Katsaus NVIDIAn Ampere-arkkitehtuuriin ja ominaisuuksiin

NVIDIA julkisti syyskuun alussa GeForce RTX 30 -sarjan näytönohjaimet, joiden grafiikkapiirit perustuvat uuteen Ampere-arkkitehtuuriin. Käymme tässä artikkelissa läpi arkkitehtuurin ominaisuudet sekä tutustumme GA102-grafiikkapiiriin ja GDDR6X-muisteihin, joita käytetään sekä GeForce RTX 3080- että RTX 3090 -malleissa. Myöhemmin lokakuussa myyntiin saapuva GeForce RTX 3070 käyttää pienempää GA104-grafiikkapiiriä ja GDDR6-muisteja.

Ampere-arkkitehtuuri

NVIDIA on jakanut Ampere-arkkitehtuurin uudistukset viiteen pääelementtiin: uuteen Streaming Multiprocessor- eli SM-yksikköön, toisen sukupolven Ray Tracing- eli RT-ytimeen, kolmannen sukupolven tensoriytimeen, GDDR6X-muisteihin ja uudelleensuunniteltuun jäähdytysratkaisuun. GeForce-pelinäytönohjaimissa käytettävät grafiikkapiirit valmistetaan Samsungin NVIDIAlle kustomoimalla 8 nanometrin valmistusprosessilla, joka perustuu yhtiön 10 nanometrin prosessiin.

GA102-grafiikkapiiri

GeForce RTX 3080- ja 3090-näytönohjaimissa käytössä oleva GA102-grafiikkapiiri rakentuu yhteensä 28 miljardista transistorista. Se sisältää tehtäviä jakavan GigaThread Enginen, PCI Express 4.0 x16 -linkin ja yhteensä 7 GPC-yksikköä (Graphics Processing Cluster), joista kussakin on kuusi TPC-yksikköä (Texture Processing Cluster), jotka puolestaan sisältävät kukin kaksi SM-yksikköä (Streaming Multiprocessor).

Piirissä on jaettu kuuden megatavun L2-välimuisti, neljä NVLink x4 -linkkiä sekä yhteensä kaksitoista 32-bittistä GDDR6X-muistiohjainta, joista kukin ohjaa kahta 16-bittistä muistikanavaa. Aiemmin L2-välimuistin yhteydessä sijainneet ROP-yksiköt (Render OutPut unit) on siirretty nyt osaksi GPC-yksiköitä.

GeForce RTX 3090 -huippumallissa on käytössä kaikki seitsemän GPC-yksikköä, mutta yksi TPC-yksikkö ja sen myötä kaksi SM-yksikköä on poistettu käytöstä. RTX 3080 -mallissa on poistettu käytöstä yksi kokonainen GPC-yksikkö, kaksi TPC-yksikköä, kaksi 32-bittistä muistiohjainta sekä NVLink-linkit.

GeForce RTX 3070 -näytönohjaimen käyttämän GA104-grafiikkapiirin tarkat tekniset ominaisuudet ovat vielä osittain hämärän peitossa. NVIDIA ei ole julkaissut piiristä vielä blokkidiagrammia, eikä GPC-yksiköiden ja siten ROP-yksiköiden määrää voida päätellä muiden yksiköiden määrästä, sillä NVIDIA on käyttänyt ennenkin saman arkkitehtuurin sisällä erilaisia GPC-konfiguraatioita. Löydät näytönohjainten tarkemmat tiedossa olevat tekniset yksityiskohdat yllä olevasta taulukosta.

Streaming Multiprocessor -yksikkö

NVIDIAn grafiikkapiirien peruspilari eli SM-yksikkö rakentui edellisessä Turing-sukupolvessa neljästä SIMD-yksiköstä (Single Instruction, Multiple Data), joista kussakin on oma Warp Scheduler -vuorontaja ja tehtävien lähetysyksikkö (Dispatch), jotka kukin kykenevät 32 säikeeseen kellojaksoa kohti. Ne jakavat tehtävät kahdelle tensoriyksikölle sekä 16 FP32-tarkkuuden (Floating Point, liukuluku) CUDA-ytimelle ja 16 INT32-tarkkuuden (Integer, kokonaisluku) ytimelle. Lisäksi SM-yksikköön kuuluu yksi RT-ydin, kuten aiemminkin.

Ampere-arkkitehtuurissa SIMD-yksiköiden perusrakenne on pysynyt identtisenä, mutta toisen datapolun INT32-yksiköt on päivitetty CUDA-ytimiksi, jotka hallitsevat sekä FP32- että INT32-tarkkuuden laskut. Tämän muutoksen myötä myös SM-yksiköiden laskennallinen CUDA-ydinten määrä kaksinkertaistui, vaikka itse laskentayksiköiden määrä ei ole muuttunut. Lisäksi NVIDIA on kasvattanut L1-välimuistin kaistan kaksinkertaiseksi, lisännyt sen määrää yhteensä 33 % ja kasvattanut välimuistiosioiden koon kaksinkertaiseksi.

Tensoriydin

GA102:n SIMD-yksikköjen rinnalla on nyt vain yksi tensoriydin, mutta se on tehokkaampi kuin aiemmat kaksi ydintä. Siinä missä Turing-arkkitehtuurin tensoriydin kykeni 64 FP16-tarkkuuden FMA-operaatioon (Fused Multiply-Add) kellojaksossa, yltää GA102:n tensoriydin tehtävästä riippuen joko 128 FP16 FMA -operaatioon (Dense-matriisit) tai 256 FP16 FMA -operaatioon (Sparse-matriisit) per kellojakso.

RT-ydin

Toisen sukupolven RT- eli säteenseurantaytimet sisältävät ensimmäisen sukupolven tavoin MIMD-rakenteeseen (Multiple Instruction, Multiple Data) perustuvan BVH Traversal -yksikön (Bounding Volume Hierarchy), Bounding Box -törmäystarkistimen ja kolmio-törmäystarkistimen. Uutuutena siihen on lisätty uusi interpolointiyksikkö, joka kykenee laskemaan kolmion muuttuvan sijainnin ajan funktiona, mitä voidaan hyödyntää motion blur -efektien toteuttamisessa nopeuttaen BVH Traversal -toimintoja parhaimmillaan kahdeksankertaiseksi, kun osumien edelliset sijainnit ovat jo tiedossa. Myös kolmiotörmäystarkistuksen nopeutta on kasvatettu kaksinkertaiseksi aiempaan nähden.

GDDR6X-muistit

GDDR6X-muistit ovat NVIDIAn ja Micronin yhteistyön hedelmä ja niiden merkittävin muutos on NRZ-signaloinnin (binäärinen Non-Return to Zero) vaihto PAM4-signalointiin (4-tasoinen Pulse Amplitude Modulation). Tämä mahdollistaa tiedonsiirron neljä kertaa kellojaksoa kohti, kun NRZ-signaloinnilla voidaan siirtää dataa kaksi kertaa kellojaksossa. Uusi Max Transition Avoidance Coding eli MTA-teknologia varmistaa, että signaalin jännitetasot voivat hypätä korkeintaan kaksi jännitetasoa ylös- tai alaspäin kerrallaan. Tällä on pyritty pitämään muistisignaalin ns. ”datasilmä” mahdollisimman laajana. Muistiohjaimet myös ”opettavat” itseään aika-ajoin uudelleen varmistaakseen, jotta data luetaan oikeassa kohtaa signaalia. RTX 3080 -mallissa GDDR6X-muistit toimivat 19 Gbps:n ja RTX 3090 -mallissa 19,5 Gbps:n nopeudella.

Energiatehokkuus

NVIDIAn mukaan kaikki arkkitehtuurin ja valmistusprosessin muutokset sekä itse grafiikkaydinten ja muun sirun jännitelinjojen erottelu toisistaan nostavat Ampere-arkkitehtuurin energiatehokkuuden parhaimmillaan 1,9-kertaiseksi Turingiin verrattuna. Oletettavasti vertailukohtina ovat RTX 3080 ja RTX 2080 Super, joita NVIDIA on käyttänyt muissakin vertailuissaan. Käytännössä parannus ei kuitenkaan tule olemaan 90 %, sillä se on mitattu hidastamalla Amperen suorituskykyä samalle tasolle Turingin kanssa. NVIDIAn suorituskykygraafien perusteella Control-pelissä RTX 3080:n suorituskyky wattia kohden tulisi olemaan todellisuudessa noin 30 % parempi, kuin RTX 2080 Superilla.

Testiartikkeli NVIDIAn omasta GeForce RTX 3080 Founders Edition -näytönohjaimesta julkaistaan 16. syyskuuta. Näytönohjainvalmistajien eli Asuksen, Gigabyten ja MSI:n GeForce RTX 3080 -mallien testi julkaistaan 17. syyskuuta. GeForce RTX 3090 -näytönohjaimien testitulokset saa julkaista 24. syyskuuta. GeForce RTX 3070 -näytönohjaimet saapuvat lokakuussa. NVIDIA ei vielä toistaiseksi julkistanut GeForce RTX 3060- ja 3050-malleja.