GNU Compiler Collection 9 admite GCN 3 y GCN 5 desde 2019 [6] para programas independientes de un solo subproceso, y GCC 10 también se descarga a través de OpenMP y OpenACC . [7]
En noviembre de 2015, AMD anunció su Iniciativa Boltzmann, cuyo objetivo es permitir la migración de aplicaciones basadas en CUDA a un modelo de programación C++ común . [8]
En el evento Super Computing 15, AMD mostró un compilador de computación heterogénea (HCC), un controlador Linux sin cabeza y una infraestructura de tiempo de ejecución HSA para computación de alto rendimiento de clase cluster, y una herramienta de interfaz de computación heterogénea para portabilidad (HIP) para portar aplicaciones CUDA. al modelo común de C++ antes mencionado.
Microarquitecturas
En julio de 2017, el conjunto de instrucciones Graphics Core Next ha tenido cinco iteraciones. Las diferencias entre las primeras cuatro generaciones son bastante mínimas, pero la arquitectura GCN de quinta generación presenta procesadores de flujo muy modificados para mejorar el rendimiento y admitir el procesamiento simultáneo de dos números de menor precisión en lugar de un único número de mayor precisión. [9]
Procesamiento de comandos
Procesamiento de comandos GCN: cada motor de cómputo asíncrono (ACE) puede analizar los comandos entrantes y enviar trabajo a las unidades de cómputo (CU). Cada ACE puede gestionar hasta 8 colas independientes. Los ACE pueden funcionar en paralelo con el procesador de comandos de gráficos y dos motores DMA. El procesador de comandos de gráficos maneja las colas de gráficos, las ACE manejan las colas de cómputo y los motores DMA manejan las colas de copia. Cada cola puede distribuir elementos de trabajo sin esperar a que se completen otras tareas, lo que permite intercalar flujos de comandos independientes en el Shader de la GPU.
Procesador de comandos de gráficos
El procesador de comandos de gráficos (GCP) es una unidad funcional de la microarquitectura GCN. Entre otras tareas, se encarga del manejo de sombreadores asíncronos . [10]
Motor de cálculo asíncrono
El motor de cómputo asíncrono (ACE) es un bloque funcional distinto que sirve para fines informáticos, cuyo propósito es similar al del procesador de comandos de gráficos. [ ambiguo ]
Programadores
Desde la tercera iteración de GCN, el hardware contiene dos programadores : uno para programar "frentes de onda" durante la ejecución del sombreador (el Programador CU o Programador de la unidad de cómputo) y el otro para programar la ejecución de las colas de dibujo y cómputo. Este último ayuda al rendimiento al ejecutar operaciones informáticas cuando las unidades informáticas (CU) están infrautilizadas debido a comandos gráficos limitados por la velocidad o el ancho de banda de la canalización de funciones fijas. Esta funcionalidad se conoce como Computación asíncrona.
Para un sombreador determinado, los controladores de la GPU también pueden programar instrucciones en la CPU para minimizar la latencia.
Procesador geométrico
Procesador de geometría
El procesador de geometría contiene un Ensamblador de geometría, un Tesselator y un Ensamblador de vértices.
Una unidad de cómputo (CU) combina 64 procesadores de sombreado con 4 unidades de mapeo de texturas (TMU). [12] [13] Las unidades de cálculo están separadas de las unidades de salida de renderizado (ROP), pero se alimentan de ellas. [13] Cada unidad de cómputo consta de lo siguiente:
un programador CU
una sucursal y unidad de mensajes
4 unidades vectoriales SIMD de 16 carriles de ancho (SIMD-VU)
Cuatro unidades de cómputo están conectadas para compartir un caché de instrucciones L1 de 16 KB y un caché de datos L1 de 32 KB, ambos de solo lectura. Un SIMD-VU opera con 16 elementos a la vez (por ciclo), mientras que un SU puede operar con uno a la vez (uno/ciclo). Además, la SU maneja algunas otras operaciones, como la bifurcación. [15]
Cada SIMD-VU tiene una memoria privada donde almacena sus registros. Hay dos tipos de registros: registros escalares (S0, S1, etc.), que contienen números de 4 bytes cada uno, y registros vectoriales (V0, V1, etc.), cada uno de los cuales representa un conjunto de 64 números de 4 bytes. En los registros vectoriales, cada operación se realiza en paralelo con los 64 números. que corresponden a 64 entradas. Por ejemplo, puede funcionar en 64 píxeles diferentes a la vez (para cada uno de ellos las entradas son ligeramente diferentes y, por lo tanto, al final se obtiene un color ligeramente diferente).
Cada SIMD-VU tiene espacio para 512 registros escalares y 256 registros vectoriales.
AMD ha afirmado que cada unidad de cómputo (CU) GCN tiene 64 KiB de recursos compartidos de datos locales (LDS). [dieciséis]
planificador CU
El programador CU es el bloque funcional de hardware que elige qué frentes de onda ejecuta el SIMD-VU. Elige un SIMD-VU por ciclo para la programación. No debe confundirse con otros programadores de hardware o software.
frente de onda
Un sombreador es un pequeño programa escrito en GLSL que realiza procesamiento de gráficos, y un kernel es un pequeño programa escrito en OpenCL que realiza procesamiento GPGPU. Estos procesos no necesitan tantos registros, pero sí necesitan cargar datos desde la memoria del sistema o de los gráficos. Esta operación viene con una latencia significativa. AMD y Nvidia eligieron enfoques similares para ocultar esta latencia inevitable: la agrupación de múltiples subprocesos . AMD llama a este grupo "frente de onda", mientras que Nvidia lo llama "deformación". Un grupo de subprocesos es la unidad más básica de programación de GPU que implementan este enfoque para ocultar la latencia. Es el tamaño mínimo de los datos procesados en forma SIMD, la unidad de código ejecutable más pequeña y la forma de procesar una sola instrucción en todos los subprocesos que contiene al mismo tiempo.
En todas las GPU GCN, un "frente de onda" consta de 64 subprocesos, y en todas las GPU Nvidia, un "warp" consta de 32 subprocesos.
La solución de AMD es atribuir múltiples frentes de onda a cada SIMD-VU. El hardware distribuye los registros a los diferentes frentes de onda, y cuando un frente de onda está esperando algún resultado, que se encuentra en la memoria, el Programador CU asigna al SIMD-VU otro frente de onda. Los frentes de onda se atribuyen por SIMD-VU. Los SIMD-VU no intercambian frentes de onda. Se puede atribuir un máximo de 10 frentes de onda por SIMD-VU (por lo tanto, 40 por CU).
AMD CodeXL muestra tablas con la relación entre el número de SGPR y VGPR y el número de frentes de onda, pero esencialmente, para SGPRS es entre 104 y 512 por número de frentes de onda, y para VGPRS es 256 por número de frentes de onda.
Tenga en cuenta que, junto con las instrucciones SSE , este concepto del nivel más básico de paralelismo a menudo se denomina "ancho de vector". El ancho del vector se caracteriza por el número total de bits que contiene.
La versión inicial de VCE agregó soporte para codificar fotogramas I y P H.264 en el formato de píxeles YUV420 , junto con codificación temporal SVE y modo de codificación de visualización, mientras que la segunda versión agregó soporte de fotograma B para fotogramas I YUV420 y YUV444.
VCE 3.0 formó parte de la tercera generación de GCN, añadiendo escalado de vídeo de alta calidad y el códec HEVC (H.265).
VCE 4.0 era parte de la arquitectura Vega y posteriormente fue sucedido por Video Core Next .
TrueAudio
Memoria virtual unificada
En una vista previa de 2011, AnandTech escribió sobre la memoria virtual unificada, compatible con Graphics Core Next. [18]
Arquitectura de computadora de escritorio clásica con una tarjeta gráfica distinta a través de PCI Express . La CPU y la GPU tienen su propia memoria física, con diferentes espacios de direcciones. Es necesario copiar todos los datos a través del bus PCIe. Nota: el diagrama muestra los anchos de banda, pero no la latencia de la memoria .
GCN admite la "memoria virtual unificada", por lo que permite la copia cero ; en lugar de los datos, solo se copian y "pasan" los punteros . Esta es una característica primordial de la HSA .
Las soluciones de gráficos integrados (y las APU AMD con gráficos TeraScale ) sufren una memoria principal particionada : una parte de la memoria del sistema se asigna exclusivamente a la GPU. La copia cero no es posible, los datos deben copiarse (a través del bus de memoria del sistema) de una partición a otra.
Las APU AMD con gráficos GCN se benefician de la memoria principal unificada y conservan el escaso ancho de banda. [19]
Arquitectura de sistemas heterogéneos (HSA)
GCN incluye bloques de funciones de propósito especial para ser utilizados por HSA. El soporte para estos bloques de funciones está disponible a través de amdkfd desde el kernel de Linux 3.19. [20]
Algunas de las características específicas de HSA implementadas en el hardware necesitan soporte del kernel del sistema operativo (sus subsistemas) y/o de controladores de dispositivos específicos. Por ejemplo, en julio de 2014, AMD publicó un conjunto de 83 parches que se fusionarían en la línea principal 3.17 del kernel de Linux para admitir sus tarjetas gráficas Radeon basadas en Graphics Core Next. El llamado controlador del kernel HSA reside en el directorio /drivers/gpu/hsa , mientras que los controladores de dispositivos gráficos DRM residen en /drivers/gpu/drm [21] y aumentan los controladores DRM ya existentes para las tarjetas Radeon. [22] Esta primera implementación se centra en una única APU "Kaveri" y funciona junto con el controlador de gráficos del kernel Radeon existente (kgd).
Compresión de color delta sin pérdidas
Programadores de hardware
Los programadores de hardware se utilizan para realizar la programación [23] y descargar la asignación de colas de computación a las ACE desde el controlador al hardware, almacenando en buffer estas colas hasta que haya al menos una cola vacía en al menos una ACE. Esto hace que el HWS asigne inmediatamente colas almacenadas en búfer a las ACE hasta que todas las colas estén llenas o no haya más colas para asignar de forma segura. [24]
Parte del trabajo de programación realizado incluye colas priorizadas que permiten que las tareas críticas se ejecuten con una prioridad más alta que otras tareas sin requerir que las tareas de menor prioridad sean reemplazadas para ejecutar la tarea de alta prioridad, permitiendo así que las tareas se ejecuten simultáneamente con las tareas de alta prioridad. programado para acaparar la GPU tanto como sea posible y al mismo tiempo permitir que otras tareas utilicen los recursos que las tareas de alta prioridad no están utilizando. [23] Estos son esencialmente motores de cómputo asincrónicos que carecen de controladores de despacho. [23] Se introdujeron por primera vez en la microarquitectura GCN de cuarta generación, [23] pero estaban presentes en la microarquitectura GCN de tercera generación para fines de pruebas internas. [25] Una actualización del controlador ha habilitado los programadores de hardware en piezas GCN de tercera generación para uso en producción. [23]
Acelerador de descarte primitivo
Esta unidad descarta los triángulos degenerados antes de que entren en el sombreador de vértices y los triángulos que no cubren ningún fragmento antes de que entren en el sombreador de fragmentos. [26] Esta unidad se introdujo con la microarquitectura GCN de cuarta generación. [26]
Hay motores de computación asincrónicos que controlan el cálculo y el envío. [15] [30]
Potencia de núcleo cero
ZeroCore Power es una tecnología de ahorro de energía inactiva prolongada que apaga las unidades funcionales de la GPU cuando no está en uso. [31] La tecnología AMD ZeroCore Power complementa a AMD PowerTune .
Papas fritas
GPU discretas (familia de las Islas del Sur):
Hainan
Öland
Cabo Verde
Pitcairn
Tahití
Núcleo de gráficos siguiente 2
AMD PowerTune "Bonaire"Troquelado de la GPU Hawaii utilizada en las tarjetas gráficas Radeon R9 290
La segunda generación de GCN introdujo una entidad llamada "Shader Engine" (SE). Un Shader Engine comprende un procesador de geometría, hasta 44 CU (chip Hawaii), rasterizadores, ROP y caché L1. No forman parte de un Shader Engine el procesador de comandos de gráficos, los 8 ACE, la caché L2 y los controladores de memoria, así como los aceleradores de audio y video, los controladores de pantalla, los 2 controladores DMA y la interfaz PCIe .
El A10-7850K "Kaveri" contiene 8 CU (unidades de cómputo) y 8 motores de cómputo asíncronos para programación independiente y envío de elementos de trabajo. [32]
En la AMD Developer Summit (APU) de noviembre de 2013, Michael Mantor presentó la Radeon R9 290X . [33]
Papas fritas
GPU discretas (familia Sea Islands):
Bonaire
Hawai
Integrado en APU:
temash
Cabaña
Liverpool (es decir, la APU que se encuentra en PlayStation 4)
Durango (es decir, la APU que se encuentra en Xbox One y Xbox One S)
Kaveri
Godavari
Mullins
beema
Carrizo-L
Núcleo de gráficos Siguiente 3
Troquelado de la GPU Fiji utilizada en las tarjetas gráficas Radeon R9 Nano
La tercera generación de GCN [34] se introdujo en 2014 con las Radeon R9 285 y R9 M295X, que tienen la GPU "Tonga". Cuenta con un rendimiento de teselación mejorado, compresión delta de color sin pérdidas para reducir el uso del ancho de banda de la memoria, un conjunto de instrucciones actualizado y más eficiente, un nuevo escalador de alta calidad para video, codificación HEVC (VCE 3.0) y decodificación HEVC (UVD 6.0) y una nueva interfaz multimedia. motor (codificador/decodificador de vídeo). La compresión de color delta es compatible con Mesa. [35] Sin embargo, su rendimiento de doble precisión es peor en comparación con la generación anterior. [36]
Papas fritas
GPU discretas:
Tonga (familia de Islas Volcánicas), viene con UVD 5.0 (Unified Video Decoder)
Troquelado de la GPU Polaris 11 utilizada en las tarjetas gráficas Radeon RX 460Troquelado de la GPU Polaris 10 utilizada en las tarjetas gráficas Radeon RX 470
Las GPU de la familia Arctic Islands se introdujeron en el segundo trimestre de 2016 con la serie AMD Radeon 400 . El motor 3D (es decir, GCA (matriz de gráficos y computación) o GFX) es idéntico al que se encuentra en los chips Tonga. [38] Pero Polaris presenta un motor de controlador de pantalla más nuevo, UVD versión 6.3, etc.
Todos los chips basados en Polaris, excepto el Polaris 30, se producen mediante el proceso FinFET de 14 nm , desarrollado por Samsung Electronics y con licencia de GlobalFoundries . [39] El Polaris 30, ligeramente más nuevo y actualizado, se basa en el nodo de proceso LP FinFET de 12 nm, desarrollado por Samsung y GlobalFoundries. La arquitectura del conjunto de instrucciones GCN de cuarta generación es compatible con la tercera generación. Es una optimización para el proceso FinFET de 14 nm que permite velocidades de reloj de GPU más altas que con la tercera generación de GCN. [40] Las mejoras arquitectónicas incluyen nuevos programadores de hardware, un nuevo acelerador de descarte primitivo, un nuevo controlador de pantalla y un UVD actualizado que puede decodificar HEVC en resoluciones 4K a 60 fotogramas por segundo con 10 bits por canal de color.
Papas fritas
GPU discretas: [41]
Polaris 10 (también con nombre en código Ellesmere ) que se encuentra en las tarjetas gráficas de las marcas "Radeon RX 470" y "Radeon RX 480".
Polaris 11 (también con nombre en código Baffin ) que se encuentra en las tarjetas gráficas de la marca "Radeon RX 460" (también Radeon RX 560 D )
Polaris 12 (también con nombre en código Lexa) que se encuentra en las tarjetas gráficas de las marcas "Radeon RX 550" y "Radeon RX 540"
Polaris 20, que es un Polaris 10 actualizado ( proceso LPP Samsung / GloFo FinFET de 14 nm ) con relojes más altos, utilizado para tarjetas gráficas de las marcas "Radeon RX 570" y "Radeon RX 580" [42]
Polaris 21, que es un Polaris 11 actualizado (proceso LPP Samsung/GloFo FinFET de 14 nm), utilizado para tarjetas gráficas de la marca "Radeon RX 560".
Polaris 22, que se encuentra en las tarjetas gráficas de las marcas "Radeon RX Vega M GH" y "Radeon RX Vega M GL" (como parte de Kaby Lake-G )
Polaris 23, que es una Polaris 12 actualizada (proceso LPP Samsung/GloFo FinFET de 14 nm), utilizada para tarjetas gráficas de las marcas "Radeon Pro WX 3200" y "Radeon RX 540X" (también Radeon RX 640) [43 ]
Polaris 30, que es un Polaris 20 actualizado (proceso LP GloFo FinFET de 12 nm) con relojes más altos, utilizado para tarjetas gráficas de la marca "Radeon RX 590" [44]
Además de las GPU dedicadas, Polaris se utiliza en las APU de PlayStation 4 Pro y Xbox One X, denominadas "Neo" y "Scorpio", respectivamente.
Rendimiento de precisión
El rendimiento FP64 de todas las GPU GCN de cuarta generación es 1/16 del rendimiento FP32.
Núcleo de gráficos Siguiente 5
Troquelado de la GPU Vega 10 utilizada en las tarjetas gráficas Radeon RX Vega 64
AMD comenzó a publicar detalles de su próxima generación de arquitectura GCN, denominada 'Unidad de Computación de Próxima Generación', en enero de 2017. [40] [45] [46] Se esperaba que el nuevo diseño aumentara las instrucciones por reloj , mayores velocidades de reloj , soporte para HBM2 , un espacio de direcciones de memoria más grande . Los conjuntos de chips de gráficos discretos también incluyen "HBCC (controlador de caché de alto ancho de banda)", pero no cuando están integrados en APU. [47] Además, se esperaba que los nuevos chips incluyeran mejoras en las unidades de salida de rasterización y renderizado . Los procesadores de flujo están muy modificados con respecto a las generaciones anteriores para admitir la tecnología Rapid Pack Math de matemáticas empaquetadas para números de 8, 16 y 32 bits. Con esto, existe una ventaja de rendimiento significativa cuando se acepta una precisión menor (por ejemplo: procesar dos números de media precisión al mismo ritmo que un único número de precisión simple ).
Nvidia introdujo la rasterización y el binning basados en mosaicos con Maxwell , [48] y esta fue una gran razón para el aumento de la eficiencia de Maxwell. En enero, AnandTech asumió que Vega finalmente alcanzaría a Nvidia en cuanto a optimizaciones de eficiencia energética debido al nuevo "DSBR (Draw Stream Binning Rasterizer)" que se introducirá con Vega. [49]
También agregó soporte para una nueva etapa de sombreado : Primitive Shaders. [50] [51] Los sombreadores primitivos proporcionan un procesamiento de geometría más flexible y reemplazan los sombreadores de vértices y geometría en una canalización de renderizado. A partir de diciembre de 2018, los sombreadores Primitive no se pueden utilizar porque aún no se han realizado los cambios de API necesarios. [52]
Vega 10 ( proceso Samsung / GloFo FinFET de 14 nm ) (también con nombre en código Groenlandia [53] ) que se encuentra en "Radeon RX Vega 64", "Radeon RX Vega 56", "Radeon Vega Frontier Edition", "Radeon Pro V340", Radeon Pro Tarjetas gráficas WX 9100 y Radeon Pro WX 8200 [54]
Vega 12 (proceso Samsung/GloFo FinFET de 14 nm) encontrado en tarjetas gráficas móviles de las marcas "Radeon Pro Vega 20" y "Radeon Pro Vega 16" [55]
Vega 20 ( proceso TSMC FinFET de 7 nm ) que se encuentra en tarjetas aceleradoras de las marcas "Radeon Instinct MI50" y "Radeon Instinct MI60", [56] tarjetas gráficas de las marcas "Radeon Pro Vega II" y "Radeon VII". [57]
Integrado en APU:
Raven Ridge [58] vino con VCN 1 que reemplaza a VCE y UVD y permite la decodificación VP9 de función fija completa.
Rendimiento de precisión
El rendimiento de punto flotante de doble precisión (FP64) de todas las GPU GCN de quinta generación, excepto Vega 20, es una decimosexta parte del rendimiento de FP32. Para Vega 20 con Radeon Instinct, esto es la mitad del rendimiento de FP32. Para Vega 20 con Radeon VII esto es una cuarta parte del rendimiento de FP32. [59] Todas las GPU de quinta generación de GCN admiten cálculos de punto flotante de media precisión (FP16) , que es el doble del rendimiento de FP32.
Comparación de chips GCN
La tabla contiene solo chips GPU discretos (incluidos los móviles). La APU (IGP) y los chips de consola no figuran en la lista.
1 Los nombres en clave antiguos como Treasure (Lexa) o Hawaii Refresh (Ellesmere) no figuran en la lista. 2 Fecha de lanzamiento inicial. Las fechas de lanzamiento de chips variantes como Polaris 20 (abril de 2017) no figuran en la lista.
Sitio web oficial de AMD.com Graphics Core Next (GCN)
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Arquitectura de computadora de escritorio clásica con una tarjeta gráfica distinta a través de PCI Express . La CPU y la GPU tienen su propia memoria física, con diferentes espacios de direcciones. Es necesario copiar todos los datos a través del bus PCIe. Nota: el diagrama muestra los anchos de banda, pero no la latencia de la memoria .
![Las APU AMD con gráficos GCN se benefician de la memoria principal unificada y conservan el escaso ancho de banda.[19]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e2/HSA-enabled_integrated_graphics.svg/1280px-HSA-enabled_integrated_graphics.svg.png)
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