Fermi GF100 im Technik-TÜV: Architekturdetails zur Grafikhardware: Einzelne Einheiten erklärt

Quelle: Nvidia/PC Games Hardware Nvidia Fermi GF100 Grafikkarte Architektur Preview 01 Fermi / GF100: Host Interface und Giga-Thread-Engine
Über das Host-Interface erhält der Fermi-Prozessor seine Befehle vom Wirts-PC, egal ob es sich dabei um Grafik-, Physx- oder allgemeine Compute-Anweisungen handelt. Die Giga-Thread-Engine steuert die einzelnen SMs in den GPCs mit Gruppen von 32 instruktionen (im Nvidia-Jargon Warps genannt) an; die benötigten Daten lädt sie dafür aus dem System- in den Grafikspeicher. Unter anderem das Umschalten zwischen einzelnen Kernels, also Programmen, will Nvidia hier drastisch verbessert haben und gibt eine Umschaltzeit von nur noch 20 Mikrosekunden an. Die Giga-Thread-Engine (GTE) kommt außerdem noch einmal zum Zuge, wenn innerhalb der Shaderprogramme Daten erzeugt werden wie bei Geometrie-Shadern, Tessellation oder nach der Rasterisierung. Die anfallenden Daten müssen sich wieder einreihen, bis sie von der GTE einem SM/GPC zugeteilt werden.

PCGH-Einschätzung:
Besonders das Zusammenspiel von Physx und Grafikberechnungen auf demselben Chip dürfte von den Verbesserungen in der Steuereinheit profitieren.

Quelle: Nvidia/PC Games Hardware Nvidia Fermi GF100 Grafikkarte Architektur Preview 03 Fermi / GF100: Speichercontroller, ROPs und Level 2 Cache
Diese drei Einheitentypen sind eng miteinander gekoppelt, einzeln sind diese Elemente laut Nvidia nicht zu erweitern oder zu beschneiden. Der Speicherkontroller versteht sich sowohl auf (G)DDR3 als auch auf den aktuelleren Speicherstandard GDDR5. Er ist in sechs 64 Bit breite Partitionen unterteilt, an die jeweils eine Octo-ROP und ein 128 kiB großes Segment des insgesamt 768 kiByte vereinheitlichten Level-2-Caches gekoppelt sind.Dieser Cache dient im Gegensatz zu früheren Grafikchips von Nvidia nicht mehr nur als reiner Zwischenspeicher für das Einlesen von Texturen sondern ist neben voller Kohärenz auch mit Lese- und Schreibzugriffsmöglichkeiten ausgestattet. Der maximal nutzbare Grafikspeicher liegt bei 6 Gigabyte GDDR5-RAM, wofür allerdings spezielle Chips nötig sind. Gefore-Fermi-Grafikkarten erwarten wir zunächst mit 1.536 Megabyte Videospeicher.

PCGH-Einschätzung:
Der Schritt zu GDDR5 ist überfällig gewesen. Nvidia bietet eine breitere Anbindung zum Speicher als AMD, dies könnte zu Vorteilen bei entsprechenden Anwendungen führen, bedingt aber gleichzeitig auch "krumme", aber größere Mengen an Videospeicher, wie schon bei der Geforce 8800 Ultra/GTX/Ur-GTS. Die erwarteten 1.536 Megabyte Video-RAM für das größte Modell dürften gerade bei einer Rohleistung im Bereich der HD 5870 oder darüber für Vorteile sorgen. Die 8x-MSAA-Schwäche war laut Umfragen im PCGH-Forum bislang jedoch kein wesentlicher Faktor für oder gegen Geforce-Karten.

Quelle: Nvidia/PC Games Hardware Nvidia Fermi GF100 Grafikkarte Architektur Preview 02 Fermi / GF100: GPC - Graphics oder General Processing Cluster?
Die GPCs lösen die TPCs (Thread/Texture Processing Cluster) als höchste Organisationsform in der GPU ab und werden von Nvidia offiziell als Graphics Processing Cluster bezeichnet. Jeder GPC verfügt über einen eigenen Rasterizer samt Triangle-Setup und Z-Cull, eine Polymorph-Geometrie-Einheit und vier Shader-Multiprozessoren à 32 ALUs. Bis auf ROP- und Gigathread-Engine also kleine GPUs in der GPU.

PCGH-Einschätzung:
Wenn sich die Einschätzung von Nvidia als richtig und nicht geschönt erweist, ist eine stärkere Unabhängigkeit einzelner Einheiten begrüßenswert, erhöht sie doch die Umsetzung der theoretischen Rohleistung in real erzielte Anwendungsperformance.

Fermi / GF100: Shader-Multiprozessor - Polymorph-Engine, ALUs und TMUs vereint
Die SMs sind die neuen Basiseinheiten, aus denen Fermi-GPUs aufgebaut sind. Jeder SM ist mit 32 ALUs bestückt, die in 2 Gruppen zu je 16 Einheiten angeordnet sind und allgemeine Rechenaufgaben übernehmen können. Für Double-Precision verhält sich der SM nach außen wie eine einzelne 16er-Gruppe, der Durchsatz wird also halbiert. Am logischen Anfang des SMs steht ein zweifach ausgelegter Scheduler, der pro Takt zwei Warp-Gruppen an entweder einen der 16er-ALU-Blöcke, die 16 Load-Store-Einheiten (auch für die TMUs) oder den Viererblock für Spezialfunktionen (SFUs) verteilt. Die Daten werden in einem 128 kiB großen Registerspeicher (por SM) vorgehalten und müssen die 32 Rechenwerke, die 16 L/S-Einheiten samt TMU und die SFUs befüllen.

PCGH-Einschätzung:
Zwar steht mit maximal 1.024 Registern pro Shader-ALU nun weniger Speicherplatz für Zwischenwerte zur Verfügung als zuvor, jedoch dürfte die Überarbeitung der Einheiten insgesamt zu einer effizienteren Nutzbarkeit führen.

Quelle: Nvidia/PC Games Hardware Nvidia Fermi GF100 Grafikkarte Architektur Preview 06 Fermi / GF100: Geometric Realism mit 16 Polymorph-Engines
Am logischen Anfang der SMs stehen die neuen "Polymorph-Engines", wie der Marketing-Name für die multiplen Geometrie-Einheiten lautet. Jede verfügt über einen eigenen Vertex-Fetch, Tessellator, Viewport-Transformation, Attributs-Setup und Stream-Output. Im Idealfall kann sich der Tessellationsdurchsatz so gegenüber einem herkömmlichen Chip vervielfachen. Nvidia spricht von der bis zu achtfachen Geometrie-Leistung eines GT200 (in Form einer Geforce GTX 285).

Der Rasterizer jedes SMs verarbeitet die Geometriedaten auf die Pixelebene, er wandelt die Szene also vom World- in den Screen-Space. Dabei berücksichtigt er auch die Pixelabdeckung für Multi- und Coverage-Sampling-FSAA und kann er bis zu 8 Pixel pro Takt ausgeben.

PCGH-Einschätzung:
Die von Nvidia gezeigten Benchmarkwerte (s. Bildergalerie) stimmen vorsichtig optimistisch, dass Tessellation mit DirectX 11 zu einem der wichtigsten Feature avancieren könnte und sich durch die sinnvolle Unterstützung beider großen Grafikkartenhersteller auch in Spielen niederschlägt.

Fermi / GF100: Shader-Multiprozessor - Textureinheiten
Die 16 Load-Store-Einheiten können pro Takt 16 Werte aus einer Textur einlesen. Das genügt für vier bilinear gefilterte Samples, ergo können vier TMUs beschäftigt werden. Diese unterstützen natürlich auch hochwertigere Filternethoden wie trilinear oder anisotrop. Nvidia-Angaben zufolge, die wir auf der Vorstellung im Anschluss an die CES erhalten haben, änderte man der Qualität der Texturfilterung im Vergleich zu GT200 und G80 nichts, nur die Geschwindigkeit sei verbessert worden. Wie das? Vier TMUs pro SM und 16 SMs pro Fermi machen summa summarum "nur" 64 Textureinheiten - im Gegensatz zu den 80 in den GT200- oder Cypress-Chips. Etwas kryptisch drückte sich Nvidia am Rande der CES noch herum, allerdinge sind die TMUs nur in die SMs integriert worden, deren Taktdomäne läuft auf der Hälfte der sogenannten "hotclock" (Shader-ALU-Takt) und nicht auf einem noch höheren Niveau. wie wir in der PCGH 12/2009, S. 54 andeuteten. Die TMUs verfügen zusätzlich über einen dedizierten Texturcache von jeweils 12 kiB Fassungsvermögen.

PCGH-Einschätzung:
Weniger Textureinheiten als der Vorgänger sind ein Novum für Nvidias Grafikchips. Erstmals bieten AMD-GPUs nun mehr Textur-Rohleistung als entsprechende Modelle von Nvidia. Allerdings will man bei Fermi die Effizienz zugunsten der theoretischen Maximalleistung in den Vordergrund gestellt haben - ob dies ein gelungener Kompromiss ist, werden unsere Spiele-Tests erst noch zeigen müssen.

Quelle: Nvidia/PC Games Hardware Nvidia Fermi GF100 Grafikkarte Architektur Preview 10 Fermi / GF100: Shader-Multiprozessor - Caches
Die ALUs und SFUs sowie die Cache-Architektur haben wir ausführlich bereits im Fermi-Architektur-Preview, Teil 1 beschrieben und verweisen an dieser Stelle auf unseren älteren Artikel. Kurz zusammengefasst sind die Caches nun funktionaler und durchgängiger geworden, der einzige spezialisierte Zwischenspeicher ist ein 12 kiByte großer L1-Texturcache pro SM. Alle anderen Caches bilden eine hierarchische Speicherstruktur, die die Überläufe der kleineren Stufen auffangen können. Zwar sind höhere Stufen in der Struktur immer langsamer als niedrigere, aber die Performance fällt bei einem Cache-Überlauf nicht mehr direkt ins Bodenlose.

PCGH-Einschätzung:
Die Überarbeitung des gesamten Speichersystems geschah vermutlich zunächst einmal zugunsten des Einsatzbereiches GPU-Computing. Zwar dürften auch Spiele-Anwendungen davon profitieren, aber in welchem Maße muss sich erst noch zeigen.

Quelle: Nvidia/PC Games Hardware Nvidia Fermi GF100 Grafikkarte Architektur Preview 04

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Fermi ist Nvidias Grafikkarten-Hoffnung. Eine komplett neue Architektur soll sowohl den GPU-Computing bzw. HPC-Markt als auch PC-Spieler zufriedenstellen. Details über die GF100-Geforce-Facetten des Fermi-Janus gab Nvidia im Anschluss an die CES in Las Vegas bekannt.

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1. Seite 1 Fermi GF100 im Technik-TÜV: Architekturdetails zur Grafikhardware: Einleitung und Übersicht
2. Seite 2 Fermi GF100 im Technik-TÜV: Architekturdetails zur Grafikhardware: Einzelne Einheiten erklärt
3. Seite 3 Fermi GF100 im Technik-TÜV: Architekturdetails zur Grafikhardware: Bildqualität und Benchmarks
4. Seite 4 Fermi GF100 im Technik-Test: Architekturdetails zur Grafikhardware:Techdemos
5. Seite 5 Fermi GF100 im Technik-Test: Architekturdetails zur Grafikhardware: Versionen, Termine und Fazit