Архітектура відеокарт Radeon Сayman

Введение

Новая графическая архитектура от AMD имеет общие корни с предыдущими чипами. Cypress и другие чипы AMD остаются более эффективными по соотношению производительности и сложности GPU, а также по энергоэффективности, по сравнению с решениями конкурента, а двухчиповый Radeon HD 5970 до сих пор остаётся быстрейшей видеокартой.

Переход пользователей на решения DirectX 11 не слишком быстрый. По статистике Steam Survey, из 30 миллионов систем пользователей этого сервиса 73% до сих пор основаны на GPU с поддержкой возможностей лишь DirectX 10, а ещё 13% пользователей имеют ещё более старые видеокарты DirectX 9.

Этих пользователей и собирается привлечь к своим новым решениям компания AMD.  Рассмотрим всю линейку решений компании AMD и позиционирование их на рынке по отношению к видеокартам NVIDIA.

Серия HD 5800 разделилась на две: HD 6800 и HD 6900, основанные на чипах Barts и Cayman. Линейка HD 5700 осталась на рынке в неизменном виде, HD 6800 немного спускается вниз по скорости (по отношению к HD 5800), а на смену HD 5800 в верхней части пришли анонсированные решения семейства HD 6900.

Серия Radeon HD 6800 выступает против нескольких вариантов GeForce GTX 460, а двухчиповый HD 5970 остаётся быстрейшим решением на рынке, конкурирующим с GTX 580. А HD 6970 будет бороться лишь с GTX 570, а HD 6950 и вовсе не имеет прямого конкурента.

Переходим к характеристикам анонсированных видеоплат серии Radeon HD 6900, основанных на новом чипе с кодовым названием «Cayman».

1. Аналитический  обзор аналогов

• Кодовое имя чипа «Cayman»
• Технология 40 нм
• 2,64 млрд. транзисторов (почти на четверть больше, чем у Cypress и в 1,5 раза больше Barts)
• Площадь кристалла 389 мм2 (в полтора раза больше, чем у Barts)
• Унифицированная архитектура с массивом общих процессоров для потоковой обработки многочисленных видов данных: вершин, пикселей и др.
• Аппаратная поддержка DirectX 11, в том числе и новой шейдерной модели — Shader Model 5.0
• 256-битная шина памяти: четыре контроллера шириной по 64 бита с поддержкой памяти GDDR5
• Частота ядра до 880 МГц (для Radeon HD 6970)
• 24 SIMD-ядра, включающих 384 потоковых процессора, и в общем 1536 скалярных ALU для расчётов с плавающей точкой
• 24 укрупненных текстурных блока, с поддержкой форматов FP16 и FP32
• 96 блоков текстурной адресации и столько же блоков билинейной фильтрации, с возможностью фильтрации FP16-текстур на полной скорости и поддержкой трилинейной и анизотропной фильтрации для всех текстурных форматов
• 32 блока ROP с поддержкой режимов антиалиасинга с возможностью программируемой выборки более чем 16 семплов на пиксель, в том числе при FP16- или FP32-формате буфера кадра. Пиковая производительность до 32 отсчетов за такт (в т. ч. для буферов формата FP16), а в режиме без цвета (Z only) — 128 отсчетов за такт
• Интегрированная поддержка RAMDAC, шести портов Single Link или трёх портов Dual Link DVI, а также HDMI 1.4a и DisplayPort 1.2

  Спецификации видеокарт Radeon HD 6970/ HD 6950 Radeon HD 6970

Таблица 1 - Сравнение видеокарт

Применение отработанного 40-нанометрового техпроцесса позволило компании AMD выпустить новый топовый GPU, пусть и не в таком виде, каким он мог быть на 32 нм. Сложность Cayman по сравнению с Cypress выросла менее чем на четверть, как и площадь ядра, но некоторые характеристики, влияющие на производительность, остались практически на том же уровне. Это и количество ALU, и неизменное число блоков ROP, да и пропускная способность видеопамяти не сильно выросла. Но всё же, во многом благодаря повышенным тактовым частотам и возросшей эффективности нового чипа AMD, он должен в среднем превзойти Cypress.

Принцип наименования моделей был несколько изменён с предыдущего поколения. По сравнению с предыдущей серией, у топовых решений поменялась не только первая, но и вторая цифра индекса. Radeon HD 6970 и HD 6950 являются наиболее производительными одночиповыми решениями и должны заместить видеокарты HD 5870 и HD 5850, становясь в линейке выше выпущенных недавно решений семейства HD 6800.

Что касается сравнения с конкурентом, то по указанным выше рекомендованным ценам уже должно быть понятно, что HD 6970 должен быть на уровне или несколько производительнее GeForce GTX 570, а вот HD

6950 конкурировать пока  особо не с чем.

Два варианта серии, как это принято у видеокарт AMD, отличаются как тактовыми частотами видеочипа и памяти, так и отключенной частью исполнительных блоков у младшей модели. На обе видеокарты новой серии устанавливается память типа GDDR5 одинакового объёма в 2 гигабайта. Это решение может быть обосновано скорее маркетинговыми причинами, ведь оптимальным объёмом памяти на сегодняшний день до сих пор является 1 гигабайт. Но, так как у конкурента на топовых моделях стоит 1,25—1,5 ГБ, ставить меньший объём компании AMD показалось неправильным.

Хотя также вполне возможно и то, что для топовых моделей такой объём оправдан, так как в каких-то случаях нехватка 1 ГБ памяти всё-таки будет наблюдаться, да и для игр на трёх мониторах (Eyefinity) экранный буфер такого объёма будет весьма полезен. Партнёры компании в будущем могут выпустить и модель Radeon HD 6950 с 1 ГБ видеопамяти, так как стоимость её будет ниже, а супервысокие разрешения на трёх мониторах нужны далеко не всем игрокам.

Обе видеокарты имеют двухслотовую систему охлаждения, закрытую привычным для всех современных плат AMD пластмассовым кожухом по всей длине карты. Энергопотребление младшей карты ниже, что позволило обойтись в её случае двумя 6-штырьковыми разъёмами питания. Кроме максимального энергопотребления AMD теперь указывает и типичное потребление в играх (typical gaming power) — показатель потребления, замеренный при тестировании в наборе из 25 популярных игр.

2. Обзор архитектуры Cayman

При проектировании Cayman основными задачами инженеров AMD было создание эффективной графической и вычислительной архитектуры с новыми возможностями GPU, значительное увеличение производительности геометрических блоков, улучшения в алгоритмах, влияющих на качество рендеринга (текстурная фильтрация и полноэкранное сглаживание), а также улучшенное управление питанием.

Архитектуру Cayman можно назвать промежуточным решением между архитектурой Cypress и так и не рождённой 32-нанометровой архитектурой, так как в состав нового GPU были включены лишь некоторые возможности из неё. Цель инженеров по размеру Cayman была +15% к площади Cypress, что позволило потратить эти дополнительные транзисторы на некоторые новые вычислительные и графические возможности.

Архитектура имеет два блока по обработке геометрии и тесселяции (graphics engine, включающий растеризатор, тесселятор и некоторые другие блоки), а также сдвоенный диспетчер. Это одно из важнейших нововведений в Cayman, к которому сподвигло отставание по скорости обработки геометрии от конкурента, уже почти год имеющего распараллеленный графический конвейер.

Рисунок 2. – Архитектура Cayman

Важнейшим архитектурным изменением стала суперскалярная VLIW4 архитектура вычислительных процессоров, в отличие от VLIW5 в предыдущей. С одной стороны это может показаться ухудшением, ведь каждый из имеющихся процессоров теперь может выполнять меньше операций параллельно. Но с другой — это может увеличить эффективность использования (КПД) потоковых процессоров, так как подобрать четыре независимые команды явно проще, чем пять.

Новый графический процессор включает 24 SIMD-ядра, каждое из которых состоит из 16 процессоров, умеющих вычислять до четырех команд одновременно. Другими словами, всего вычислительных блоков в Cayman стало 24×16×4=1536 штук, что даже несколько меньше, чем у Cypress. Но так как КПД использования этих блоков должен увеличиться, то и производительность также вырастет.

Каждое SIMD-ядро нового графического процессора имеет по четыре блока текстурирования, как и в предыдущих GPU, то есть общее число текстурных процессоров — 96 TMU. Это несколько больше, чем у Cypress, и заметно больше, чем имеет топовый чип конкурента. Так, преимущество по текстурированию должно остаться за AMD. Другие численные характеристики мало отличаются от тех же HD 5800 и HD 6800, чип имеет четыре 64-битных контроллера памяти и 256-битную шину в целом, а также 32 блока ROP. Хотя они всё же отличаются от тех, что используются в предыдущих GPU.

           2.1 Архитектура потоковых процессоров

Новые потоковые процессоры отличаются от предыдущих тем, что умеют выполнять одновременно до четырёх независимых инструкций (4-way co-issue), и все четыре исполнительных устройства ALU в процессоре имеют одинаковые возможности, в отличие от предыдущей архитектуры.

Каждый потоковый процессор Cypress имеет четыре блока ALU + блок специального назначения SFU (также называемый «T-unit»), служащий для выполнения трансцендентных функций (синус, косинус, логарифм и т. д.), а Cayman выполняет такие команды при помощи трёх из четырёх «обычных» ALU.

Рисунок 2.1 – Архитектура потокового процессора

Всё вместе это теоретически даёт лучший показатель эффективности использования потоковых процессоров, по сравнению с VLIW5. Хотя VLIW5 обеспечивает достаточно высокий КПД во многих случаях, но средняя загрузка ALU получается явно ниже 100%, и часто лишь три или четыре блока из пяти заняты работой. Снижение количества ALU в каждом процессоре увеличивает их эффективность, и, по оценке компании AMD, улучшение соотношения скорости вычислений и площади чипа составляет порядка 10%. Плюс к этому, дополнительным бонусом идёт упрощение управляющих блоков: шедулера и управление регистрами.

Ещё одной важной деталью перехода от VLIW5 к VLIW4 является то, что для асимметричной архитектуры сложнее оптимизировать и скомпилировать эффективный код. А для симметричного VLIW4 блока работа компилятора упрощается. И в этом  виден пока что нераскрытый потенциал Cayman — скорее всего, компилятор пока оптимизирован для нового GPU недостаточно и в будущем весьма вероятны приросты по мере оптимизации компилятора для новой архитектуры.

Новая архитектура VLIW4 привела к увеличению производительности вычислений с двойной точностью. 64-битные вычисления теперь исполняются вчетверо медленнее, чем 32-битные. А у решений предыдущей архитектуры это соотношение было ниже — 1/5. Такое изменение позволило повысить пиковую производительность 64-битных вычислений нового Radeon HD 6970 до 675 GFLOPS (для сравнения — у HD 5870 этот показатель равен 544 GFLOPS).

2. Изменения в блоках ROP

Блоки ROP в новом чипе компании AMD также получили некоторые усовершенствования. Cayman теперь умеет значительно быстрее обрабатывать данные в некоторых форматах, в числе которых 16-битный целочисленный (вдвое быстрее) и одно- или двухкомпонентный 32-битный (ускорение в два-четыре раза, в зависимости от количества компонентов). Это улучшение важнее всего для широко распространённых случаев отложенного (deferred) рендеринга, хотя применение 32-битных буферов в играх пока что ограничено.

Рисунок 2.2 – Блок ROP

3. Неграфические вычисления на GPU

Больше всего изменений в Cayman произошло как раз в вычислительных возможностях. Прежде всего нужно отметить асинхронную отправку команд на выполнение и одновременное исполнение нескольких вычислительных процессов (kernel), каждый из которых имеет свою очередь команд и свою область защищённой виртуальной памяти. По сути, в Cayman появились возможности вычислений по принципу MPMD (Multiple Processor/Multiple Data) — когда несколько процессоров выполняют множество потоков данных.

В предыдущих архитектурах компании AMD была возможность одновременного запуска и распределения нескольких процессов (kernel), но они имели лишь один конвейер команд, что затрудняло одновременную работу вычислительных и графических приложений. GPU новой архитектуры способен эффективно выполнять несколько потоков команд одновременно. Потоки имеют свои отдельные кольцевые буферы и очереди, а очередность исполнения команд независима и асинхронна, и выполняются они в зависимости от приоритета. Это позволяет запускать вычисления и получать итоговый результат вне очереди.

Также для каждого kernel новый чип предоставляет независимую виртуальную память, и все потоки команд теперь защищены друг от друга. А в дополнение к асинхронной подаче команд, чип имеет два двунаправленных контроллера прямого доступа к памяти (DMA), что поможет увеличить пропускную способность в обоих направлениях.

Рисунок 2.3 – Архитектура GPU

Но и это ещё не все «вычислительные» изменения в Cayman. Появилась возможность выборки данных из памяти в обход ALU напрямую в локальную память, а оптимизированные чтение и комбинированная запись данных увеличила производительность подсистемы ввода-вывода. Также в новом GPU было улучшено управление потоком передачи данных (flow control) и многое другое.

4. Параллельная обработка геометрии

Одним из основных архитектурных преимуществ конкурирующих решений от NVIDIA является распараллеленная обработка геометрии, применяемая во всех их современных решениях, которые весьма эффективны при использовании тесселяции. геометрические примитивы в топовых чипах конкурента AMD обрабатываются одновременно 16-ю блоками, в отличие от одного блока у Cypress и Barts, равно как и остальных предшествующих чипах.

Соответственно, AMD нужно было срочно улучшить производительность геометрических блоков. Частичный шаг был сделан ещё в Barts, оптимизации которого привели к повышению скорости обработки геометрии и тесселяции в полтора раза в лучшем случае. Но даже тесселятор седьмого поколения всё ещё серьёзно уступал тесселяторам Fermi первого же поколения.

Блоки обработки геометрии и тесселяции в Cayman названы уже восьмым поколением, и они получили установку геометрических примитивов (geometry setup) удвоенной скорости, улучшенную буферизацию геометрических данных и двойной блок обработки геометрии. Именно так, AMD тоже пришлось распараллеливать работу над геометрическими данными, хотя и не настолько радикально, как это сделано в GPU конкурента.

Рисунок 2.4 – Блок обработки геометрии

Двойной блок геометрии в Cayman обрабатывает два примитива за такт, то есть скорость трансформации и отбрасывания задних граней (backface culling) возросла вдвое, а нагрузка между блоками распределяется при помощи разбиения на тайлы. Вместе с улучшением буферизации, по данным AMD, это приводит к росту производительности тесселяции у топового решения Radeon HD 6970 до трёх раз, по сравнению с HD 5870.

Но всё же, чаще всего скорость обработки геометрии и тесселяции возросла вдвое, а не втрое. Даже по данным самой AMD. Они приводят и цифры из игр и бенчмарков с применением тесселяции, и приросты там достигают впечатляющих цифр порядка 30—70%, в зависимости от количества оттесселированных поверхностей и степени разбиения примитивов.

5. Технология AMD PowerTune

Одним из наиболее интересных изменений в Cayman, напрямую не связанным с 3D-графикой, является технология, получившая название PowerTune. Центральные процессоры давно умеют плавно или ступенчато изменять производительность и потребление, снижая некоторые параметры в простое и повышая при нагрузке. Да и видеочипы тоже умеют изменять указанные параметры, но до сих пор делали это ступенчато и не имели пределов, за которые нельзя было бы выйти.

Обычные игры и другие приложения, использующие вычисления на GPU, редко когда предъявляют повышенные требования к питанию и не подходят к опасным пределам энергопотребления, превышающим возможности системы. В отличие от тестов стабильности, вроде Furmark и OCCT, которые выжимают из системы всё до капли. Ещё в семействе Evergreen (серия Radeon HD 5000) был некий зачаток ограничителя производительности при превышении определённого уровня потребления, а в HD 6900 эта система перешла на качественно иной уровень.

Новый GPU имеет специальные датчики во всех блоках чипа, которые отслеживают параметры загрузки, таким образом графический процессор постоянно измеряет нагрузку и энергопотребление и не позволяет выйти последнему за определённый порог, автоматически регулируя частоту и напряжение так, чтобы параметры оставались в рамках указанного теплопакета. Эта технология помогает установить высокие частоты GPU и при этом не бояться, что видеокарта выйдет за безопасные пределы по энергопотреблению.

Наиболее требовательными 3D-приложениями являются средства тестирования стабильности и некоторые из синтетических тестов. А вот игры, даже самые тяжёлые, совсем не требуют максимальной энергии от GPU и не выходят за установленные рамки.

В отличие от ранних технологий управления питанием, PowerTune

обеспечивает прямой контроль над энергопотреблением GPU, по сравнению с косвенным управлением при помощи изменения частот и напряжений. И более не требуется ставить ограничитель для избранных приложений, технология будет работать с тем же успехом для всех программ.

Изменение тактовой частоты GPU и полученная при этом производительность при разных уровнях максимального потребления наглядно отображены на следующем графике. На нём указано изменение частоты GPU видеокарты Radeon HD 6950 в тесте Perlin Noise из набора 3DMark Vantage в трёх режимах: по умолчанию и с повышенным пределом по питанию на 5% и 10%. Этот график соответствует тому, что получится при работе наиболее требовательных к питанию приложений:

В режиме по умолчанию GPU не может постоянно работать на частоте в 800 МГц, не превысив установленной AMD границы потребления, и показывает результат на уровне 140 FPS. При добавлении 5% к максимальному потреблению частота GPU становится выше, но всё ещё часто не достигает максимально положенных 800 МГц, и в результате достигается скорость 155 FPS. В случае же добавленных 10% к пределу потребления, чип всегда работает на частоте около 800 МГц и не достигает изменённой границы потребления, показывая при этом 162 средних кадров в секунду.

Если рассматривать обратную ситуацию, когда нужно снизить потребление, то и в таком случае технология будет полезна. AMD приводит пример игры Aliens vs Predator и трёх режимов: по умолчанию, -10% от максимального потребления и -20%. Если в режимах по умолчанию и -10% разница получилась небольшой, то в последнем случае, при снижении потребления на 30 Вт можно получить вполне комфортные 40 FPS вместо 50 FPS при максимальном потреблении:

Таким образом, каждый пользователь может настроить PowerTune под себя (при условии отказа от гарантий, разумеется) и выбрать или меньшее

энергопотребление системы, или более высокую производительность в тех приложениях, в которых GPU становится весьма требовательным к питанию. Можно даже вручную настраивать меньшее потребление для постоянной работы и максимальное — для требовательных приложений.

3. Сравнительный анализ видеокарт AMD и NVIDIA

На протяжении длительного времени считалось, что видеокарты Radeon обеспечивают наиболее красивую картинку на мониторе, а решения от NVIDIA обеспечивают максимальную производительность. Последние поколения видеокарт начали опровергать данную аксиому, так как видеокарты от AMD серии Radeon стали гораздо более производительными, а решения от NVIDIA начали обеспечивать достаточно высокое качество конечного изображения. Компания AMD продолжила усовершенствовать свои решения серии Radeon не только в плане повышения производительности, но и в плане улучшения качества итогового изображения.

В этом тесте определяется пиковая производительность выборки текстур (texel rate) в режиме FFP для разного числа текстур, накладываемых на один пиксель:

Рисунок 3. – результаты тесты Pixel Filling

В данном тесте фильтрации 32-битных (8 бит на цвет) текстур большинство видеокарт показывают цифры, далёкие от теоретически возможных.

Получается, что HD 6970 выбирает лишь 67 текселей за один такт из 32-битных текстур при билинейной фильтрации, что почти на треть ниже теоретической цифры в 96 отфильтрованных текселей. Для HD 6950 эти цифры соответствуют 62 текселям из 88 теоретических, то есть эффективность младшей модели получилась чуть выше, и это связано с небольшой разницей по пропускной способности видеопамяти, также влияющей на результаты.

Все карты AMD показывают такую высокую производительность и значительно опережают своих соперников из стана компании NVIDIA. У них ведь и теоретические показатели скорости текстурирования весьма высоки. А вот даже топовая GTX 580 имеет лишь 64 TMU и сильно уступает моделям на Cayman, имеющим 88—96 TMU, да ещё и работающих на более высоких частотах.

  Таблица -2 Сравнение видеокарт GeForce

Рисунок 3.1.– Графическое сравнение частоты ядра видеокарт

Рисунок 3.2.– Графическое сравнение обьема памяти

 видеокарт

Рисунок 3.3.– Графическое сравнение пропускной способности видеокарт

Таблица -3 Сравнение AMD и NVIDIA  видеокарт

Видеокарта AMD Radeon HD 6990 имеет большие размеры в отличие от NVIDIA, также отличаются выходы, она имеет четыре miniDP выхода и

один – DVI. Оснащена двумя восьмиконтактными разъёмами для дополнительного питания, установленными в верхней части видеокарты. Максимальная потребляемая мощность отличается незначительно: для Radeon HD 6990 она составляет 375 Вт. Рекомендуемый блок питания для флагмана AMD – мощностью не менее 750 Вт с двумя 150-ваттными разъёмами дополнительного питания, а для CrossFireX-тандема из двух таких видеокарт рекомендуется блок питания мощностью не менее 1200 Вт. Имеет один разъём для создания CrossFireX- или SLI-конфигураций, размещённый традиционно сверху в передней части.

Рядом с этим разъёмом соседствует маленький переключатель, который отвечает вовсе не за выбор основного или резервного BIOS, как это сделано на Radeon HD 6970 или HD 6950, а за частоту работы графического процессора видеокарты. При его включении в положение «2» частота графического процессора увеличивается на 50 МГц. На GeForce GTX 590 такого переключателя нет, а рядом с разъёмом MIO имеются три прорези в кожухе, через которые выбрасывается часть нагретого видеокартой воздуха.

Компоновка видеокарт принципиально одинакова. И у AMD, и у NVIDIA оба графических процессора располагаются на одной плате, но на немного разной высоте относительно продольной оси. Это следствие расположения микросхем памяти видеокарт, которые, кстати, размещены не только с лицевых, но и с обратных сторон печатных плат. На каждый графический процессор приходится по восемь микросхем видеопамяти.

На Radeon HD 6990 установлены два полноценных графических процессора «Cayman». Графические процессоры несут в себе по 1536 унифицированных шейдерных процессоров, 96 текстурных блоков и 32 блока растровых операций. Защитных крышек (теплораспределителей) у кристаллов процессоров видеокарты AMD традиционно нет, а у NVIDIA, также традиционно – есть.

Видеокарта оснащена графической памятью типа GDDR5, набранной 16 микросхемами в BGA-упаковке. На Radeon HD 6990 установлено в общей сложности 4 Гбайта видеопамяти (по 2 Гбайта на каждый графический процессор). На GeForce GTX 590 на каждый процессор приходится по 1,5 Гбайта памяти, а общий объём таким образом составляет 3 Гбайта. На эталонных видеокартах с процессорами «Cayman» AMD традиционно использует микросхемы Hynix с маркировкой H5GQ2H24MFR T2C и номинальным напряжением 1,5 В при теоретической эффективной частоте 5000 МГц, на которой память и функционирует. В 2D-режиме её частота снижается до 600 МГц. Ширина шины обмена с памятью видеокарты составляет 256 бит.