GPU架构浅析以及对游戏着色器编码的启发（包含最新40系架构）

图灵架构

参考文档：图灵架构白皮书
图灵架构是20系的架构，算是影响深远的一代架构，奠定了很多基础性的概念。

先从最小的计算单元结构看起。SM（Streaming Multiprocessor）是基础的计算单元。所有计算任务最终都要由SM中的一个或几个组件协同完成计算。一个SM包括4个warp、1个共用的L1 Cache/Shared Memory、4个Texture Unit和1个RT Core。RT core是用于加速光追的的硬件结构，主要加速了建立BVH和射线检测，是一个相对独立的模块。L1 Cache/Shared Memory以及Texture Unit分别负责存储数据和材质采样加速，这两个模块都是为Warp服务的。Warp负责实现具体的数据计算。
要想理解Warp，你需要新理解SIMD，本文就默认你理解了。
每个Warp共用一个指令发射器发送指令，控制16个FP32（32位浮点）计算核心和16个INT32（32位int）计算核心。FP32核心之间运行的指令相同但数据不同，你可以理解位一次性有16个像素点同时在计算，INT32核心同理。FP32和INT32可并行运行指令。warp一个共用的Register File用于寄存器存储，4个LD/ST模块用于加载和存储Cache数据。这也是为什么ddx和ddy能够很方便的获得，因为是运行在同一个warp上的不同像素间共用了寄存器和cache。warp还包含SFU（Special Function Unit），用于加速一些特殊函数指令，比如sin、sqrt等。
每个warp还有两个Tensor Core。你只需要知道它们是用来加速深度学习计算的，在游戏领域主要是DLSS在使用Tensor Core。

接下来看看图灵架构的整体组织形式。

SM被TPC（Texture Processing Cluster）管理，每个TPC有2个SM和1个PolyMorph Engine。PolyMorph engine主要负责获取顶点以及曲面细分。一个Raster Engine驱动六个TPC，组成一个GPC（Graphics Processing Cluster）。L2Cache为全体GPC共用。
NVLink主要用于多台GPU互联，应用场景是高性能计算和深度学习，对游戏领域影响不大。

艾达架构

参考文档：艾达架构白皮书
艾达架构是40系显卡的架构，也就是市面上最新的架构。相比于图灵架构，艾达架构可以说是没有根本性的突破，而是对每个模块都进行了细微的升级。这一代的卖点也主要集中在光追性能提升和DLSS 3.0，传统光栅化架构几乎没有变化。
在光追方面，艾达架构对BVH查找加速和半透明物体与视线相交加速上做出了重大突破。然而笔者在光追方面实际经验有限，没有实际感触，不做过多描写了。有兴趣的朋友可以看原文，技术还是很有趣的。

其实看到SM架构就已经知道艾达架构相比图灵架构没啥突破了。唯一的亮点就是图灵的INT32核心在艾达架构中也可以用于FP32计算了，所以在一定程度上提高了传统光栅化的性能。

真没啥好说的，就是图灵的pro max版本。

对游戏着色器编码的启示

说了这么多，终于到有实际作用的了。

1. 每次DrawCall的着色器实际上就是在SM中以Warp为单位运行的，也就是说除非最后一轮凑不满，不然顶点着色器和像素着色器，基本上都是16个顶点/像素同时处理的。
2. 为什么要避免动态分支，其实就是warp是SIMD的，如果在一个warp中的不同thread动态分支有不同的结果，这个warp就必须将所有动态分支的结果都运行一边。但是，如果有动态分支但在同一个warp中，分支结果相同，仅是warp之间结果不同，那么其实影响不大。如果同一个sm的不同warp间动态分支结果不同，那么可能会在一定程度上影响L1Cache的局部性。不同SM间动态分支不同就基本无影响了。
3. 为什么要优化寄存器？因为当指令被阻塞时，需要将当前上下文的寄存器存在L1Cache中，那么如果一个thread中寄存器使用太多，在切换线程时就会占用更多的cache，那么可并发的线程的就会更少，导致最终被实际的阻塞，影响性能。
4. 为什么要减少采样？因为GPU是一个计算便宜访存贵的系统（说的好像cpu不是一样，哈哈），且SM中texture unit的数量又是远少于Thread的，所以采样会带来阻塞，如果如前文所说可切换的线程满了，那么访存就会带来真实的stall，影响性能。
5. 为什么访问buffer要尽可能满足局部性？因为L1cache是sm内共用的，也就是4个warp共用一个L1Cache，想要命中cache就需要局部性好。
6. 在40系之前的GPU中，INT指令和FP指令是可以真实并行的，所以可以适当多穿插int指令来提高并行度。