AMD 7nm Navi显卡技术解析:雪中送炭的RDNA全新架构

[PConline杂谈]今天，AMD历史性在同一天里发布了全新的锐龙3000系列处理器及RX 5700系列显卡，这是很少见的，只不过这两类产品给人的感觉是不一样的——锐龙3000处理器是AMD从优秀走向卓越的开始，而RX 57000系列显卡则更像是刚补完课的学生，有进步，但还不至于能赶超学霸。

在7nm Navi架构的RX 5700上市之前，AMD在中高端GPU市场上落后太多了，尽管AMD在独显GPU上的份额比X86 CPU份额高得多，但是给玩家的感受是不一样的，很大原因就是过去几年中AMD推的几代显卡，特别是高端显卡表现不尽如人意，从Fury到Vega都是如此。

深究起来，这跟AMD多年来坚持使用GCN架构有关，从28nm的HD 7970到今年共计7年了，即便AMD多次改名称之为GCN 1.0、GCN 2.0再到GCN 5.0，但GCN架构的整体变化并不大，高端显卡4096个处理器单元的规模从2015年的Fury X到RX Vega 64都是如此，只能说GCN廉颇老矣，曾经被人称赞的性能、能效双重优势也有落后的时候。

好在随着7nm Navi架构的问世，AMD显卡最煎熬的日子总算过去了，往大了说AMD的Radeon GPU现在是全平台覆盖，除了PC、Mac、主机之外还扩展到了云游戏及移动设备上，谷歌、三星分别在今年初、今年中跟AMD达成了战略合作，而微软、索尼新一代主机也会用上Navi架构的GPU。

早在去年福布斯网站就有一篇文章揭露过AMD近几代GPU开发都不是专门为PC玩家准备的，而是要为主机定制，所以在PC平台上总是有一些这样或者那样的不足，这件事也适用于Navi架构，使得Navi并不是一个追求最高性能最先进技术的GPU架构，之前传闻命名是RX 680而已。

说了这么多背景及铺垫，为的就是让大家在看Navi架构上的一些改变时能够理解AMD入了什么、为什么这么做。根据官方的信息，Navi GPU架构上的主要亮点是7nm工艺、RDNA架构、GDDR6显存，这是最重要的几点，而PCIe 4.0、显示、多媒体上的改进属于次要，其中PCIe 4.0虽然是新技术，但象征意义更大，实用价值并不高。

▍Radeon RX 5700系列显卡改进之一：7nm工艺

与AMD的锐龙3000系列处理器一样，AMD的Navi GPU也进入了7nm节点，毕竟主机上的CPU及GPU核心也是Zen2+Navi的搭配，保持同代工艺很有必要。

至于7nm的优点，AMD在多个场合介绍的都差不多，相比14nm工艺晶体管密度翻倍，同性能下功耗降低50%，同功耗下性能提升25%，这方面跟锐龙3000的变化是一样的。

很显然，Navi架构能效大增的首要功臣就是7nm工艺，实现了1.5倍的每瓦性能比。

除了能效1.5倍变化之外，7nm还使得Navi GPU的核心面积大降，只有251mm2，晶体管只有103亿个，而14nm Vega核心是495mm2，晶体管125亿，所以Navi核心面积只有原来的一半左右，差距非常明显。不过也要说清楚，Vega的CU流处理器单元规模比Navi还是大很多的，64vs.40组的差别。

▍Radeon RX 5700系列显卡改进之二：全新RDNA架构

Navi之前的显卡使用的是GCN架构，RX Vega上是GCN 5.0架构，而Navi是RDNA架构，全称是Radeon DNA架构，官方表示它是专为新一代高效率、高性能游戏而设计。它是为你的游戏提供动力的 DNA、让你的游戏生动逼真的 DNA、不断发展进化的 DNA。

需要重点说明的是，尽管早前传闻Navi是最后一代GCN架构，但AMD不仅是改了新架构的命名方式，还极力否认RDNA架构跟GCN有关系，强调RDNA是全新开发的架构，跟GCN没啥关系，不是GCN升级也不是GCN混合，唯一有关的就是指令集继承了，使得现有技术可以兼容，避免软件、游戏重新为RNDA开发一遍。

在RDNA架构上，AMD的主要目标有四个——性能上要适应现代的游戏负载，能效上要优化功耗和带宽利用率，功能上要增强生态系统，并行扩展上要适应移动到云端游戏，毕竟三星前不久谈的GPU授权也是基于Navi的。

让很多人纠结Navi架构没脱离GCN体系的一个重要原因就是Navi上依然是1个CU单元包含64组SIMD阵列，这点跟最初的GCN架构相比都没变化，不过AMD表示Navi上的CU单元重新设计了，2倍的标量单元、2倍的调度单元、单循环发射、双模执行单元，同时实现了资源合并，2个CU单元可以当做一个工作组处理器。

具体来说，Navi完整核心有40组CU单元，每组CU有2个标量单元、64个流处理器单元、4个64位双线性过滤单元，共计2560个流处理器、80个标量单元和160个64位双线性过滤单元。

与GCN架构相比，CU单元虽然都是64个流处理器单元，但具体结构是不一样的，GCN是4组SIM16阵列、4组SIMD4固定阵列，Navi是2组SIMD32、2组SIMD8阵列，而且支持Wave32、Wave64双模执行，这部分减少实际上是提高了效率，使得指令不需要频繁拆分，提高了单线程性能及单元利用率。

与此同时，RDNA的共享矢量、标准单元又翻倍到2组，简单粗暴提升了吞吐量，进而提升性能。

除了CU单元大升级之外，AMD在RDNA架构上还改进了多级缓存一致性，每个双CU组合内都有自己的L0缓存，与ALU单元的载入带宽翻番，增加了四组新的16-way 128KB L1缓存，降低了L2缓存(16-way 4MB)的拥堵，使得延迟和功耗大大减低。

从AMD公布的信息来看，L0级缓存延迟降低了21%，L1、L2缓存劫持降低了23%，内存延迟降低了8%。

RDNA架构第三点改进与图形渲染管线有关，增强了4个ACE异步计算引擎，带有4个原语单元的中心几何处理器可以统一处理矢量复用、原语汇编等命令。

通过对图形渲染管线的改进，AMD在RDNA架构上实现了更高的性能，更低高的能效。值得一提的是，与之前的Vega GPU一样，Navi架构上依然获得了AMD Zen架构团队的友情技术支援，特别是在时钟门控电路上，所需的开关电路、门控电路分别减少了40%、12%。

最终这么一整套改进与优化下来，RDNA架构在性能及性能上有了全面的进步，每瓦性能比提升了50%，每时钟效率提升了25%。

▍Radeon RX 5700系列显卡改进之三：FideltiFX画质优化套装

前面介绍的工艺、架构改进使得RDNA架构已经脱胎换骨了，AMD还在游戏画质上带来了新的技术FideltiFX，准确来说FideltiFX是AMD伴随RDNA架构推出的一系列后期特效技术的打包，里面又分为CAS、RIS、Anti-Lag等等。

跟AMD其他技术一样，FideltiFX技术也会开源，并且已经得到了Unity、逆水寒（NVIDIA出新技术网易跟进，AMD这边也不放过）、卡普空、育碧等引擎及游戏开发商的支持。

FideltiFX技术中的CAS（Content Adaptive Shading，内容自适应着色技术）不算新鲜了，之前NVIDIA在图灵GPU中也有类似的技术，最初叫NVIDIA自适应着色技术，简称NAS，

简单来说，CAS技术允许游戏根据不同的需要，通过对画面非主要元素（比如赛车中快速移动的侧景）进行像素合并，从而减少着色器的渲染量，以便部分提高帧数。

当然，CAS技术也可以增加渲染内容，这样可以提高画质，不过会导致性能下降，具体如何选择看游戏厂商，下面是CAS的画质对比。

除了CAS，FideltiFX技术中第二项画质技术是“Radeon Image Sharpening”，简称RIS，它的开发者也是赫赫有名，NVIDIA之前主导的TXAA抗锯齿也是来自于这位高手。

既然跟TXAA很有渊源，RIS也是有类似的效果，这是一种动态适应的后期抗锯齿技术，画面更锐利、细节更清晰的同时还可以最大化保留性能。

从AMD公布的测试来看，RIS对游戏性能的影响在0.5到1%左右，可以说非常小了，完全可以忽略不计了，这也是目前对性能影响最小的抗锯齿技术了。

此外，FideltiFX技术还有一项绝技就是Anti-Lag抗延迟技术，简称RAL，很多人不知道的是游戏延迟不仅仅与画面输出有关，鼠标、键盘等也会有延迟，RAL就可以缩短鼠标点击到游戏响应之间的延迟时间，官方测试减少幅度在23%到35%之间，差不多就是减少了1/3左右的延迟。

▍Radeon RX 5700系列显卡改进之四：显卡设计、PCIe4、GDDR6

接下来简单介绍下7nm Navi架构的最终成果及其他先进技术。

显存方面，AMD在Navi放弃了HBM2显存，虽然HBM技术的显存优点多多，但是成本还是太贵，搭配2颗HBM2的话就像RX Vega 64那样，带宽没优势，搭配4颗HBM2的话，就像Radeon VII显卡那样，16GB成本又承受不了，索性还是放弃了，只用于顶级显卡或者加速卡市场。

GDDR6显存的优势不用说了，制造工艺基本上与GDDR5兼容，但频率大幅提升，相比常见的8Gbps GDDR5，GDDR6显存可以轻松达到14Gbps，带宽提升75%，Navi使用256bit 14Gbps的GDDR6，带宽就已经有448GB/s，不输RX Vega 64的HBM2带宽了。

Navi显卡上的PCIe 4.0也是消费级最早支持的，虽然7nm Vega上就已经支持PCIe 4.0技术，但是Radeon VII显卡没有实装，RX 5700才是第一个支持PCIe 4.0的桌面显卡。

与现在的PCIe 3.0相比，PCIe 4.0的信号速率翻倍到了16GT/s，带宽也翻倍提升，不过这个技术虽然新鲜，但是用于显卡的话，玩游戏是体验不出来的，PCIe 3.0都不是瓶颈。

基于7nm Navi核心，AMD推出了3款显卡——RX 5700、RX 5700 XT及RX 5700 XT 50周年纪念版，实际上最后一款型号外观、设计跟RX 5700 XT没区别，就是频率更高，还有苏妈签名，属于信仰升级版，价格也略贵。

具体来说，RX 5700 XT是完整版40组CU单元，、2560个流处理器、64个ROP单元、256个纹理单元，基础频率1605MHz，游戏加速频率1755MHz，极限加速频率1905MHz，浮点性能9.75TFLOPS，搭配8GB GDDR6显存，14Gbps，TDP功耗225W，8+6pin供电。

RX 5700显卡是36组CU单元，、2304个流处理器、144个纹理单元、64个ROP单元，基础频率1465MHz，游戏加速频率1625MHz，极限加速频率1725MHz，浮点性能7.95TFLOPS，TDP功耗180W，搭配8GB 14Gbps GDDR6显存，8+6pin供电。

至于Radeon RX 5700 XT 50周年纪念版，它也是40组计算单元、2560个流处理器、GPU核心基础频率1680MHz，游戏频率1830MHz，加速频率1980MHz，浮点性能10.14TFLOPS，显存位宽256-bit 8GB GDDR6，频率维持14GHz，TDP 235W。

值得注意的是，RX 5700 XT与RX 5700显卡的公版设计不完全相同，RX 5700 XT最具识别性的是它顶部的凹痕，除了装饰作用还有改善风流及噪音的作用，不过处女座可能有点不能忍。

RX 5700系列显卡在显示输出接口也有不少变化，3个DP 1.4接口、1个HDMI 2.0b接口，支持4K 240Hz、4K HDR 120Hz或者8K 60Hz输出，还支持了DSC 1.2a色彩压缩规范，与华硕推出的一款43寸4K DSC显示器是绝配。

多媒体方面，RX 5700系列显卡变化也比较大，增加了新的H.265 HDR/WCG编码器，全面支持H.264 1080p600、4K150、8K30解码和1080p360、4K90编码，H.265 1080p360、4K90、8K24解码和1080p360、4K60编码，VP9 4K90、8K24解码，整体编码速度加快40％。

▍Radeon RX 5700系列显卡画大饼之光线追踪、RDNA2架构

AMD在RX 5700系列显卡的官方PPT中还对比了与友商RTX 20系列显卡的性能，当然这种情况显然是RX 5700及RX 5700 XT赢了，不过这里就不列官方测试成绩了，一方面是因为这些游戏性能还需要实际检测，另一方面是随着NVIDIA推出RTX 20 Siper系列显卡，RX 5700系列显卡的竞争对手都变了，AMD的官方测试已经没多少意义了。

通过前面有关Navi核心7nm工艺、RDNA架构的介绍，我们可以说7nm Navi GPU真的是一场及时雨，让AMD摆脱了差不多成为负资产的GCN架构的束缚，在性能及能效方面有了长足进步，使得AMD显卡在面对友商产品时有了十足的底气。

不过Navi核心依然不能说是完美的，不支持光线追踪就是槽点之一，但是在光追这件事上，AMD也跟NVIDIA有着不同的理念。

准确来说，GCN及RDNA架构其实也是支持跑DXR光追的，就好比GTX显卡也能跑RTX光追一样，但它们都是通过渲染器跑的，效率不高而已，AMD现在Radeon Ray、ProRenders等软件中就已经支持了光追了。

在下一代RDNA架构中，AMD才会加入专用的硬件加速光追单元，类似NVIDIA在图灵GPU中的RT Core一样，好处是性能更高，不过AMD最终的目标是云端光追，他们希望把光线追踪这种耗费大量资源的运算放到云上，提供全场景的云端解决方案，这个会很有意思，不过目前还是大饼。

Navi上有一些槽点的关键就在于它还是第一代RDNA架构，AMD还在准备新一代的RDNA2架构，制程工艺也会升级到7nm+，按照路线图应该是明年问世，跟锐龙4000系列处理器是同一代了。

在RNDA2架构上，AMD应该会推出传闻的Navi 20高端核心了，不仅支持硬件加速光追，CU单元也要大幅超越现在的Navi，性能水平要达到RTX 2080 Ti或者更高级别的，毕竟明年NVIDIA也要推出传闻中的7nm安培GPU了。

作者：兽王

 

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