Katsaus AMD:n RDNA-grafiikka-arkkitehtuuriin (Navi)

AMD kertoi toukokuun lopussa Computex-messuilla toimitusjohtaja Lisa Sun  keynote-esityksen yhteydessä ensimmäistä kertaa julkisesti tarkempia tietoja Navi-grafiikka-arkkitehtuuristaan ja siihen perustuvista grafiikkapiireistä. Tarkemmin ottaen Navi-arkkitehtuuri sai nimekseen Radeon DNA eli RDNA ja ensimmäisen sukupolven grafiikkapiirit tunnetaan jatkossa Navi-koodinimillä.

RDNA on pitkään yhtiön grafiikkapiireissä käytössä olleen ja 5. sukupolveen asti kehittyneen Graphics Core Next- eli GCN-arkkitehtuurin seuraaja. AMD puhuu kokonaan uudesta arkkitehtuurista sillä se on tehnyt suuria muutoksia muun muassa laskentayksikön rakenteeseen ja siihen miten laskuoperaatioita suoritetaan.

Ensimmäiset tiedonmuruset Navi-arkkitehtuurista saatiin keväällä 2016, kun AMD esitteli Game Developer Conference -tapahtuman yhteydessä tulevaisuuden grafiikkasuunnitelmiaan. Tuolloin kehitteillä oli Vega-grafiikkapiirit HBM2-muisteilla julkaistavaksi vuonna 2017 ja Navi oli tarkoitus lanseerata seuraavan sukupolven muistilla eli GDDR6:lla sitä seuraavana vuonna eli 2018.

Vega 10 -grafiikkapiiri julkaistiin pelaajille suurin odotuksin Radeon RX Vega 56- ja 64-näytönohjaimissa elokuussa 2017. Onnistuneen Ryzen-prosessorijulkaisun jälkeen Vegan ympärille ehti muodostua lähes järjetön hype, mutta näytönohjaimisen suorituskyky, saatavuus, todellinen hintataso, lämmöntuotto ja melutaso jättivät lopulta runsaasti toivomisen varaa. AMD joutui venyttämään Globalfoundriesin 14 nanometrin prosessilla valmistetun Vega 10 -grafiikkapiirin lopulta äärimmilleen, jotta se pysyi kilpailemaan edes NVIDIAn GeForce GTX 1080:n kanssa ja 1080 Ti jäi täysin tavoittamattomiin.

Vegan julkaisun jälkimaingeissa täydellistä radiohiljaisuutta pitänyt AMD:n grafiikkapomo Raja Koduri ilmoitti ensin jättäytyvänsä muutamaksi kuukaudeksi sapattivapaalle, mutta ilmoitti lopulta eroavansa. Koduri siirtyi välittömästi Intelille pääarkkitehdiksi kehittämään yhtiön uutta Arctic Sound -koodinimellistä Xe-grafiikka-arkkitehtuuria, johon pohjautuvia pelinäytönohjaimia odotetaan julkaistavaksi vuonna 2020.

RDNA-arkkitehtuurin yksityiskohdat

Uusi RDNA-arkkitehtuuri on suunniteltu ja muokattu puhtaasti pelaamiseen ja tulee olemaan käytössä yhtiön tulevissa pelinäytönohjaimissa. GCN-arkkitehtuurin ja HBM-muistien käyttöä jatketaan suorituskykyisessä laskennassa Radeon Instinct -kiihdyttimissä.

RDNA-arkkitehtuurin kolme suurinta uudistusta ovat uudistettu ja muokattu CU- eli Compute Unit -laskentayksikkö, välimuisti sekä suoraviivaistettu liukuhihna korkeampien kellotaajuksien saavuttamiseksi.

AMD:n mukaan uudistusten myötä RDNA tarjoaa 25 % paremman suorituskyvyn samalla kellotaajuudella ja 50 % paremman suorituskyvyn wattia kohti kuin GCN-arkkitehtuuri.

Uudistettu CU-laskentayksikkö on suunniteltu ensisijaisesti mahdollisimman hyvää yksisäikeistä suorituskykyä ajatellen siinä missä GCN-arkkitehtuurin vahvuus on rinnakkaisuudessa ja mahdollisimman runsaan työmäärän jatkuvassa käsittelyssä. RDNA:n CU-laskentayksikössä on yhdistetty joiltain osin muokattuna ja resursseja jakamalla kaksi CGN:n laskentayksikköä ja AMD kutsuu kokonaisuutta ”Dual Compute Unit” -laskentayksiköksi.

Grafiikkapiirissä suoritettavaa joukkoa työtehtäviä kutsutaan waveksi tai wavefrontiksi. GCN-arkkitehtuurissa on käytössä wave64 eli 64 työtehtävästä eli elementistä tai linjasta rakentuva yksikkö, joita voidaan suorittaa neljän kellojakson välein.

RDNA puolestaan käyttää 32 elementtiä leveitä wave32-yksiköitä ja niitä voidaan suorittaa jokaisessa kellojaksossa. Navi voi tarvittaessa suorittaa myös Wave64-yksiköitä kahden kellojakson välein.

GCN-arkkitehtuurissa wave64:n suorittamiseen käytössä on neljä SIMD-yksikköä (Single Instruction, Multiple Data) ja yksiköt kykenevät käsittelemään 16 elementtiä kerrallaan. SFU- eli Special Function Unit -yksikköjä GCN:ssä on neljä kappaletta SIMD4-linjaisena.

RDNA-arkkitehtuurissa wave32 ja wave64:n suorittamiseen on käytössä kaksi SIMD-yksikköä ja ne kykenevät käsittelemään 32 elementtiä kerrallaan. SFU-yksikköjä on 2 kappaletta SIMD8-linjaisena.

RDNA-arkkitehtuuria pystytään työllistämään huomattavasti paremmin erityisesti pienemmillä työkuormilla, joita pelit suosivat. Teoriassa GCN-arkkitehtuurilla yhden säikeen 64 työyksikön (wave64) IPC-suorituskyky on 0,25 ja RDNA:lla potentiaalisesti 1.

Välimuistihierarkiaan on lisätty latenssien alentamiseksi mukaan kokonaan uusi L1-välimuisti ja Load-kaistanleveys aritmeettis-loogisiltä yksiköiltä eli ALU:ilta L0-välimuistiin on tuplattu.

AMD:n mukaan edellä mainittujen uudistuksen ansiosta sekä grafiikkaliukuhihnan rakennetta suoraviivaistamalla RDNA kykenee tarjoamaan 25 % parempaa suorituskykyä per kellojakso verrattuna GCN:ään. Navi 10 -grafiikkapiirissä CU-laskentayksiköt on jaettu neljään osaan (Compute Engine) ja niitä palvelee yksi geometriaprosessori.

Samalla tehonkulutuksella RDNA:n puolestaan kerrotaan tarjoavan 50 % parempaa suorituskykyä kuin GCN. AMD on pilkkonut ilmoittamansa suorituskykyparannuksen osiin ja yli 50 % tulee arkkitehtuurin paremmasta IPC-suorituskyvystä, reilu 20 % 7 nm:n prosessin eduista ja reilu 10 % korkeammasta kellotaajuudesta ja virrankulutuksen parannuksista.

Navi 10 -grafiikkapiiri

AMD:n ensimmäinen RDNA-arkkitehtuuriin pohjautuva grafiikkapiiri on TSMC:n 7 nanometrin prosessilla valmistettava Navi 10, joka rakentuu 10,3 miljardista transistorista ja sen pinta-ala on 251 neliömillimetriä. Grafiikkapiiri on käytössä Radeon RX 5700 -sarjan näytönohjaimissa.

Navi 10 -grafiikkapiiri on varustettu 40 CU-yksiköllä tai 20 Dual CU -yksiköllä, joissa on yhteensä 2560 stream-prosessoria ja 160 teksturointiyksikköä. Jokaisella Compute Enginellä on oma 128 kilotavun L1-välimuisti, jota on yhteensä 512 kilotavua ja L2-välimuistia on neljä megatavua. Grafiikkapiiri kykenee suorittamaan 64 rasterioperaatiota (ROPs) per kellojakso. Muistiväylä on 256-bittinen ja käytössä on uusi GDDR6-muististandardi. PCI Express -ohjain tukee uutta 4.0-standardia, joka tuplaa kaistanleveyden 3.0-standardiin verrattuna.

Näyttöstandardien puolella Navissa on tuettuna on Display Stream Compression 1.2a, joka mahdollistaa 4K-resoluution korkealla 144 hertsin virkistystaajuudella ja HDR-tuella ilman kroman alinäytteistystä tai useamman DisplayPort-kaapelin käyttöä. Videon enkoodaus on tuettuna 8K-resoluutiolla VP9- ja H.265-koodekeilla ja enkoodausnopeuden kerrotaan parantuneen 40 %:iin asti.

Radeon RX 5700 -sarjan näytönohjaimet

Radeon RX 5700 XT käyttää täyttä Navi 10 -grafiikkapiiriä eli käytössä ovat kaikki 40 CU-yksikköä ja 2560 stream-prosessoria. Grafiikkapiiri toimii 1605 MHz:n perustaajuudella ja maksimissaan 1905 MHz:n Boost-taajuudella. Näytönohjaimen TBP eli Typical Board Power on 225 wattia.

Radeon RX 5700:n grafiikkapiiristä on karsittu neljä CU-yksikköä eli siinä on 2304 stream-prosessoria. Grafiikkapiiri toimii 1465 MHz:n perustaajuudella ja maksimissaan 1725 MHz:n Boost-taajuudella. Näytönohjaimen TBP on 180 wattia.

Molemmat näytönohjaimet on varustettu 256-bittisellä muistiväylällä, jonka jatkeena on kahdeksan gigatavua 14 Gbps:n nopeudella toimivaa GDDR6-muistia. Muistiväylän kaistanleveys on molemmissa 448 gigatavua sekunnissa.

AMD on lanseerannut Radeon RX 5700 -näytönohjaimien yhteydessä uuden Game-kellotaajuuden, jota se käyttää kuvaamaan grafiikkapiirin todellista kellotaajuutta tyypillisessä pelirasituksessa. 5700 XT:n pelitaajuus on 1755 MHz ja 5700:n 1725 MHz.

Uudet Radeon RX 5700 -näytönohjaimet saapuvat myyntiin 7. heinäkuuta ja ne kilpailevat NVIDIAn GeForce RTX 2060- ja 2070-mallien kanssa. Aluksi myyntiin saapuu AMD:n omaan referenssisuunnitteluun pohjautuvat blower-tuulettimella varustetut mallit, mutta myöhemmin tulossa ovat näytönohjainvalmistajien omiin piirilevysuunnitelmiin ja jäähdytysratkaisuihin pohjautuvat mallit.

Yhteenveto

Ensimmäisenä julkaistu Navi 10 -grafiikkapiiri kilpailee n. 350-500 euron hintaluokassa NVIDIAn GeForce RTX 2060- ja 2070-näytönohjaimien kanssa ja korvaa markkinoilla Vega 56- ja 64-näytönohjaimet. Toistaiseksi tiedossa ei ole, aikooko AMD julkaista muita 7 nm:n prosessilla valmistettavia Navi-piirejä ja millä aikataululla, mutta Linux-ajureissa on jo maininnat ainakin Navi 14 -grafiikkapiiristä.

Oletettavaa on, että ainakin nykyinen Radeon VII -näytönohjain ja Vega 20 -grafiikkapiiri korvataan jossain vaiheessa isommalla Navi-piirillä. Pienempi Navi-piiri puolestaan voisi korvata nykyiset Polaris-grafiikkapiirejä käyttävät Radeon RX 500 -sarjan näytönohjaimet.

Siinä missä NVIDIA keskittyi Turing-arkkitehtuurillaan ja GeForce RTX -näytönohjaimillaan rautapohjaiseen säteenseurannan kiihdyttämiseen ja DLSS-reunojenpehmennykseen, AMD:n Radeon RX 5700 -näytönohjaimet käyttävät useampaa uutta teknologiaa. Grafiikka-arkkitehtuuria on uudistettu isolla kädellä, käytössä on pienempi 7 nanometrin valmistusprosessi ja PCI Express -väylä on päivitetty 4.0-standardiin. Molemmat NVIDIA ja AMD käyttävät pelinäytönohjaimissaan nyt uusimpia GDDR6-muisteja.

AMD valotti E3-messujen yhteydessä medialle järjestetyssä Tech Day -tapahtumassa hieman suunnitelmiaan uuden RDNA-arkkitehtuurin ja säteenseurannan suhteen. Ensimmäisenä RDNA-arkkitehtuuri ja Navi-grafiikkapiiri ovat käytössä Radeon RX 5700 -sarjan näytönohjaimissa ja tarkemmalta nimeltään kyseessä on Navi 10. Toistaiseksi mahdollisesti isommista tai pienemmistä Navi-piireistä ei ole tietoa, mutta luvassa on joka tapauksessa nopealla aikataululla päivitys 7nm+ -valmistusprosessiin ja RDNA 2 -arkkitehtuuriin.

Todennäköisesti jo ensi vuonna julkaistava RDNA 2 -arkkitehtuuri tuo mukanaan muun muassa rautapohjaisen kiihdytyksen säteenseurannalle ja valikoiduille valaistusefekteille. Laajempaa säteenseurannan kiihdytystä AMD suunnittelee toteutettavaksi pilvipohjaisesti. Microsoft ja Sony ovat molemmat ilmoittaneet tuovansa seuraavan sukupolven pelikonsolinsa markkinoille ensi vuonna kustoimoidulla Navi-grafiikkapiirillä, joka tukee säteenseurantaa. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että Navi-grafiikkapiirejä tullaan näkemään myös RDNA 2 -arkkitehtuuriin pohjautuen. Tähän asti AMD:n roadmapeissa Navin jälkeiseen 7 nm+ -päivitykseen on viitattu Next-gen-nimellä.

Edellinen Graphics Core Next -arkkitehtuuri soveltuu edelleen hyvin suorituskykyiseen laskentaan, joten AMD tulee jatkamaan todennäköisesti sen ja HBM-muistien käyttöä Radeon Instinct -kiihdyttimissään. Jatkossa pelinäytönohjaimet tulevat perustumaan RDNA-arkkitehtuuriin.