[情報] Infinity Cache 立大功，RDNA 2 架構詳解

Infinity Cache 立大功，應用於 Radeon RX 6000 系列的 RDNA 2 架構詳解

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快取就是要大、大才有效！

這次 AMD 推出採用 RDNA 2 架構的 Radeon RX 6000 系列顯示卡，可說是徹底地揚眉吐氣，該公司不僅是在 x86 處理器效能徹底贏過競爭對手 Intel，Radeon RX 6000 系列相較 NVIDIA GeForce RTX 3000 系列也是相當具有競爭力，突破過去僅能在中階主流市場對打的情況。

仔細端詳 RDNA 2 和 RDNA 內部 CU（Compute Unit）差異，除了增加 DXR（DirectX
Raytracing）必須的 Ray Accelerator 光線加速器單元之外，並沒有什麼變化，小修小改傳輸路徑與快取機制、強化 power gating 省電機制、提升時脈頻率，讓 RDNA 2 的
IPC 相較 RDNA 僅有個位數的成長。那麼接下來你會問，能夠幹掉 GeForce RTX 3090
的效能是從哪裡來的？

▼ RDNA 2 三大主軸：更高的運作時脈、Infinity Cache、支援最新的 DirectX 12
Ultimate 和 DirectStorge API 功能。
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如同 NVIDIA Ampere 世代，加入浮點數執行功能至原本的 INT 整數執行單元，直接讓
CUDA/Stream Processor 數量暴增，RDNA 2 世代 Navi 21 晶片設計，同樣也從前一世代 Navi 10 的 40 個 CU/2560 個 Stream Processor，翻倍暴增到 80 個 CU/5120 個
Stream Processor（Radeon RX 6900 XT 採用完全體，其餘型號依序遞減數量），這也讓持續採用 TSMC 7nm 製程的情況之下，晶片面積與電晶體數量，從 251mm2/103 億個成長至 519mm2/268 億個。

▼ RDNA 2 使用 TSMC 7nm 製程，並添加 AV1 硬體解碼與 8K HEVC 編碼能力。
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▼ 執行單元與快取的細部資訊
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▼ AMD 替每個 CU 均添加 1 個光線加速器單元，因此 RDNA 2 的光線追蹤單元數量跟著 CU 變動，Radeon RX 6900 XT 為 80 個、Radeon RX 6800 XT 為 72 個、Radeon RX
6800 為 60 個。
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▼ RDNA 2 CU 面對不同類型資料的運算能力，每個時脈能夠遍歷 4 個 bonding box 或
是 1 個光線與三角形的相交檢測。
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▼ 每組 Shader Engine 的 RB+ 為全新設計，單一時脈週期能夠處理 8 個 32bit 色深
像素，並與光柵單元連動提供 2×1、1×2、2×2 取樣支援。
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128MB Infinity Cache

Stream Processor 數量成長，相對而言需要餵給執行單元更多的指令、資料，NVIDIA 採用與 Micron 合作 GDDR6X 繪圖記憶體加大頻寬。AMD 目前已確立運算、繪圖架構分立路線，運算交由 CDNA 系列搭配 HBM 類型記憶體負責，消費市場端應該不會再出現
Radeon VII 這樣的產物，在亟需頻寬的情況之下，直接在 Navi 21 晶片設計高達
128MB 的 Infinity Cache，Radeon RX 6800/6800 XT/6900 XT 各等級均可享用。

▼ Navi 21 晶片設計於 GDDR6 記憶體和 L2 快取之間，添加容量為 128MB 的
Infinity Cache。
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▼ 快取太小沒意義，太大又會讓晶片過胖，衡量快取命中率與容量的關係式之後，
128MB 是個比較適中的容量。
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Navi 21 仍舊採用 GDDR6 記憶體，匯流排寬度 256bit，搭配 16Gbps 速度版本時，可以提供 512GB/s 頻寬，Radeon RX 6800/6800 XT/6900 XT 全線均提供 16GB 記憶體容量。128MB 的 Infinity Cache 在晶片內部的匯流排寬度為 64byte x 16 通道，在最高自動加速頻率達 1.94GHz 的狀況下，能夠提供將近 2000GB/s 頻寬（基礎頻率則可提供
1664GB/s），相當驚人！

▼ Infinity Cache 採用動態時脈設定，最高可達 1.94GHz，提供將近 2000GB/s 頻寬。https://benchlife.info/wp-content/uploads/2020/11/006-1.jpg

由於這個 128MB Infinity Cache 的出現，才能夠餵飽飢腸轆轆的 5120 個 Stream
Processor，也一舉讓 RDNA 2 擁有相當不錯的能源效率比值。除了傳統上的光柵化成像之外，128MB 容量也能夠擺放光線追蹤所必需的 BVH 樹狀資料結構，有助於加速光線與三角形的相交檢測，這個極度消耗晶片面積的 Infinity Cache 也算是值得了。

▼ 於圖片最左方能夠觀察到，若是沒有添加 Infinity Cache，其實 RDNA 2 相較於
RDNA 的 IPC 漲幅並不明顯。
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▼ Infinity Fabric 不僅提供驚人的頻寬，相對而言更能提升能源效率比值、降低存取
延遲。
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RDNA 2 架構也終於加入包含光線追蹤、VRS 可變速率著色（Tier 2）、Mesh Shader 網格著色器、Sampler Feedback 取樣回饋等 DirectX 12 Ultimate 功能。其實 AMD 這部分走得相當緩慢，甚至比 Intel 還要慢，Intel 早已在代號 Ice Lake 處理器的 Gen
11 繪圖核心支援 VRS，AMD 直到 RDNA 2 才算是全面導入。

▼ RDNA 2 已全面支援 DirectX 12 Ultimate。
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Smart Access Cahce

另一方面，AMD 終於提供 3A 平台（處理器、主機板的晶片組、顯示卡）合體加速特性，當支援的硬體相互搭配，能夠開啟所謂的 Smart Access Memory 功能，再次提升遊戲效能。縱使 AMD 於發表 Radeon RX 6000 系列顯示卡當下並未提供詳細技術資訊，之後輾轉得知其實就是 Resizable BAR 功能。

PCI 規範當中，需要每個設備自行準備 256Byte 的 Configuration Register Space，前 64Byte 儲存這個設備的 Device ID、Vender ID 等基礎資訊，後 192Byte 則是描述這個裝置究竟有什麼功能，到了 PCIe 時代，這個 256Byte 空間擴展至 4KB。處理器無法直接存取這些額外的 4KB－256Byte 空間，而是透過記憶體位址映射的方式，從高位址往下映射空間，處理器僅需讀寫這些映射空間，實際 PCIe 設備空間操作則由 PCIe Root
Complex 負責。

BAR 為 Base Address Register 的縮寫，也就是 PCIe 設備空間映射到系統記憶體的基底位址，一般來說為保持與 32 位元作業系統的相容性，BAR 通常為 256MB（1 個 PCIe系統最多擁有 256 條 Bus、每條 Bus 最多擁有 32 個設備、每個設備最多擁有 8 個功能，每個功能對應 1 個 4KB 範圍，256 x 32 x 8 x 4KB＝256MB）。256MB 記憶體映射通常在 64bit 作業系統當中不會有什麼問題，因為記憶體控制器根本無法完整定址 264實體記憶體；但在比較老舊的 32bit 作業系統，你可以發現並無法完整用完 232＝4GB
實體記憶體，因為部分位址已拿去作為設備 I/O 或是記憶體空間映射用途。

▼ Smart Access Memory 應該就是 PCIe 規範裡的 Resizable BAR 功能，讓處理器可以同時存取顯示卡所有的記憶體，而非預設的 256MB。
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為保持相容性，目前在記憶體位址中切給 PCIe BAR 的空間也都保持 256MB，但其實
BAR 能夠增加它的範圍大小，也就是 AMD 所說的完全存取顯示卡所搭載的記憶體，而非僅限於 256MB。依據 AMD 內部的實際測試，若是啟用 Smart Access Memory，最高能夠在 Forza Horizon 4 遊戲獲得 11％ 的效能提升。此舉也讓綠色陣營額外表示，它們的晶片其實也支援 Resizable BAR 功能，未來會透過軟體更新開放。

▼ RDNA 2 能源效率比值相較 RDNA 提升約 54％，其中 21％ 透過 Infinity Cache 與
微調設計提供、17％ 為強化省電設計、16％ 為提升運作頻率。
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