真DX11架构 Tessellation技术深度解析

    与ATI的设计思路不同，NVIDIA在GF100上花费了大量的精力以及时间进行研发。为了加强Tessellation的性能表现，NVIDIA甚至将第一版的GF100设计产品推翻重来，为的就是设计出一款DX11性能强劲的产品，而并非在DX10产品上进行小改动就发布。

◆ GF100架构总览

    从NVIDIA的首款统一架构的G80开始，到今天的GF100产品，这已经是NVIDIA第三代统一架构产品。与第一代、第二代产品的小幅改进不同的是，第三代GF100统一架构产品为了迎合DX11的特性，在整体设计方面进行了较大幅度的调整，我们可以通过下面的架构图来看出：

在GF100核心当中，共包括4组GPC部分，每组GPC又包括四个Streaming Multiprocessors（流式多处理器阵列，简称SM阵列），而每个SM阵列当中又包含了32个Core（NVIDIA称之为CUDA Core，CUDA核心）。在每个GPC当中，NVIDIA都增加了一组全新的Rester Engine（光栅引擎）。而在每组SM当中，NVIDIA还增加了同样全新设计的PolyMorph Engine（多形体引擎，执行曲面细分的主要单元）。Rester引擎以及PolyMorph引擎实际上是NVIDIA对GF100核心架构做出的最大变化，这两个部分也是让Tessellation性能得到大幅提升的最主要原因。

◆ PolyMorph引擎

    PolyMorph Engine（多形体引擎）当中包括了五个主要部分，分别为：Vertex Fetch（顶点获取）、Tessellator、Viewport Transform（视口转换）、Attribute Setup（属性设定）以及Stream Output（流输出）。

    PolyMorph引擎执行步骤：

1. 从一个全局顶点缓冲区中获取顶点，随后发送至SM，以进行顶点着色以及外壳着色。将每个顶点从物体空间转变成了世界空间（本页第一幅图片最左边的形态），而且还算出了Tessellation所需的参数（例如Tessellation系数，简单理解就是：将一个三角形重新划分为多少个三角形）。Tessellation系数（或LOD）被发送至Tessellator。
2. PolyMorph引擎重新在SM当中读取Tessellation系数。Tessellator将修补面（控制点网格所定义的光滑表面）分成三角形并输出许多顶点。修补（u、v）值定义了网格以及形成网格的连接方式。全新的顶点再次发送至SM，域着色器（Domain Shader，简称DS）与几何着色器（Geometry Shader，简称GS）均在这里执行。DS能够根据外壳着色器（Hull Shader，简称HS）与Tessellator的输入来运算每个顶点的最终位置（本页第一幅图片中间的形态）。在本阶段中，通常会附上一个Displacement Mapping（贴图置换）以提升修补面的细节表现。几何着色器能够执行任何后期处理、按需增加或删除顶点以及基元。
3. PolyMorph引擎会执行视口转换以及视角校正。
4. 接下来就是属性设置，把后期观察口顶点属性转变成了平面方程，以进行高效的着色器评估。
5. 将顶点“流出”至存储器，使其能够用于更多处理。

    PolyMorph引擎的执行大致分为这五个阶段，并且每一个步骤完成之后，都会交由SM进行处理，处理完毕，结果将自动进PolyMorph引擎的入下一个流程处理，当五个步骤全部执行完毕，就会交给下面的Raster引擎。由于PolyMorph引擎的大幅增加，更好的避免了Core的空载现象，从而大幅提升显卡的执行效率。