nVIDIA SLI技术解析.docx

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nVIDIASLI技术解析

nVIDIASLI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GeForce7950GX2显卡。

　　如图所示，我们可以看到，nVIDIA的SLI互连不再是和Voodoo2一样借助线缆，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PCIExpress×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nVIDIAGeForce6600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Voodoo2SLI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，8块GPU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PCIExpress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PCIExpress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PCIExpress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“ScalableLinkInterface”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。

nVIDIASLI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Voodoo5系列都是如此，ATi的MAXX显卡和XGI的VolariDuo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：

5或3：

2等非均等的模式。

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，nVIDIASLI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Voodoo2SLI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ATiCrossfire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。

SLI的发展前景是光明的，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，在nVIDIA刚推出这种双卡并联技术时，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Geforce6800等高端显卡，另外支持SLI亦要使用唯一的nForce4SLI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nVIDIAGPU，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?

　　nVIDIASLI在许多方面都与其大不相同。

第一，3dfxSLI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PCIExpress则是一种点到点接口，可提供约60倍于PCI总线的总带宽。

第二，3dfxSLI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，3dfxVoodoo技术仅执行三角形设置，需要由CPU完成几何运算，因此3dfxSLI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。

nVIDIASLI技术则是基于PCIExpress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PCIExpress架构而设计的。

这种新的总线拥有更高带宽（为AGP8X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AGP8X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PCIExpress总线的带宽。

SLI桥接器适用于GeForce6600GT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（GeForce6600GT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WindowsXP/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，即SLI反锯齿。

此渲染模式可使客户激活SLI8x或SLI16x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GeForce8600GT256MB，那么新买的显卡最好也是GeForce8600GT256MB。

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CES2006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-waySLI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RageFuryMAXX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RageFURYMAXX也是有关类似的方案的。

资深一些的DIYer一定对当年ATi的RageFuryMAXX记忆犹新，这款显卡在一块PCB板上采用两块Rage128pro芯片协同工作。

虽然它是一种单显卡形态，但与Voodoo2SLI、metebytePGC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，RageFURYMAXX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Rage128Pro芯片渲染第一幅画面，另一颗Rage128Pro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，RageFURYMAXX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，RageFuryMAXX被ATi寄以厚望用以与GeForce256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。

RageFuryMAXX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RageFuryMAXX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，RageFuryMaxx在双核心市场中也只是昙花一现而已。

simFUSION6000工作站显卡，采用双PCB，每个PCB上集成2个Radeon9800芯片。

　　2003年，正是ATi的Radeon9800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simFUSION6000工作站显卡，集成了多达四颗Radeon9800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Radeon9800XT芯片的类似产品。

在同一年，Sapphire（蓝宝）也展示过一片采用Radeon9800Pro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RadeonX800或者X850显卡上，对应的RadeonXpress200CrossFire主板拥有2个PCIExpressX16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RadeonX1900CrossFire。

　　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。