This is the“K”ing!

“史上最快、最有效率的GPU!”＆“以最低的功耗代价换来最为极致的性能!”——NVIDIA

凭借28nm先进工艺和全新的GCN架构，AMD的“南方群岛”家族在高端显卡市场上出尽风头。不过，随着研发代号为“Kepler”的NVIDIA下一代显示核心的，两大阵营的新一代最强显卡终于棋逢对手。

显卡性能王位之争，现在才正式开始。

以彼之道的“小”胜

桌面“Kepler”首发测试

从GT200开始，NVIDIA的铁壳封装就再没让我们看过GPU的真身。也是从那时开始，小核心策略成为TAMD反击NVIDIA的一个利器。还是从那时候开始，NVIDIA的产品总能后发制人，长期占据显卡性能王座的位置。这一切显得那么顺理成章，以至于我们从来没有想过NVIDIA会做出一个小巧的旗舰显示核心。事实上，你能想象出NVIDIA设计的小核心会是什么样子吗?它是否还能保持性能上的领先优势?

在能耗比上是否能后来居上?

别想了，让GeForce GTX 680来告诉你一切!

NVIDIA的第一款“小”核心旗舰

3个月前，AMD了基于GCN架构的新一代旗舰显卡Radeon HD 7970。在我们的测试中，它以非常明显的优势战胜了当时NVIDIA的旗舰GeForceGTX 580。在接下来的时间里，玩家们都在等待NVIDIA新的产品，届时好对比选择自己的下一块。按当时的推测，新产品要想稳获显卡王位，就必须拥有超过GTX 580至少40％的性能。想必又将是一颗核心面积在500mm2左右的规格怪兽。让大家没有想到的是，NVIDIA为我们准备的“Kepler”架构首款核心(GK104)，竟是一颗核心面积不到300mm2的“小”核心。接下来，Mc评测工程师会将GK104的特征划分为基础(计算)特性和功能特性分别进行介绍。其中功能特性将会以夹叙夹“测”的体验方式为你展现。

MC评测室在第一时间获得了NVIDIA送测的GTX 680样品，它的PCB长度约25.5cm，比公版GTX 580的27cm略短。散热器结构两者如出一辙，外观风格基本一致。只是外接供电接口方面GTX680采用双6Pin，而非GTX 580的8Pin+6Pin。

浓缩是精华GTX 680架构基础特性解读

拜全新设计的显存控制器所赐，NVIDIA显卡在GTX 400／500时代主要靠扩展显存位宽来提升带宽的被动局面结束了。从表1中你能看到，6TX 680的等效显存频率默认就达到了6000MHz的高度。

此外，你能发现6TX 680相对GTX 580在晶体管数量上的提升是非常有限的。GTX 680内含35.4亿个晶体管，相比GTX 580增幅仅18％，这在工艺升级的跨代产品对比中是很少见的。相对的，同样是40nm到28nm的升级，HD 7970就从HD 6970的26.4亿晶体管大幅提升到了43.1亿，增幅达到63％。GTX 680如此小的核心如何保证性能提升?关键问题在效率上。

高度优化的计算／控制单元比例

从6K104整体架构图中我们能看到颇为熟悉的GPU——GPC——SMX——CUDA组成结构。很明显，基于“Kepler”架构的GK104传承了不少“Fermi”架构的设计思路，至少组织结构上没有太大变化，宏观上都采用了4个6PC的并行设计。不过仔细观察后会发现，虽然6K104和GF110在6PC单元数量上一致，但GKl04的每个6PC模块仅包含2个SMX集群，而6F110的每个6PC模块则包含了4个SM集群。因此，OK104在SMX这一层上的规格相对前辈减半。要知道SMX这一层级的单元承载着诸如几何输出单元等重要计算模块的PolymorphEngine引擎，跟曲面细分等计算能力直接挂钩。简单点说SMX数量的减半也就意味着曲面细分计算单元的数量少了一半。那是不是在“Fermi”上强势的曲面细分应用优势将丢失呢?其实不然，NVIDIA在减少Polymorph Engine数量的同时，增强了每个Polymorph Engine引擎的效率。在一个时钟周期内，实现了比原有单元翻倍的吞吐性能。NVIDIA称它为Polymorph Engine 2.0引擎。因此，拥有8个Polymorph Engine 2.0引擎的GKl04和拥有16个Polymorph Engine引擎的GF110，理论上每时钟周期几何处理能力是大致相当的。但使用了28nm新工艺的GTX 680在频率上更有优势，所以整体几何处理效能，特别是高负载状态下的性能GTX 680会比GTX 580N强劲。

除了更新Polymorph Engine引擎，以提高GK104芯片上单位面积的计算性能。NVIDIA的工程师还优化了GK104上的基础计算架构，以期达到在尽可能小的芯片内塞进更多计算核心的目的。如果你稍微留意过GF110的SM构成，你会发现“Fermi”的每个sM的内只有32个CUDA核心，也就是说SM内的一套逻辑控制单元只管理32个核心的工作调度。而GK104上，这个比例被放大到了192个。降低逻辑控制单元和指令发射器的比例，用较少的逻辑单元去控制更多的CUDA核心。从这个层面上来看，NVIDIA似乎借鉴了AMD经典的SIMD架构设计思路。有趣的是我们之前分析GCN设计构思时，发现AMD才大刀阔斧的改进了SIMD，向“Fermi”的MIMD架构靠拢。不管怎么说，拜这种思路所赐，GK104的流处理器数量(CUDA数量)达到惊人的1536个，在晶体管数量增加不到18％的情况下，将流处理器数量增加到了GF110的3倍。

此时相信有读者会担心“降低控制单元的比例那是不是意味着NVIDIA从G80开始赖以成名的高效率将一去不复返?”理论上，肯定会导致效率下降，但真实情况是效率下降的问题并不严重。而这多亏了指令调度的“软”着陆。事实上，NVIDIAI程师发现线程的调度有一定的规律性，编译器所发出的条件指令可以被预测。在“Fermi”及以前，这部分工作是由GPU内专门的硬件单元来完成的。而在GK104上，这部分工作将根据预测性，交由简单的软件程序来处理。这样就能节约不少晶体管，简化CUDA单元，简化控制和调度单元的硬件设计。不过我们担心由此开始，N家的显卡也将出现比较明显的软件优化依赖，驱动或游戏的优化不到位将会明显影响“Kepler”架构的发挥。

为了能耗比，频率不再分家

细心的读者可能已经从表1中看出GTX 680的规格中不再单独列出Shader频率，这是怎么回事?按照NVIDIA的说法，从G80时代开始采用的异步Shader频率设计是为了能在尽量少的芯片面积下实

现更高的吞吐量。但这是以牺牲功耗为代价的，这种设计需要2倍于同步频率的流水线硬件，和双倍的重定时功耗。每个硬件单元的耗电最高会达到4倍于同步频率的水平。现在，“Kepler”的设计改变了以往架构流处理数量明显不足的劣势，没有必要再沿用这种高功耗的设计。毕竟“Kepler”的目标不仅是提高性能还更注重能耗比。

解除绑定，让纹理质量向极致靠拢

在图形计算过程中，物体表面颜色细节需要纹理单元(Textuie)和Shader配合作业。在“Kepler”之前，GPU内每个Shader在一个周期内能访问的纹理单元数量是非常有限的。根据DirectX 11图形API的要求和映射表大小的限制，这个数量被限制在1：128。而“Kep!er”架构则消除了渲染场景时Shader可用独立纹理数量的限制。它允许着色器直接从内存中引用纹理，不再需要传统的映射表。依照NVIDIA的说法，着色器与纹理数的比例达到1：100万也未尝不可。届时我们就能在游戏中看到更多如照片或电影般的精细贴图场景。只是目前这个特性只能在OpenGL中提供，未来将可能通过NV API在DirectX中实现，或者等待新版本的DirectX加入对该特性的支持。

好了，有关“Kepler”技术的介绍到此告一段落。有关GTX 680更多的功能特性就留在实际体验环节来为大家解读，先让我们一起来看看在架构上大幅改进后的GTX 680能我们带来怎样的实际游戏性能。

GTX 680性能评测＆功能特性解读

为了尽量避免系统瓶颈对显卡性能的影响，我们在当前最强的桌面级平台上对GTX 680进行了性能测试(测试平台详情请见下表)和功能特性体验。性能上，主要考察了各款显卡在3DMark基准测试和实际游戏测试中的表现。其中，游戏体验以包括《战地3》、《尘埃3》在内的6款DirectX 11游戏为主，一辅以DirectX 10(《FarCry2>》和DiretX 9(《使命召唤：现代战争3》)游戏各一款来综合考量显卡。

GTX 680性能实测

问鼎1080p毫无压力

1920X 1080是当前大多数玩家使用的分辨率。在这个分辨率下，GTX 680能轻松压制住上代旗舰——GTX 580。基准测试中，它的领先幅度超过了我们之前预期的40％的心理底线。但是实际游戏中这个幅度又有所打折。特别是在面对开启抗锯齿的压力环境下，GTX 680相比GTX 580的领先优势会大幅下滑。这显然是受到了显存位宽和光栅单元减少的负面影响。总的来说，这次换代的性能提升幅度，勉强满足了用户的期望。

相比HD 7970，GTX 680领先还是毋庸置疑的。从表2中你能看到，GTX 680的游戏性能平均领先HD 7970约12％，看似和基准测试极为吻合。不过仔细查看数据你会发现，在《异形大战铁血战士》、《地铁20339以及《使命召唤：现代战争3》中，两卡的性能其实大致处于一个水平线上。而在另外几款游戏中，GTX 680的领先优势又明显超过了平均值。看来我们对“Kepler”软件依赖性的担心并非多余。相比“Fermi”(GTX 580)，“Kepler”(GTX 680)在不同游戏中的表现更加不稳定。不过，换个角度看，这也许是“Kepler”的一个优势。毕竟它能通过软件(如驱动)的后续优化，获得更大的性能提升。

面对自家的上代双芯旗舰GTX 590时，GTX680的情况和HD 7970面对HD 6990时一样。在部分游戏中GTX 680有匹敌、甚至超越GTX 590的表现。但大部分游戏中，GTX 680还是明显落后，单拳实难敌双手。

2560分辨率谁是真卡皇?

坦白说，对于GTX 680和HD 7970这样的顶级显卡，1080p分辨率已经不足以构成渲染压力。超过100的最低帧数让测试变成了纯数字的比拼，此时我们已经感觉不到游戏体验的变化。所以，MC评测工程师决定将游戏分辨率提升到2560X 1440的高度。在这个分辨了下开启全特效运行大型3D游戏，几乎能榨干显卡的计算性能。谁能顶住这个压力成为新一代卡皇，获得顶级玩家的青睐?

在这个分辨率下，所有参测显卡的测试成绩都较1080p时大幅下滑。GTX 680基准测试的GPU成绩下滑59.5％，下滑幅度比HD 7970的56.5％更严重。游戏实测的情况和基准测试比较吻合。GTX 680和HD7970的平均帧率都大幅下滑，GTX 680相比HD 7970的领先优势较1080p分辨率有所降低，但整体依然胜出约7个百分点。很显然，GTX 680再胜一局，新一代的卡皇非它莫属。但不得不说的是，在这种高分辨率下，即使是GTX 680也会在部分游戏中失去可玩度，平均帧数达不到30帧。从这个角度看，不论是A家还是N家，顶级单卡都不足以满足高端玩家的需求。顶级多卡并联才是高端用户的新追求。那GTX 680 SLI系统的并联效率如何呢?让我们这就来一窥究竟。

双卡并联，高分辨率的最佳舞台

所幸第一时间到达MC评测室的除了NVIDIA送测的公版GTX 680产品，还有iGame九段680。这让我们能第一时间体验新架构的双卡互联，看看“Kepler”的互联效率是否出色，以及GTX 680B~卡SLI的游戏兼容性是否良好。

九段680的做工和设计是个亮点，但这并不是我们本次测试关心的重点。本文侧重的是GeForceGTX 680的芯片测试，下期我们会挑选一些有代表性的GTX 680显卡进行测试。(欢迎大家登陆选出你心目中最出色的GeForceGTX 680显卡，我们将根据你的选择着重进行对应产品测试。)SLI的组建方式并没有因架构而改变。将两卡分别插在主板的PCI-E x16接口上连上SLI桥接器，在NVIDIA驱动控制中心将系统性能设置为最优化，系统就会自动将双卡设置为SLI并联渲染模式。

我们分别在1920×1080和2560×1440两个分辨率下考察了GTX 680双卡SLI系统的性能。在3D Mark基准测试中，SLI系统的效率表现一如既往的出色。不论是1920×1080还是2560X 1440的高分辨率，SLI系统的图形计算性能得分相比GTX 680单卡都几乎翻倍。不过根据我们以往的测试经验，显卡厂商的驱动针对基准测试软件的优化都相对较好，而这并不能代表实际游戏的效率。所以接下来的游戏测试才是重点。

游戏测试的情况相对复杂了不少。在基于DirectX 9的《使命召唤：现代战争3》测试中，SLI的效率并不理想，相对单卡的领先优势不到20％。1080p画质下开启4×MSAA后甚至有倒退情况。但SLI在DirectX 10／11游戏

中的表现较为出色，相对单

卡系统平均帧率提升非常明显。虽然整体不及基准测试的领先幅度大，但在将测试分辨率拔高到2560×1440高度的时候，SLI系统的效率就能很接近基准测试体现的情况，游戏平均帧率相对单卡系统几乎翻番。此外，MC评测工程师注意到，新架构下的SLI系统并未能完全解决并联计算的最低帧率倒退问题。在我们的测试中依然偶有SLI系统最低帧率不及单卡系统的情况发生。所以我们建议，只是希望在1080p分辨率下畅玩游戏的玩家，性能强劲的GTX 680单卡就已经能够满足你的需要。但已经沉迷或即将被高分辨率呈现的精美画质所征服的玩家，请义无反顾的组建SLI吧。能在2560×1440这种分辨率下畅玩《战地3》这样的画质党游戏，确实是一种享受。

通用计算&曲面细分，架构改变带来明显影响

在GTX 400／500时代，NVIDIA显卡在通用计算和曲面细分方面的出色表现大家有目共睹。这不仅帮NVIDIA赚足了玩家口碑，也让NVIDIA的产品在企业级市场风生水起。此次GTX 680经历了架构上的明显改变，原本纯正的MIMD设计思路被借鉴了SIMD结构的MIMD思路取代。在这个前提下，新架构产品能为我们带来怎眼的并行计算性能，大家都非常关注。

我们测试了GTX 680／580和HD 7970在通用计算软件GPCBenchmarkOCL和ComputeMark中的表现。GTX 680的成绩并不理想。GPCBenchmarkOCL中GTX 680小胜GTX 580，明显落后HD 7970。ComputeMark中GTX 680证明了自己的实力，领先GTX 580 69％，但依旧小幅落后于HD 7970。“Kepler”架构需要依靠软件优化来弥补并行计算效率的缺点，在这两款“老”软件中体现得比较明显了。

至于曲面细分的能力，我们体验了各款显卡在Unigine Heaven 2.5中的表现，曲面细分设置统一开启到Extreme级。你能看到在负载较轻的1080p分辨率中，未开启抗锯齿效果的状态下，GTX 680相对GTX 580和HD 7970的领先优势都非常明显。随着分辨率和抗锯齿要求的提升，这种领先幅度逐步下降。直到最苛刻的测试条件，GTX 680还是能力压GTX 580。可见Polymorph Engine 2.0引擎的性能提升幅度应该达到了NVIDIA宣称的2倍。不过此时GTX 680相对HD 7970的优势就微乎其微了。毕竟GTX 680的Polymorph Engine引擎已从GTX 580的16个大幅下降到8个。纵使效率再高，也难以完全消除规模上的劣势。能借如此小规模胜过HD 7970已经难能可贵。而且Unigine Heaven 2.5考验的也不仅仅是曲面细分性能，相对来说它的测试结果是比较综合地反映了显卡的性能水平。

人无我有，人有我精GTX 680功能特性体验

Boost与超频并不冲突

“GPU Boost”，相信玩家能第一时间从名字上大致猜出这个功能的作用。是的，它能在不超过热功耗限制的条件下根据核心的负载情况，动态提升显卡的核心频率。例如GTX 680核心频率为1006MHz，而它的Boost频率则为1059MHz。那是不是最高只能加速到1059MHz呢?这个功能对显卡超频是否有影响?以下三图则是我们体验结果的简单展示。

单卡3屏3D Vision Surround，想说爱你不容易!

单卡就能组建3屏3D Vision Surround是GTX 680的一大特色。在GTX 580时代，我们只能通过SLI来实现这个功能。之前我们在介绍产品时曾提到，GTX 680是NVIDIA第一款在公版显卡上提供标准Displayport接口的产品。其实这个Displayport接口就是为3+1屏3D Vision Surround而生。和AMD的产品一样，GTX 680单卡3屏Surround必须使用到Displayport接口(加两个DVI接口)。不一样的是，GTX 680能用剩下的HDMI接口输出第四个屏幕，只是这个屏幕不具备3D Vision能力。原本这个功能足够炫酷，但是带有Displayport接口的3D Vision显示器实在罕见。我们也未能在第一时间体验这个功能，只能在“2D”模式下尝试了3屏Surround。面对5760×1080的分辨率，单卡GTX 680的表现勉强及格。包括《Crysis2》在内的众多高要求游戏能比较顺畅的运行，只是平均帧数并不好看，只有30左右。

TXAA画面党福音

按照NVIDIA的说法TXAA是全新一代硬件渲染的抗锯齿技术，可以提供电影级别的画面品质，专为发挥GTX680强大的纹理性能而设计。目前TXAA分为TXAA1、TXAA2两个级别，TXAA1可以实现8xMSAA的效果，执行效率与2xMSAA相当，而TXAA2则会提供更高的画面品质，但资源消耗也仅4xMSAA的水平。

NVENC专用硬件　视频编码再加速

其实在“Kepler”之前，NVIDIA的显卡就能利用CUDA核心对视频编码进行加速。当时已经能提供比处理器快数倍的性能，不过后来被Intel在处理器上集成的专用视频编码引擎反超。事实上，CUDA核心并非视频编码的专用硬件，所以能耗比上的表现没有专用引擎出色。现在NVIDIA在“Kepler”上加入了专有的硬件编码单元——NVENC。它支持对H.264等高清视频的硬件实时编码，同功耗下的效率较CUDA编码又提高了4倍。

功耗温度简测：未食言!

在GTX 680前，NVIDIA CEO黄仁勋先生就说过，即将的“Kepler”架构是个高度重视能耗比的产品。根据惯性思维，我们很难相信“Kepler”能在性能领先对手的前提下，将能耗控制得更低。直到得知GTX 680核心只有294mm2后，我们才对这句话有了几分信心。实际情况如何，GTX 680到底多省电?我们用Furmark对它进行了拷机测试。待机状态，GTX 680平台的功耗比HD 7970低9w，优势并不明显。而满载状态，GTX 680则比HD7970低了35W。为了避免功耗控制对Furmark成绩的影响，我们还对显卡在运行《战地3》时的功耗进行了对比。此时，除了GTX 580(功率限制保护)，GTX 680和HD 7970的功耗都比Furmark拷机时要低，HD 7970比GTX 680高出20W。好了，游戏加拷机足以说明问题了。GTX 680的功耗控制能力确实如黄仁勋所言，非常出色。其能耗比表现明显超过了HD7970，改变了以往一直是AMD产品在能耗比方面占优的局势。而温度方面，不论是AMD还是NVIDIA，

公版产品的控制能力都不出色，建议玩家们入手后自行更换更优秀的散热系统。

3D游戏?超极本也没问题!

除了GeForce GTX 680之外，针对笔记本电脑的“Kepler”移动版本GeForce GT 640M也已经同时，我们自然也要对其进行测试。有些让人意外，强调轻薄便携和长效续航的超极本，竟然是首个采用“Kepler”架构移动显卡的产品。这实际上从更直接的角度说明，系统厂商对移动版本的“Kepler”在功耗控制方面的能力非常有信心，否则谁会想到在从来没有接触过独立显卡的超轻薄机型上，居然真的就有了玩3D游戏的希望。

采用GeForce GT 640M移动显卡的超极本是一款15英寸机型，机身厚度和重量分别是20mm和2kg左右。现在的超极本标准确实放得很宽了……为了更准确地为GeForce GT 640M的性能表现定位，我们选择了分别采用GeForce GT 630M和 GeForce GT 540M的两款笔记本电脑作为参照。相信各位已经从参测样机规格表看到了，作为对比的两款样机的处理器都是标准电压版本，比起GeForce GT 640M样机的超低电压版本处理器，在性能方面要强很多。是的，这不公平。不过在超极本上采用独立显卡的情况没有先例，没有其他采用超低电压版处理器和独立显卡的机型可供对比。而且如果在这样的配置下，GeForce GT 640M还能占到优势的话，那就更能证明“Kepler”的强大了。顺便说一句，虽然同为GeForce600M系列，但是GeForce GT 630M的核心架构依然是上一代的“Fermi”，基本上可以把它看成上一代GeForce 500M系列的马甲版。

虽然对“Kepler”的强劲性能已经有所了解，但是GeForce GT 640M的测试表现仍然让我们很吃惊。在处理器性能偏弱的条件下，GeForce GT 640M的3DMark测试和游戏测试成绩依然领先于GeForceGT 540M和GeForce GT 630M，而且领先幅度基本都在50％左右。也就是说，GeForce GT 640M的性能已经是另外一个档次的概念，而这样的提升幅度在以往的显卡更新换代中是很少出现的。这让我们对今年笔记本电脑的游戏性能很期待，在搭配性能更高的标准电压版本处理器之后，基于“Kepler”架构的移动版本显卡应该足以应付绝大多数大型3D游戏的性能需要。事实上，NVIDIA也表示今年会有8家品牌厂商推出专属游戏定位的笔记本电脑(去年只有5家)，希望笔记本电脑也拥有出色游戏性能的玩家有福了。

值得一提的是，在考察通用运算性能的CompuCeMark 2.1，以及针对曲面细分性能的天堂2.5测试中，GeForce GT 640M也体现出了高人一等的实力，曲面细分性能甚至超出了另外两款显卡接近1倍。

有些遗憾的是，采用GeForce GT 640M的测试样机出了一点状况，没办法测试电池续航时间。因此关于移动版“Kepler”显卡的功耗测试，特别是它对电池续航能力是否有影响以及有多大影响的问题，我们只能在今后的测试中去寻找答案。不过从超极本都能采用GeForce GT 640M显卡的情况来看，移动版“Kepler”显卡的功耗和发热量控制应该是比较到位的，否则谁也不愿意在自己的产品中放一个“烫手山芋”。

王锴

《微型计算机》评测工程师

从GTX 580到GTX 680，NVIDIA已经完成了“Fermi”架构向“Kepler”的转变。相比之前的架构换代，我们看不到如G80到GT200那样与核心面积成正比的爆炸式性能提升；也没有看到如GT200到GF100那样明显的通用计算优化痕迹和几乎翻番的性能增长。是的，也许你会说我们能直接感触到的，是相比GTX 580平均不到40％的提升和略强过HD 7970的综合性能。但请不要忽略个细节，GK104核心的面积仅294mm2。这对NVIDIA来说其实是一次成功的探索，借鉴小核心策略反击对手的阶段性胜利。比HD 7970更低的功耗；比HD 7970更小的核心面积；比HD 7970更好的性能。对GTX 680来说，这已经是一份很好的答卷。更重要的是，GTX 680的高能耗比表现符合预期。这就意味着NVIDIA下半年将要推出的，依旧基于“Kepler”架构的半代升级产品也会拥有出色的能耗比。届时配合上台积电逐渐成熟的28nm工艺，制造出一颗高效的大核心对NVIDIA来说绝非难事。在同样的工艺下，对手则难以制造颗能与之匹敌的产品。除非那是一颗大得夸张的核心，但这种可能性实在太小。所以在可以预见的未来，NVIDIA已经掌握了先机，“Kepler”的未来值得期待。

王阔

《微型计算机》评测工程师

移动版本的“Kepler”也给我们带来了很大的惊喜。哪怕是与超低电压版本处理器搭配，GeForce GT 640M也展现了足够强劲的游戏性能，可以在高画质条件下流畅运行大多数3D游戏。同时，从强调轻薄的超极本也敢于采用GeForce GT 640M独立显卡的情况推测，移动版本“Kepler”在功耗和发热量控制方面，也应该具备较高水准。

很明显，“Kepler”将为笔记本电脑带来前所未有的3D性能，笔记本电脑用户希望畅快体验各种大型3D游戏的愿望，已经有望实现。从另一个方面来看，“Kepler”也是超极本之类移动产品的一大福音。当超极本这样的产品也具备了出色的性能，除了价格，恐怕没有其他因素能阻挡消费者对它释放热情了。