Geforce GTX 680 im Test: Weitere Architekturdetails

Quelle: PC Games Hardware GK104 Blockdiagramm Geforce GTX 680 im Test: Architekturdetails
Die Geforce GTX 680 wurde gegenüber der Vorgänger-Architektur "Fermi" deutlich umgebaut. Die grundlegenden Funktionseinheiten blieben jedoch erhalten: Die Basis bildet eine einzelne Shader-ALU, von Nvidia gern als Cuda-Core betitelt. Diese sind zusammen mit Caches, Registerspeichern, Textur- und weiteren Hilfseinheiten für Load-/Store-Operationen sowie Spezialfunktionen in Gruppen zusammengefasst, die Nvidia Shader-/Streaming-Multiprozessoren, kurz SM, nannte und mit Kepler zum klangvollen "SMX" beförderte. Die nächstgrößere Organisationseinheit heisst GPC, kurz für Graphics Processing Cluster, und vereint die SM(X) mit eigenen Raster- und Setupeinheiten. Die Schnittstelle zum Speicher bilden in erster Stufe ein in 128-kiB-Blöcke unterteilter Level-2-Cache (R/W), an dessen Teile jeweils ein 64-Bit-Speichercontroller sowie die Raster-Operatoren in Achtergruppen geflanscht sind.

Was ändert sich nun mit Kepler? Grundsätzlich hat Nvidia in der bisher bekannten Kepler-Architektur (GK10x) das Augenmerk auf maximale Energieeffizienz gelegt - Verwaltungseinheiten wurden eingespart, Funktionseinheiten vermehrt. Die theoretische Leistung stieg stark an - doch wie ist es um die Effizienz bestellt?

Die auffälligste Neuerung vorab: Es gibt nun nur noch eine Taktdomäne für die Funktionseinheiten der GPU, die Shader-Einheiten laufen nun nicht mehr mit verdoppelter Frequenz. Dafür beherbergt eines der neuen SMX nun satte 192 dieser Einheiten - physikalisch gesehen viermal soviele wie noch im Gamer-Fermi, durch Verzicht auf die Hotclock sind es logisch gesehen allerdings "nur" doppelt so viele: GF114 erledigte 96 Shader-Operationen pro SM in den Haupt-ALUs pro Basis-Takt, GK104 schafft 192 pro SMX. Natürlich wurden auch die Scheduler und Dispatch-Einheiten, welche die ALUs, TMUs, SFUs und L/S-Einheiten mit Arbeit versorgen, pro SMX verdoppelt - wie im Gamer-Fermi existiert allerdings innerhalb der SM(X) eine Gruppenbildung:

• Scheduler sind an jeweils eigene Gruppen von Funktionseinheiten gebunden und haben daher auch separate Warps-Warteschlangen
• Scheduler haben jeweils eigene Blöcke im Registerfile (64 kiB pro Scheduler)
• Die Textureinheiten sind in Vierergruppen an die Scheduler gekoppelt

Quelle: PC Games Hardware GK104 Blockdiagramm SM Gespart wurde hingegen hauptsächlich an der Granularität der Load/Store-Einheiten, die nun 64 statt 32 Bit pro Takt übertragen. Dafür sind es jedoch im Vergleich zur Gamer-Fermi-Architektur im Verhältnis zu den ALUs nur noch halb so viele. Die 64 kiB des L1-Caches müssen sich jetzt 192 Shader-Einheiten teilen müssen, für Compute-Anwendungen (möglicherweise beschränkt auf Quadro- und Tesla-Modelle), kann dieser Zwischenspeicher nun nicht mehr nur in 16/48 oder 48/16 kiB für Shared-Memory und Level-1-Cache, sondern auch gleichmäßig in 32-kiB-Blöcke geteilt werden.

Wenig auffällig ist, dass auch die Erzeugung von Warps, speziell das Hardware-Scoreboarding, verändert wurde. Kepler verzichtet hier auf eine energieaufwendige Abhängigkeitenprüfung der einzelnen Instruktionen für Anweisungen mit bekannter Laufzeit - im Wesentlichen also mathematische Anweisungen - und führt diese nur noch für Loads und Texturoperationen durch. Die gesparte Energie wird hier über das Angewiesensein auf einen gut funktionierenden Treiber-Compiler gestellt, welcher diese Abhängigkeiten erkennen und Instruktionsketten entspechend aufbereiten soll.

Quelle: PC Games Hardware Geforce GTX 680 - Hardware-Scoreboarding teilweise abgeschafft.
Die für wissenschaftliche Anwendungen interessante Double-Precision-Leistung wurde im Vergleich zu GF104/114 bei einem Zwölftel des SP-Durchsatzes belassen [Update: Da sich vermehrt Angaben von 1/24 finden, haben wir bei Nvidia zur Klärung angefragt. Einer unserer Meßwerte stützt gar diese Annahme, dafür müsste aber GPU-Boost auf 1097 MHz samt 100%iger Effizienz vorliegen| Update 2: Nvidia hat inzwischen einen separaten DPFP-Block bestätigt, welcher 8 Instruktionen pro Takt ausführt, einen Warp also in 4 Takten. Der DPFP-Durchsatz liegt damit tatsächlich nur auf 1/24stel der SP-Leistung] - entsprechend wird die Geforce GTX 680 in diesem Bereich von der HD 7970 mit knapp 0,95 TFLOPS geschlagen.

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