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nVIDIA SLI技术解析


nVIDIA SLI 技术解析 SLI 技术是实现了两款显卡同时出现在一块主板上,构成一套 SLI 双显卡并行系统,这 一技术的应用更大程度的满足了用户对高品质画质的需求。

SLI 桥接器。

通过 SLI 桥接器连接的两片 GeForce 7950 GX2 显卡。 如图所示,我们可以看到,nVIDIA 的 SLI 互连不再是和 Vood

oo2 一样借助线缆,而是 使用一块两端有“MIO”接口的 PCB 连接子卡。卡上的接口有点儿类似 PCI Express×1,而 在显卡的顶部位置则预留了对应的接口。这样,该 SLI 连接卡就可以将两块 nVIDIA 显卡连 接起来,实现 SLI 并行运作。nVIDIA 官方表示,选择 PCB 卡连接可充分保证信号通讯的质

量与速度, 显卡间的数据传输采用数字形式进行, 这样可有效防止因信号干扰而导致画面不 同步的弊端(nVIDIA 已经公布了可用驱动支持 nVIDIA GeForce 6600 标准版组建 SLI 系统, 而这种新型的 SLi 系统无需通过连接卡便能实现)。 Voodoo2 所采用的技术是模拟传输方式, 数字信号先被转换为模拟信号后才进行合成, 因为干扰的影响, 在某些时候会出现数据不匹 配的问题,导致合成后的画面往往难以同步或出现其他问题,这也是 Voodoo2 SLI 技术的主 要缺陷。而改用数字信号传输,显然就不存在这个问题,显卡处理完的帧数据被集合起来合 成,然后才转为模拟信号输出,从而确保画面的完整性。

NV40 核心内的 SLI 功能控制逻辑 nVIDIA 将 SLI 控制功能直接的集成到在显卡的 GPU 芯片内部,从上图的芯片的逻辑图 中可以很容易的看到,在显示核心的左侧左侧偏下的位置有一个很小的区域专门负责 SLI 运作,该区域所掌管的职能包括两块显卡的连接、通讯,渲染任务的指派以及画面的合成等 等。由于指令的传输工作相对简单,在芯片的 FCBGA 封装中也只有极少几根针脚用于 SLI 模式。但由于别的 GPU 并没有集成这一控制逻辑,所以别的显卡并不支持这一技术,但由于 特殊的原理的所以 SLI 技术并不支持 AGP 总线,SLI 技术只可运行在 PCI-E 模式下,对主板 提出了新的要求。不过最令人称奇的还是它的并行能力,nVIDIA 的研发专家声称,SLI 技术 最多可以支持 8 块 GPU 并行运作, 虽然在消费市场没有什么意义, 但在工作站领域, 块 GPU 8 并行意味着可获得超高的渲染效率。 以上介绍的只是 SLI 最表象的特征,真正的关键在于这套系统的运作机制。SLI 的两款 显卡地位并不是对等的,一块显卡作为主卡(Master),另一块则作为副卡(Slave)。其 中主卡负责任务指派、渲染、后期合成、输出等运算和控制工作,而副卡只是接收来自主卡 的任务进行相关处理,然后将结果传送回主卡。这里,我们需要明确数据传送的两个途径。 两块显卡都是通过 PCI Express 接口与主板连接,而这两块卡之间还有一个通讯的 PCB 卡。 其中, 连接两块显卡的 PCB 卡用于任务指派指令以及后期处理结果的传送, 这部分的数据量 不会很大,所以 PCB 卡所使用的接口和自身结构都较为简单。但是,显卡在渲染过程中必须

调用大量的数据,这部分数据只能通过 PCI Express 接口从系统中获取。换言之,在 SLI 系统中有两部分不同的数据流向, 一部分为主卡将任务指令通过 PCB 连接卡传送给副卡, 副 卡将渲染完毕的结果数据返回给主卡合成, 另一部分为处理过程中从 PCI Express 接口得到 的原始数据。

Voodoo2 的传统奇偶分工方式 Voodoo2 的 SLI 技术采用帧线方式划分任务: 一幅渲染的画面被分成奇数渲染帧和偶数 渲染帧两个部分,然后交给两块显卡分别渲染,完毕之后再统一合成。虽然 nVIDIA 继续沿 用了“Scalable Link Interface”的名号,但工作的方式已经有本质性的不同。在 nVIDIA 的 SLI 系统中,一幅渲染的画面被划分为上下两个部分,主显卡完成上部分画面,副显卡则 完成下半部分的画面, 然后副显卡将渲染完毕的画面传输给主显卡, 主显卡再将它与自己渲 染的上半部分画面合成为一幅完整的画面。这样,一个完整的 SLI 并行渲染任务就完成了。 同理,倘若有四块 GPU 并行运作,那么画面会被分成四个部分分别渲染,8 个 GPU 并行也是 如此。

nVIDIA SLI 的智能分工方式 传统的多 GPU 技术多半采用任务均分的方式,两块显卡完成的渲染任务量完全均等, Voodoo2 的 SLI 及之后的 Voodoo 5 系列都是如此,ATi 的 MAXX 显卡和 XGI 的 Volari Duo 系列产品也是采纳类似的思想。但这种任务均等分派的设计并不科学:首先,主显卡或主 GPU 必须承担额外的控制、任务分配、画面合成和输出等工作,用于渲染的运算资源较少, 但它必须完成与副卡一样多的任务。结果自然是,副卡率先将任务完成,把结果数据回传后 便处于等待状态,直到主卡将本批次任务处理完毕之后才可以继续进行任务指派;第二,同 一幅画面不同区域的复杂度并不相同, 所需的运算量也不一样, 如果使用 Voodoo2 的帧线划 分方式那也没什么,但 nVIDIA 的 SLI 采用划分上下画面的方式,如在常见的赛车游戏中, 画面上半部分几乎是静态的,而下半部分就非常复杂,需要处理的数据量很大,如果单纯将 画面作均等的划分也不科学。 为此,nVIDIA 另行开发了一套动态负载平衡技术,画面的上下划分并不是按照固定的 一半一半方式, 而是根据画面的复杂情况进行划分, 如可能为 4: 或 3: 等非均等的模式。 5 2 这样的分配并不是为了保证工作量在两块卡间的绝对平均分配, 而是要将两块显卡完成渲染 任务的时间保持一致,以此达到效能的最优化。考虑到主显卡需要承担额外的控制任务,用 于实际渲染运算的资源较少, 动态负载平衡算法就可以根据这一前提, 将任务量适当多给副 卡分担。这样,nVIDIA 所构建的 SLI 系统就可以保证两块显卡都工作在最佳效率条件下。 要提到的是,这项动态负载平衡算法并不是集成在 GPU 芯片内部,而是在驱动程序中整合, nVIDIA 可以方便对其进行修改,以提供更佳的性能。 以下是这种动态负载平衡技术进行均衡的多种渲染的过程:

1.待渲染的画面被分成上下两部份

2.渲染完毕后统一交给主卡进行合成

3.主卡将合成后的画面输出到显示器 但是,这种动态平衡技术并非万能的,nVIDIA SLI 的无法支持在不同的显卡间构建并 行系统,而两块显卡协同工作时上下两部分画面的 V-Sync(垂直同步)也是一个问题,如 果打开该功能势必会对游戏性能产生一定的影响,不过 nVIDIA 表示已采用缓存技术来解决 这个问题, 另外建立 SLI 工作模式后的两块显卡也都支持超频, 但必须使两块显卡的频率完 全保持一致。 nVIDIA 在推出 SLI 技术时就受到了人们的关注, 客观上地说, Multi-GPU 的确是一项可 以切实提升图形显示性能的技术, 它通过双卡并联输出, 其理论图形性能可得到将近一倍的 提升,游戏爱好者可以充分体验到这种速度提升快感,而对于专业设计人员来说,SLI 也将 带来效率的翻倍也使得渲染工作的时间几乎可缩短一半。

通过这种先进的 SLI 技术我们可以得到几乎翻倍的图形显示性能, 把它引入实际应用也 不再不切实际了,它不再像以前组建 Voodoo2 SLI 那样昂贵,普通消费者也可以轻易体现到 这种先进的技术, 这一方面是因为受到 ATi Crossfire 带来的压力, 而对于长远来说, nVIDIA 可以在负载平衡算法以及核心开发上下功夫, 这种 SLI 技术和市场定位也要不断演变, 让更 多的消费者都能轻易组建自己的 SLI 系统, 例如使新旧显卡一起工作在 SLI 模式下, 用户升 级时不用抛弃旧显卡而只需购买一张更快的显卡来构建 SLI 系统。 的发展前景是光明的, SLI 要是能使 SLI 普及化,将会对整个显卡市场产生深远的影响。 不过, nVIDIA 刚推出这种双卡并联技术时, 在 作为普通消费者的我们是可望不可及的, 因为早期支持开启 SLI 模式只有 Geforce 6800 等高端显卡,另外支持 SLI 亦要使用唯一的 nForce4 SLI 芯片组平台,整套配置成本上是相当昂贵的。因为高姿态的 SLI 技术对于一般 应用实在是不切实际,所以在 SLI 面世一年后,来自各方面的压力,NV 终于走下神台,通 过更新驱动,SLI 双卡模式在中低端的显卡产品上都能实现,SLI 从此普及起来。 在 SLI 推出初期,硬件上实现 SLI 其实并不是问题,但是对于当时来说,对应支持双卡 加强输出的大型图形处理软件和游戏等都屈指可数,软件未能普及支持 SLI 技术也是阻碍 SLI 前进的一大关键因素,直到进入 2005 年下半年,业界才逐渐推出针对 SLI 优化的程序 和游戏,如经典的 3DMark06、Quake4、F.E.A.R 等都是可对应 SLI 加速的软体和游戏,而到 如今 2007 年,支持 SLI 技术的软体不断增多,SLI 也越来越普及了。 [技术] SLI 常见问题及答案 SLI 是什么?其工作原理是什么? SLI(可灵活伸缩的连接接口)是一项旨在实现高性能的技术,让用户可以通过在一套 系统中配置多颗 nVIDIA GPU,巧妙地组合并提升图形芯片的性能。SLI 的工作原理是以一种 智能化的方式提高两颗 GPU 的几何和填充率性能。 该技术与 3dfx 的 SLI 有何不同? nVIDIA SLI 在许多方面都与其大不相同。第一,3dfx SLI 是在基于 PCI 架构的共享总 线上实现的。PCI 总线的总线吞吐量约为 100MB/s,而 PCI Express 则是一种点到点接口, 可提供约 60 倍于 PCI 总线的总带宽。第二,3dfx SLI 执行隔行扫描,属于模拟应用,因此 可能由于数模转换差异和其他因素等造成图像质量欠佳。此外,3dfx Voodoo 技术仅执行三 角形设置,需要由 CPU 完成几何运算,因此 3dfx SLI 只能提高简单纹理填充率的性能,并 且该技术利用的是帧间灵活伸缩性。nVIDIA SLI 技术则是基于 PCI Express 技术,采用一 种完全数字化的帧组合方法,对图像质量无任何影响,可提高几何性能,支持多种实现灵活 伸缩性的算法,能够根据应用需要选用最有效的方法来实现灵活伸缩性。 SLI 技术是否支持 AGP 架构? 不。SLI 技术是专门针对 PCI Express 架构而设计的。这种新的总线拥有更高带宽(为 AGP 8X 的两倍至四倍),支持同步数据传输,并可驱动多台高速图形处理装置。而 AGP 8X 则仅可驱动一台高速图形处理装置,因此不太适用于 SLI。

SLI 桥接器的功能是什么? SLI 桥接器是 GPU 之间的专用连接工具,可传输同步、显示和像素数据。SLI 桥接器 可使 GPU 之间的通讯速率最高达到 1GB/s, 同时不会占用 PCI Express 总线的带宽。 SLI 桥 接器适用于 GeForce 6600 GT 以及更高版本的产品。对于其他所有 SLI-Ready 图形显卡, GPU 之间的数据通讯都是通过 PCI-Express 总线,而不是通过 SLI 桥接器。对于这些主流 GPU, PCI-Express 总线通常有足够的带宽来对额外的通讯进行有效地管理。 功能更强的 GPU (GeForce 6600 GT 以及更高版本的产品)需要 SLI 桥接器来实现最佳的缩放效果。 SLI 技术可支持哪些操作系统? SLI 技术可支持 32 位和 64 位 Windows XP/vista 以及 32 位和 64 位 Linux 操作系统 (IA-32 和 AMD-64/EM64T)。 SLI 技术可支持哪些应用程序? SLI 可支持所有游戏程序,包括 OpenGL 和 Direct3D 游戏程序。SLI 能使用 SLI 交替 渲染(AFR)或分屏渲染(SFR)实现 3D 伸缩性能,或能使用 SLI 反锯齿模式实现增强的视 觉效果。 为什么不是所有的游戏都通过 SLI 得到效能提升? 使用 SLI 技术后,图形芯片所运行的应用程序的性能可得到空前的提高,最高可达以 前的两倍。当今最热门的游戏和新一代游戏都属于此范围。然而,有些应用程序、典型的老 一代应用程序受到图形芯片处理能力之外的因素限制。 最常见的限制是受 CPU 束缚的应用程序。如果应用程序受到 CPU 束缚,增强图形处理 能力也无法提高性能。在 1024x786 低分辨率下,无其他功能开启,此情况最为常见。打开 反锯齿和各向异性过滤器,或切换到更高的分辨率,常常可以让瓶颈回到 GPU 上。 对于受 CPU 性能影响较大的应用程序, nVIDIA 提供一种新的 SLI 渲染模式, SLI 反 即 锯齿。此渲染模式可使客户激活 SLI8x 或 SLI 16x 反锯齿,并增强所有游戏程序的视觉效 果。 什么是 SLI 抗锯齿技术? SLI 抗锯齿技术是一种全新的独立式渲染模式,通过由两片显卡分担抗锯齿处理任务, 将抗锯齿性能提升至两倍。启用后,SLI 抗锯齿可提供 2 种全新抗锯齿设置:SLI8x 和 SLI16x。 基于 SLI 的系统是否支持输出至电视机或高清电视机? 支持。SLI 系统可将信号输出至标清电视机和高清电视机。 在 SLI 模式下,屏幕上出现的绿线是为什么?

如果屏幕上出现纵向或横向的绿线,表明激活了 nVIDIA 显示控制面板中的“显示 GPU 负载平衡”。 激活此选项后, 将显示您的 GPU 如何分配图像负载。 对于使用 AFR (交替渲染) 进行渲染的游戏,纵向线条将根据缩放的总量变粗或变细。对于使用 SFR(分屏渲染)进行 渲染的游戏,横向线条将上下移动,以显示负载如何在各个 GPU 之间获得平衡。如果屏幕 的上半部分和下半部分情况相似,横向线条将保持在屏幕中间位置。注意:如果同时启用了 Vsynch,则可能不会显示这些线条(并不表示未启用 SLI 模式)。 不同品牌的图形显卡是否能在 SLI 模式下兼容? 当前的 nVIDIA 驱动程序已经可以在 SLI 模式下支持两个不同品牌的图形显卡, 客户需 要匹配 GPU 模式类型。 能否将一片由制造商进行了超频的显卡与标准显卡进行混合配置? 可以。 能否混合配置显存规格不同的显卡? 虽然建议用户最好不要这样配置,nVIDIA 支持用户借助 Coolbits 实现这种配置。在购 置第二片显卡时, 用户应当尽量选择与已有显卡具备相同规格显存的显卡, 以便获得最佳价 值和最优性能。例如,如果原有的显卡是 GeForce 8600 GT 256MB,那么新买的显卡最好也 是 GeForce 8600 GT 256MB。不过,利用 Coolbits,用户可以将两片显卡均设置为使用其中 规格较低的显存并以 SLI 模式运行。 SLI 能不能支持两片以上显卡? SLI 技术并不局限于只使用两片 GPU,在 CES 2006 展会上,nVIDIA 已经展出了支持 4 颗而不是 1 颗、2 颗或 3 颗 GPU 的四重 SLI 技术,而 3-way SLI 和混合 SLI 技术也将在近期 公布。 [回顾] 从曙光女神到交叉火力

ATi 的 Rage Fury MAXX 显卡。 其实不只是 3dfx 与后来收购它的 nVIDIA 才有双卡互联技术,ATi 的 Rage FURY MAXX 也是有关类似的方案的。资深一些的 DIYer 一定对当年 ATi 的 Rage Fury MAXX 记忆犹新, 这款显卡在一块 PCB 板上采用两块 Rage 128 pro 芯片协同工作。虽然它是一种单显卡形态, 但与 Voodoo2 SLI、metebyte PGC 方案并没有本质性区别,都是两颗芯片“分工合作”实现 性能大幅提升。不过在具体的任务指派机制上,Rage FURY MAXX 又有不同:它没有采用画 面分割、分别渲染、合成的套路,而是让一颗 Rage 128 Pro 芯片渲染第一幅画面,另一颗 Rage 128 Pro 芯片渲染第二幅画面,完成之后第一颗芯片再渲染第三幅画面,依此类推。 相比前两者,Rage FURY MAXX 的好处是只需用到一条 AGP 槽,但付出的代价是单块显卡高 昂的价格! 在开发之时,Rage Fury MAXX 被 ATi 寄以厚望用以与 GeForce 256 进行对抗,这一点 从其名字中就可以看出来——“MAXX (曙光女神) ”是美国空军秘密研发的高超音速侦察机 的名字,据说它采用一种全新的推进技术,可以在 6 万多米的高空上以 8 马赫(8 倍音速) 的速度飞行。ATi 认为他的新显卡将没有对手,采用这个名称名副其实。Rage Fury MAXX 可以说开创了单 PCB 双核芯的先河,但是由于市场的不成熟,还有 Rage Fury MAXX 上复杂 的 AGP 桥接架构,以及当时操作系统和软件支持上的不足,Rage Fury Maxx 在双核心市场 中也只是昙花一现而已。

simFUSION 6000 工作站显卡,采用双 PCB,每个 PCB 上集成 2 个 Radeon 9800 芯片。 2003 年,正是 ATi 的 Radeon 9800 系列风光无限的时候,但是他在多卡互联的探索并 没有停止,上图的这款产品,就是 ATi 连同 Evan & Sutherlands 的推出的 simFUSION 6000 工作站显卡,集成了多达四颗 Radeon 9800 芯片,采用双 PCB 连接、每个 PCB 上集成 2 个核 心,后期甚至还推出过采用四颗 Radeon 9800 XT 芯片的类似产品。在同一年,Sapphire(蓝 宝)也展示过一片采用 Radeon 9800 Pro 芯片的单 PCB 双 GPU 的的工程版显示卡。

在多卡互联的探索上,ATi 的脚步并不比其他厂商落后,只是限于技术和市场的接受程 度,ATi 早期很少在家用市场涉及类似的产品。随着近年来对 3D 图形性能需求的快速发展 以及 GPU 发展遭遇瓶颈,并且加上竞争对手 nVIDIA 的 SLI 技术带来的巨大压力,ATi 终于 在 2005 年 6 月发布了名为 CrossFire(也就是所谓的“交叉火力”简称“交火”)的双卡 互联技术。

ATi 的第一代 CrossFire。 第一代 CrossFire 应用在 Radeon X800 或者 X850 显卡上,对应的 Radeon Xpress 200 CrossFire 主板拥有 2 个 PCI Express X16 插槽连接两块显卡,两块显卡将会通过专用的数 据线通过 DVI-I 接口连接到一起, 然后从属显卡的数据将会输出到另一块主显卡上, 最终合 成并输出到显示屏,一些多 GPU 渲染模式也会被相应实现。

ATi 第二代的 Radeon X1900 CrossFire。

为了解决第一代 CrossFire 高分辩率限制的问题,ATi 把新一代 Radeon 中低端显卡家 族的 CrossFire 技术改良了, 并不需要采用 Compositing 引擎, 也就是说不通过专门的信号 通道, 而是直接通过主板的 PCI-E 带宽传送数据实现 CrossFire。 而在高端显卡的 CrossFire 方面则通过改进 Compositing 引擎来将最高分辨率提升至 2048x1536。

目前第三代的 CrossFire 已经取消主副卡之分,两片显卡通过交火连接桥进行连接。 在经历过两代 CrossFire 后,ATi 从 RV570 开始将双卡互联引擎集成到图形核心内(也 就是原生 CrossFire),也从这一代的交火技术中,不再有主副卡之分,通过交火连接桥将 两片显卡顶部交火接口的金手指连接起来,ATI 的两个桥接器可以实现 24bit(12bit×2)、 350MHz 的传输速率,另外要注意的是,ATI 留有了两个交火金手指接口,单独只插一个桥接 器不能够组建 CrossFire。新的交火技术不仅为我们带来了更加简便的连接方式,同时在成 本、性能方面都有了不小的改善。


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