Архитектура Nvidia Kepler ( 13 фото )
ВВЕДЕНИЕ
Сообщения о разработке новой архитектуры GPU, которую NVIDIA предполагает использовать при производстве своих продуктов под маркой игровых видеокарт GeForce будущего поколения, а также продуктов профессионального класса, начали появляться примерно с сентября 2010. Тогда на очередной технологической конференции NVIDIA глава компании Джен-Сан Хуанг (Jen-Hsun Huang) представил миру слайд, на котором демонстрировались планы по развитию архитектур калифорнийской компании до 2014 года.
Предполагалось, что новые чипы, выпускаемые по 28-нм техпроцессу, появятся в 2011 году и смогут предложить значительно более высокую производительность на Ватт, чем существовавшие на тот момент решения. Однако шло время, а анонс новинок на базе новой многообещающей архитектуры Kepler откладывался компанией из Санта-Клары на всё более поздние сроки.
Виной всему — как обычно при освоении новых технологических норм — невысокий выход годных кристаллов, выпускаемых с применением 28-нм техпроцесса, без которых сложно представить значительные архитектурные улучшения и, как следствие, увеличение производительности на ватт. Страдала от этого и главный конкурент NVIDIA, компания AMD, которой необходимо было реабилитироваться после не слишком удачного дебюта настольных процессоров FX. Однако в отличие от NVIDIA, конкуренту из Саннивейла удалось-таки записать себя в историю как компанию, выпустившую первый графический продукт с использованием 28-нм техпроцесса.
КОНКУРЕНЦИЯ С AMD
Эскиз AMD Radeon HD 7970
Но что самое неприятное для NVIDIA: новый флагман конкурента, получивший кодовое имя Tahiti, одновременно стал и самой мощной игровой видеокартой с одним GPU в мире. Уже из характеристик становится ясно, что подсистема памяти HD 7970 по объёму превосходит стандартную 1,5-Гб у GTX 580 в 2 раза. Это имеет немаловажное значение при одновременной работе с несколькими дисплеями, а таковых, по данным AMD, её топовые решения поддерживают до 6 шт.
Производительность решений красного лагеря на основе новой архитектуры GCN (Graphics Core Next), представленных видеокартами 7000-й серии Southern Islands, оказалась весьма впечатляющей. Для конкуренции с HD 7970 и младшей HD 7950, NVIDIA была вынуждена снизить рекомендованные цены на GTX 580 до $380 (для рынка США, разумеется).
Производительность новой архитектуры
NVIDIA GeForce GTX 580
ЧТО МОЖЕТ ПРЕДЛОЖИТЬ NVIDIA РЫНКУ
Конечно, игровые видеокарты не являются единственным продуктом и показателем достижений компаний, специализирующихся на графике. Однако не стоит забывать, что все графические продукты, предназначенные для профессионального и промышленного использования, такие как NVIDIA NVS, Tesla и Quadro, производятся с использование тех же чипов, что и геймерские решения. Более того, в основе небезызвестного чипа Tegra, широко применяемого в смартфонах и планшетных компьютерах, используются технологии дискретной графики NVIDIA прошлых поколений.
Выше представлена дорожная карта развития драйверов для продуктов компании NVIDIA. Из иллюстрации можно судить, когда компания планирует выпуск тех или иных потребительских решений на базе новой архитектуры, представленной наконец-то готовыми решениями в марте этого года.
ПОЧЕМУ «KEPLER»?
NVIDIA приняла на вооружение стратегию давать имена великих учёных и изобретателей своим технологиям и продуктам. Например, профессиональные параллельные графические процессоры, способные заменить кластер при выполнении высокообъёмных вычислений, носят имя гениальнейшего учёного XX века Николы Теслы. Думаю, все знают о происхождении названия архитектуры NVIDIA Fermi. Само по себе для публичной компании, статус которой носит NVIDIA, это большая как маркетинговая, так и идеологическая ответственность.
Кристалл Kepler
Иоганн Кеплер
К слову сказать, и будущая архитектура, которую разрабатывает NVIDIA и которая, судя по графику, представленному NVIDIA Corporation, перенесена на неопределённое будущее, также будет носить имя учёного — британского физика и математика Джеймса Клерка Максвелла.
УСТРОЙСТВО КРИСТАЛЛА NVIDIA KEPLER GK104
Пока не выпущен чип NVIDIA Kepler GK107 в настольном сегменте рынка, который должен стать более доступным и, соответственно, упрощённым вариантом GK104, мы можем с уверенностью говорить только о последнем, представленном игровой видеокартой NVIDIA GTX 680.
По утверждениям NVIDIA, архитектура Kepler и решение GTX 680 — самые энергоэффективные и производительные из того, что компания когда-либо выпускала, что, впрочем, неудивительно.
Размер кристалла составляет 294 мм2. Для сравнения: у флагманского чипа архитектуры Fermi GF110 – 520 мм2, а у AMD Radeon HD 7970– 365 мм2, что примерно на 24% больше. При этом кристалл умещает 3,54 млрд 3,5 В транзисторов, произведённых по 28-нм техпроцессу компанией TSMC, тогда как количество таковых у Radeon насчитывает целых 4,31 млрд.
Чип Kepler GK104 снабжён интерфейсом PCI Express 3.0, который теоретически предоставляет вдвое большую пропускную способность по сравнению со второй версией. Он также несёт на себе: блок управления потоками (GigaThread Engine), кэш второго уровня, а также 8 потоковых мультипроцессоров SMX, которые парами объединены в блоки GPC (Graphics Processing Clusters). Каждый GPC включает по блоку растеризации. В общем же на каждый GPC приходится по 8 растровых конвейеров (ROP) и по одному контроллеру памяти.
Сравнение GPU NVIDIA: GT200 (Tesla), GF110 (Fermi) и GK104 (Kepler)
Интерфейс памяти по непонятным, скорее маркетинговым, причинам снижен с 384 бит до 256. Но при этом частоту удалось поднять почти в полтора раза, до 6 ГГц, и компенсировать этим пропускную способность по сравнению с GF110. Частота ядра повышена на 30%, а максимальный уровень энергопотребления снижен до 195 Вт, т. е. на 20%. Теоретическая пиковая производительность при операциях с плавающей запятой возросла почти в 2 раза — до 3090 Гфлопс (об этом мы ещё скажем несколько слов ниже). Но, пожалуй, самое значительное улучшение в новом чипе — это увеличение количество ядер CUDA в 3 раза! NVIDIA часто подвергалась критике за большое отставание от AMD по этому показателю.
Сообщения о разработке новой архитектуры GPU, которую NVIDIA предполагает использовать при производстве своих продуктов под маркой игровых видеокарт GeForce будущего поколения, а также продуктов профессионального класса, начали появляться примерно с сентября 2010. Тогда на очередной технологической конференции NVIDIA глава компании Джен-Сан Хуанг (Jen-Hsun Huang) представил миру слайд, на котором демонстрировались планы по развитию архитектур калифорнийской компании до 2014 года.
Предполагалось, что новые чипы, выпускаемые по 28-нм техпроцессу, появятся в 2011 году и смогут предложить значительно более высокую производительность на Ватт, чем существовавшие на тот момент решения. Однако шло время, а анонс новинок на базе новой многообещающей архитектуры Kepler откладывался компанией из Санта-Клары на всё более поздние сроки.
Виной всему — как обычно при освоении новых технологических норм — невысокий выход годных кристаллов, выпускаемых с применением 28-нм техпроцесса, без которых сложно представить значительные архитектурные улучшения и, как следствие, увеличение производительности на ватт. Страдала от этого и главный конкурент NVIDIA, компания AMD, которой необходимо было реабилитироваться после не слишком удачного дебюта настольных процессоров FX. Однако в отличие от NVIDIA, конкуренту из Саннивейла удалось-таки записать себя в историю как компанию, выпустившую первый графический продукт с использованием 28-нм техпроцесса.
КОНКУРЕНЦИЯ С AMD
Эскиз AMD Radeon HD 7970
Но что самое неприятное для NVIDIA: новый флагман конкурента, получивший кодовое имя Tahiti, одновременно стал и самой мощной игровой видеокартой с одним GPU в мире. Уже из характеристик становится ясно, что подсистема памяти HD 7970 по объёму превосходит стандартную 1,5-Гб у GTX 580 в 2 раза. Это имеет немаловажное значение при одновременной работе с несколькими дисплеями, а таковых, по данным AMD, её топовые решения поддерживают до 6 шт.
Производительность решений красного лагеря на основе новой архитектуры GCN (Graphics Core Next), представленных видеокартами 7000-й серии Southern Islands, оказалась весьма впечатляющей. Для конкуренции с HD 7970 и младшей HD 7950, NVIDIA была вынуждена снизить рекомендованные цены на GTX 580 до $380 (для рынка США, разумеется).
Производительность новой архитектуры
NVIDIA GeForce GTX 580
ЧТО МОЖЕТ ПРЕДЛОЖИТЬ NVIDIA РЫНКУ
Конечно, игровые видеокарты не являются единственным продуктом и показателем достижений компаний, специализирующихся на графике. Однако не стоит забывать, что все графические продукты, предназначенные для профессионального и промышленного использования, такие как NVIDIA NVS, Tesla и Quadro, производятся с использование тех же чипов, что и геймерские решения. Более того, в основе небезызвестного чипа Tegra, широко применяемого в смартфонах и планшетных компьютерах, используются технологии дискретной графики NVIDIA прошлых поколений.
Выше представлена дорожная карта развития драйверов для продуктов компании NVIDIA. Из иллюстрации можно судить, когда компания планирует выпуск тех или иных потребительских решений на базе новой архитектуры, представленной наконец-то готовыми решениями в марте этого года.
ПОЧЕМУ «KEPLER»?
NVIDIA приняла на вооружение стратегию давать имена великих учёных и изобретателей своим технологиям и продуктам. Например, профессиональные параллельные графические процессоры, способные заменить кластер при выполнении высокообъёмных вычислений, носят имя гениальнейшего учёного XX века Николы Теслы. Думаю, все знают о происхождении названия архитектуры NVIDIA Fermi. Само по себе для публичной компании, статус которой носит NVIDIA, это большая как маркетинговая, так и идеологическая ответственность.
Кристалл Kepler
Иоганн Кеплер
К слову сказать, и будущая архитектура, которую разрабатывает NVIDIA и которая, судя по графику, представленному NVIDIA Corporation, перенесена на неопределённое будущее, также будет носить имя учёного — британского физика и математика Джеймса Клерка Максвелла.
УСТРОЙСТВО КРИСТАЛЛА NVIDIA KEPLER GK104
Пока не выпущен чип NVIDIA Kepler GK107 в настольном сегменте рынка, который должен стать более доступным и, соответственно, упрощённым вариантом GK104, мы можем с уверенностью говорить только о последнем, представленном игровой видеокартой NVIDIA GTX 680.
По утверждениям NVIDIA, архитектура Kepler и решение GTX 680 — самые энергоэффективные и производительные из того, что компания когда-либо выпускала, что, впрочем, неудивительно.
Размер кристалла составляет 294 мм2. Для сравнения: у флагманского чипа архитектуры Fermi GF110 – 520 мм2, а у AMD Radeon HD 7970– 365 мм2, что примерно на 24% больше. При этом кристалл умещает 3,54 млрд 3,5 В транзисторов, произведённых по 28-нм техпроцессу компанией TSMC, тогда как количество таковых у Radeon насчитывает целых 4,31 млрд.
Чип Kepler GK104 снабжён интерфейсом PCI Express 3.0, который теоретически предоставляет вдвое большую пропускную способность по сравнению со второй версией. Он также несёт на себе: блок управления потоками (GigaThread Engine), кэш второго уровня, а также 8 потоковых мультипроцессоров SMX, которые парами объединены в блоки GPC (Graphics Processing Clusters). Каждый GPC включает по блоку растеризации. В общем же на каждый GPC приходится по 8 растровых конвейеров (ROP) и по одному контроллеру памяти.
Сравнение GPU NVIDIA: GT200 (Tesla), GF110 (Fermi) и GK104 (Kepler)
Интерфейс памяти по непонятным, скорее маркетинговым, причинам снижен с 384 бит до 256. Но при этом частоту удалось поднять почти в полтора раза, до 6 ГГц, и компенсировать этим пропускную способность по сравнению с GF110. Частота ядра повышена на 30%, а максимальный уровень энергопотребления снижен до 195 Вт, т. е. на 20%. Теоретическая пиковая производительность при операциях с плавающей запятой возросла почти в 2 раза — до 3090 Гфлопс (об этом мы ещё скажем несколько слов ниже). Но, пожалуй, самое значительное улучшение в новом чипе — это увеличение количество ядер CUDA в 3 раза! NVIDIA часто подвергалась критике за большое отставание от AMD по этому показателю.