GeForce GTX 480 (Fermi) – nowa generacja kart graficznych NVIDI-i (w końcu!)

Trochę architektury – umarł TPC, niech żyje GPC!

W końcu trochę o zmianach związanych z generowaniem grafiki. A nastąpiła tutaj mała rewolucja. Jak zapewne sobie przypominacie, w architekturze GT200 występowało coś takiego jak TPC (czyli połączenia trzech multiprocesorów i współdzielonych jednostek teksturujących). Teraz każdy multiprocesor ma własne cztery jednostki teksturujące, którymi nie musi się dzielić. Nowy podział został przedstawiony na poniższym fragmencie slajdu:

Widzimy, że multiprocesory są pogrupowane w cztery GPC. W skład każdego GPC wchodzi rasteryzator (nazywany po prostu Raster Engine), który we wszystkich poprzednich kartach graficznych był pojedynczym „bytem”. Poza tym każdy z multiprocesorów otrzymał własny PolyMorph Engine, którego najważniejszą częścią jest teselator. Mamy więc tutaj do czynienia z 16 teselatorami. Dla porównania, wszystkie karty AMD serii HD 2000, HD 3000, HD 4000 i HD 5000 mają... jeden teselator.

Jest to istotnie mała rewolucja, ponieważ dzięki temu „zniknęły” ostatnie dwa elementy karty graficznej, które nie były zrównoleglone. I stanowczo nie było to łatwe zadanie. Ale po kolei.

Oto PolyMorph Engine:

PolyMorph Engine ma za zadanie zajmować się wierzchołkami. Najpierw pobiera je z pamięci i przesyła do multiprocesora, w którym ich współrzędne są transformowane z przestrzeni obiektów do współrzędnych przestrzeni świata (wytłumaczenie, co to dokładnie znaczy, to temat na oddzielny artykuł, więc wybaczcie te ogólne stwierdzenia). Dodatkowo są określane wszystkie początkowe dane potrzebne do teselacji, np. stopień teselacji i sposób wyznaczenia nowego kształtu teselowanej powierzchni. Tak przygotowane dane na temat wierzchołków i tego, co z nimi zrobić w trakcie teselacji, wracają do teselatora, który generuje nową siatkę wierzchołków i informacje o tym, w jaki sposób są one ze sobą połączone. Dane te wysyła z powrotem do multiprocesora (często w tym momencie w grę wchodzi mapa przesunięć), w którym są obrabiane przez shader domeny i shader geometrii, dzięki czemu uzyskujemy ostateczne współrzędne nowo powstałych w procesie teselacji wierzchołków.

Po końcowej obróbce w PolyMorph Engine przygotowane wielokąty trafiają do Raster Engine, gdzie są poddawane rasteryzacji.

Najpierw pobierane są informacje o wierzchołkach prymitywu, który chcemy poddać rasteryzacji, i są obliczane jego brzegi. Pojedynczy Raster Engine może obliczyć w jednym cyklu zegara brzegi jednego trójkąta. Ponieważ w GF100 mamy cztery takie jednostki, to cała karta jest może przygotować cztery trójkąty na cykl zegara. Taki zestaw informacji trafia do rasteryzatora, który przelicza, które piksele ekranu wypadają na powierzchni danego wielokąta. Na końcu dane o wielokątach są przesyłane do jednostki Z-cull, która odrzuca piksele należące do niewidocznych wielokątów lub ich części.

Jak już wspominaliśmy, wcześniej cała karta graficzna musiała się zadowolić jednym rasteryzatorem. Pojedynczy rasteryzator spokojnie pobierał sobie kolejne wierzchołki i wypluwał z siebie piksele. Nikt wcześniej nie wziął się za zwielokrotnienie tych jednostek, ponieważ nie było to szczególnie potrzebne, a przy tym rozdzielenie pracy pomiędzy rasteryzatory jest zadaniem trudnym i wymagającym wielu dodatkowych obliczeń. Udało nam się dowiedzieć, że NVIDIA, aby to osiągnąć, postanowiła podzielić ekran na części (kafelki – ang. tiles). Ile części? Tego się nie dowiedzieliśmy. Po tym, jak PME przygotowały wierzchołki i przekształciły ich współrzędne na przestrzeń świata, jest możliwe określenie, w którym kawałku ekranu znajduje się dany wielokąt, i na podstawie tego zostaje on przydzielony do odpowiedniego rasteryzatora. Problematyczne są wielokąty, które leżą na powierzchni kilku kafelków, ale NVIDIA ponoć przygotowała jakiś sprytny algorytm wyrównywania obciążenia rasteryzatorów, aby zawsze miały one tyle samo pracy.

Po co to całe zamieszanie i te wszystkie kombinacje? Głównie chodzi o teselację. Obiekty po przejściu przez proces teselacji mogą się składać nawet z kilku milionów wielokątów w miejsce początkowych kilku tysięcy. I karta graficzna jakoś musi sobie z tym poradzić. Pojedynczy teselator i rasteryzator to za mało. Pokazuje to choćby uruchomienie benchmarku Heaven na Radeonie HD 5870. Po włączeniu w nim teselacji i zwróceniu kamery na jakiś mocno teselowany obiekt liczba klatek na sekundę jest praktycznie stała niezależnie od rozdzielczości. Jest to dowód na to, że w takiej sytuacji wąskim gardłem są możliwości karty w obliczaniu geometrii. NVIDIA zaprojektowała GPU zdolny zająć się tymi wszystkimi wielokątami.

Jest to odważny ruch. Nakład pracy musiał być ogromny. Liczba dodatkowych tranzystorów – pewnie też. A wszystko to po to, aby zapewnić jak najwyższą wydajność w grach DirectX 11 korzystających z teselacji, których jednak na razie jest bardzo niewiele. Jeśli teselacja się przyjmie, będzie to strzał w dziesiątkę, w przeciwnym razie ogrom pracy pójdzie na marne.

Przy okazji powstał ciekawy efekt uboczny. W praktyce pojedynczy GPC to prawie kompletny układ graficzny. Dzięki temu NVIDIA ma bardzo uproszczone zadanie przy projektowaniu kart graficznych z niższej półki. Wystarczy wziąć jeden, dwa lub trzy GPC, połączyć je pamięcią podręczną drugiego poziomu, dodać GigaThreadEngine, odpowiednią liczbę ROP-ów oraz kontrolerów pamięci – i otrzymujemy nowy układ graficzny. Czy to oznacza, że w końcu pojawią się słabsze karty oparte na nowej architekturze? Mamy nadzieję, że tak i że nie będziemy musieli czekać na nie zbyt długo (hm... GT200...).