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AMD Vega è il nome dell'architettura grafica più avanzata di AMD, è l'ultima evoluzione di GCN, la sua architettura GPU che ci accompagna dal 2011. Questa evoluzione di GCN è la più ambiziosa di AMD fino ad oggi.

Vuoi saperne di più sulle schede grafiche AMD VEGA e su tutte le loro funzionalità? In questo post esaminiamo tutte le chiavi dell'architettura GCN e tutti i segreti che Vega nasconde.

Indice dei contenuti

La nascita dell'architettura GCN e la sua evoluzione fino a raggiungere Vega

Per comprendere la storia di AMD nel mercato delle schede grafiche, dobbiamo risalire al 2006, quando la società Sunnyvale rilevò ATI, il secondo produttore mondiale di schede grafiche e che era in attività da anni. Combatti con Nvidia, leader del settore. AMD ha acquistato tutta la tecnologia e la proprietà intellettuale di ATI in una transazione del valore di $ 4, 3 miliardi in contanti e $ 58 milioni in azioni per un totale di $ 5, 4 miliardi, completando l'azione il 25 ottobre, 2006.

A quel tempo ATI stava sviluppando quella che sarebbe stata la sua prima architettura GPU basata sull'uso di shader unificati. Fino ad allora, tutte le schede grafiche contenevano diversi shader all'interno per l'elaborazione del vertice e dell'ombreggiatura. Con l'avvento di DirectX 10, sono stati supportati gli shader unificati, il che significa che tutti gli shader in una GPU possono lavorare indifferentemente con vertici e ombreggiature.

TeraScale era l'architettura che ATI stava progettando con il supporto di shader unificati. Il primo prodotto commerciale a utilizzare questa architettura fu la console video Xbox 360, la cui GPU, chiamata Xenos, era stata sviluppata da AMD ed era molto più avanzata di quella che poteva essere montata su PC dell'epoca. Nel mondo dei PC, TereaScale ha dato vita alle schede grafiche delle serie Radeon HD 2000, 3000, 4000, 5000 e 6000. Tutti stavano apportando continuamente piccoli miglioramenti per migliorare le loro capacità man mano che progredivano nei processi di produzione, da 90 nm a 40 nm.

Passarono gli anni e l'architettura TeraScale stava diventando obsoleta rispetto a Nvidia. Le prestazioni di TeraScale nei videogiochi erano ancora molto buone, ma avevano un grande punto debole rispetto a Nvidia, questa era una bassa capacità di elaborazione con GPGPU. AMD ha capito che era necessario progettare una nuova architettura grafica, in grado di combattere con Nvidia sia nei giochi che nell'informatica, una sezione sempre più importante.

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GCN è l'architettura grafica progettata da AMD da zero per succedere a TeraScale di ATI

Graphics Core Next è il nome dato alla prima architettura grafica progettata al 100% da AMD, sebbene logicamente tutto ciò che è stato ereditato da ATI sia stato la chiave per renderne possibile lo sviluppo. Graphics Core Next è molto più di un'architettura, questo concetto rappresenta il nome in codice di una serie di microarchitetture grafiche e un set di istruzioni. Il primo prodotto basato su GCN è arrivato alla fine del 2011, il Radeon HD 7970 che ha dato ottimi risultati a tutti i suoi utenti.

GCN è una microarchitettura RISC SIMD che contrasta con l'architettura VLIW SIMD TeraScale. GCN ha lo svantaggio di richiedere molti più transistor rispetto a TeraScale, ma in cambio offre funzionalità molto maggiori per il calcolo della GPGPU, semplifica il compilatore e fa un uso migliore delle risorse. Tutto ciò rende GCN un'architettura chiaramente superiore a TeraScale e molto più preparata per adattarsi alle nuove esigenze del mercato. Il primo core grafico basato su GCN è stato Tahiti, che ha dato vita alla Radeon HD 7970. Tahiti è stata costruita utilizzando un processo a 28 nm, che rappresenta un enorme balzo in avanti dell'efficienza energetica rispetto a 40 nm per l'ultimo core grafico basato su TeraScale, la GPU Cayman di Radeon HD 6970.

Successivamente, l'architettura GCN si è leggermente evoluta nel corso di diverse generazioni di schede grafiche della serie Radeon HD 7000, HD 8000, R 200, R 300, RX 400, RX 500 e RX Vega. La Radeon RX 400s ha inaugurato un processo di produzione a 14 nm, consentendo a GCN di fare un nuovo salto nell'efficienza energetica. L'architettura GCN è anche utilizzata nel core grafico APU di PlayStation 4 e Xbox One, le attuali console per videogiochi di Sony e Microsoft che offrono prestazioni eccezionali per il loro prezzo.

L'architettura GCN è organizzata internamente in quelle che chiamiamo unità computazionali (CU), che sono le unità funzionali di base di questa architettura. AMD progetta GPU con un numero maggiore o minore di unità di elaborazione per creare le sue diverse gamme di schede grafiche. A sua volta, è possibile disattivare le unità di elaborazione in ciascuna di queste GPU per creare diverse gamme di schede grafiche basate sullo stesso chip. Questo ci consente di sfruttare il silicio che è uscito dal processo di produzione con problemi in alcune unità di elaborazione, è qualcosa che è stato fatto nel settore per molti anni. La GPU Vega 64 ha al suo interno 64 unità di elaborazione ed è la GPU più potente prodotta da AMD fino ad oggi.

Ogni unità di elaborazione combina 64 processori di ombreggiatura o shader con 4 TMU all'interno. L'unità di elaborazione è separata dalle unità di output di elaborazione (ROP), ma è alimentata da. Ogni unità di calcolo è composta da una CU Scheduler, un'unità Branch & Message, 4 unità vettoriali SIMD, 4 file VGPR da 64 KiB, 1 unità scalare, un file GPR da 4 KiB, una quota dati locale di 64 KiB, 4 unità filtro texture, 16 unità di carico / archiviazione per il recupero delle texture e una cache L1 da 16 kB.

AMD Vega è l'evoluzione più ambiziosa di GCN

Le differenze tra le diverse generazioni dell'architettura GCN sono piuttosto minime e non differiscono troppo l'una dall'altra. Un'eccezione è l'architettura GCN di quinta generazione, chiamata Vega, che ha notevolmente modificato gli shader per migliorare le prestazioni per ciclo di clock. AMD ha iniziato a pubblicare i dettagli di AMD Vega a gennaio 2017, suscitando grandi aspettative fin dai primi momenti. AMD Vega aumenta le istruzioni per clock, raggiunge velocità di clock più elevate, offre supporto per la memoria HBM2 e uno spazio di indirizzi di memoria maggiore. Tutte queste funzionalità consentono di migliorare significativamente le prestazioni rispetto alle generazioni precedenti, almeno sulla carta.

I miglioramenti dell'architettura includono anche nuovi programmatori hardware, un nuovo acceleratore di scarto primitivo, un nuovo driver di visualizzazione e un UVD aggiornato che può decodificare HEVC con risoluzioni 4K a 60 i fotogrammi al secondo con una qualità di 10 bit per canale di colore..

Le unità di elaborazione sono fortemente modificate

Il team di sviluppo di AMD Vega, guidato da Raja Koduri, ha modificato il piano fondamentale dell'unità di calcolo per raggiungere obiettivi di frequenza molto più aggressivi. Nelle precedenti architetture GCN, la presenza di connessioni di una certa lunghezza era accettabile perché i segnali potevano percorrere l'intera distanza in un singolo ciclo di clock. Alcune di quelle lunghezze della tubazione dovevano essere accorciate con Vega in modo che i segnali potessero attraversarle nel corso di cicli di clock, che sono molto più brevi in ​​Vega. Le unità di elaborazione di AMD Vega sono diventate note come NCU, che può essere tradotto come unità di elaborazione di nuova generazione. Alla riduzione delle lunghezze della pipeline di AMD Vega sono state aggiunte modifiche nella logica di ricerca e decodifica delle istruzioni, che sono state ricostruite al fine di soddisfare gli obiettivi di tempi di esecuzione più brevi in ​​questa generazione di schede grafiche.

Nel percorso dei dati di decompressione della trama della cache L1, il team di sviluppo ha aggiunto ulteriori passaggi alla pipeline per ridurre la quantità di lavoro svolto in ciascun ciclo di clock per raggiungere gli obiettivi di aumento della frequenza operativa. L'aggiunta di fasi è un mezzo comune per migliorare la tolleranza di frequenza di un progetto.

Rapid Packet Math

Un'altra importante novità di AMD Vega è che supporta l'elaborazione simultanea di due operazioni con meno precisione (FP16) anziché una singola con maggiore precisione (FP32). Questa è la tecnologia chiamata Rapid Packet Math. Rapid Packet Math è una delle funzionalità più avanzate di AMD Vega e non è presente nelle precedenti versioni GCN. Questa tecnologia consente un uso più efficiente della potenza di elaborazione della GPU, che ne migliora le prestazioni. PlayStation 4 Pro è il dispositivo che ha beneficiato maggiormente di Rapid Packet Math e lo ha fatto con uno dei suoi giochi di punta, Horizon Zero Dawn.

Horizon Zero Dawn è un ottimo esempio di ciò che Rapid Packet Math può apportare. Questo gioco utilizza questa tecnologia avanzata per elaborare tutto ciò che riguarda l'erba, risparmiando così risorse che possono essere utilizzate dagli sviluppatori per migliorare la qualità grafica di altri elementi del gioco. Horizon Zero Dawn ha avuto un impatto sin dal primo momento per la sua straordinaria qualità grafica, al punto che è impressionante che una console di soli 400 euro possa offrire una sezione così artistica. Sfortunatamente, Rapid Packet Math non è stato ancora utilizzato nei giochi per PC, la maggior parte della colpa è che è una caratteristica esclusiva di Vega, poiché gli sviluppatori non vogliono investire risorse in qualcosa che pochissimi utenti potranno sfruttare..

Shader primitivi

AMD Vega aggiunge anche il supporto per la nuova tecnologia Primitive Shaders che fornisce un'elaborazione più flessibile della geometria e sostituisce vertici e shader della geometria in un tubo di rendering. L'idea di questa tecnologia è quella di eliminare i vertici non visibili dalla scena in modo che la GPU non debba calcolarli, riducendo così il livello di carico sulla scheda grafica e migliorando le prestazioni del videogioco. Sfortunatamente, questa è una tecnologia che richiede molto lavoro da parte degli sviluppatori per poterne trarre vantaggio e trova una situazione molto simile a quella di Rapid Packet Math.

AMD aveva l'intenzione di implementare i Primitive Shader a livello di driver, il che avrebbe permesso a questa tecnologia di funzionare magicamente e senza che gli sviluppatori dovevano fare nulla. Questo è sembrato molto carino, ma alla fine non è stato possibile a causa dell'impossibilità di implementarlo in DirectX 12 e nel resto delle API attuali. Gli shader primitivi sono ancora disponibili, ma devono essere gli sviluppatori che investono risorse per la loro implementazione.

ACE e shader asincroni

Se parliamo di AMD e della sua architettura GCN, dobbiamo parlare di Asynchronous Shaders, un termine di cui si parlava molto tempo fa, ma di cui non si dice quasi più nulla. Gli shader asincroni si riferiscono al calcolo asincrono, è una tecnologia che AMD ha ideato per ridurre la carenza delle sue schede grafiche con geometria.

Le schede grafiche AMD basate sull'architettura GCN includono ACE (Asynchronous Compute Engine), queste unità sono costituite da un motore hardware dedicato al calcolo asincrono, è un hardware che occupa spazio sul chip e consuma energia L'implementazione non è un capriccio ma una necessità. La ragione dell'esistenza di ACE è la scarsa efficienza di GCN al momento della distribuzione del carico di lavoro tra le diverse Unità di calcolo e i nuclei che le formano, il che significa che molti nuclei sono senza lavoro e quindi sprecati, anche se continuano consumare energia. L'ACE ha il compito di dare lavoro a questi nuclei che sono rimasti disoccupati in modo che possano essere utilizzati.

La geometria è stata migliorata nell'architettura AMD Vega, anche se è ancora molto indietro rispetto all'architettura Pascal di Nvidia in questo senso. La scarsa efficienza di GCN con la geometria è uno dei motivi per cui i chip più grandi di AMD non forniscono i risultati previsti da loro, poiché l'architettura GCN diventa più inefficiente con la geometria man mano che il chip cresce. e includere un numero maggiore di unità di calcolo. Il miglioramento della geometria è uno dei compiti chiave di AMD con le sue nuove architetture grafiche.

Memoria HBCC e HBM2

L'architettura AMD Vega include anche un controller cache ad alta larghezza di banda (HBCC), che non è presente nei core grafici delle APU Raven Ridge. Questo controller HBCC consente un uso più efficiente della memoria HBM2 delle schede grafiche basate su Vega. Inoltre, consente alla GPU di accedere alla RAM DDR4 del sistema se la memoria HBM2 si esaurisce. HBCC consente di eseguire questo accesso in modo molto più rapido ed efficiente, con una conseguente riduzione delle prestazioni rispetto alle generazioni precedenti.

HBM2 è la tecnologia di memoria più avanzata per le schede grafiche, è la memoria impilata ad alta larghezza di banda di seconda generazione. La tecnologia HBM2 impila diversi chip di memoria uno sopra l'altro per creare un pacchetto ad altissima densità. Questi chip sovrapposti comunicano tra loro tramite un bus di interconnessione, la cui interfaccia può raggiungere 4.096 bit.

Queste caratteristiche fanno sì che la memoria HBM2 offra una larghezza di banda molto più elevata di quanto sia possibile con le memorie GDDR, oltre a farlo con una tensione e un consumo di energia molto più bassi. Un altro vantaggio delle memorie HBM2 è che sono posizionate molto vicino alla GPU, il che consente di risparmiare spazio sul PCB della scheda grafica e semplifica il suo design.

La parte negativa delle memorie HBM2 è che sono molto più costose dei GDDR e molto più difficili da usare. Questi ricordi comunicano con la GPU attraverso un interposer, un elemento che è piuttosto costoso da produrre e che rende il prezzo finale della scheda grafica più costoso. Di conseguenza, le schede grafiche basate sulla memoria HBM2 sono molto più costose da produrre rispetto alle schede grafiche basate sulla memoria GDDR.

Questo prezzo elevato della memoria HBM2 e la sua implementazione, nonché prestazioni inferiori alle aspettative, sono state le principali cause del fallimento di AMD Vega nel mercato dei giochi. AMD Vega non è riuscita a sovraperformare la GeForce GTX 1080 Ti, una scheda basata su un'architettura Pascal di circa due anni più vecchia.

Schede grafiche attuali basate su AMD Vega

Le attuali schede grafiche AMD sotto l'architettura Vega sono Radeon RX Vega 56 e Radeon RX Vega 64. Nella tabella seguente sono elencate tutte le funzionalità più importanti di queste nuove schede grafiche.

Schede grafiche AMD Vega attuali
Scheda grafica	Calcola unità / shader	Frequenza di clock base / turbo	Quantità di memoria	Interfaccia di memoria	Tipo di memoria	Larghezza di banda di memoria	TDP
AMD Radeon RX Vega 56	56 / 3.584	1156/1471 MHz	8 GB	2.048 bit	HBM2	410 GB / s	210W
AMD Radeon RX Vega 64	64 / 4.096	1247/1546 MHz	8 GB	2.048 bit	HBM2	483, 8 GB / s	295W

AMD Radeon RX Vega 64 è la scheda grafica più potente di AMD oggi per il mercato dei giochi. Questa scheda si basa sul silicio Vega 10, composto da 64 unità di calcolo che si traducono in 4.096 shader, 256 TMU e 64 ROP. Questo core grafico è in grado di funzionare con una frequenza di clock fino a 1546 MHz con un TDP di 295 W.

Il core grafico è accompagnato da due stack di memoria HBM2, che si sommano fino a un totale di 8 GB con un'interfaccia a 4.096 bit e una larghezza di banda di 483, 8 GB / s. È una scheda grafica con un core molto grande, la più grande mai realizzata da AMD, ma che non è in grado di funzionare a livello del core GeForce GTX 1080 Ti Pascal GP102, oltre a consumare più energia e produrre molto più calore. Questa incapacità di AMD di combattere con Nvidia sembra chiarire che l'architettura GCN ha bisogno di un'evoluzione molto più grande per stare al passo con le schede grafiche di Nvidia.

Il futuro di AMD Vega passa attraverso 7nm

AMD darà nuova vita alla sua architettura AMD Vega con il passaggio a un processo di produzione a 7 nm, il che dovrebbe significare un miglioramento significativo dell'efficienza energetica rispetto agli attuali progetti a 14 nm. Per ora AMD Vega a 7 nm non raggiungerà il mercato dei giochi, ma si concentrerà sul settore dell'intelligenza artificiale, che sposta grandi quantità di denaro. Non sono ancora noti dettagli concreti su AMD Vega a 7nm, il miglioramento dell'efficienza energetica può essere utilizzato per mantenere le prestazioni delle carte attuali ma con un consumo energetico molto più basso o per rendere le nuove carte molto più potenti con stesso consumo di quelli attuali.

Le prime carte per usare AMD Vega a 7nm saranno il Radeon Instinct. Vega 20 è la prima GPU AMD prodotta a 7 nm, è un core grafico che offre una densità doppia dei transistor rispetto all'attuale silicio Vega 10. La dimensione del chip Vega 20 è di circa 360 mm2, il che rappresenta una riduzione superficie del 70% rispetto a Vega 10 che ha una dimensione di 510 mm2. Questa svolta consente ad AMD di offrire un nuovo core grafico con una velocità di clock superiore del 20% e un miglioramento dell'efficienza energetica di circa il 40%. Vega 20 ha una potenza di 20.9 TFLOP, rendendolo il più potente core grafico annunciato fino ad oggi, anche più del core Volta V100 di Nvidia che offre 15, 7 TFLOP, sebbene questo sia prodotto a 12nm, che mette AMD in chiaro vantaggio a questo proposito.

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