多的分支产品出现——即使有，也不会像GF100时代那样拥有完整、丰富的产品序列。

GK110和GTX Titan证明了NVIDIA的技术实力，也从侧面证明了图形计算和并行计算未来发展正在按照NVIDIA的规划一步步发展。下一代Maxwell将在2014年正式和用户见面，这意味着GTX Titan还将在单核心卡皇的宝座上呆一年。

GTX Titan的发布时间问题

GTX Titan所使用的核心是NVIDIA早在去年伊始就开始曝光的GK110。在早期的传言中，这颗核心研发代号为GK100，随后由于不明原因改成GK110（很可能是设计不顺利或者流片出现重大问题，参考Fermi时代的GF100以及随后的GF110）。不过GK110由于晶体管数量众多、核
心面积巨大导致生产困难，在28nm工艺的初期阶段，TSMC很难在确保良率的前提下生产如此大一颗核心，因此改进工艺和流片试生产耗费了大量时间。随后GK110由于优秀的双精度能力以及强大的架构，又被多家超级计算机用户看中用作计算卡，NVIDIA为此提供了不少于2万颗GK110芯片成品，并一直处于持续生产、交付状态。在这种情况下，既然桌面版本GK104的产品GeForce GTX 680能够在桌面市场站稳脚跟、双芯产品GTX 690又能“稳坐第一把交椅”的情况下，NVIDIA考虑暂时不推出基于GK110核心的GeForce游戏版本的产品是符合市场规律的。毕竟GK110的计算卡Tesla K20X售价在两千美元以上，换算成人民币也至少需要两万元左右——桌面级显卡可卖不了这么多钱。因此我们推测，GK110、GK104应该是同时存在，GK110才是Kepler架构的真正旗舰产品和王者，GK104只是次一级的高端产品。只是当时NVIDIA发现GK104的性能就已经超过HD 7970，因此将GK110雪藏，并将GK104作为Kepler架构的单核心旗舰发布以对阵HD 7970。直到今天，我们才有幸见到GK110的真身——GTX Titan，Kepler架构的真正王者。

双精度对游戏有用吗？

答案是“没有”，哪怕是一丁点都没有。游戏本身全面从整数计算进入浮点计算是DirectX 9.0c时代的事情，早期的浮点计算使用的是FP16以及FP24规格，直到近期才全面进入FP32规格（依旧有大量游戏为了降低计算负荷采用FP24规格）。综合各方面因素，FP32规格是目前显卡在计算性能、工艺和终效果相权衡后的佳选择。

从性能来看，类似于GK110这样专门设计了FP64计算单元的产品，FP64浮点性能也不过比1TFlops高一些，性能难以满足高负荷下游戏运算需求（即使是FP32本身计算能力依旧不够，在特效较多的计算中计算能力依旧捉襟见肘）。对照FP32计算能力在1TFlops附近的显卡，比如经典的Radeon HD 4850，面对那些游戏大作几乎毫无还手之力。可想而知1TFlops的FP64是什么境况了。

从画质来看，在GPU进入浮点化后，FP32目前已经能够提供相当不错的计算效果。而且即使是目前的FP32，从应用角度来说开发也没有到很充足的程度，就连热门的光线追踪实际上需要更高精度的计算，可实际上主力计算引擎依旧是单精度FP32。双精度FP64计算暂时只用于尖端工业生产，民用没有太大必要。从工艺角度来看，晶体管数量和性能上限基本成正比。目前的工艺就只能提供如此多的晶体管，上限已经规划好，基本也就是GTX Titan的水平了，因此也没有办法继续拓展。FP64所需要的GPU性能太高，目前的工艺难以达到。

总的来看，FP64计算在当前阶段的应用范围仅限于工业类、HPC计算，目前我们接触到的绝大部分计算都只需要显卡的单精度计算即可。对GTX Titan这样的显卡来说，FP64双精度能力只是锦上添花的内容而已，甚至在用户整个显卡使用周期都不会有一次应用。

具体到GTX Titan上，它在默认状态下是没有开启双精度功能的。用户需要在驱动选项中选择打开双精度支持，才能获得GTX Titan的双精度能力。不过由于双精度计算部分在GTX Titan中占据了较多的晶体管，在开启双精度计算的情况下，GPU的频率控制不会沿用游戏状态下GPU Boost 2.0状态，频率反而会进一步收紧，整个加速幅度也会降低到GPU默认核心频率附近（GTX Titan在关闭双精度的游戏状态下，核心频率高甚至会超过1GHz，开启双精度后高幅度也不会超过900MHz），因此对游戏性能也有一定影响。