NVIDIA GPU 架构详解：Pascal、Volta、Turing、Ampere、Ada、Hopper、Black ...

NVIDIA GPU 架构详解：Pascal、Volta、Turing、Ampere、Ada、Hopper、Blackwell

• NVIDIA 的 GPU 架构持续演进，每一代都在计算能力、能效比和专用硬件加快方面取得突破。以下是主流架构的焦点特性对比与应用场景分析。
  

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1. Pascal（帕斯卡）架构（2016）

关键技术

• 16nm FinFET工艺：首次接纳16nm工艺，明显提拔能效比。
  
• GDDR5X/GDDR5显存：支持高带宽显存，提拔数据传输速度。
  
• 同步多重投影（SMP）：优化VR渲染性能，淘汰重复计算。
  
• NVLink：支持多GPU高速互联，提拔并行计算能力。
  

性能特性

• 高性能计算和图形渲染能力。
  
• 能效比明显提拔，得当游戏和专业图形工作。
  
• 支持DirectX 12和Vulkan API。
  

代表产品

• GeForce GTX 10系列：GTX 1080 Ti、GTX 1070、GTX 1060。
  
• Titan Xp：高端消费级显卡。
  
• Quadro P系列：如Quadro P6000，用于专业图形工作站。
  

应用场景

• 游戏、VR内容创作、专业图形计划、科学计算。
  

2. Volta（伏特）架构（2017）

关键技术

• 12nm FinFET工艺：进一步提拔能效比。
  
• Tensor Core：首次引入专为深度学习计划的Tensor Core，支持混合精度计算。
  
• HBM2显存：部分型号接纳高带宽显存，提拔数据吞吐量。
  
• CUDA Core改进：支持更高效的并行计算。
  

性能特性

• 强大的AI计算能力，得当深度学习训练和推理。
  
• 高性能计算（HPC）和科学模拟。
  
• 支持NVLink 2.0，多GPU互联带宽更高。
  

代表产品

• Titan V：消费级高端显卡。
  
• Tesla V100：面向数据中心的AI和HPC计算卡。
  
• Quadro GV100：专业图形工作站显卡。
  

应用场景

• 深度学习、AI训练、高性能计算、科学模拟。
  

3.Turing（图灵）架构（2018）

关键技术

• 12nm FinFET工艺：继承优化能效比。
  
• RT Core：首次引入实时光线追踪焦点，支持实时光追渲染。
  
• Tensor Core：继承Volta架构，第二代 Tensor Core（支持 FP16/INT8），支持加快深度学习推理。
  
• GDDR6显存：带宽提拔至 14 Gbps（RTX 2080 Ti 显存带宽 616 GB/s）。
  
• DLSS 1.0：基于 AI 的超采样技术，提拔游戏帧率。
  

性能特性

• 实时光线追踪和AI驱动的图形渲染，光线追踪性能10 Giga Rays/sec。
  
• 支持DLSS（深度学习超采样），提拔游戏性能。
  
• 强大的图形和计算性能，FP32 计算能力（RTX 2080 Ti 达 13.4 TFLOPS）。
  
• AI 推理：T4 的 INT8 算力 130 TOPS。
  

代表产品

• GeForce RTX 20系列：RTX 2080 Ti、RTX 2070、RTX 2060。
  
• Titan RTX：高端消费级显卡。
  
• Quadro RTX系列：如Quadro RTX 8000，Tesla T4 用于专业图形工作站。
  

应用场景

• 游戏、实时光追渲染、AI加快、专业图形计划。
  
• 游戏：实时光追游戏（如《赛博朋克 2077》）
  
• 边缘计算：T4 用于视频分析、推荐系统
  
• 专业图形：影视渲染与 3D 计划
  

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4. Ampere（安培）架构（2020）

关键技术

• 8nm工艺：接纳更先辈的8nm工艺，性能和能效大幅提拔。
  
• 第二代RT Core：光线追踪性能提拔2倍。
  
• 第三代Tensor Core：支持更多AI计算使命，性能更强，支持 TF32、FP64、希罕计算（Sparsity）。
  
• GDDR6X显存：显存带宽进一步提拔，带宽达 19 Gbps（RTX 3090 显存带宽 936 GB/s）。
  
• 多实例 GPU（MIG）：A100 可分割为 7 个独立实例。
  

性能特性

• FP32 计算能力：RTX 3090 达 35.6 TFLOPS，A100 达 19.5 TFLOPS（FP64 9.7 TFLOPS）
  
• 光线追踪性能：RTX 3090 达 28 Giga Rays/sec
  
• AI 训练：A100 的 FP16 算力 312 TFLOPS
  

代表产品

• GeForce RTX 30系列：消费级显卡（RTX 3090、RTX 3080、RTX 3070）。
  
• A100 Tensor Core GPU：面向数据中心的AI和HPC计算卡。
  
• Quadro RTX A系列：如Quadro RTX A6000，用于专业图形工作站。
  

应用场景

• 大规模 AI 训练（BERT/GPT-3）
  
• 科学计算：气候模拟、分子动力学
  
• 云游戏与捏造化（MIG 技术支持多租户）
  

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5. Ada Lovelace（阿达·洛芙莱斯）架构（2022）

关键技术

• 4nm工艺：接纳更先辈的4nm工艺，性能和能效进一步提拔。
  
• 第三代RT Core：新增 Opacity Micromap Engine，光追效率提拔 2 倍。
  
• 第四代Tensor Core：支持更复杂的AI计算使命，支持 FP8 精度，AI 推理效率提拔 4 倍。。
  
• DLSS 3：引入AI驱动的帧生成技术，大幅提拔游戏性能。
  
• TSMC 4N 制程：晶体管密度提拔 2 倍，能效比优化。
  

性能特性

• FP32 计算能力：RTX 4090 达 82.6 TFLOPS
  
• 光线追踪性能：191 Giga Rays/sec
  
• AI 推理：FP8 算力 1.32 PetaOPS
  

代表产品

• GeForce RTX 40系列：RTX 4090、RTX 4080、RTX 4070 Ti。
  
• RTX 6000 Ada Generation：专业图形工作站显卡。
  

应用场景

• 8K 游戏与 VR
  
• 实时 3D 内容创作（Unreal Engine 5）
  
• 生成式 AI（Stable Diffusion 等）
  

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6. Hopper（赫柏）架构（2022）

关键技术

• 4nm工艺：专为数据中心计划，性能和能效进一步提拔。
  
• Transformer Engine：专为AI训练和推理优化，支持大规模模型训练，动态切换 FP8/FP16，专为 LLM（大语言模型）优化。
  
• HBM3显存：支持高带宽显存，提拔数据吞吐量，带宽达 3 TB/s（H100 SXM5）。
  
• 第四代 NVLink（NVLink 4.0）：支持多GPU高速互联，互联带宽 900 GB/s（是 A100 的 1.5 倍）。
  
• DPX 指令集：加快动态规划算法（如基因组学、呆板人路径规划）。
  

性能特性

• FP8 计算能力：H100 达 4 PetaOPS
  
• FP64 计算能力：34 TFLOPS（科学计算场景）
  
• AI 训练速度：比 A100 快 6 倍（GPT-3 训练）
  

代表产品

• H100 Tensor Core GPU：面向数据中心的AI和HPC计算卡。
  

应用场景

• 超大规模 AI 模型训练（如 GPT-4）
  
• 量子模拟与核能研究
  
• 实时大数据分析（金融风控、自动驾驶）
  

7. Blackwell（布莱克韦尔）架构（2024）

关键技术

• 3nm工艺：接纳更先辈的3nm工艺，性能和能效进一步提拔。
  
• 第四代RT Core：光线追踪性能进一步提拔。
  
• 第五代Tensor Core：支持更复杂的AI计算使命。
  
• GDDR7显存：显存带宽进一步提拔。
  

性能特性

• 实时光追和AI计算性能到达新高度。
  
• 高能效比，得当高性能计算和图形渲染。
  
• 支持下一代AI和图形技术。
  

代表产品

• GeForce RTX 50系列：预计将推出基于Blackwell架构的消费级显卡。
  
• B100 Tensor Core GPU：面向数据中心的AI和HPC计算卡。
  

应用场景

• 游戏、AI加快、实时光追渲染、专业图形计划。
  

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GPU架构对比分析

架构名称关键技术性能特性代表产品应用场景PascalCUDA 焦点优化、GDDR5X/HBM2 显存、NVLink性能与能效提拔、支持 VRGeForce GTX 10 系列、Quadro P 系列、Tesla P 系列游戏、VR 开发、初级 AIVoltaTensor Core、HBM2 显存、NVLink 2.0AI 加快、FP16/INT8 运算优化Titan V、Tesla V100深度学习、HPCTuringRT Core、第二代 Tensor Core、DLSS实时光线追踪、混合渲染GeForce RTX 20 系列、Quadro RTX 系列、Tesla T4游戏、视觉效果制作、AI 推理Ampere第三代 Tensor Core、第二代 RT Core、MIG、PCIe Gen 4高效 AI 和光线追踪性能、希罕矩阵运算GeForce RTX 30 系列、NVIDIA A 系列、A100游戏、AI 训练和推理、数据中心Ada第四代 Tensor Core、第三代 RT Core、DLSS 3极致光线追踪、高效 AI 加快GeForce RTX 40 系列、L40高端游戏、内容创作、AI 推理HopperTransformer Engine、第四代 NVLink、HBM3 显存针对大模型优化、更高互联带宽H100大规模 AI、科学计算Blackwell第五代 Tensor Core、第四代 RT Core、新一代显存更强 AI 和光线追踪性能、更高能效比GeForce RTX 50 系列（预计）、B 系列（预计）、下一代数据中心 GPU（预计）下一代游戏、高级 AI、数据中心

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选型建议

• 游戏玩家：
  
  
  
  • 预算有限：选择 Pascal（GTX 10系列）或 Turing（RTX 20系列）。
    
  • 高性能需求：选择 Ampere（RTX 30系列）或 Ada（RTX 40系列）。
    
  
  
• AI开发者：
  
  
  
  • 入门级：选择 Turing（RTX 20系列）。
    
  • 高性能需求：选择 Ampere（A100）或 Hopper（H100）。
    
  
  
• 专业图形计划师和工程师：
  
  
  
  • 预算有限：对于 3D 建模、渲染、视频编辑等专业图形工作，选择 Quadro P系列专业显卡较为合适。
    
  • 高性能需求：选择 Ampere（Quadro RTX A系列）或 Ada（RTX 6000 Ada）。
    
  
  
• 数据中心和 AI 研究机构：
  
  
  
  • 高性能计算：举行大规模 AI 训练和推理、数据分析、高性能计算等使命时，Ampere 架构的 A100、Hopper 架构的 H100 和 H200
    
  • 未来需求：选择 Blackwell（B100）。
    
  
  
• 普通用户和轻度应用者：日常办公、轻度游戏和一般图形处理，GeForce GTX 10 系列（Pascal 架构）或更入门级的显卡即可满足需求。
  

NVIDIA GPU脑图

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