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購買RTX 30系列顯示卡前必先知道的兩三事：NVIDIA技術簡報 (上篇)

文．圖／Johan 2020-09-11 22:30:08
NVIDIA已於台北時間9月2日凌晨0點正式發表GeForce RTX 30系列(代號Ampere)的RTX 3090、RTX 3080、RTX 3070等顯示卡，價格分別是1499美元、699美元、499美元，比前代還要便宜。而在效能方面也大幅精進，包含3070贏過2080 Ti、3080效能是2080的兩倍，而3090則是主打8K級遊戲的應用，帶領玩家進入遊戲新世代！

這次要上課囉！趕快來看RTX 30系列的技術簡報吧! 總共有四個課程要上


為讓各位想要進入RTX 30時代，NVIDIA舉辦了技術研討會，說明這次RTX 30顯示卡的規格細節與新技術、新功能，讓一般玩家、電競玩家、直播主以及創作者們，在選購之前可以先深入了解這次RTX 30顯示卡細節資訊，讓玩家們可以在得知新一代RTX 30除了效能提升之外，到底還多了哪些東西，以及如何搭配更多周邊與新軟體，來發揮出這次RTX 30的所有特點，這些都是在下單購買前，值得用來做功課的有用訊息！

在開始之前，先來看看RTX 3080創始版顯示卡的外觀。

這是RTX 3080的背面! 對! 背面有風扇喔! 因此不適合以直立安裝方式，要橫插入主機中 (原理請參考下方第二篇)


這個才是正面，卡的左邊也有一顆散熱風扇。也就是正反各一顆


顯示卡上方，可以看到金色的金屬上蓋，為2-Slot設計


這個就是特殊的NVIDIA 12-pin電源接頭，放心！隨顯示卡會附贈雙8-pin PCIe接頭轉NVIDIA 12-pin接頭，只是這個接頭的插拔次數據信僅25次，別一直插拔喔！


顯示卡的底部


顯示卡的對外I/O埠，含3組DisplayPort與1組HDMI埠，右邊為散熱孔


顯示卡中間有X的造型，金屬散熱片排列也以交錯式設計，頗具特色。這張卡功耗為320W，建議搭至少650W的電源供應器！


以下文章就大致分成四個部份，並分成上下篇，本篇為上篇，說明第一和第二部份，分別敘述如下，想要買RTX 30顯示卡的讀者必讀。以下文長圖多，請小心服用。XD

<上篇> (本篇)
(1) 第一課：安培新架構、新光追，與全新RTX IO遊戲快速載入技術
(2) 第二課：裝機注意! RTX 3080/3090全新散熱設計、3090的8K遊戲、RTXGI

<下篇>
(3) 第三課：電競玩家必備Reflex低延遲技術，周邊與360Hz螢幕
(4) 第四課：創作者輔助利器NVIDIA Studio，與直播主利器NVIDIA Broadcast


本篇將以NVIDIA排定共四篇內容，來簡述這次RTX 30顯示卡的技術細節


第一課：安培新架構、新光追，與全新RTX IO遊戲快速載入技術

這次NVIDIA推出全新Ampere架構的GPU，除了先前GTC 2020發表針對數據中心專用的產品(如DGX、EGX等系列的A100 GPU，採用TSMC 7nm製程)之外，還有這次推出針對玩家市場所打造的RTX 30系列(包含3090、3080、3070，採用Samsung 8nm製程)。由於製程技術提升，因此RTX 30系列塞入更多電晶體，更多RT Core、Tensor Core，讓其效能有巨大的提升！

▼ NVIDIA GeForce RTX 30系列顯示卡規格與發表日期


當然除了效能之外，在遊戲畫質也有大幅度的精進，例如硬體新加入了動態模糊加速功能，可繪製出物體在快速移動中的模糊畫面現象，搭配其新的Sparse深度學習技術，讓光線追蹤的應用更加靈活與逼真。

NVIDIA安培架構，巨大提升！包含光追、第二代RTX技術，賦予無限種方式來玩樂。目前發表了RTX 3090、3080、3070


這是圖靈架構，第一代RTX設計：SM效能11 FP32 TFLOPS、RT核心效能為34 RT TFLOPS、Tensor核心效能為89 Tensor TFLOPS


到了安培架構，第二代RTX設計：SM效能提升至32 FP32 TFLOPS、RT核心效能提升至58 RT TFLOPS、Tensor核心效能則提升到238 Tensor TFLOPS


此圖說明光追的工作負載，不適合以黃色字樣的架構來執行，透過右邊RTX RT核心架構的三個綠色字樣的加速，讓光追畫面可以達到即時繪出的需求


如今，右邊的Ampere架構還加入全新的動態模糊硬體加速功能


這就是動態模糊的畫面模擬


動態模糊架構，提供提供8倍快的光線走訪速度


此為Sparse (稀疏) 深度學習的模型


以第三代Tensor核心來看，這次雖說每Shader Model下的Tensor核心數從8降至4，但在FP16 FMA運算下，A100與RTX 3080的密集或稀疏模型效能都非常多，因此整體(Total)效能還是有所提升


這次因為採用8nm製程，使得Ampere架構比上世代Turing架構的能效高達1.9倍! 且溫度更低(78°C)、噪音更低(30dbA)


至於記憶體方面，採用世界最快的GDDR6X，此為其信號、編碼與演算法的分析介紹


再來就是這次3090/3080都支援了8K HDR螢幕輸出。是世界首張支援HDMI 2.1的GPU，一條電纜線就可以輸出8K@60Hz或4K@120Hz。且也是首顆支援AV1全硬體視訊解碼的GPU，能即時播放8K60Hz的影片


上一代GeForce RTX 2080 SUPER，GPU內部佈線是這樣


這一代GeForce RTX 3080，GPU內部佈線是這樣，更複雜，性能更強悍


接下來，以Wolfenstein: Young Blood (德軍總部：血氣方剛)遊戲為例，說明一張遊戲畫面在使用不同核心來處理時的所需時間，從純Shader的51ms，到搭配RT核心可降到20ms，再加Tensor核心則可降到12ms


以傳統Pascal架構(GTX 1080)跟Turing架構(RTX 2080來比，前者畫一個畫面需要92ms，而後者僅51ms


在Turing架構中，一般光追為51ms，開啟RT核心則降至19ms若再搭DLSS，則可再降至13ms


而這次採用Ampere架構之後，搭配第二代RT核心，可讓上世代的19ms降至11ms


簡單來說，在Turing架構下，一個畫格需要13ms，而Ampere只要7.5ms，搭配第二代同步(繪圖+RT+Tensor核心)，則可再降至6.7ms


總之，這就是Ampere架構各種RTX模式下的所需時間。純軟體RT (Shader)需要37ms，改RT核心則快速降至11ms，若再搭配Tensor核心則可以再將到7.5ms，若開啟第二代同步(繪圖+RT+Tensor核心)，則可再降至6.7ms!


這就是綜合上述測試下的效能與提升比例 (原來快1.9x是這樣算出來的XD)


以下來看看這次RTX IO的功能與架構，這是一種可以透過GPU來解壓縮遊戲資料(地圖)的技術，由於當今遊戲都越來越龐大，在遊戲的開放世界裡，為了實現人物移動時無縫接軌，遊戲必須時常預先載入即將到達的地圖，以保持遊戲的流暢進行。

只是當今遊戲材質越來越講究，從Full HD到4K材質，讓遊戲畫面更精細，只是傳統HDD效能已完全不能符合這種遊戲的需求，改用SATA SSD也許好一點，但還是無法完全無縫接軌載入地圖，因此NVIDIA看中未來遊戲需求，推出了RTX IO的技術，搭配現有NVMe SSD，讓遊戲開發者可以把地圖壓縮以節省資料載入量/頻寬，然後透過GPU來幫助解壓縮地圖，且佔用不到CPU的1個執行緒(大概半個即可)，騰出更多CPU資源去處理遊戲的物理或是邏輯問題，以加速遊戲的順暢度。RTX IO技術也可與微軟最新DirectStorage for Windows來做搭配，讓開發者能以RTX IO直接將超大已壓縮的地圖載至GPU記憶體，並進行解壓縮，使其得以快速部署完成，讓玩家玩得順暢又過癮。

此為Cyberpunk 2077遊戲畫面一瞥，下方說明這類200GB級的超大遊戲只會越來越多，但常碰到I/O頻寬的挑戰


這就是持續讀寫狀態下，HDD、SATA SSD、PCIe 3 NVMe SSD、PCIe 4 NVMe SSD的資料傳輸速度


遊戲載入地圖方式有很多種，這是資料未壓縮的狀況，資料載入至CPU與系統記憶體，然後再移入GPU記憶體


遊戲通常就是被傳統慢速I/O而制約


若將地圖壓縮，以減少載入頻寬呢？這就是其資料載入狀況，同樣要在CPU幫剛載入記憶體的資料進行解壓


這種傳統作法，會吃掉很多CPU資源，甚至將CPU的資源吃好吃滿，造成遊戲必須頻頻停下來載入資料，體驗不佳


RTX IO就是改成將資料直接由GPU控制來載入GPU記憶體內，讓GPU來解壓縮地圖資料


透過RTX IO的話，CPU不用動用到24個執行緒(如Ryzen 9 3900X)來做解壓縮的動作，只要縮到僅0.5個CPU核心即可，讓CPU可以去做別的事情


實際展示地圖關卡載入時間，左邊是HDD時間 (38秒載入壓縮地圖，或是63秒才能載入未壓縮地圖)，右邊則是Gen4 NVMe SSD (24核心Threadripper)的載入壓縮地圖的時間，而RTX IO則更降至1.5秒。因此RTX IO將是未來大型遊戲的最佳省時載入妙方


第二課：裝機注意! RTX 3080/3090全新散熱設計、3090的8K遊戲、RTXGI

本篇將介紹RTX 3080/3090創始版採用正反面風扇設計的用意，在裝機上需要注意的事項，以及其溫度和噪音量。接下來則是介紹3090的8K遊戲是如何達到的，要怎麼搭配DLSS功能，以及其效能如何？這裡都有詳細講解。

GeForce RTX 3090 (右)的體積比RTX 3080還大一號，都採用雙面單風扇設計，唯獨左邊的RTX 3070 仍採用單面雙風扇設計


這是RTX 3080 vs. 2080 與 3070 vs. 2070的規格比較，兩代的出道價格一樣，但性能卻增加N倍!


RTX 3080在4K解析度下，效能提升近2倍 (參考Minecraft RTX ON的數據)


至於RTX 3070，在1440p解析度下，則有1.6倍的效能領先 (同樣參考Minecraft RTX ON的數據)


再看一次！RTX採用8nm製程，使得Ampere架構比上世代Turing架構的能效高達1.9倍! 且溫度更低(78°C)、噪音更低(30dbA)


接下來說說風流設計吧！這是傳統電腦機殼的風流路徑 (冷空氣從前面板進入，熱空氣從後面排出)，GPU則在中間


因此最佳的風流模式，應該就是這樣，風扇一正一反各配置一組，讓下方吸入冷空氣，上方排出熱空氣


這是上一代RTX 2080 Ti的風扇配置，右邊風扇將冷空氣吸入散熱片，並讓廢熱自行排出 (也不是不好啦！只是一直操到過熱時，風扇只會吹得更強)


在PCB部份，RTX 2080 SUPER是全尺寸，散熱需求更高，但右邊RTX 3080把PCB縮小，以預留給右方風扇配置到顯示卡的背面


這就是風流路徑示意圖。左風扇將熱推出左邊的擋板散熱孔，右邊則以全穿透的風扇將熱量拉上去，由機殼後方風扇排出。這樣一來，就能快速將廢熱帶走，降低溫度，也減少噪音


RTX 3080顯示卡插在機殼內示意圖


實際量測後，3080功耗320W時，噪音和溫度都比同樣2080功耗320W時，還要低個10分貝與20°C的幅度，這樣的設計，您服了沒？


接下來看RTX 3090的部份吧！比上一代Titan RTX更便宜了1000美元，但性能卻強了好多好多！


3090同樣是雙面單風扇配置，實際量測後，3080功耗350W時，噪音和溫度都比同樣Titan RTX功耗350W時，還要低個20分貝與30°C的幅度，只能說老黃真厲害！


既然提到這顆 BFGPU (Big Ferocious GPU，怪獸級顯示卡)，那麼就來看看在遊戲、繪圖、AI應用時的各項數據表現吧！結果都比上世代Titan RTX快了約1.5倍左右


既然是8K級顯示卡，接下來就來看看搭配RTX遊戲的效果吧！這些遊戲、遊戲引擎與API，都已支援RTX囉


這些既有或新遊戲，都將支援RTX光追特效


先來看看《要塞英雄》的RTX版本效果如何


左圖為原生4K畫面，28 FPS；右邊為開啟DLSS 4K下，畫質更清晰，效能達73 FPS


至於3DMark也支援RTX 30系列與DLSS 2.0功能


左為DLSS 1.0畫面，42 FPS；右為DLSS 2.0 效能模式，畫質更好，效能也更高，達64 FPS


既然提到8K，首先要知道8K的畫素，是Full HD的16倍 (因此負載更重)


GeForce RTX 3090身為一張可以跑8K遊戲的怪獸級顯示卡，具備HDMI 2.1埠、RTX開啟搭配DLSS 8K模式，具備24GB繪圖記憶體、8K HDR ShadowPlay能力，並支援AV1視訊解碼


目前8K螢幕或電視，採用雙DP接頭、四HDMI接頭，可能造成訊號不同步，影響視覺體驗。而新的8K電視已支援單HDMI接頭，可顯示8K 60Hz HDR提供最佳視覺體驗


若要玩遊戲的話，此為不同解析度下，原解析度與可DLSS到的解析度比較。以8K遊戲來說，原解析度最低可以設定到2560x1440，然後透過AI運算進行向上提升解析度到9倍，以達到7680x4320 (8K)的解析度


來看看《看門狗：自由軍團》，即將於10月29日上市


不同解析度下的細緻度比較 (8K DLSS最清晰)


這就是各遊戲，在開啟和未開啟DLSS 8K時的FPS成績 (有些純綠色代表該遊戲還不支援DLSS)，Control這套遊戲開啟DLSS 8K的效能提升幅度超多


此外，RTX 3080/3090也支援全新AV1硬體視訊解碼，讓8K HDR視訊能夠順暢播放。AV1格式比H.264快50%，用GPU來解碼可達到8K 60FPS，如今Chrome、YouTube、Windows 10、Edge瀏覽器、VideoLAN VLC Player都支援AV1格式囉！


總之，RTX遊戲已可8K，電視也有8K了，就只剩下你的口袋到底有沒有8K 美金來買8K顯示卡+電視+遊戲了 XD


接著簡單說明一下，這次新的RTXGI吧！這是全域照明光追應用，適合開發者運用的全新API，此為對玩家來說，RTXGI的功能與優勢


全域照明光追，可提升整體光線照射呈現(今天許多領域都有在用)，修正漏光問題，且比SVOGI還快。下列三款遊戲引擎支援RTXGI


RTXGI的系統拓樸，介於應用程式與DXR API之間，可提升光追品質的好SDK


左上為開啟RTXGI的畫面，右下為關閉RTXGI的畫面。左邊光線充足均勻，右邊比較黯淡無光


這是純光線相比，左上也比較能看到更多細節


這是RTXGI的運作原理，中間有多做一些光線相關處理


效能取決於解析度大小。一般來說，一幀需要250K至400K樣本。RTX 3080可在0.5ms內產生400K取樣處，而2080S需要1.0ms。效能快一倍!


此為對開發者來說，RTXGI的功能與優勢


以上先講兩課，下篇再來講第三課和第四課內容，記得回來聽課喔！

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(4) 購買RTX 30系列顯示卡前必先知道的兩三事：NVIDIA技術簡報 (上篇) (本篇)
(5) 購買RTX 30系列顯示卡前必先知道的兩三事：NVIDIA技術簡報 (下篇)
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