مقايسه معماري کارت‌هاي HD5000 و Fermi

Fermi Architecture
NVIDIA معماری جدید خود را با نام  Fermi و با بیش از سه Billion (میلیارد) یا به عبارت دقیق‌تر 3.2 ميليارد ترانزیستور به بازار عرضه کرد. اولین سری از Fermi با اسم رمز GF100 نامگذاری شد که NVIDIA با استفاده از آن کارت‌های‌گرافیک
GTX 480 ،GTX 470 ،GTX 465 را تولید کرد. همچنین این شرکت با تکمیل ساختار GF100، چیپ‌ست قدرتمند GF110 را تولید کرده که از آن برای ساخت مدل‌های High-End سری GTX 500 یعنی GTX 580 و GTX 570 (و بزودی GTX 590) استفاده کرده است. با توجه به پایه بودن معماری GF100/GF110 در این مقاله تمرکز خود را روی بررسی معماری این چیپ‌ست‌ها می‌گذاریم و بررسی مدل‌های مشتق شده از این چیپ‌ست‌ها یعنی GF104/GF114 و غیره … را به فرصت‌های بعدی موکول می‌کنیم. NVIDIA برای از بین بردن ابهامات مختلف در مورد GF100 یکسری اطلاعات اولیه را در مورد این چیپ‌ست منتشر کرده است که در ادامه به طور اجمالی به آن اشاره می‌کنیم:

1- GF100 اسم رمز اولین پردازنده‌گرافیکی GeForce بر مبنای معماری Fermi است.
2- عبارت GF مخفف Graphics Fermi است نه GeForce
3- بورد‌های به کار رفته در تولید کارت‌های گرافیک مبتنی بر GF100 مقدار 10.5 اینچ طول دارند، درست به اندازه کارت‌گرافیک‌های مبتنی بر GTX 200
GF100 -4 دارای بیش از سه Billion (میلیارد) ترانزیستور است!
5- GF100 از رمز‌گشای سخت‌افزاری Blu-Ray سه‌بعدی (3D) روی پردازنده‌گرافیکی برخوردار است.
6- GF100 از افزایش ولتاژ (GPU (Overvoltage به منظور اورکلاک‌ حرفه‌ای پشتیبانی می‌کند.
7- GF100 از یک مد کاملاً جدید برای ایجاد 32 مرحله تصحیح سطوح ناصاف به منظور دستیابی به بالاترین کیفیت تصویر پشتیبانی می‌کند.

NVIDIA معماری GF100 را بر پایه فناوری 40 نانومتر طراحی کرده است و حداکثر تعداد هسته‌های CUDA که در یک چیپ‌ست Fermi می‌تواند قرار بگیرند 512 عدد است. از طرفی بالاخره NVIDIA با تولید Fermi به سمت حافظه‌های GDDR5 روی آورد، در مورد ساختار رابط حافظه در این معماری NVIDIA با ایجاد 6 کانال 64 بیتی یک رابط حافظه 384 بیتی را در این پردازنده گرافیکی تعبیه کرده است که حداکثر از 6 گیگابایت حافظه VRAM پشتیبانی می‌کند!
با نگاهی دقیق‌تر به معماری GF100، مطابق بلوک دیاگرام زیر این معماری از واحد‌هایی به نام GPC یا Graphics Processing Clusters تشکیل شده است که هر GPC خود شامل 4 عدد SM یا Streaming Multiprocessors است، با وجود 4 عدد GPC در مجموع 16 عدد SM در این معماری گنجانده شده است، همچنین در اطراف چیپ‌ست کنترلر حافظه Memory Controllers ،Host Inteface ،GigaThread Engine دیده می‌شوند. پردازنده‌گرافیکی برای خواندن فرمان‌های صادر شده از طرف پردازنده‌مرکزی از درگاه Host Interface استفاده می‌کند، سپس موتور Giga Thread اطلاعات لازم را از حافظه اصلی سیستم دریافت Fetch می‌کند و آن‌ها در Frame Buffer کارت کپی می‌کند و سپس اطلاعات مورد نظر توسط موتور GigaThread برای انجام پردازش‌های لازم بین SMهای مختلف پخش می‌شود.

تصویر 1

همانطور که گفته شد هر GPC شامل 4 عدد SM است. GPC در ساختار خود دارای یک Raster Engine است، که اطلاعات اولیه پردازش شده توسط موتورهای PolyMorph به آن فرستاده می‌شود. موتور Raster از سه بخش تشکیل شده است:

1- Edge Setup
Rasterizer -2
Z-Cull -3

هرکدام از این سه بخش عملیاتهای مختلفی را روی پیکسل‌ها و Vertexها از جمله پردازش برابری راس‌ها (Edge Equations)، پوشش دادن پیکسل‌ها برای انجام عملیات‌های تصحیح سطوح ناصاف Anti-Aliasing و مقایسه پیکسل‌ها با پیکسل‌های موجود در فریم بافر و دست‌چین کردن پیکسل‌ها برای کاهش عملیات‌های Shadering و غیره… را انجام می‌دهند.

هر SM خود شامل بخش‌های مختلفی است که از مهمترین این بخش‌ها می‌توان به هسته‌های پردازشگر یا همان هسته‌های CUDA اشاره کرد که پردازش‌های اصلی توسط این هسته‌های پردازنده انجام می‌شوند و به نوعی تعداد آن‌ها یکی از اصلی‌ترین پارامترهای اندازه‌گیری قدرت پردازشی یک پردازنده‌گرافیکی است. در GF100 در هر SM تعداد 32 CUDA Core قرار گرفته است.

اشاره: NVIDIA با عرضه Fermi نام هسته‌های پردازشگر خود را که قبلاً Stream Processor نام داشتند را به CUDA Core تغییر نام داده است.
همانطور که در تصویر زیر ملاحظه می‌کنید هر CUDA Core دارای دو واحد محاسبه و منطق ALU به نام‌های FPU یا Floating Point Unit و INTU یا Integer Unit است، که همانطور که از نامشان پیداست FPU مسئول پردازش مقادیر ممیز اعشار است و INTU نیز مسئول پردازش مقادیر صحیح است، شایان ذکر است که NVIDIA در ساختار GF100 برای پردازش اعداد ممیز شناور از استاندارد IEEE 754-2008 استفاده کرده است. همچنین در سمت راست هسته‌ها واحدهای Load/Store قرار دارند که آدرس‌های مبدا و مقصد را در خود ذخیره می‌کنند. واحد‌های دیگری نیز به نام  SFU یا Special Function Unit در ساختار SMها وجود دارند که مسئول انجام عملیات‌های غیر جبری مثل سینوس، کسینوس، جذر و غیره … هستند.

از دیگر قسمت‌های مهم یک SM موتور PolyMorph است که شامل قسمت‌های زیر است:
1- Vertex Fetch
Tessellator -2
Viewport Transform -3
Attribute Setup -4
Stream Output -5
یکی از مهم‌ترین موجود در موتور PolyMorph واحد Tessellator است که با دریافت فاکتور‌های Tessellation از واحد Vertex Fetch که در حقیقت LOD یا Level Of Detail نامیده می‌شود، عملیات‌های مورد نظر برای Tessellation را انجام می‌دهد.