PCIE X1都够用?显卡到底需要多少带宽

    泡泡网显卡频道9月5日 电影《功夫》里的终极BOSS火云邪神说过一句话：“天下武功，无坚不破，唯快不破”，功夫再高也怕被人瞬间秒杀。这说明无论是防守还是进攻，速度都是决定性因素，对速度有着极度需求的还有电脑上的系统总线。系统总线是是用来连接处理器与其他部件的一束信号线， 通过系统总线架起了处理器与其他部件之间进行信息传递的通道。

    它的历史悠久，三十年前个人电脑刚刚问世的时候就开始存在，但是相比PC部件中的CPU、显卡1-2年就要换一代的发展速度，系统总线的发展可谓龟速，自从IBM于1982主导制定了ISA标准以来，目前只有ISA、92年发布的PCI和2001年发布的PCI Express三种标准规范，基本上每隔10年才更换一次架构，目前的主流是PCI-E 2.0。

    PCI-E总线在显卡上应用的如此成功，以至于一提到PCI-E，很多人第一个想到的就是显卡，实际上PCI-E更多地是作为系统总线存在的，不仅是显卡的数据要通过它，就连我们使用最多的USB、SATA等其他接口的数据最终都是通过PCI-E总线才能与CPU链接。

    正因为此，主板上PCI-E通道数量的多少往往成为衡量主板性能等级的重要指标之一，别看有些主板提供了三条或者四条显卡插槽，但是由于芯片组或CPU提供的PCI-E通道不足，实际使用中会有很大局限。

    目前PCI-E的主流标准是2.0，下一代PCI-E 3.0标准也公布了很久了，只是相关的硬件还没有完全到位，只有CPU、主板和显卡同时支持之后我们才能享受到PCI-E 3.0带来的快感。

    单位换算：“位（bit）”和“字节(byte)”的关系大家都知道了，理论上1byte=8bit，1GB=8Gb，1GBps=8Gbps，还有一个单位是Transfer/s（缩写T/s），这是一个速率单位，在AMD的HT和Intel的QPI介绍中很常见，1T/s与1bps/s可以看作是等价的，即1B=8b=8T/s。

● 需要注意的是，在一些新的技术标准中，为了防止数据在高速传输中出错而加入了校验码，比如PCI-E 2.0、USB 3.0和SATA 3.0中采用的是8/10编码，每10位编码中只有8位是真实数据，这时单位换算就不再是1:8而是1:10了，USB 3.0的5Gbps速度实际上是理论500MB/s而非理论625MB/s，SATA 6Gbps的理论速度则是600MB/s而非750MB/s。

● 带宽计算：PCI-E的带宽计算与显存带宽（B/s）=运行频率（MHz）*数据倍率*显存位宽（bit）?相类似，只是前者公式略微复杂一些，串行PCI-E带宽（B/s）=PCIE时钟频率*每周期数据位（bit）*总线通道数*编码方式?，以最常见的PCI-E 2.0 x16插槽为例，其时钟频率为5GHz（通过基准频率和PLL锁相环得到），每周期可传输2bit数据，16条通道，8/10编码，其传输总带宽=5000*2*16*8?0?=16GB/s。

    首先，向大家简单讲解一下PCI-E接口的针脚定义。从显卡金手指部分的走线上可以非常清楚的分辨出单个通道的线路。如下图所示，显卡正面，每个红色箭头指向一个PCI-E通道。黑色圆圈内为显示核心的PCI-E第十三根通道连接显卡第十三根PCI-E通道金手指的PCB走线，正面每通道只有两根走线是数据所用，与GPU连接，其余为地线。相同的，每根PCI-E通道都可以通过此方法来分辨出来。

    我们通过用胶带覆盖显卡PCI-E接口金手指的方法来屏蔽，由于PCI-E每个通道彼此互相独立，并且支持通道数量向下兼容（如果x16设备插在x1槽上，则自动降为x1）。

    其中数据分通道传输模式即PCI-E总线的x1、x2、x4、x8、x12、x16和x32多通道连接，x1单向传输带宽即可达到250MB/s，双向传输带宽更能够达到500MB/s。目前我们所用的PCI-E显卡就是基于分通道传输模式的x16通道连接。

● 注意：PCI-E通道只支持 x1、x4、x8、x16、x32模式，如果屏蔽了16根中的1根是无法达到PCI-E x15模式的，系统会将之降级为PCI-E x8模式。因此，想玩非主流的同学会有所失望。

    为了充分体验出PCI-E接口不同通道数的性能差距，我们选用了当前最高端但核心显卡某品牌GTX580来做测试用卡，平台配置如下图所示。

    关于为什么用GTX580会比较准确的问题的解释。GTX580有512个CUDA核心，拥有相当强大的计算性能，因此对带宽的要求会很高。

    测试项目介绍：3D Mark Vantage、3D Mark 11、ComputeMark 2.1、IghashGPU、Cyber LinkMediaShow 6.5、《街霸4》、《鹰击长空》、《尘埃2》、《地铁2033》。其中3D Mark Vantage和3D Mark 11是测试各模式下显卡的理论3D性能，ComputeMark 2.1测试显卡的DirectCompute通用计算性能，IghashGPU测试显卡CUDA的暴力破解密码能力，CyberLink MediaShow 6.5测试CUDA视频转码性能，游戏则是用来测试实际3D性能用的，为了测试出最真实的性能成绩，所有游戏分辨率为1920x1200，特效均开到最高并且开启4xAA和16xAF。

● DX10理论性能测试：3DMark Vantage

    3DMark Vantage已于2008年4月28日发布，是业界第一套专门基于微软DX10 API打造的综合性基准测试工具，并能全面发挥多路显卡、多核心处理器的优势，能在当前和未来一段时间内满足PC系统游戏性能测试需求。和3DMark05的DX9专用性质类似，3DMark Vantage是专门为DX10显卡量身打造的，而且只能运行在Windows Vista SP1操作系统下。它包括两个图形测试项目、两个处理器测试项目、六个特性测试项目。

● DX11理论性能测试：3DMark 11

    PC游戏随去年Windows 7的发布进入DirectX 11时代，然而众多“参赛选手”DX11显卡早已磨拳擦掌准备上阵厮杀，我们却迟迟没有一个权威性的基准测试软件，来衡量游戏显卡DX11性能的高低。终于，DX11时代的3DMark在今天来到了我们面前。

    我们通过图表可以更为清晰的得到PCI-E接口在各个模式下的总体性能。对于3D Mark Vantage来说，x1模式下，PCI-E接口成了系统性能的最大瓶颈，相比x4模式低了约3000分，当PCI-E通道数达到了x4，性能就比较稳定了，与x8、x16差距不是很明显，这主要是由于3D Mark对GPU的要求是第一位的，对于PCI-E通道带宽需求并不明显。相同的，3D Mark 11也是如此。

● 超级街霸4：

    《超级街头霸王4：Super Street Fighter IV》是继《街头霸王IV》后CAPCOM推出的“街霸”最新作，如名所示，本作在《街头霸王IV》的系统基础上追加众多新要素，T.Hawk等过去作品的登场角色将在本作中出现，除此之外还加入如“茱莉(ジュリ)”等新角色。

    实际游戏测试中对于GPU要求不高的《街头霸王4》显现出了PCI-E高带宽下的优势，从PCI-E x1到PCI-E x16模式，性能提升了接近一倍。每提升PCI-E接口的一个档次，性能也随之提升一个档次，直到PCI-E x8提升为PCI-E x16性能提升率才略有下降。

● 鹰击长空：

    《HAWX》的故事背景设定在2012年，私人企业武装力量日趋强大，世界正处在分崩离析陷入大战的边缘。玩家可以驾驶超过50种战机在高空中打击敌方力量。除了单人游戏外，游戏还将支持4人协同的编队模式，以及最高16人的对战模式。

    在对GPU性能需求略有提升的《鹰击长空》中，PCI-E x1与其他模式差距依然很大。直到提升到x8模式，性能得到显著的提升，当提升到x16模式的时候，性能与x8模式的差距基本上不是很明显。

● 尘埃2：

    良好的赛车稳定性、制动性和简单的赛道设计大大降低游戏难度，即使是赛车菜鸟也可以容易上手；比赛结束后的重播功能让玩家可以自由选择视角和控制播放进度，加上出色的画面、良好的驾驶手感、杰出的单人游戏设定、在各种跑道上的不同操控感觉，极具临场感的《科林麦克雷：尘埃2》绝对适合所有喜爱赛车游戏的玩家。

    在《尘埃2》测试中，PCI-E x1模式依然与其他模式有很大差距，x4、x8、x16各模式下性能差距也很明显。

● 地铁2033：

    《地铁2033》题材基于俄罗斯最畅销小说Dmitry Glukhovsky。由乌克兰4A游戏工作室开发，采用4A游戏引擎，而且PC版支持nvidia的PhysX物理特效。 2013年，由于大面积的核泄漏，导致几乎所有的人类都被消灭，而且地面已经被污染无法生存，极少数幸存者存活在莫斯科的深度地下避难所里（俄罗斯的地铁站在建造之初就有防空防炸防核防辐射的设计）人类文明进入了新的黑暗时代。直至2033年，整整一代人出生并在地下成长，他们长期被困在“地铁站”的城市。

    《地铁2033》是目前对GPU性能要求最高的游戏之一，PCI-E x1模式依然是性能瓶颈，当提升到x4模式的时候性能与提升到x8、x16的差距微乎其微，都是很卡。

● GPU加密解密测试：

    GPU破解RAR密码，这是一个相当有趣的小工具，能够让你用 GPU 暴力破解密码。

    GPU CUDA解密貌似对PCI-E带宽非常非常非常不敏感，不管是x1、x4、x8还是、x16模式，解密的速度都是一样的。

● DirectCompute理论测试：

    微软在DX11中引入了通用计算接口标准DirectCompute，并在渲染架构中新增了Compute Shader，都是为了发挥GPU的并行计算优势，将其应用范围从单纯的图形渲染拓展到更多计算领域，因此通用计算性能的高低将在今后成为衡量显卡整体性能的一部分。

    ComputeMark由捷克硬件和游戏网站CzechGamer.com的Robert Varga开发完成，技术上基于Jan Vlietinck的Fluid3D Demo，号称是“第一个百分之百的DX11 Compute Shader基准测试工具”，一般情况下能够调动99％的GPU资源，CPU占用率只有0-1％，因此在考察GPU通用计算性能的同时，也能考验显卡的稳定性，对超频亦有所帮助，另外测试的时候还可以自行选择运行时间(单位秒)。

    ComputeMark要求纯粹的DX11环境才能运行，包括Windows 7 32/64位操作系统、DX11 API和DX11显卡。

    DirectCompute通用计算ComputeMark测试得出的成绩显示出GPU对于PCI-E带宽非常不敏感，PCI-E x1就足够发挥出全部性能了。

● GPU视频转码测试：

    MediaShow Espresso是第一款同时支持CUDA与Stream加速的视频转换软件，除此之外它还对Intel?Core i7处理器的超线程及SSE4指令集做了优化，因此无论纯CPU转码还是GPU加速，其速度比传统软件都要快。

    在视频转码测试中，PCI-E x1的带宽明显不足，与其他模式下的成绩有很大差距，当通道数x4模式以上时，性能的提升已经不是很明显，每提升一个模式，可以获得2s的性能提升。

● 全文总结：

    就目前的GPU性能来看，PCI-E x16 2.0的带宽对于单芯单卡已经足够用，目前的瓶颈是GPU的性能。

    对于游戏来说，GPU可能需要更高的接口带宽，游戏的FPS越高，GPU就需要频繁的与CPU互换数据，此时就需要很高的带宽支持。而如果FPS很低的话，对于接口带宽要求就很低了。

    由于时间的限制编辑并没有做双卡及多卡的测试，相信多卡模式下对PCI-E带宽的要求会非常高。单卡下GTX580都如此，甚至编辑觉得一些低端显卡完全都用不上x16的高带宽。眼看着PCI-E 3.0即将来到我们的身边，将为我们带来32GB/s的传输速率，当然这是为下一代高端显卡准备的。

    不过对于通用计算来说，显然CPU与GPU之间的数据交换远不如游戏中那么频繁，对于接口带宽的要求很低，很多时候PCI-E X1都够用了。■

    扩展阅读《带宽不是问题！物理子卡实际应用测试》<