نگاهي به معماري پردازنده هاي گرافيکي نسل جديد ATI

دنياي کارت گرافيکي هميشه هيجان انگيز بوده و در اين زمينه در هر لحظه يک خبر مهم براي گفتن وجود دارد، اما امسال خبر مهمي که منتشر شد و توجه بسياري را به خود جلب کرد، عرضه کارت هاي گرافيکي سري HD 5000 از شرکت ATI با ويژگي هاي منحصر به فرد بود که از مهم ترين ويژگي هاي آن ها مي توان به پشتيباني از رابط DirectX 11 و قابليت سايه زني نسل پنج، فناوري Eyefinity که امکان اتصال حداکثر شش مانيتور به يک کارت گرافيکي را ممکن مي سازد و کارايي فوق العاده اين سري از کارت هاي گرافيکي در مقايسه با قيمت آن ها که باعث شده اين سري از کارت هاي ATI به عنوان قدرتمندترين کارت هاي گرافيکي تک پردازنده اي حال حاضر تبديل شوند، اشاره کرد.با توجه به اين موضوع تصميم داريم در ادامه به بررسي دقيق تر ويژگي هاي محصولات جديد ATI بپردازيم و با برنامه هاي جديد اين شرکت بيشتر آشنا شويم.

کمي درباره DirectX 11
 

نکته جالب نسل DirectX 10 ارائه تعداد معدودي بازي براساس اين نسخه از رابط DirectX بود که مي توان يکي از دلايل آن را محدوديت هاي مايکروسافت در منحصر کردن اين نسخه به Windows Vista دانست.اما نسخه جديد در هر دو نسخه از ويندوز Vista و هفت قابل استفاده است.همچنين اين نسخه از رابط DirectX در مقايسه با رابط DirectX 10 داراي ويژگي هاي جديدي است که در ادامه به معرفي آن مي پردازيم.
Shader Model 5.0:نسخه جديد، امکان برنامه نويسي واحدهاي سايه زن را بهينه کرده است، به طوري که امکان تغيير در آن ها را با کمک Objectها و رابط ها ممکن مي سازد.

پردازش چند رشته اي:نتيجه مستقيم اين ويژگي، افزايش کارايي کارت گرافيکي در پردازش تصاوير است.به اين ترتيب، دستورات و رشته هاي پردازشي به جاي آن که همگي از يک مسير به پردازنده گرافيکي برسند، از چند مسير و بسيار سريع تر به پردازنده گرافيکي رسيده و پردازش مي شوند.
DirectCompute 11:اين فناوري به سيستم عامل هاي Vista و هفت امکان دسترسي مستقيم به قدرت پردازشي کارت گرافيکي را مي دهد. همچنين برنامه نويسان مي توانند در نرم افزارهاي خود به پردازنده گرافيکي دسترسي داشته باشند (نرم افزارهايي به جز بازي ها).در بازي ها نيز از اين قابليت مي توان در پردازش تصاوير، Ray Tracing، ساخت اشياي شفاف، پردازش سايه ها، هوش مصنوعي و فيزيک استفاده کرد.
Tessellation سخت افزاري: Tessellation به معني موزائيک کاري است و به طور خلاصه وظيفه آن افزايش تعداد چند ضلعي ها براي طبيعي تر جلوه دادن يک شيء سه بعدي است.اگر در کارت گرافيکي چنين ويژگي به صورت سخت افزاري وجود داشته باشد، توسط DirectX 11 پشتيباني خواهد شد(در کارت هاي گرافيکي DirectX 11 يک واحد قابل برنامه ريزي Tessellation وجود دارد).
فشرده سازي پيشرفته HDR:اين قابليت جديد بر طبق نياز توسعه دهندگان در نسخه جديد DirectX 11 تعبيه شده است.دو روش BC6 و BC7 طبق گفته مايکروسافت در حال حاضر بهترين گزينه ها براي رسيدن به حداکثر فشرده سازي و کارايي مناسب است.به عنوان مثال، روش BC6 مي تواند اطلاعات مربوط به HDR را به نسبت 6:1 فشرده کرده و به صورت سخت افزاري آن ها را کدگشايي کند.

بايد منتظر چه کارت هايي باشيم؟
 

پس از کارت هاي گرافيکي HD 4000 و موفقيتي که کسب کردند، اين بار ATI براي به دست آوردن بخش بيشتري از بازار حرکت کرده و تصميم گرفته قدم هايش را محکم تر بردارد.در سري جديد پردازنده هاي ATI تمامي پردازنده هاي گرافيکي عضو خانواده اي به نام Evergreen هستند که در رأس آن کارت هاي گرافيکي با نام رمز Hemlock قرار مي گيرند.اين گروه از کارت هاي گرافيکي در حقيقت ادامه سري x2 کارت هاي گرافيکي ATI هستند و کارت هاي گرافيکي مانند HD 5870 X2 در اين گروه قرار مي گيرد.گروه بعدي کارت هاي گرافيکي با نام رمز Cypress هستند که محصولات تک پردازنده اي با کارايي بالا در اين گروه قرار مي گيرند.پردازنده هاي گرافيکي Juniper نيز با قيمت زير دويست دلار جايگزين HD 4870 و HD 4850 خواهند بود(تصوير1).در کارت هاي گرافيکي ميان قيمت از پردازنده هاي گرافيکي Redwood و در ارزان قيمت ها از Cedar استفاده خواهد شد که براساس اطلاعات تا نيمه اول سال 2010 به بازار ارائه خواهند شد(تصوير 2).البته در حال حاضر تنها HD 5870 با قيمت 399 دلار و HD 5850 با قيمت 299 دلار وارد بازار جهاني شده اند(تصوير3).جدول يک که در انتهاي مقاله آمده، مشخصات فني اين دو کارت گرافيکي به همراه کارت گرافيکي HD 4870 را نشان مي دهد.
اشاره:براي مقايسه بهتر جالب است بدانيد که پردازنده گرافيکي GT 200 با يک ميليارد و چهارصد ميليون ترانزيستور، سطحي به اندازه 576 ميلي متر مربع را اشغال مي کند و پس از تغيير فناوري توليد به 55 نانومتر، اين اندازه به پانصد ميلي متر مربع کاهش يافت.کاهش اندازه پردازنده گرافيکي باعث مي شود تا در پروسه توليد و در هر ويفر، تعداد بيشتري پردازنده به دست آيد و در نتيجه هزينه توليد کاهش پيدا کند.
ميزان توان مصرفي در زمان بيکاري نيز نکته قابل توجهي است که از طريق کاهش فرکانس، ولتاژ پردازنده گرافيکي و حافظه ها امکان پذير شده است.

تغييرات ساختاري نسل جديد
 

ساختمان پردازنده گرافيکي در سري HD 5000 از همان روش معماري سايه زن هاي يکپارچه ( Unified shader Architecture) پيروي مي کند، با اين تفاوت که اين فناوري نسبت به نسل هاي قبل بهينه تر شده است(تصوير4).اين بار AMD به جاي نام پردازشگرهاي جرياني( Stream Processors)از نام هسته هاي جرياني (Stream Cores)استفاده کرده است.در حقيقت، اين واحدها واحدهاي رياضي منطقي هستند و با هسته هاي پردازشي در پردازنده هاي چند هسته اي تفاوت دارند و دستورهاي مورد نياز را از واحد توزيع دستورهاي (Instruction Dispatch)دريافت مي کنند.در پردازنده گرافيکي Cypress، بيست واحد SIMD(Single Instruction Multiple Data)که هريک از شانزده هسته پردازش رشته اي( ThreadProcessor)تشکيل شده اند، وجود دارد.هريک از اين شانزده هسته نيز خود حاوي چهار واحد پردازش منطقي(ALU)ساده و يک ALU اصلي با ساختاري پيچيده تر هستند که در کل تعداد آن ها(و در حقيقت تعداد هسته هاي سايه زن)را به 1600 عدد مي رساند(تصوير5).اين روش شماره گذاري مخصوص ATI است.اگر بخواهيم اين مقدار را با کارت هاي گرافيکي NVIDIA مقايسه کنيم، بايد اين رقم را بر عدد پنج تقسيم کنيم تا تعداد پردازشگرهاي مؤثر به دست آيد(320 واحد).
همچنين به ازاي هر SIMD چهار واحد پردازش بافت وجود دارد که در نتيجه تعداد اين واحدها نسبت به نسل قبل دوبرابر شده و به هشتاد عدد مي رسد.در کارت گرافيکي HD 5850 تعداد واحدهاي SIMD به هجده عدد و در نتيجه تعداد هسته هاي سايه زني به 1440 واحد کاهش يافته است.اندازه HD 5850 نيز حدود يک اينچ کوتاه تر از HD 5870 بوده و کانکتورهاي برق آن نيز در پشت آن قرار دارند.
هر SIMD داراي 32 کيلوبايت فضا براي ذخيره اطلاعات و هشت کيلوبايت حافظه نهان L1 براي ذخيره بافت ها است.اين دو حافظه توسط پردازشگرهاي رشته اي داخل هر هسته قابل دسترس بوده و به اين ترتيب مي توانند اطلاعات را با يکديگر به اشتراک بگذارند.به گفته AMD، سرعت انتقال اطلاعات در اين حافظه يک ترابايت در ثانيه است( تصوير6).
در سري HD 4000 بخشي براي Tessellation وجود داشت، اما در سري HD 5000 اين بخش بهينه و براي کار با DirectX 11 آماده شده است.در اين نسخه سازندگان بازي ها مي توانند با تهيه يک مدل گرافيکي، در هر زمان که خواستند، ميزان دقت آن را افزايش يا کاهش دهند.تمام اين کارها توسط پردازنده گرافيکي انجام خواهد گرفت و به برنامه نويسي زيادي نياز نخواهد داشت.برنامه نويسي اين قسمت توسط دو واحد سايه زن جديد به نام هاي Hull و Domain صورت مي گيرد که دستورهاي مربوط به آن در زبان برنامه نويسي سطح بالاي سايه زن ( HLSL 5.0 - High Level Shader Language 5.0)گنجانده شده است(تصوير7).

الگوريتم هاي مربوط به فيلتر Anisotropic نيز در سري جديد تغيير کرده اند و اين بار اين فيلتر به زاويه نمايش تصوير وابسته نيست و در نهايت در تصاوير زاويه دار، نتايجي بسيار بهتر از قبل حاصل مي کند(بنابراين، بازي هاي قديمي تر که از فيلتر Anistropic پشتيباني مي کنند، مي توانند با کمک اين سري از کارت هاي گرافيکي کيفيت بالاتري را توليد کنند).
کنترلر حافظه 256 بيتي مانند قبل به چهار کنترلر 64 بيتي تقسيم شده است که هريک با 128 کيلوبايت حافظه L2 براي بافت ها(دو برابر نسل قبل)با سرعت انتقال اطلاعات 435 گيگابايت در ثانيه در ارتباط است.با اين حال، پهناي باند حافظه نسبت به نسل قبل تنها حدود 23 درصد افزايش داشته، اما AMD معتقد است که اين مقدار پهناي باند مي تواند به خوبي در شرايط مختلف عمل کند.براي هر کنترلر حافظه نيز دو واحد ROP در نظر گرفته شده که هريک مي توانند در هر زمان چهار پيکسل را با هم ترکيب کنند.فيلتر تصحيح بافت SuperSampled نيز در نسل جديد وجود دارد.روش استفاده شده در اين فيلتر شامل چندين نمونه برداري از پيکسل هاي موجود در صفحه و نمايش آن ها در کنار يکديگر است که در نهايت نتيجه بسيار بهتري نسبت به ساير روش ها دارد.

Eyefinity فناوري جادويي
 

به طور خلاصه، اين قابليت امکان اتصال چند مانيتور به کارت گرافيکي و نمايش يک تصوير بزرگ واحد روي تمام آن ها يا تصويرهاي مجزا روي هريک از آن ها را دارد.به کارت هاي گرافيکي معمولي اين سري مي توان تا حداکثر سه مانيتور با دقت تصوير 1600×2560 پيکسل متصل کرد.مدل مخصوصي از کارت گرافيکي HD 5870 نيز تهيه شده که به شش خروجي تصوير Display Port مجهز بوده و حداکثر مي توان شش مانيتور با حداکثر دقت تصوير 1080×1920 پيکسل را به اين کارت گرافيکي ويژه وصل کرد(تصوير8).به ياد داشته باشيد که نمي توان هر بازي را با دقت تصوير بالا براي چند مانيتور نمايش داد و در صورتي که بخواهيد بازي را با دقت تصوير بسيار بالا نمايش دهيد، به پشتيباني خود بازي از اين قابليت نياز است.
همچنين نيازي به چيدمان دقيق مانيتورها در کنار يکديگر نيست و مانند تصوير مي توان از ترکيب هاي مختلفي براي چيدمان مانيتورها استفاده کرد(تصوير9).در حال حاضر Eyefinity تنها به صورت تک کارت گرافيکي پشتيباني مي شود، اما ATI قول فعال کردن اين قابليت در حالت Crossfire را نيز داده است.بنابراين مي توانيم منتظر قابليت اتصال تعداد بيشتري مانيتور به يک کامپيوتر شويم.

UVD 2.0
 

اين قابليت به شما امکان مي دهد تا در صورت استفاده از يک نرم افزار خاص مانند Power DVD، از قدرت کارت گرافيکي براي کدگشايي سخت افزاري فايل هايي با فرمت فشرده سازي H.264 و VC-1 استفاده کنيد.همچنين کنترل ديناميک کنتراست در فيلم ها بستگي دارد به کنترل ميزان گاما به صورت مستقل از سيستم عامل و کدگشايي سخت افزاري همزمان دو فيلم با استاندارد 1080p که از ديگر امکانات اين فناوري به شمار مي آيند.خبر خوش اين که، خروجي HDMI روي کارت گرافيکي مطابق استاندارد 1.3a بوده و موتور UVD در اين سري خروجي صداي 7/1 کاناله 24 بيتي و 192 کيلوهرتزي را در کنار استانداردهاي صوتي Dolby True HD و DTS-HD از رابط HDMI تأمين مي کند.

NVIDIA کجاست؟
 

تا اينجا مي دانيم که نام رمز پردازنده هاي گرافيکي نسل بعد اين شرکت Fermi است و NVIDIA علاوه بر بازي براي نسل جديد قابليت پردازش موازي را نيز در نظر گرفته است.برخي از مسئولان NVIDIA از قدرت بسيار بالاي اين کارت گرافيکي جديد مي گويند، به طوري که مي تواند به راحتي سري HD 5000 را پشت سر بگذارد.حتي يک مدل GX 2 نيز از سري جديد در نظر گرفته شده است. اما برخي نيز از بروز مشکل در توليد پردازنده گرافيکي جديد خبر داده اند که يکي از مشکلات، توان مصرفي بالا(حدود سيصد وات)و گرماي بيش از حد آن است(البته اين مورد تأييد نشده است).
از Fermi در کارت هاي گرافيکي Quadro، Geforce و Tesla استفاده خواهد شد.در زمان نوشتن اين مقاله نمونه اي از کارت گرافيکي جديد Tesla در کنفرانس خبري اين شرکت به نمايش گذاشته شد که تنها براي پردازش هاي موازي(و نه بازي هاي سه بعدي)در نظر گرفته شده و تنها يک پورت DVI روي آن ديده مي شود که داراي ويژگي هاي عجيبي است (تصوير10).ويژگي اول وجود دو رابط براي SLI است که يکي از آن ها توسط خنک کننده پشت کارت پوشانده شده و عملاً بي استفاده است!ويژگي بعدي وجود دو رابط شش پين و هشت پين روي کارت گرافيکي است(با اين حال اندازه کارت چندان هم بلند نيست)که محل لحيم هاي هشت پين روي کارت گرافيکي تناسب چنداني با رابط آن ندارد(تصوير11)و از قرار اين کارت تنها يک نمونه آزمايشي براي معرفي در کنفرانس بوده است.تعداد ترانزيستورهاي به کار رفته در پردازنده هاي گرافيکي مدل معرفي شده، 3/1 ميليارد عدد و از نوع چهل نانومتري اعلام شد و به گفته NVIDIA قدرت آن هشت برابر پردازنده هاي گرافيکي قبلي همين شرکت است(تصوير12). تعداد واحدهاي سايه زني ( NVIDIA آن ها را هسته هاي CUDA ناميده است) 512 عدد، رابط حافظه 384 بيتي و حافظه GDDR5 با حداکثر پشتيباني از شش گيگابايت حافظه، پشتيباني از DirectX 11 و اجراي مستقيم دستورهاي C، ++C و Fortran از قابليت هاي آخرين کارت گرافيکي اين شرکت است.
زمان عرضه کارت هاي گرافيکي نسل بعد NVIDIA مشخص نيست.اواخر امسال و سه ماهه اول سال آينده تاريخ هايي است که از گوشه و کنار شنيده مي شود.اما نکته مهم، اول بودن ATI در ارائه کارت هاي گرافيکي نسل بعد است که نتيجه آن آشنايي بيشتر توليد کنندگان و تطبيق دادن روش هاي توليد بازي براي هماهنگي هرچه بيشتر با کارت هاي گرافيکي ATI(به عنوان تنها کارت هاي گرافيکي با امکان پشتيباني از DirectX 11) است که در نهايت باعث افزايش مقبوليت ATI در ميان کاربران و بازي دوستان خواهد شد.
منبع:عصر شبکه، شماره 96.
/ج