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NVIDIA Maxwell显卡高能耗比体验测试

2014-06-05《微型计算机》测评室《微型计算机》2014年5月上

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在3月下刊《以小博大 NVIDIA Maxwell显卡深度测试》一文中，我们对NVIDIA采用Maxwell新核心的两款产品GTX 750Ti和GTX 750进行了全面地深度测试。它值得称道的是其出色的能耗比，低功耗、高性能的特点给我们留下了很深的印象。这种特性带来的直观体现就是，它的晶体管数量、核心面积和同级别的产品差不多，但游戏性能却更强、功耗反而更低。凭借这种足以傲视群雄的优势，Maxwell在上市后迅速在千元及千元内的主流市场站稳脚跟，成为这个级别市场的明星产品。那么市售的Maxwell显卡中究竟哪些才是明星产品、更值得购买呢？今天我们就从节能层面来聊聊Maxwell显卡，并深度体验三款值得购买的明星产品。

Maxwell的节能设计

在Kepler之前，NVIDIA在Tesla和Fermi这两代GPU的设计中，对功耗和性能功耗比的重视程度都不够，因此这两代显卡无论是温度还是功耗表现都不甚令人满意。不过在Maxwell发布后，人们看到了NVIDIA在这方面的积极改变。尤其是GTX 750Ti，以50W左右的功耗达到了之前280W的GTX 480的性能水平。抛开工艺进步所带来的性能改善外，NVIDIA也在Maxwell的架构设计方面做出了巨大的改进。

以性能功耗比为设计目标

在移动计算大潮来临之前，作为业界领袖的英特尔就已经决定将整体设计重心从之前的桌面平台迁移到移动平台来，因此人们看到从SandyBridge、IvyBridge再到目前的Haswell，整个CPU的能耗比表现越来越好。尤其是移动处理器，Haswell移动处理器的相关产品已经可以支撑超轻薄笔记本电脑8小时使用，这在之前是非常难以达到的。

在GPU方面，NVIDIA考虑到自己Tegra的发展，因此从Kepler时代开始就决定转向性能功耗比优先的产品设计策略。在Kepler上，性能功耗比已经相比Fermi提升了一大步，官方数据是4～6 倍。在Maxwell上，NVIDIA进一步加强了性能功耗比方面的优化，从开始设计之初就在考虑通过各种手段提升GPU的性能的同时保持功耗维持不变甚至更低，这也是非常了不起的事情。

在设计目标转变后，NVIDIA在做任何设计上的改动时，衡量的首先标准并非是绝对性能，而是性能功耗比。这就意味着设计人员必须更为小心谨慎地权衡其方案是不是真的能够提升效率，这比单纯的不考虑功耗仅仅考虑提升性能更有挑战，也更为困难。

但这样做的好处也非常明显。如果单纯考虑性能的话，未来的产品可能不会留下太多的性能提升空间，因为散热和电源供应能力使得“功耗墙”成为GPU性能发展难以逾越的天堑。但是以性能功耗比为设计目标后，在远没有达到“功耗墙”之前，获得的性能就已经超出上代产品，接下来设计人员有充足的空间对产品进行设计和调试，以期取得性能和功耗的平衡。总的来说，从以绝对性能为目标转向以性能功耗比为目标，是NVIDIA GPU设计思想的重要、根本性的改变。

架构革新，功耗降低

大家都知道晶体管工作需要电能，但是电能究竟如何使用却不甚了解。在晶体管中，电能的作用主要是维持或改变晶体管状态，或者干脆漏电发热。在频率一定、晶体管数量一定的情况下，如何使得有限的晶体管开关次数尽可能多的转化为性能，就是架构设计的首要考虑因素。

在Kepler上，NVIDIA首次尝试使用了更小的CUDA Core，更宏观的逻辑控制，使得晶体管中用于有效计算的单元数量大幅度提升，完成了自Fermi以来的一次能耗比飞跃。在Maxwell中，NVIDIA再度重新设计了整个GPU SMM的逻辑层，使得每一个CUDA Core得到了更为严格的控制。在Kepler上，一个大的控制模块控制了所有的192个CUDA Core。但是在Maxwell上，四个小的控制模块控制了128个CUDACore。从这个角度来看，需要控制的计算单元数量更少，并且由于控制模块被分拆，控制效率得以提升。

此外，Maxwell在CUDA Core和SMM的设计上都做出了改变，比如NVIDIA官方白皮书宣称Maxwell的每个SMM的性能只有之前SMX的90%，但是体积更小，甚至SMM只有SMX体积的65%～70%。根据NVIDIA的官方数据来看，Maxwell相比之前的Kepler，整体能耗比效率提升了大约35%之多。换句话来说，Maxwell相比Kepler，晶体管在一开一关的过程中，做了更多实际的计算，没有白白浪费时间。

工艺升级，漏电降低

除了上述的两个原因外，Maxwell的工艺相比Kepler有了一定程度的改进，除了晶体管密度提高外，降低漏电电流方面也有一定的改善。众所周知，在晶体管工艺到了40nm及以下的级别后，如何控制漏电电流成为设计的难题。在之前的Kepler上，NVIDIA首次使用28nm工艺，先出小核心产品，在接近一年后才推出了完整的GK110核心。在如此长的时间内不断地调试使得工艺更为成熟。在Maxwell的生产过程中，NVIDIA肯定将之前的经验都运用到新的产品中，才终才使得Maxwell在功耗和频率方面都有不错的表现，成为目前性能功耗比高的产品。

相比之前的GK107、部分GK106核心，以及AMD同级别的R7260X，GM107（GTX 750Ti、750）在核心面积、晶体管数量方面并不占优势的情况下，游戏性能更强不说，功耗反而还更低。在NVIDIA没有公布Maxwell底层设计的详情以前，我们也无法说清这种难以解释的现象究竟是怎样造成的。但是，GM107以及其代表的产品，已经成为市场上受玩家欢迎的GPU产品，这也说明NVIDIA坚持性能功耗比的设计方向是正确的。

性能有多强、功耗有多低？Maxwell性能实测

Maxwell的游戏性能较同级别产品究竟有多大的领先幅度？功耗又有怎样的降低？我们在以Core i7 4960X处理器为主的测试平台上用实际的测试来验证这两个问题。从游戏测试可以看到，Ma x well的游戏性能非常出众。我们用以下几组测试结果分析来说明它的游戏性能究竟达到了什么水平：GTX 750Ti相比GTX 650Ti，性能提升20%以上；GTX 750相比GTX 650，性能领先达到恐怖的90%；Maxwell相比R7 260X，性能提升幅度在10%左右。在功耗测试方面，Maxwell显卡的优势也非常明显。以GTX 750Ti所在平台为例，其满载功耗相比GTX 650Ti所在平台低了50W左右；相比R7 260X所在平台低了60W左右。Maxwell显卡在游戏性能和功耗方面的确值得称道，下面，我们就一起来看看三款明星产品的表现又如何？