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

Trochę architektury – widok z góry

Zanim przejdziemy do wyników testów wydajności, przyjrzymy się chwilę architekturze nowego GeForce'a. Jest się czemu przyglądać, bo zmian jest sporo. Na początku trochę powiemy o zdolnościach obliczeniowych GF100 i o tym, w jaki sposób obracają się „trybiki” w karcie. Bardzo duża część zmian jest podyktowana tym, że NVIDIA chce zachęcić twórców oprogramowania do wykorzystywania jej kart graficznych do obliczeń zupełnie (albo prawie zupełnie) niezwiązanych z grafiką. Dopiero później postaramy się wytłumaczyć, jakie to ma znaczenie w grach, a na koniec powiemy o nowych funkcjach nowego GeForce'a przeznaczonego dla graczy.

Główne założenie nie zmieniło się od czasów GeForce'a 8800 GTX – cały chip to grupa procesorów SIMD (ang. Single Instruction, Multiple Data), a dokładniej: SIMT (ang. Single Instruction, Multiple Thread). Co to znaczy? Postaramy się to wytłumaczyć. Ale po kolei.

Nie trzeba chyba nikomu tłumaczyć, że budowa rdzenia układu graficznego znacznie różni się od budowy rdzenia zwykłego procesora x86. Różnice wynikają z tego, że oba układy wykonują zupełnie inny rodzaj zadań. Rdzeń procesora jest optymalizowany w ten sposób, aby jak najszybciej wykonać pojedynczy, dowolny wątek. Do tego potrzebuje bardzo dużo dodatkowych zasobów, takich jak mechanizmy przewidywania skoków, mechanizmy wstępnego pobierania do pamięci, dużo pamięci podręcznej. Te dodatkowe zasoby zabierają większą część powierzchni rdzenia i mają zapewnić jak najlepsze wykorzystanie jednostek wykonawczych zajmujących się skomplikowanymi, często bardzo zróżnicowanymi i nieprzewidywalnymi obliczeniami. W przypadku układów graficznych te rzeczy są niepotrzebne. Wykonywane obliczenia i w ogóle zadania stawiane przed układami graficznymi są stosunkowo proste, więc pojedynczy rdzeń potrzebuje bardzo niewiele do efektywnego wykonywania obliczeń. Dzięki temu takich bardzo małych „rdzeni” można umieścić w jednym układzie kilkadziesiąt, a nawet kilkaset (o ich liczbie i schematach nazewnictwa będzie trochę dalej). O ile wielowątkowość w używanych na co dzień aplikacjach, jak przeglądarka i klient poczty, jeszcze raczkuje, to grafika jest bardzo łatwa do zrównoleglenia. W końcu mamy do czynienia z milionami wielokątów, które trzeba przeprowadzić przez różne transformacje, i miliony pikseli, których ostateczny kolor trzeba policzyć, aby wyświetlić je na ekranie. Okazuje się jednak, że niektóre z tych „niezbędnych” elementów dodatkowo mogą być współdzielone przez części chipu zajmujące się obliczeniami. Tutaj do gry wchodzi SIMD, czyli możliwość równoległego wykonywania tej samej instrukcji na niezależnych od siebie danych. Po tym przydługim wstępie czas na pierwszy rysunek pokazujący architekturę GF100 (zastosowaną w opisywanym dzisiaj GeForsie GTX 480) i jej porównanie z architekturą GT200 (obecną w starszych GeForce'ach: GTX 260 i GTX 280).

Powyższy diagram jest bardzo ogólny i zawiera wiele uproszczeń (które czasem nie są do końca precyzyjne), aby nie przytłoczyć Czytelnika zbyt dużą ilością informacji oraz aby analiza różnic pomiędzy poprzednią a nową generacją kart NVIDI-i była stosunkowo łatwa.

Pierwszą rzucającą się w oczy różnicą jest zmiana w ułożeniu i pogrupowaniu multiprocesorów strumieniowych (ang. Streaming Multiprocessor – SM). Układ GT200 składał się z 30 SM, zgrupowanych po trzy. W GT 200 trzy multiprocesory korzystają z tej samej pamięci podręcznej tekstur pierwszego poziomu oraz tych samych jednostek teksturujących. W ten sposób powstaje grupa nazywana TPC. W GF100 zrezygnowano z takiego grupowania multiprocesorów. Teraz każdy multiprocesor jest częścią całkowicie niezależną od reszty układu, ma własną pamięć podręczną pierwszego poziomu i własne jednostki teksturujące (więcej o jednostkach teksturujących powiemy trochę później). Liczba SM w układzie zmalała z 30 do 16, za to każdy z multiprocesorów trochę „przytył”. O tym jednak napiszemy trochę dalej.