گاهی اوقات کارت های گرافیکی جد ید نسبت به نسل پیش از خود تفاوت های ساختاری زیاد ی ند ارند و سازند گان تراشه ها ترجیح می د هند با چند به روزرسانی کلی نسل جد ید ی از پرد ازند ه های گرافیکی را معرفی کنند اما زمانی هم این کارت ها با تراشه هایی وارد بازار می شوند که ساختار آنها تغییر پید ا کرد ه و پیشرفت های اساسی د ر آنها انجام شد ه است. کارت های جیفورس نسل ششم و همچنین نسل جد ید تراشه های گرافیکی AMD شامل همین تغییرات شد ه اند و پیشرفت های قابل توجهی د ر معماری آنها د ید ه می شود .

انوید یا د ر نسل چهارم تراشه های گرافیکی که با مد ل هایی مانند GTX 480 کار خود را آغاز کرد ساختار جد ید ی به نام فرمی (Fermi) را توسعه د اد . فرمی نام خود را از یک فیزیکد ان ایتالیایی گرفته بود که د ر زمینه انرژی اتمی صاحب نام بود اما تراشه های انوید یا تنها حرارت و مصرف بسیار بالا را از این نام به ارث برد ند و عملا نسل چهارم با موفقیت قابل قبولی روبه رو نشد ، هر چند بعد از معرفی مد ل های اولیه، با ورود کارت های متوسط، انوید یا توانست این مشکلات را تا حد ود زیاد ی کاهش د هد . د ر نسل پنجم، تراشه های انوید یا قد رت زیاد ی پید ا کرد ند و علاوه بر بهبود مصرف انرژی و افزایش کارایی د ر زمینه هایی مانند پرد ازش های عمومی توسط تراشه یا GPGPU نیز عملکرد قابل توجهی نشان د اد ند ، به طوری که تا مد ت ها تراشه GTX 580 عنوان قوی ترین تراشه گرافیکی را با خود همراه د اشت. د ر تراشه های گرافیکی نسل ششم، انوید یا با تحولی د یگر د ر ساختار تراشه ها وارد مید ان شد ه و با تغییر پلتفرم از ساختار فرمی، معماری جد ید ی به نام کپلر (Kepler) را مورد استفاد ه قرار د اد ه است. این تراشه ها با فناوری ۲۸ نانومتری تولید می شوند و انوید یا مد عی شد ه است تراشه های GeForce GTX 680 سریع ترین تراشه های موجود با بهترین راند مان مصرف انرژی هستند . این تراشه ها با کد GK104 تولید شد ه اند و البته انوید یا باز هم اعلام کرد ه است این تراشه ها تنها یک راه حل متوسط ولی قد رتمند هستند و امسال راه حل د یگری معرفی خواهد کرد که توانایی بالاتری نسبت به این مد ل د ارد ولی د ر حال حاضر جیفورس GTX 680 قوی ترین تراشه برای اجرای بازی ها و محتوای سه بعد ی است.

مهم ترین نقطه عطف این تراشه ها را می توان د ر راند مان مصرف انرژی آنها عنوان کرد که بیشترین کارایی را د ر مقابل هر یک وات مصرف شد ه د ارند که این موضوع علاوه بر کاهش فناوری ساخت به ۲۸ نانومتر، به ساختار معماری کپلر هم مربوط است.

د ر این بین می توان اشاره ای هم به AMD د اشت که اوایل سال میلاد ی تراشه های قد رتمند HD 7970 را معرفی کرد که د ر آنها نیز راند مان مصرف انرژی بهبود پید ا کرد ه و البته تغییرات ساختاری زیاد ی د ر آنها انجام شد ه است. به عنوان مثال معماری VLIW با معماری GCN عوض شد ه است و کارایی بهتری د ر زمینه
GPGPU د ارد . AMD با این معماری تلاش زیاد ی برای استفاد ه از توان کارت های گرافیکی برای پرد ازش های عمومی و محاسباتی سیستم انجام د اد ه است تا کارت گرافیکی بتواند علاوه بر پرد ازش محتوای سه بعد ی د ر سایر کاربرد ها نیز با cpu همراهی کند . این موضوع نکته ای است که انوید یا د و نسل پیش از این و با ساختار فرمی به طور جد ی آن را د نبال کرد و حالا نیز د ر این زمینه مد عی است.

ساختار کپلر شباهت های زیاد ی با ساختار فرمی د ارد بنابراین با نگاهی به گذشته، ابتد ا ساختار فرمی را توضیح می د هیم و سپس به سراغ کپلر می رویم.

ساختار فرمی

تراشه های GTX 580 د ارای ۵۱۲ پرد ازند ه جریانی (Stream Processors) هستند که انوید یا نام این پرد ازند ه ها را هسته های کود ا (CUDA) گذاشته است. هسته های کود ا د ر بلوک هایی ۳۲ عد د ی جای می گیرند و به آنها SM گفته می شود . چهار گروه از این SMها د ر یک خوشه پرد ازشی (کلاستر) رد یف می شوند که به این خوشه GPC گفته می شود . د ر نهایت چهار GPC یک تراشه با معماری GF100 را تشکیل می د هند . از این چهار واحد ، د و واحد د ر بالا و د و واحد نیز د ر پایین تراشه قرار گرفته اند و بین آنها را حافظه د رونی L2 پر کرد ه است. این حافظه به صورت ۴۸ واحد د ر میان تراشه قرار گرفته و رد ه بند ی آنها به صورت شش بخش است که د ر هر کد ام از آنها هشت حافظه استفاد ه شد ه است. د ر اطراف تراشه نیز شش واحد کنترل حافظه د ید ه می شود .

۱۶ واحد SM (بلوک های ۳۲ عد د ی هسته های کود ا) د ر میان چهار واحد GPC مشخص است. این SM ها می توانند د ر هر چرخه فرکانس ۵۱۲ د ستورالعمل را اجرا کنند . د ر انتهای ساختار SM چهار واحد پرد ازش بافتی نیز قرار د اد ه شد ه و علاوه بر آن د ر هر SM یک واحد پرد ازش هند سی هم وجود د ارد که مجموع آنها به ۱۶ واحد می رسد . انوید یا نام این قسمت را موتور پلی مورف یا موتور چند شکلی گذاشته است. موتور PolyMorph و موتور پیکسلی Raster د و بخش مهم اجرایی د ر ساختار فرمی هستند که د ر واقع یکی از تفاوت های مهم این کارت ها با نسل های پیشین ناشی از این د و قسمت است. موتور Raster ترکیبی از تمام روش های پیشین برای پرد ازش تصویر است که شامل تنظیم لبه ها و سه ضلعی ها، تبد یل تصاویر به بیت مپ یا نقشه های بیتی و تبد یل نقشه های د وبعد ی به تصاویر سه بعد ی است. این واحد د ر تراشه هایی که د ارای معماری GF100 هستند می تواند د ر هر چرخه فرکانس تا ۳۲ پیکسل را پرد ازش کند . موتور پلی مورف که انوید یا آن را برای پرد ازش های هند سی اختصاص د اد ه است، چند ین فعالیت اصلی را د ر کارت های گرافیکی انجام می د هد که موارد زیر از نمونه های این وظایف است:

Vertex Fetch: د ر تصاویری مثل سطح آب یا شعله های آتش با وجود اینکه با یک بافت سطحی روبه رو هستیم اما این بافت ثابت نیست و حرکت د ارد . به عنوان مثال امواج بسیار کوچک سطح آب یا زبانه های شعله آتش اگر به صورت بافت پرد ازش شوند نتیجه یک تصویر صاف و بد ون جزییات خواهد بود . موتور پلی مورف پرد ازش این سطوح را انجام می د هد .

Tessellation: تصاویر سه بعد ی از چند ضلعی ها تشکیل شد ه اند و با کمک Tessellation یا موزاییک کاری، این چند ضلعی ها د ر یک ساختار مناسب کنار هم قرار می گیرند و آماد ه پرد ازش می شوند . د لیل این امر هم پیچید گی هایی است که برای پرد ازش مستقیم تصویر وجود د ارد و کارت های گرافیکی با تقسیم یک سطح به چند ضلعی ها کار پرد ازش را آسان تر می کنند . با این حال پرد ازش جزییات ظریفی که د ر برخی اجسام مانند صورت انسان د ید ه می شود نیاز به توان قابل توجهی از سوی کارت گرافیکی د ارد . علت اینکه نام این بخش Tessellation یا موزاییک کاری گذاشته شد ه به د لیل شیوه مشابهی است که د ر پرد اخت گرافیکی انجام می شود و این چند ضلعی ها به طور مرتب د ر کنار یکد یگر قرار می گیرند تا تصویر نهایی تشکیل شود .

Viewport Transform: تصاویر د ر بازی ها و نمایش های سه بعد ی همیشه تولید نمی شوند و اغلب از تصاویر از پیش طراحی شد ه برای نمای سه بعد ی استفاد ه می شود که این شبه عکس ها با قرار گرفتن د ر کنار یکد یگر تصویر نهایی را خلق می کنند . د ر پرد ازش های گرافیکی موضوع جایگیری و چید مان این تصاویر مهم است و این بخش توسط Viewport مد یریت می شود .

موتورهای Raster د ر یک تراشه با مهند سی GF110 چهار عد د هستند یعنی برای هر GPC یک موتور Raster د ر نظر گرفته شد ه د ر حالی که موتورهای پلی مورف د ر هر GPC چهار عد د هستند و مجموع آنها د ر یک تراشه به ۱۶ عد د می رسد . ضمنا باید توجه د اشت بسیاری از این امکانات برای این تراشه یا این کارت های گرافیکی انحصاری نیست بلکه مجموعه ای از توانایی های فراهم شد ه توسط نسخه یازد هم د ایرکت ایکس است که کارت های مختلف توان متفاوتی د ر اجرای آنها د ارند . قبلا د ر تراشه های نسل GT200 از یک موتور Raster بزرگ استفاد ه می شد . به کارگیری ۱۶ موتور پلی مورف به این معنی است که امکان پرد ازش موازی د ر این حالت بیشتر است و البته باید توجه د اشت مد یریت این د اد ه ها به صورت موازی که د ر کانال اطلاعات قرار د ارند کار آسانی نیست. GF110 علاوه بر این موارد ، تکه های مختلف و اجزای کوچک تصویر را نیز بررسی می کند و د ر صورت لزوم آنها را به تکه های کوچک تر تبد یل خواهد کرد تا توسط چند SM به صورت همزمان پرد ازش شوند . د ر این حالت اطلاعات مرتبط با د اد ه د ر حال پرد ازش د رون هسته باقی می ماند و از طریق حافظه سطح L1 د ر میان SMها جابه جا می شود .

معماری کپلر

د ر ساختار کپلر مانند قبل یک موتور GigaThreadEngine، کـنــتـرلرهای حافظه، حافظه L2 cache برای د اد ه ها و د ستورالعمل ها، موتور پیکسلی Raster و کلاسترهای پرد ازشی وجود د ارد و از این نظر تفاوتی با قبل ند ارند . د ر تراشه GTX 680 چهار واحد GPC د ید ه می شود که هر کد ام از آنها د ارای یک موتور
Raster و چند ین پرد ازند ه جریانی هستند . تا پیش از این د ر ساختار فرمی و قبل از آن د ر ساختار تسلا، خوشه های حاوی واحد های کوچک پرد ازشی کود ا د رون تراشه، SM نامید ه می شد ند اما انوید یا د ر ساختار کپلر نام آنها را SMX گذاشته است. د ر فرمی چهار GPC د ر تراشه وجود د اشت که هر کد ام د ارای چهار SM بود ند ، اکنون د ر ساختار کپلر د ر هر کد ام از چهار واحد GPC د و SMX د ید ه می شود .

منع