Paměťová sběrnice, paměťový řadič, interní sběrnice čipu

[no-X]

Vezmu to ve stručnosti. Hodně lidí zaměňuje některé pojmy, což způsobuje guláš v diskusích, dále se stále častěji v diskusích objevují různá dogmata, která jsou sice zažitá, ale na kterých je minimum pravdy. Pokusím se ve stručnosti vysvětlit alespoň to základní:

sběrnice grafického čipu

• sběrnice uvnitř čipu (např. RingBus u ATi)
• spojuje jednotlivé části čipu, mezi kterými přnáší dle potřeby data (řadič PCIe, výpočetní jednotky, paměťový řadič...)
• její propustnost se pozitivně projevuje např. při použití FP16 HDR renderingu, který pracuje s velkými datovými objemy
• tato sběrnice je obvykle SDR (single-data rate); interní DDR sběrnice se nerozšířila z důvodu problematičnosti její realizace

paměťová sběrnice (paměťová rozhraní)

• sběrnice spojující grafický čip a paměťové moduly na grafické kartě
• nebývá "celistvá", ale obvykle se skládá z několika kanálů (např. čtyř 64-bitových = 256bitová paměťová sběrnice)
• čím jsou kanály "užší", tím více operací (čtení/zápisů) může být naráz s pamětí prováděno
• limitem pro šířku paměťové sběrnice je velikost grafického jádra (toho křemíkového čtverečku = die) - je totiž třeba, aby jeho plocha byla dostatečně velká, aby bylo možné spodní plochou čipu takto širokou sběrnici "vyvést" do balení/package čipu (tj ta zelená placička) a tudy skrz PCB (samotnou kartu) do pamětí (černých čtverečků kolem grafického čipu)

Tyto hranice nejsou fixní - s časem přicházejí nové technologie, jak na stejnou plochu vměstnat více pads (= kontaktní plošky mezi die a package) - na druhou stranu efektivnější a sofistikovanějí sběrnice vyžadují více těchto pads a tedy i větší jádro. Také čím více kanálů, tím více pads (čip s 8 x 32bit bude potřebovat více pads než čip 4 x 64bit)

obvykle se za hraniční hodnoty považuje:

pro 128bit čip - min. 95-100 mm²
pro 256bit čip - min. 190-200 mm²
pro 512bit čip - min. cca 400 mm²

několik čísel:


64bit čipy:

GT218 (GeForce G210): 57 mm²
RV810 (Radeon HD5400): 59 mm²
RV620 (Radeon HD34x0?): 67 mm²
G72 (GeForce 7300): 77 mm²
RV615 (Radeon HD2400): 82 mm²
RV505 (Radeon X1300LE/CE): cca 85 mm²
G98 (GeForce 8400): 86 mm²
NV44/44a (GeForce 6200/6500/7100): 110 mm²


128bit čipy:

RV515 (Radeon X1300): 100 mm²
GT216 (GeForce GT220): 100 mm²
Xenos (xbox360, 65nm verze): 100 mm² (odhad)
RV830 (Radeon HD5500): 104 mm²
G86 (GeForce 8500): 117 mm²
RV635 (Radeon HD3650): 120 mm²
G73 (GeForce 7600): 127 mm²
GT215 (GeForce GT240): 139 mm²
RV740 (Radeon HD5700): 140 mm²
G96 (GeForce 9500): 144 mm²
RV530 (Radeon X1600): 150 mm²
RV630 (Radeon HD2600): 150 mm²
NV43 (GeForce 6600): 150 mm²
RV410 (Radeon X700): 156 mm²
MCP7A (GeForce 9300m/9400m): 160 mm²
G84 (GeForce 8600): 169 mm²
RV840 (Radeon HD5700): 170 mm²
Xenos (Xbox360, 90nm verze): cca 186 mm²


192bit čipy:

GF106 (GeForce GTS455): 238 mm²


256bit čipy:

Parhelia: 180 mm²
G94b (GeForce 9600GT): 190 mm²
RV670 (Radeon HD38x0): 192 mm²
G71 (GeForce 7900GTX): 196 mm²
NV42 (GeForce 6800GS): 213 mm²
R300 (Radeon 9700): 218 mm²
G94 (GeForce 9600GT): 225 mm²
RV570 (Radeon X1950PRO): 230 mm²
R430 (Radeon X800XL): 240 mm²
RV770 (Radeon HD4800): 256 mm²
G92b (GeForce GTS250): 264 mm²
R420 (Radeon X800XT): 281 mm²
RV790 (Radeon HD4890): 282 mm²
NV40 (GeForce 6800Ultra): 287 mm²
R520 (Radeon X1800): 288 mm²
RV870 (Radeon HD5800): 331 mm²
G92 (GeForce 8800GT): 334 mm²
G70 (GeForce 7800GTX): 334 mm²
R580 (Radeon X1900XT): 342 mm²
GF104 (GeForce GTX460): 367 mm²


384bit čipy:

G80 (GeForce 8800GTX): 484 mm²
GF100 (GeForce GTX480): 530 mm²


512bit čipy:

R600 (Radeon HD2900): 420 mm²
G200b (GeForce GTX285): 480 mm²
G200 (GeForce GTX280): 576 mm²

pro zajímavost: Ageia PhysX PPU: 182 mm²
---
Nejmenší 256bit čip je Matrox Parhelia - 180mm² - je to dáno poměrně primitivní formou 256bit sběrnice. Uvádí se, že se sice skládala ze 64bit kanálů, ale ty nebyly tak samostatné, jako u dnešních čipů.


Propustnost paměťové sběrnice je vcelku klíčová pro výkon - pokud čip jen většinu výpočetního času pročeká, než se načtou/zapíšou data z/do paměti, je mu výkon k ničemu, protože je limitovaný šířkou sběrnice. Pokud je naopak propustnost sběrnice výrazně vyšší, než jakou dokáže čip vytížit, pak nemá její další rozšiřování smysl.

Šířka sběrnice hraje stejně důležitou roli, jako propustnost pamětí. 500MHz paměti na 256bit sběrnici budou mít stejnou datovou propustnost jako 1000MHz paměti na 128bit sběrnici. Samozřejmě pokud zanedbáme rozdíly v latencích a četnostech přístupu (obvykle jednotky procent).

Datová propustnost (GB/s) = frekvence sběrnice (MHz) * šířka sběrnice (bit) * data rate (2 pro DDR) / 8000

[MichiGen]

Pekne napisane aj uzitocne. Dakedy sa cudujem ze mas na taketo veci cas

[no-X]

Napsat to jednou do samostatného threadu, a pak se na to jen odkazovat, mi zabere méně času, než to vysvětlovat 4x v několika různých tématech

Jinak ještě samozřejmě hraje velkou roli, jaké formy barevné a Z-komprese grafický čip podporuje...

[no-X]

Toto je reakce na vikyho připomínky z tohoto threadu:

http://pctforum.tyden.cz/viewtopic.php? ... 13#7502113

Výkon čipů architektury R6xx je velmi nezávislý na propustnosti paměťové sběrnice. Stačí si srovnat výkon 512bit R600 a 256bit RV670. Poloviční sběrnice, výkon… stejný! Případně HD2600XT GDDR3 vs. GDDR4 -> o 57% vyšší propustnost sběrnice, ale výkon jen o pár procent vyšší.

To znamená, že ATi může vklidu dál zužovat sběrnici, snižovat náklady, ale vliv na výkon nebude zdaleka tak drastický, jako u předchozí generace nebo u konkurenčních produktů.

Důvody jsou prosté: Z-komprese je dvojnásobná (16:1 oproti 8:1 u X1), při FSAA dokonce až 128:1, barevná komprese až 8:1, ROPs zvládají 2 MSAA vzorky za takt, takže se oproti G8x/G9x, které vykreslují čtyři za takt, datové přenosy rozloží do delšího časového úseku. Dále se určitou dobu čeká na shader resolve, takže je relativně dost času na to, aby se za dobu, která je k dispozici, po sběrnici přenesla všechny data. Nemluvě o tom, že R6xx používá plně symetrický (efektivnější) ring-bus, větší cache a nese (v porovnání s konkurencí) mnohem méně jednotek konzumujících bandwidth (ROPs + TMUs).

Pokud tohle všechno zohledníme, vychází mi, že RV670 bude 128bit sběrnicí limitována asi tolik, jako G92 256-bitovou.

[postel114]

ahoj, je to moc hezke ze to takle osvetlis i laikum(ja teda aspon neco uz znal), ale chtel bych se zeptat:co to je ROP a TMU.a jak pracujou pixel a vertex shadery.jo a jsou unifikovane shadery vlastne pixel + vertex pracujici na tom na cem je zrovna potreba?dik!

[no-X]

ROP - raster output - jednotka, která zapisuje vykreslení pixel do frame-bufferu (část paměti grafické karty) před zobrazením na monitoru. ROPs dále provádějí různé jednoduché testy ohledně viditelnosti objektů, podílejí se na FSAA a zvládají některé jednodušší efekty, jako třeba prolínání obrazu atp.

TMU (dnes spíš texturovací jednotka) se skládá z jednotky pro filtraci textur jednotky pro adresaci textur. Načítá, upravuje a filtruje textury.

jak pracují pixel shadery - to je téma na knihu, ne na post termín pixel shader má dva významy - jednak softwarový - což je program, který provádí různé efekty (převážně) s texturami, a pak hardwarový, to je ALU (aritmeticko-logická jednotka v grafickém čipu), na které onen program běží

unifikované shadery - také dvojí význam - softwarový: což zanmená, že programátor k pixel i vertex shader přistupuje ze SW hlediska stejným způsobem (podporováno od DirectX 10), a pak hardwarový, což znamená, že čip nese ALUs, které mohou být používány jak pro pixel shading, tak pro vertex shading. Softwarová unifikace a hardwarová unifikace na sobě ale nejsou závislé - můžeš mít hardwarově unifikovaný čip a přistupovat k němu klasicky (např. všechny DX10 čipy při běhu pod DX9), nebo neunifikovaný čip a přistupovat k němu unifikovaně (musí to ale jeho ovladač podporovat - v praxi se s touhle kombinací moc nesetkáme)

[postel114]

mockrat dekuju, velice mi to pridalo!vazne!
jsi opravdu mistr v IT!

[no-X]

Doplnil jsem první post o čipy poslední generace ATi a nVidie

[del42sa]

Parhelia byla 512bit chip, proto taky její celý název je Parhelia-512, paměti ale byly připojeny přes 256bit paměťovou sběrnici. To ale nic nemění na tom, že GPU bylo 512bit

http://www.diit.cz/clanek/matrox-parhel ... /5026/5825

[Krteq]

Nebyl to spíš obousměrný 256-bit ring-bus svázaný s 256-bit memory interfacem?

[del42sa]

není to snad z obrázku vidět ? Byl to plný interní 512bit-bus ke kterému byla připojená 265 bit paměťová sběrnice

[Krteq]

512-bit obousměrně? No to potěš Já měl celou dobu za to, že to umělo 256-bit read a 256-bit write.

[del42sa]

já si myslím, že to nebylo až tak špatné GPU, jen ve finále běželo na nižších taktech (220MHz/0,15micron) než bylo plánováno. Kdyby to Matrox hned nevzdal a vyrobil Parhelii na nižším výrobním procesu (0,13micron) , tak GPU mohlo běžet na 350MHz minimálně + mohli přidat chybějící "bandwidth saving technology" jakou měla Nvidia nebo Ati.
Oni se vlastně ani už o nic nepokusili, přesto že to byla pro ně uplně nová architektura, tak při prvním neúspěchu to prostě nechali plavat... Vyrobili pak už jen poloviční Parhelii-LX a verzi karty s PCI-Express.A žijou z toho doteď

[no-X]

Parhelia byla 512bit chip, proto taky její celý název je Parhelia-512, paměti ale byly připojeny přes 256bit paměťovou sběrnici. To ale nic nemění na tom, že GPU bylo 512bit

Já nemluvím o vnitřní architektuře, ale o interface - ten má spojistost s plochou čipu...

Jinak je celkem běžné, že interní sběrnice má oproti rozhraní dvojnásobnou datovou šířku, protože rozhraní je už DDR, kdežto samotná sběrnice je SDR (jako první tenhle princip využívala GeForce 256: 256bit čip se 128bit DDR sběrnicí)...

Krteq: 512bit celkem, než 512bit v každém směru... a nebyl to myslím ring-bus. Parhelia toho využívala z toho důvodu, že na rozdíl od soudobých čipů ještě nepodporovala žádné technologie pro úsporu sběrnice (z-kompresi, HSR a podobně)

[del42sa]

Jinak je celkem běžné, že interní sběrnice má oproti rozhraní dvojnásobnou datovou šířku, protože rozhraní je už DDR, kdežto samotná sběrnice je SDR (jako první tenhle princip využívala GeForce 256: 256bit čip se 128bit DDR sběrnicí)...

ano nVidia to poprvé udělala u GeForce 256, ale Matrox Parhelia byl první komerční 3D kartou, která měla 256bit DDR paměťovou sběrnici (před Radeonem 9700) Všechny ostatní karty do té doby používaly 128bit DDR/SDR paměťovou sběrnici. Proto by bylo dost neobvyklé skočit z 128bitové paměťové sběrnice rovnou na 512bitovou ačkoliv by to bylo možné. (bylo by to také celkově mnohem dražší)

Radeony oproti tomu (kromě R600) mají vnitřní i paměťovou sběrnici stejnou 256bit/256bit.

Vždy však záleží na konkrétním návrhu čipu a poměru jednotek, které se mohou u různých výrobců výrazně lišit, proto tebou uváděné porovnání čipů vzhledem ke sběrnici není zcela přesné a už vůbec nemůže být používáno jako nějaké vodítko.Totéž platí pro ROP's/šířka paměťové sběrnice, protože ty pouze vycházíš z konkrétních už dříve vydaných čipů, ale architektura se může změnit a s ní i vzájemné poměry.

Je to stejně zavádějící jako srovnávat výtěžnost ATi a Nvidia jen na základě přibližně stejné velikosti čipu, protože se jedná o dvě uplně jiné a rozdílné architektury.

[no-X]

Radeony oproti tomu (kromě R600) mají vnitřní i paměťovou sběrnici stejnou 256bit/256bit.

To není úplně pravda. Jde totiž o to, že se jednotná interní sběrnice nepoužívá a místo ní čipy používají několik lokálních sběrnic pro různé účely.

Kde bys třeba v RV770 našel nějakou jednotnou interní 256bit sběrnici? Není tam ROPs a L2 jsou přímo připojené k blokům řadiče a menší konzumenti mají hub. Je to efektivnějí, než vytvářet jeden velký crossbar.

Jinak třeba R520 měla 256bit ring-bus pro čtení a 256bit crossbar pro zápis. Prakticky každý čip musí být koncipovaný tak, aby připojení čipu k řadiči mělo stejnou propustnost, jako DDR interface, což znamená, že když má čip 256bit DDR interface, musí být přenosová kapacita i z druhé strany stejná (~512bit SDR), což by se s 256bit interní sběrnicí realizovat nedalo (měly by poloviční přenosovou rychlost a rychlost pamětí by nikdy nebyla využita víc než z poloviny).

Tohle je třeba problém HD5830. Interface je sice 256bit DDR, ale protože se vypnutím poloviny ROPs zúžilo jejich připojení k řadiči taktéž na polovinu, chová se v mnoha ohledech HD5830 jako 128bit DDR čip (pouze pro textury a vše, co nejde přes ROPs, je přístup plnohodnotný)

Vždy však záleží na konkrétním návrhu čipu a poměru jednotek, které se mohou u různých výrobců výrazně lišit, proto tebou uváděné porovnání čipů vzhledem ke sběrnici není zcela přesné a už vůbec nemůže být používáno jako nějaké vodítko.Totéž platí pro ROP's/šířka paměťové sběrnice, protože ty pouze vycházíš z konkrétních už dříve vydaných čipů, ale architektura se může změnit a s ní i vzájemné poměry.

Proč by to nemohlo být používáno jako vodítko? Je to poměrně jednoduchá rovnice. Pads potřebné pro implementaci konkrétní šířky paměťové sběrnice vyžadují určitou plochu na obvodu čipu... pokud čip nemá dostatečnou plochu, daná sběrnice se na něj nevejde. Dokud tohle lidi nezačali brát v potaz, byly tu stále bezpředmětné debaty typu "proč nemá mainstreamový čip XY 256bit sběrnici, když by mu to určitě pomohlo na výkonu?". Takhle si konečně lidi uvědomili, že mainstreamový čip o 150mm^2 nemá dostatečný obvod na to, aby se na něj vešel dostatek pads potřebných pro připojení pamětí o šířce 256bit... zároveň je to i výborné vodítko pro spekulace o dalších generacích čipů. Když se tu objevily zkazky, že R7xx bude mít 300mm^2 a 512bit sběrnici, bylo každýmu jasný, že je to nesmysl a dál se danou spekulací nezabýval...