Review: Nvidia Geforce GTX 680

Αρχιτεκτονική

Αν και η Geforce Kepler 104 (GK104) διαθέτει αρκετά επανασχεδιασμένα μέρη, εντούτοις παραμένει… Fermi, αφού η δομή του πυρήνα παραμένει ίδια ενώ ελάχιστα στοιχεία του pipeline δείχνουν αλλαγμένα. Όπως και στην περίπτωση της αρχιτεκτονικής “Fermi”, έτσι και στην περίπτωση της νεότερης “Kepler”, οι GPUs του είδους στο εσωτερικό τους ακολουθούν μία εσωτερική ιεραρχία, που ξεκινάει από τα δομικά στοιχεία που έχουν την ονομασία GPCs (Graphics Processing Clusters). Τα GPCs, παραμένουν τα κυρίαρχα δομικά στοιχεία της αρχιτεκτονικής Kepler, με καθένα από αυτά να διαθέτει τους δικούς του πόρους για rasterization, shading, texturing και compute.

Στην περίπτωση του GK104 ή επισήμως της Geforce GTX 680 GPU, έχουμε να κάνουμε με τέσσερα στον αριθμό GPCs, οκτώ νέας γενιάς Streaming Multiprocessors (SMX) και τέσσερις ελεγκτές μνήμης (memory controllers). Στην περίπτωση της Geforce GTX 680, κάθε GPC, διαθέτει αποκλειστική raster engine και δύο μονάδες SMX.

Το die του GK104 (Geforce Kepler 104)

Καθεμιά από τις μονάδες SMX, ενσωματώνει 192 πυρήνες CUDA (8 x 192 = 1536). Οι ελεγκτές μνήμης, στην νέα γενιά επεξεργαστών γραφικών της Nvidia, έχουν υποστεί σημαντικές βελτιώσεις με αποτέλεσμα να υποστηρίζουν μνήμη με δραματικά υψηλότερες συχνότητες λειτουργίας, που στην περίπτωση της Geforce GTX 680 μιλάμε για 6008MHz data rate. Κάθε ελεγκτής μνήμης επικοινωνεί με 128KB λανθάνουσας μνήμης δεύτερου επίπεδου (L2 cache) και οκτώ μονάδες ROP (με κάθε μία από τις οκτώ μονάδες να επεξεργάζεται μονοχρωματικό δείγμα). Χάρη στους τέσσερις ελεγκτές μνήμης, μία πλήρους χαρακτηριστικών Geforce GTX 680 GPU διαθέτει συνολικά 512KB L2 cache και 32 ROPs (32 color samples).

Μια και αναφερθήκαμε στους ελεγκτές, να θυμίσουμε ότι η παλαιότερη Geforce GTX 580 διέθετε έξι ελεγκτές μνήμης ενώ όπως είπαμε η νέα Geforce GTX 680 έχει τέσσερις (4 x 512ΜΒ). Το εύρος του δίαυλου μνήμης έχει μειωθεί από τα 384-bit στην περίπτωση της Geforce GTX 580, στα 256-bit στην περίπτωση της Geforce GTX 680. Παρόλα αυτά, το ωφέλιμο bandwidth παραμένει όμοιο, περίπου στα 192GB/s. Κάθε SMX, πέρα από 64KB shared memory (64ΚΒ x 8 =512KB) διαθέτει φυσικά και λανθάνουσα μνήμη πρώτου επίπεδου (L1 cache).

Τα στοιχεία που αποτελούν μία GPU σαν την GK104:

• 1536 πυρήνες CUDA
• 4 GPC
• 8 SMX blocks
• 192 πυρήνες CUDA ανά SMX
• 4 μονάδες Raster Engine
• 128 μονάδες texture
• 32 μονάδες ROP

Η διάταξη των στοιχείων στο εσωτερικό του GK104 (Kepler)

Οι Streaming Multiprocessors (SM ή SMX στα chip αρχιτεκτονικής Kepler) αποτελούν την καρδιά της ενοποιημένης αρχιτεκτονικής της Nvidia. Οι πυρήνες CUDA στο εσωτερικό τους, πραγματοποιούν υπολογισμούς που αφορούν σε εικονοστοιχεία, σε κορυφές πολυγώνων (vertices), στην γεωμετρία σκιάσεων ενώ επιπλέον πραγματοποιούν υπολογισμούς φυσικής περιβάλλοντος και άλλους γενικής χρήσης υπολογισμούς (compute).

Οι μονάδες texture πραγματοποιούν διεργασίες φιλτραρίσματος των υφών ενώ μονάδες load/ store φέρνουν και σώζουν δεδομένα στην μνήμη. Τα Special Function Units, διαχειρίζονται διάφορες πολύπλοκες εντολές ενώ ανάμεσα στις λειτουργίες που πραγματοποιεί μία Polymorph Engine 2.0 είναι και η τεχνική tessellation (εκτός από άλλου είδους low-level raster operations, όπως vertex-fetch, viewpoint-transformation, attribute setup κ.α). Σε σχέση με την αρχιτεκτονική Fermi, όπου συναντήσαμε για παράδειγμα στην Geforce GTX 580, οι Polymorph Engines είναι ακριβώς οι μισές σε αριθμό (οκτώ αντί δεκαέξι). H Nvidia ωστόσο, βελτιστοποίησε την λειτουργία τους, ώστε να έχουν διπλάσια απόδοση “clock-to-clock” σε σχέση με το παρελθόν. Οι τέσσερις Raster Engines (μία σε κάθε GPC) αναλαμβάνουν high-level raster operations (edge setup, Z-cull κ.α) 

Δεν μπορούμε πάντως να φέρουμε σε απευθείας αντιπαράθεση τα SM και κατά συνέπεια των αριθμό των πυρήνων CUDA στην περίπτωση της αρχιτεκτονικής Fermi σε σχέση με τους πυρήνες CUDA στην αρχιτεκτονική Kepler. 

Η διάταξη των στοιχείων σε ένα Graphics Processing Cluster