要撐高效能，最快的方法就是「堆疊」。不論是堆疊SP（Stream Processor，串流處理器），或是堆疊GPU（Graphics Processing Unit，圖形處理器、繪圖處理器）都能達到快速提升效能的結果。而GTX 690就是用內部SLI的方式，嵌2個GPU在顯卡上，藉此提升運算效能，而未來AMD即將推出的HD 7990也是使用相同設計。完全看懂GTX690
- 認識 GTX 690 雙核巨獸：架構篇
- 認識 GTX 690 雙核巨獸：效能篇（敬請期待）
快速目錄：
- 單卡雙核介紹
- 多重GPU的7種運算模式(1)
- 多重GPU的7種運算模式(2)
單卡雙核12年前就有
早在1998年，3dfx就曾讓PCI介面的Voodoo 2（巫毒卡）支援SLI，是世界上第一張能「串連」的遊戲卡。到了AGP時代之後，由於主機板只有1條AGP介面，無法繼續透過SLI串連。此時3dfx有個異想天開的想法，在PCB（Printed Circuit Board，印刷電路板）焊上2個GPU，用內部SLI的方式增加效能，而這張卡就是3dfx在2000年推出的末代產品Voodoo 5 5500。
只用2個GPU似乎還不夠，當初還設計出採用四核心架構的Voodoo 5 6000，不過同年3dfx就被NVIDIA收購，而這張Voodoo 5 6000自然也就無疾而終。據稱目前全世界只剩下約50張工程版Voodoo 5 6000，這也成為硬體收藏家的夢幻逸品，SLI直到PCI-E介面出現後，NVIDIA才讓它重新登上舞台，此時的代表顯卡是GeForce 6800 Ultra。
關鍵字：SLI
SLI是Scalable Link Interface的縮寫，中文為可擴充連接介面，用於連接2張以上的顯示卡，藉此提升運算效能。該技術最早是由3dfx研發，最初使用於PCI介面的Voodoo 2。AGP介面推出後，受限於主機板介面數量，發展性大受限制。2004年PCI-E推出後，SLI才重回顯示卡市場。
雙核心就是1+1
同樣是雙核心，顯卡跟處理器的設計方式就不太相同，前者是2個獨立GPU，經過SLI或CrossFire等串連方式協同運算；後者則是1個CPU內包括2個運算核心，透過指令分派達到增加運算的目的。概念上來說類似，但是設計方式並不相同，最明顯的差異就是顯卡有2個晶片，而現在的處理器只會有1個晶片。GTX 690就類似Intel第一代的雙核心處理器Core 2 Quad Q6600，用2顆Core 2 Duo E6600構成一樣，只不過GTX 690的die size（核心面積）與PCB大一點罷了。
單PCB成主流
從硬體設計來說，雙核心顯卡有幾個發展階段，約略在GeForce 7900GX2、7950GX2、9800GX2與GTX 295那段時期，受限於散熱器解熱能力以及GPU發熱量，此時期NVIDIA採用雙PCB設計。最初像7900GX2、7950GX2，是採用雙PCB雙散熱架構，簡單來說就是主卡與從卡（輸出影像者為主卡）都有獨立的散熱器。優點是設計簡單，只要將2張高階卡稍作修改就能製成所謂雙核心顯卡。
而到了9800GX2與GTX 295時期，散熱器有能力同時負荷2個GPU的廢熱，且為了美觀著想，因此這時期的雙核顯卡就像漢堡一樣，用麵包（PCB）把牛肉（散熱器）夾起來。
近幾年由於GPU發熱量降低，加上均熱板（Vapor Chamber）等散熱技術加持，因此單片PCB上焊上2個GPU也沒問題，就像最初的Voodoo 5一樣，只用單PCB搭配均熱板散熱器就能運作。GTX 690也是採用單PCB設計，GPU、供電模組、記憶體顆粒呈現對稱排列，與GTX 590相比架構差異不大。
新款PLX橋接晶片
由於採對稱排列，因此GPU位於PCB左右兩側，比較特別的地方是中央有個橋接晶片，用以橋接2個GPU與PCI-E介面。此晶片採用支援PCI-E 3.0的PLX PEX 8747，而非GTX 590時期的NVIDIA NF200（亦即BR04）。PEX 8747共有48條PCI-E通道，最多可拆分5個傳輸埠（Port）。在GTX 690上，PEX 8747是以3個傳輸埠，每個傳輸埠16條PCI-E通道的模式運作。
由於GTX 600系列與Ivy Bridge開始支援PCI-E 3.0，讓PCI-E 3.0逐漸成為標準配備。先前NF200只支援PCI-E 2.0，因此改用支援PCI-E 3.0的橋接晶片，藉此達到新介面應有的速度與頻寬。這顆晶片也將被用於Z77主機板，用以擴增PCI-E 3.0不足的通道數量。
PCI-E 2.0頻寬就夠
或許有人會問，如果在PCI-E 2.0的主機板上，跑GTX 690這類PCI-E 3.0又是雙核心的顯卡，PCI-E 2.0頻寬是否會過於吃緊？根據先前GTX 680與HD 7970的測試，可發現PCI-E 2.0與PCI-E 3.0頻寬並不影響效能表現。也就是說，高階單核卡無法到達PCI-E 2.0頻寬上限，用PCI-E 3.0並不會比較強。
在PCI-E 2.0環境測試，GTX 690效能為GTX 680的110～180%不等，可看出GTX 690並未出現效能瓶頸，可推測PCI-E 2.0頻寬足以使用，否則應該會讓效能「卡」在某個數值，而無法達到接近180%的效能表現。
若玩家使用Z77、X79之前的PCI-E 2.0主機板，想要換上GTX 690可以不用猶豫，PCI-E 2.0頻寬仍夠使用，效能不會比較差。不算缺點的缺點就是，PCI-E 2.0的爽度比較低，而且即將淘汰。
▲先前許多人猜測GTX 690會使用GK 110核心，後來事實證明使用的仍是降頻的GK 104。而傳說中的GK 110，則是意外在GTC 2012（GPU Technology Conference）出現。GK 110具備15組SMX核心，應該會應用在下一代也就是GTX 800系列上，官方則表示實際產品SMX則可能會是13～14組。由於TDP等限制，有些人猜測GK 110原生架構可能是16組SMX，情況與GF 100、GF 110相似。GK 110共計有2880個CUDA Core，若在架構未修改、時脈相等的情況下，最佳理論效能可能達到GK 104的187.5%。
3dfx
3dfx Interactive在1994年成立，主要產品是顯示卡與GPU，全盛時期是1996年，是當時顯卡市場的霸主。1998年後受到產品推出時程延宕、與SEGA、微軟合作破裂等影響，財務狀況逐漸走下坡。最後在2000年被NVIDIA收購，其中SLI與Voodoo卡堪稱顯卡發展史上重要里程碑。▲Voodoo是3dfx最具代表性的產品，也就是俗稱的巫毒卡，Voodoo共計有5代，以及Voodoo Rush等產品。其中Voodoo 5為多晶片設計，Voodoo 5 5500為雙核心設計，Voodoo 5 6000則是四核心，圖即為Voodoo 5 6000。橋接晶片
橋接晶片的類型很多，像是早期用於PCI-E轉AGP訊號的NVIDIA HSI-A4也是其中之一。雙核心顯卡的橋接晶片主要用於溝通GPU與PCI-E，才能達到單卡SLI的效果，該圖為HD 4670的PCI-E轉AGP橋接晶片。
多重GPU的7種運算模式
顯卡有分主從卡
多重GPU技術種類相當多，應用於遊戲領域的大約3~4種，另外還有數種較冷門的運算方式，整理了7種運算方式，來看看多重GPU到底為什麼強？是怎麼整合訊號？
不論何種運算模式，都不離指令分配範疇，差異只是在於「怎麼分」跟「分什麼」。假設以2張顯卡來說，連接螢幕用於影像輸出的是「主卡」，而另一張則是「從卡」。運作時各GPU會獨自處理收到的指令，處理完畢後將儲存影像資訊的Framebuffer複製到主卡上，由主卡將訊號傳遞出去。由於複製、傳遞這個過程會產生延遲，加上部分運算模式的天生缺陷，造成多重GPU容易發生Micro Stuttering現象。
AFR的Micro Stuttering障礙
為什麼只有AFR會造成Micro Stuttering現象？主因是指令與訊號傳遞延遲。AFR採用Frame交替運算，從卡（GPU B）運算完畢後需將資料傳遞回GPU A進行整合再輸出，指令從GPU A傳給GPU B會造成延遲（假設2ms），而GPU B傳給GPU A又會出現，因此會發現Frame 1到Frame 2時間很長，而Frame 2到Frame 3卻又很短，這就是Micro Stuttering。假設單GPU運算下Frame間距為20ms，而雙GPU在AFR環境下卻有可能是間距18ms與6ms。以效能論，AFR每個Frame間距較短，單位時間的幀數會比較高，效能自然表現比較好。Micro Stuttering會造成2個嚴重的問題，首先是Frame間距不同，對於人類而言，眼睛容易注意到表現差的部分，也就是18ms的那段。原本20ms的間距變成18ms，對人類感覺而言可能只有提升10%效能，但是FPS的效能數字卻遠高於這個值。其次對於3D遊戲而言，Frame跟3D物件會有連動性，也就是說物件的移動量跟Frame是有關係的。若以上述例子來說，實際Frame間距是18ms與6ms，但是遊戲可能會造成誤判，因為理論上不應該存在Micro Stuttering造成的時間差，系統會以最佳理論值12ms、12ms下去計算。那18ms、6ms跟12ms、12ms分別快50%跟慢50%，這時候就會看到3D物件的移動量出錯，從肉眼來看原本平順的遊戲就會有抖動的現象。
模式一：AFR
AFR是Alternate Frame Rendering的簡稱，中文可譯為交替框架渲染。顧名思義就是將遊戲的Frame（幀）分為奇數與偶數幀，並依序將奇數交由GPU A負責運算，而偶數交給GPU B運算。好處是2個GPU的負載比較平衡，能讓散熱與運算效率達到最高。
然而AFR也不是只有優點，最大的缺點就是Micro Stuttering。會讓遊戲效能提升，但是人的視覺體感反而覺得影像「卡卡的」。目前雙GPU的顯卡或串連模式，預設幾乎都是採用AFR模式，因為它「理論」上表現最好。至於3個以上的多重GPU，則可能採用AFR of SFR模式。
▲AFR將Frame分割成奇數與偶數，分別有GPU A與GPU B運算。好處是相鄰的Frame運算量都差不多，不會有SFR分配不均的問題。
模式二：SFR
第二種則是SFR模式，SFR是Split Frame Rendering的縮寫，中文為分割框架渲染。將畫面分割為上下或左右，分別由GPU A與GPU B運算。先來說這種運算方式的缺點，就是運算量不平衡，最明顯的就是上下分割的模式。假設以第一人稱射擊遊戲來說，幾乎所有的物件都集中在下方，導致負責運算下方的GPU負載較高，而負責上方也就是天空的GPU幾乎沒有負載。
聰明一點的驅動，會將上下切割成大小不等的區塊，以平衡運算量，不過這會提升驅動程式編譯的困難度，而且無法完全改善負載的問題。至於好處方面，除了不會出現Micro Stuttering現象，再來就是記憶體使用量較低，因為GPU只需要運算一半的畫面。
▲不同於AFR以Frame區分，SFR切割的是每個Frame，最常見是將其分割成上下部分，分別由不同的GPU處理。優點是記憶體使用量較少，缺點則是分配不均。
模式三：AFR of SFR
看到這裡，應該會有人想把上述2種運算方式混在一起，或許能解決負載與Micro Stuttering的現象。的確是有AFR of SFR的混合模式，大多應用於超過2個GPU的多重GPU環境。
假設有4個GPU，運算方式是將Frame分為奇數與偶數，奇數的Frame再使用SFR技術切割，分別由GPU A與GPU B運算。同理偶數Frame一樣用SFR切割，再給GPU C與GPU D運算。雙卡的串連模式大多以AFR或SFR為主，多卡則是AFR+SFR模式，其餘模式較少運用於遊戲領域。
▲AFR of SFR常用於4個GPU的環境，結合AFR與SFR的特性，將Frame內還有奇數偶數Frame都做切割。每2個Frame時間內，單一GPU只需要運算半個Frame的計算量。
模式四：tile-based
這種運算方式早先由AMD所提出，大多以「tile-based」來稱呼它，tile指的是瓦片，而tile-based就是像瓦片排列。白話的翻譯就是棋盤式切割，運算時會將Frame切割成方格，再將方格分配給GPU運算。
它的技術相當類似SFR，只不過切割的區塊更多也更零碎，有助於平衡GPU負載。由於是切割Frame，因此也不會有AFR的Micro Stuttering現象，只不過這種運算方式過於複雜，除AMD曾經提過之外，後期是否有真正執行仍是未知數。理論上tile-based技術能解決Micro Stuttering現象，對平衡負載也有一定作用。
▲tile-based就是棋盤切割，比起SFR的切割方式更為徹底。3dfx時代切割方式則是依照掃描線分配，方式類似tile-based與SFR。
模式五：object-based
Object指的是物件，而object-based就是透過分離物件的方式，進行指令的分配。舉例來說，畫面中有張桌子，桌上有個蘋果。指令分配後的結果，可能是GPU A處理桌腳跟蘋果，而GPU B處理桌面。在object-based模式下物件是可被拆解的，就像例子中的桌子拆成桌面跟桌腳，或是背景與物件分別由不同GPU負責。
分割物件後理論上可由不同廠牌、架構、等級的GPU協同運算。之前NVIDIA的CompleX scene scaling engine（複合場景縮放引擎，就是以前的NVScale）有提到相關技術，後來Lucid也有類似技術。不過object-based的運算模式相當複雜，大多只存在技術文件裡面。
▲object-based是將Frame內的物件完全打散，交由不同GPU負責。也因為打散的緣故，Lucid甚至還能結合完全不同的GPU進行整合。
模式六：SLI-AA
相較於前幾種運算模式，SLI-AA偏重的是畫質的提升，而非增強效能或流暢度。NVIDIA使用的叫做SLI-AA，AMD則是CrossFire-AA，運作原理都相同，目的是堆疊AA（Anti-Aliasing，反鋸齒）強度。AA運作時，會在每個像素（Pixel）設置採樣點（Sampling），而採樣點的多寡就是AA的運作倍率，例如設置2個採樣點就是2倍AA，4個就是4倍依此類推。
假設2個GPU運作SLI-AA模式時，可分別處理4倍AA特效，運算完畢後再交由主卡整合成8倍AA的影像。借由分配的方式可讓特效能力提升，假設單GPU最高只能執行32倍AA，若整合4個GPU就能堆疊出128倍AA，現階段128倍是最高上限。這種運算方式著重於質而非量，但是對遊戲而言，超過8倍AA之後就很難用肉眼辨識畫質差異，因此實用度並不高。
▲透過SLI-AA能夠快速突破AA上限，但是對遊戲而言，超過8倍AA畫質就難以提升。比起高倍率反鋸齒，使用效率更好的採樣模式，還是提升畫質的最有效方式。
除了這種模式，NVIDIA還曾推出分割物理特效的運算方式。例如拿張GTX 680當主卡，配上GTX 560Ti當從卡。主卡仍然是做原本要做的事，而從卡只專心運算PhysX特效的部分，可減少主卡核心負擔。由於並非SLI模式，因此不需要安裝橋接器。不過硬體建置費用還是太高，不如買張高階卡就好，只適合有多餘顯卡的玩家。
模式七：SLI Multi View
最後的是應用於NVIDIA Quadro系列繪圖卡上，在多螢幕環境下，若影像在A螢幕就由GPU A負責運算，反之則由GPU B運算。這種功能對於CAD（Computer Aided Design，電腦輔助設計）較有幫助，目前仍未應用於遊戲領域。
關鍵字：CAD
CAD是Computer Aided Design電腦輔助設計的縮寫，常用於工業繪圖環境，利用電腦模擬商品的外型、結構、顏色與質感。在CAD領域中，繪圖卡比遊戲卡強的地方在於3D物件的精確度與效能，物件較多時旋轉不易破圖，且運算效能較高。圖片為使用CAD繪製的機械圖形。（圖片來源：Wikipedia）
理論不等於實際表現
看完7種運算模式，應該可以知道多重GPU運算方式相當多種，而且沒有完美的運算方式。理論上表現好的處理方式，在實際運作上可能會有意想不到的問題，就像是AFR的Micro Stuttering現象。然而多重GPU雖然稱不上完美，但是仍是堆疊效能的最有效途徑，加上許多現象與缺點不見得肉眼能分辨出來，因此雙核心顯卡不是一無是處。了解運算方式後，接著就來看GTX 690效能表現是不是真的這麼好？AFR在運算上有沒有問題？
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