Журнал «Компьютерра» №38 - Журнал Компьютерра

Впрочем, довольно толочь воду в ступе. В конце концов, пусть и с полугодовым опозданием, но R520 - перед нами, и в ближайшее время видеокарты на его основе появятся в розничной продаже.

Итак, что же удалось сделать ATI? Я бы сказал, невероятно многое. Словно все три года, пока регулярно выходили превосходные видеокарты, полученные экстенсивным расширением старой технологии, инженеры откладывали все по-настоящему интересные задумки в долгий ящик, чтобы потом реализовать их скопом.

Во-первых, радикально переработано сердце любого графического ускорителя - блок пиксельных процессоров, отвечающий за закраску сцены по заданным алгоритмам. Традиционно в этом блоке ставится энное количество одинаковых пиксельных конвейеров, каждый из которых «в параллель» с остальными вычисляет цвет отдельно взятого пиксела (или субпиксела) в нашей сцене[Строго говоря, одиночные конвейеры сейчас уже никто не использует, поскольку гораздо эффективнее собирать их в группы по четыре штуки (процессоры квадов), чтобы они обрабатывали не отдельные пикселы, а блоки 2x2 пиксела (квады). При этом часть логики удается объединить, проводя некоторые операции не над отдельными пикселами, а над квадами целом - это и быстрее и проще]. То есть, единожды попав на какой-нибудь конвейер, пиксел, обрабатываемый соответствующей ему программой - пиксельным шейдером, раз за разом проходит по этому конвейеру, как бы крутится внутри него до тех пор, пока не закончится вычисление его цвета. Соответственно все устройства, и, в частности, текстурные модули, выбирающие из видеопамяти необходимые для этих вычислений данные, напрямую подключены к исполнительным устройствам конвейера. Схема достаточно простая и эффективная: нужно увеличить вычислительную мощность графического процессора - ставим больше конвейеров, и количество обрабатываемых за такт пикселов, а вместе тем и скорость закраски изображения пропорционально возрастет.

Инженеры aTI пошли другим, «процессорным» путем,[Подробнее см. «КТ» #609 (рубрика 'Архитектура ХХ века")] не став дублировать конвейеры, а организовав из GPU своеобразный суперскалярный процессор с единым конвейером, на котором несколько пикселов могут обрабатываться одновременно. Вместо того чтобы «распихать» пикселы по разным конвейерам, R520 накапливает их (вместе с соответствующими шейдерными инструкциями) в специальном огромном планировщике, который aTI называет Ultra-Threading Dispatch Processor. Почему Ultra? Да потому, что этот планировщик управляет одновременным выполнением колоссального числа операций (512 квадов 2x2 пиксела в High-End, и более скромные 128 квадов - в менее дорогих Middle-End и Low-End графических чипах). Все квады хранятся в длиннющих очередях, и по мере того, как освобождаются вычислительные ресурсы, отправляются на соответствующее устройство, будь то вычислительный, текстурный блок или блок графического Back-end’а (запись результатов во фрейм-буфер, блендинг, z-тест, антиалиасинг и пр.). Это более сложный подход, чем несколько однотипных конвейров, но и более гибкий и эффективный. Например, мы можем сколь угодно гибко варьировать соотношение количества вычислительных и текстурных модулей, так как они больше не подключаются друг к другу, образуя единое целое, а разделены по операциям, которые они выполняют[Подобную оптимизацию можно будет увидеть в ядре R530 - сердце Middle-End ускорителя Radeon X1600. В нем будет три процессора квадов (3x4 = 12 пиксельных конвейера), но всего один процессор текстур (1x4 = 4 TMU). Для современных шейдеров, которые больше занимаются вычислениями, нежели выборкой данных из оперативной памяти, такой подход оправдан, поскольку позволяет рациональнее расходовать площадь кристалла, увеличив число пиксельных конвейеров за счет сокращения числа TMU]. Речь идет о текстурных операциях, которые ранее могли блокировать конвейер до тех пор, пока не будет завершена операция выборки очередного тексела[Традиционный конвейер GPU устроен гораздо проще конвейера CPU, так что переупорядочивания инструкций, которое позволило бы обогнать застрявшую в конвейере инструкцию другой, не зависящей от нее, - в графических процессорах нет].

Заодно решается и проблема динамических условных переходов в шейдерах. Что это такое? Сейчас объясню: ради все того же упрощения пиксельных конвейеров, которых нужно уместить побольше на ограниченный кусочек кремния, эти конвейеры устраивают таким образом, что они вначале как бы настраиваются на ту или иную конкретную операцию над пикселами (сложение, вычитание, умножение) и затем применяют ее много раз подряд к разным пикселам; после чего перестраиваются на следующую операцию и снова применяют ее много раз к тем же пикселам, и т. д. Поскольку один и тот же шейдер обычно требуется применить к умопомрачительному количеству пикселов, такая схема обычно работает замечательно. Однако если встречается шейдер, в котором есть динамические условные переходы (которые нельзя заранее предсказать), то может оказаться так, что для одной части пикселов, «бегающих по кругу» в конвейере, какую-то операцию применять нужно, а для другой - нет. И это столь серьезная проблема, что графические чипы ATI долгое время не поддерживали динамические переходы (а значит, и Shader Model 2.0a и 3.0).

Правда, решение nVidia очень уж красивым тоже не назовешь: в ее варианте «глупый» конвейер по кругу обрабатывает все пиксели, но в решающий момент над некоторыми из них производит операцию, а некоторые - игнорирует[Похожий способ исполнения условных переходов можно встретить в процессорах ARM]. ATI нашла гораздо лучший выход: поскольку вместо нескольких «глупых» и простых конвейеров у нее лишь один, но «умный» и сложный, то не требующие обработки пиксельные квады до исполнительных устройств просто-напросто не добираются, уступая место тем квадам, с которыми действительно нужно что-то делать. В результате конвейер хоть и исполняет по-прежнему одну и ту же операцию над разными пикселами, неторопливо перестраиваясь с одной на другую, но делает это не в пример интеллектуальнее и не разбазаривает попусту свои ресурсы. А заодно семейство Radeon X1000 получает практически «бесплатную» поддержку шейдеров третьей версии. Честно говоря, столь блестящему решению, убивающему разом целую стаю зайцев, можно только позавидовать! Это еще не унифицированная шейдерная архитектура, где единый конвейер (а вернее, набор из таковых) может обрабатывать любые шейдеры - как пиксельные, так и вершинные, но то, что полшага в ее сторону сделано, - несомненно.

Вторая группа изменений коснулась оптимизации графического процессора для работы на больших и очень больших тактовых частотах. Например, архитектура подсистемы памяти была полностью переделана для поддержки казавшейся невероятно быстрой видеопамяти - 1500 МГц GDDR3[И ведь это еще не предел - ходят вполне правдоподобные слухи, что R520 поддерживает не вышедшую пока в свет графическую оперативную память следующего поколения, GDDR4]. Вместо традиционной схемы с множеством текстурных модулей (TMU), централизованно подключавшихся к единому контроллеру оперативной памяти, который, в свою очередь, по широким шинам запрашивал данные из памяти и возвращал ответ по тем же каналам связи, по которым пришел запрос, ATI изобрела принципиально новую, кольцевую внутреннюю шину видеопамяти, «размазывающую» контроллер памяти едва ли не по всему графическому процессору. Идея в том, что вместо одного большого и сложного контроллера мы делаем до восьми маленьких контроллеров, каждый из которых контролирует только свой относительно небольшой кусочек видеопамяти. Причем он расположен в кристалле так, чтобы сравнительно узкую (32-разрядную) шину видеопамяти от него было удобнее разводить на печатной плате и тем самым сводить к минимуму помехи, обычно возникающие из-за несовершенства разводки. Вдобавок, небольшим контроллерам требуются небольшие же кэши данных, что позволяет отказаться от традиционных упрощенных и имеющих ряд недостатков кэшей прямого отображения и наборно-ассоциативных кэшей в пользу более сложных, но лишенных этого недостатка полностью ассоциативных кэшей.

Маленькие контроллеры (точнее, интерфейсы для подключения модулей памяти) объединяются очень быстрой внутренней двунаправленной кольцевой шиной (шириной 256 линий в каждом направлении для моделей с 256-разрядной основной шиной памяти и 128 линий - для более дешевых). На кольце имеется четыре «остановки» - точки подключения к внешних устройств. Например, для топовых R520 к каждой такой «остановке» подключено по два модуля памяти (шина памяти 2x32 разряда) и какая-то часть внутренних устройств процессора, расположенных поблизости. Каких? А неважно: какие было удобно подключить именно в этом месте, такие и подключили. Кроме того, по специальным простым управляющим шинам (по которым передаются только инструкции) каждая такая «остановка» подключена к «диспетчеру» - тому самому централизованному контроллеру памяти, который не занимается доставкой данных к исполнительным устройствам, а только «отдает распоряжения» и «присматривает» за тем, чтобы нужные данные прочитал нужный маленький контроллер и отправил их по кольцу до нужной «остановки», где их сможет снять само исполнительное устройство.