سخت افزار

معماری تراشه‌های گرافیکی شباهتِ زیادی به اتوبوس‌های لندن دارد، به ندرت دستگاهِ جدیدی در آنها خواهید دید و از طرفِ دیگر، گاهی اوقات به طورِ غیرمنتظره ناپدید می‌شوند یا دو مدل از آنها همزمان پدیدار می‌شوند. جالبی ماجرا این است که اِی‌اِم‌دی و اِنویدیا هر دو تراشه‌های گرافیکی درجه یکشان را به فاصله‌ی یک ماه از هم ارائه کردند.

بگذارید در همین ابتدای بررسی مطلبی را روشن کنیم. دو غولِ تراشه‌های گرافیکی مسیرهای متفاوتی را برای رفعِ موانعِ گیمینگ در رزولوشن‌های بالا انتخاب کرده‌اند. البته این تصمیماتِ کلیدی در واقع قبل‌تر از اینها اتخاذ می‌شود، معمولا سال‌ها قبل، بنابراین چیزی که امروز می‌بینید مشخصاتِ اصلی طراحی شده توسطِ  تیمِ مهندسی آنها است که در سالِ ۲۰۱۲ یا حوالی آن تعیین شده است.

شرکت Nvidia قدرتِ زیادی را از معماری کم مصرفِ Maxwell بدست آورده و به توانِ عملیاتی قابلِ توجهِ آن در طراحی ۲۵۰ واتی GM200 متکی بوده است. از طرفِ دیگر، اِی‌اِم‌دی معماری GCN خود را بهینه سازی کرده و در عوض تمرکزِ خود را روی بخشِ حافظه‌ی محصولِ خود معطوف کرده است. ما همه چیز را درباره‌ی نتیجه‌ی کوشِش اِنویدیا با بررسی آمارخارق العاده‌ی GeForce GTX Titan X و همین طور جدیدا هم GTX 980 Ti می‌دانیم، پس اجازه دهید بررسی کنیم که اِی‌اِم‌دی در مقابل چه چیزی در چنته دارد و مستقیم به محصولِ برگرفته شده از معماری Fiji، یعنی رادِئون R9 Fury X بپردازیم.

همان‌گونه که قبلا خواندید، اِی‌اِم‌دی سرگذشتِ Fiji را در مراسمِ متعدد و زمان‌های مختلف، مرحله به مرحله اعلام کرده است. ابتدا جزییاتِ یک ابداع و فناوری هوشمندانه‌ی جدید که HBM خوانده می‌شد فاش شد. سپس در مراسم E3 2015 بخشی از رونمایی آن انجام شد که نمایندگانِ ارشدِ اِی‌اِم‌دی، اشاره‌هایی اِجمالی به راندمانِ این کارتِ گرافیکی داشتند و مشخصاتِ سطحِ بالای تراشه‌ی Fury X هم رسما معرفی شد.

اما Fury X پیاده سازی کاملی از معماری Fiji را به خدمت گرفته است و بر اساسِ همان روشِ ۲۸ نانومتری که از دِسامبر سال ۲۰۱۱ مورد استفاده قرار می‌گرفته، ساخته شده است. اِی‌اِم‌دی با این معماری پایه امتیازِ بزرگی را به نام خود ثبت نمی‌کند. در واقع Fury X از همان معماری GCN 1.2 یا به زبان خود اِی‌اِم‌دی مشتق نسل سومی استفاده می‌کند، مشابه‌ی همانی که در تراشه‌های گرافیکی Tonga یا Antigua و در کارت‌های گرافیکی R9 285 و R9 380 بکار گرفته شده است. راه حل Fury X برای تقابل با موانعِ پردازش در رزولوشن‌های بالا، بیش از آن‌که ظریف و مبتکرانه باشد، خَشن و بی محابا است: اِی‌اِم‌دی طراحی خود را در مقیاس بزرگتری پیاده سازی کرده تا بتواند هسته‌های پردازشی و واحدهای بافتِ بیشتری را در خود جای دهد.

در حالی‌ که کارت‌های تازه متولد شده‌ی R9 390X و R9 380 به ترتیب ۲۸۱۶ و ۱۷۹۲ هسته‌ی پردازشی دارند که در ۱۱ و ۷ واحد بزرگتر  (CU(Compute Units تقسیم شده‌اند، تراشه‌ی Fiji واحدها را به تعدادِ عظیمِ ۱۶ CU افزایش داده است. با توجه به دیاگرامِ بالا، Fiji دارای ۴ واحدِ Shader Engine است که هر یک به تنهایی دارای ۱۶ compute unite هستند و هر CU هم  ۶۴ هسته را در دلِ خود دارد، با این حساب در کل تعدادِ ۴۰۹۶ واحدِ پردازشِ منطقی را در اختیار خواهیم داشت. با در نظر گرفتنِ ۱۶ واحدِ پردازشِ بافت در هر CU، در کلِ تراشه ۲۵۶ واحد TMU خواهیم داشت. با علمِ قبلی به اینکه سَقفِ فرکانسِ کاری تراشه ۱۰۵۰ مگاهرتز است، توانِ بالقوه‌ی پردازشی ۸/۶ تِرافِلاپس را تنها در یک تراشه خواهیم داشت، چیزی که به آسانی هر آنچه را که در گذشته دیده شده، حَقیر جلوه می‌دهد.

تراشه‌ی اِی‌اِم‌دی بر بستری ۵۹۶ میلی متر مربعی بنا شده، که مقداری کوچکتر از تراشه‌ی GM200 ماکسوِل انویدیا است، اما اگر چیزی در مورد طراحی این تراشه گرافیکی بدانید، مهم نیست که این تراشه چقدر بزرگ باشد، چرا که این طراحی از نظر کارشناسان همچنان یک چالش باقی می‌ماند. تمرکزِ این شرکت روی توانِ Compute یا پردازشِ چند منظوره در این معماری ( که در برخی کاربردها مثل Mining بکار گرفته می‌شد)، نگرشِ متفاوتی را در استراتژی سخت افزاری اِی‌اِم‌دی رقم زده است و بخشِ اعظمِ این تراشه هم به واحدهای پردازشی CU اختصاص داده شده است.

چیزی که در ازای پیاده سازی این روش از دست می‌دهیم، عدمِ مقیاس پذیری تعدادِ واحدهای خروجی رندر است که هنوز در تعدادِ ۶۴ واحد باقی مانده است و در کنار آن، عدم افزایشِ مشخصِ ۴ واحد پردازشِ ترسیم یا geometry و سخت افزارِ مربوطه است که هم اکنون هم در تراشه‌ی Hawaii وجود دارد. مورد دیگری که از جنبه‌ی یک کارتِ گرافیکِ بازی محور مهم است، عدمِ وجودِ بخشی است که برای اجرای سریع‌تر محاسباتِ اعشاری در Fiji لازم است و سرعتِ اجرای این محاسبات را تنها به ۱/۱۶ (یک شانزدهم) سرعتِ پردازشِ مُحاسباتِ عددِ صحیح که رقمی کمتر از توان R9 390X است ، محدود کرده است. چالشِ واقعی برای هر معماری سخت افزاری این است که گلوگاه‌هایی را که در دوره‌ی زمانی ۲ یا ۳ سال بعد ایجاد خواهد شد، پیش بینی کند. اِی‌اِم‌دی و انویدیا در این زمینه دیدگاه‌های متفاوتی را بروز داده‌اند، مثلا کارتِ GTX 980 Ti در خروجی‌های رندر یا ROP قوی‌تر است، در حالی که Fiji در بخش سایه‌زن‌ها قدرتِ بالاتری دارد.

جای دادن واحدهای بیشتر بدون افزایش مصرف

اِی‌اِم‌دی به هدف ارزنده‌ای برای جای دادنِ حدود ۵۰ درصد واحدهای سایه زن و پردازشِ بافتِ بیشتر، بدونِ افزایشِ توانِ مصرفی کارتِ گرافیکی دست یافته است، اگر بخواهیم آن را با آخرین نسلِ بهینه شده‌ی پردازنده‌های Granada که در R9 390X وجود دارد مقایسه کنیم. پُرسشِ اساسی که باید پاسخ داده شود این است که اِی‌اِم‌دی این مهم را چگونه محقق کرده است؟ پاسخ در ۳ قسمت خلاصه است.

هر اِشتقاقِ و بازسازی جدید از تراشه‌های گرافیکی قدیمی‌تر از آخرین پیشرفت‌های فناوری بهره‌مند می‌شوند، چیزی که در نسلِ اول آنها قابل پیاده‌ سازی نبود و Fiji یک نمونه‌ی آن است. اِی‌اِم‌دی آخرین دستاوردهای بهینه سازی مصرفِ توان را از تجربیاتِ خود با APU های Carrizo به Fiji منتقل کرده است.

روشی که هر کارت فرکانسِ خود را به سطحِ مشخصی در حالتِ Boost افزایش می‌دهد، به ترکیبِ مشخصی از ولتاژ و نقاطِ فرکانسی خاص بستگی دارد که با چیزی بیشتر از یک منحنی خطی تعیین می‌گردد. اکنون هر یک از این نقاط بر اساس فاکتورهای دیگری مثلِ دما و کیفیتِ سیلیکون مشخص می‌شوند و این کنترلِ دست چین شده، به Fury X امکان می‌دهد که بدونِ اتلافِ بی‌ دلیلِ ولتاژ به حداکثر سرعتِ خود دسترسی پیدا کند.

مدیریتِ توانِ هوشمندانه هم شما را فراتر از مواردِ گفته شده به پیش خواهد برد. بخشِ دومِ بهینه سازی توان، نظارت بر کنترلِ مصرف با کاستن از دما تا جای ممکن است. یک اصلِ ابتدایی فیزیک این است که اگر دما افزایش یابد، مصرفِ توان هم بیشتر می‌شود، حتی اگر ولتاژ بیشتری به پردازنده اعمال نشود که این رخداد به اثر Poole-Frenkel مشهور است. به بیانِ ساده، با خُنک نگه داشتنِ کارت توسطِ خنک کننده‌ی مایع و در دمای پایین، اِی‌اِم‌دی توانسته است به میزان مطمئنی از توانِ مصرفی کارت بِکاهد.

و البته HBM

همان‌گونه که قبلا در مورد HBM به جُزییات پرداخته‌ایم، مصرفِ توانِ HBM به میزان قابل توجهی پایین‌تر از GDDR5 است و پهنای باندِ بالاتر را با استفاده از یک عرضِ باندِ فوِق عریض، اما کندتر که مستقیما با کمک یک رابط به تراشه‌ی گرافیکی متصل می‌شود، فرآهم می‌سازد. همچنین HBM دسترسی با تاخیرِ کمتر و ساده‌تر بودنِ یکپارچگی با هسته‌ی تراشه‌ی گرافیکی را هم ارائه می‌کند. اِی‌اِم‌دی می‌گوید که بخش قابل توجهی از بسترِ تراشه را به کمکِ عدم نیاز به ساختِ رابطِ حافظه‌ی ۵۱۲ بیتی GDDR5 ( مانند همان بخشی که در R9 390X پیاده سازی شده است) صَرفه جویی کرده است.

با اینکه HBM سرشار از مزیت‌های متعدد مثلِ پهنای باندِ بسیار بالا با تاخیرِ پایین و نیاز به فضای بسیار کمتر روی برد است، اما یک ایرادِ ابتدایی هم دارد. اولین نسلِ HBM به ۴ پشته‌ی ۱ گیگابایتی حافظه محدود است که دسترسی تراشه‌ی گرافیکی را تنها به مقدارِ کلِ ۴ گیگابایت ممکن می‌سازد. این در حالی است که اِنویدیا کارت‌های رده بالای خود را به ۶ و ۱۲ گیگابایت حافظه مجهز کرده و خودِ اِی‌اِم‌دی هم ۸ گیگابایت رم گرافیکی را در آخرین محصولات R9 390 و 390X بکار گرفته است. از اِی‌اِم‌دی در موردِ نگرانی از ایجادِ مشکلِ حافظه‌ی ۴ گیگابایتی HBM برای Fiji پرسیده شد که شرکت در پاسخ این مساله را کاملا رد کرد و از ما خواست که تاثیرِ بافرِ ۴ گیگابایتی را خودمان در تست‌ها و بنچمارک‌ها بررسی کنیم و ببینیم که  مَساله ساز می‌شود یا خیر. البته پاسخ به این پرسش سوای انجامِ تست‌های مذکور، بدون دسترسی داشتن به کارتِ مشابه‌ای که از ۸ گیگابایت رم HBM استفاده کند کمی مُشکل است.

بهره‌وری به راندمان منتهی می‌شود

اِی‌اِم‌دی توانسته یک تراشه‌ی بزرگ را با توانِ مصرفی نسبتا مناسبِ ۲۷۵ وات تولید کند، زیرا از سه فناوری کلیدی را در آن بهره گیری کرده است: کُنترل توانِ بهینه شده، خُنک کننده‌ی مایع و حافظه‌ی HBM. اگر اینها تاکنون مُعرفی نشده یا قابل استفاده نبودند، کارت Fury X می‌توانست مصرفی برابر با ۳۷۵ وات یا حتی بالاتر داشته باشد، چیزی که نه قابل بهره برداری بود و نه به راحتی خنک می‌شد.

 

حال که به مشخصاتِ تکنیکی و ویژگی‌های معماری Fury X پرداختیم، بهتر است به سراغِ خودِ محصول برویم و نگاهی به آن داشته باشیم.