Wyjaśnienie ulepszeń technicznych GDDR6X

1 września^św, 2020 Nvidia ogłosiła nową serię kart graficznych RTX 3000, które obiecywały niespotykane dotąd poziomy wydajności nie tylko w tradycyjnym renderowaniu rasteryzowanym, ale także w ray tracingu. Seria kart RTX 3000 stała się jednymi z najszybszych kart na rynku, konkurujących z najlepszymi produktami AMD z serii RX 6000. Procesor graficzny oparty na Amperach, który znajdował się w tych kartach, był sam w sobie bardzo szybki, ale znacznie lepsza wydajność była w rzeczywistości wynikiem również innej poprawy.

GDDR6X obiecuje zapewnić bezprecedensowe poziomy przepustowości i szybkości - Zdjęcie: Micron Technology

Duża część tej wydajności pochodziła z pamięci znajdującej się na tych kartach. Dwie najlepsze karty z serii RTX 3000, RTX 3080 i RTX 3090, miały zupełnie nowy typ pamięci, który nie był wcześniej używany w kartach graficznych do gier, znany jako GDDR6X. Ten nowy typ pamięci zapewniał dwukrotnie większą przepustowość w porównaniu ze standardową pamięcią GDDR6, którą można znaleźć w kartach z serii RTX 2000 i AMD RX 6000. Zobaczmy, co sprawia, że ​​GDDR6X jest tak wyjątkowy.

Co dokładnie robi VRAM?

Większość „obciążeń” związanych z przetwarzaniem graficznym jest wykonywana przez rdzeń karty graficznej, który jest znany jako GPU. GPU to bardzo potężny kawałek krzemu, który został zaprojektowany i zoptymalizowany do przetwarzania zadań graficznych, takich jak gry. Obsługuje większość przetwarzania wymaganego do przesunięcia ramek wyświetlanych na monitorze. Aby jednak przetworzyć duże ilości danych i odpowiednio szybko przygotować ramki, GPU potrzebuje nad czym popracować. Tutaj pojawia się VRAM.

VRAM lub pamięć wideo to bardzo szybka forma pamięci, która jest przechowywana na samej karcie graficznej, dzięki czemu procesor graficzny ma do niej bezpośredni dostęp. VRAM przechowuje zasoby i tekstury wymagane przez grę, aby procesor graficzny mógł na nich pracować w razie potrzeby i przygotować klatki, które mają zostać wyświetlone. Jeśli pamięć VRAM nie może wystarczająco szybko dostarczyć tych zasobów i innych ważnych danych do GPU, użytkownik może doświadczyć spowolnień, zacięć, a nawet awarii. Ogólnie rzecz biorąc, wyższe rozdzielczości, takie jak 1440p i 4K z wysokimi ustawieniami graficznymi, wymagają więcej pamięci VRAM do zarządzania i przechowywania tych zasobów o wyższej jakości, co oznacza, że ​​potrzebujesz większej pojemności VRAM, jeśli chcesz grać przy tych ustawieniach w tych rozdzielczościach. Jednocześnie potrzebujesz pamięci o większej szybkości, aby wystarczająco szybko przenieść dane do GPU z pamięci VRAM. Tutaj pomocne okazują się technologie pamięci, takie jak GDDR6X.

Mechanizm GDDR6X

Micron Technology (firma, która produkuje i dostarcza pamięć GDDR6X do Nvidii i innych partnerów) opublikowała niedawno kilka szczegółów na temat mechanizmu stojącego za pamięcią GDDR6X. Daje nam to lepsze wyobrażenie o tym, w jaki sposób ta technologia jest w stanie osiągnąć wyjątkowo wysokie wartości przepustowości.

Sygnalizacja PAM4

W przeciwieństwie do typowych ścieżek danych zwanych „magistralami”, które przenoszą dane o 1 bit na raz, GDDR6X wykorzystuje technikę zwaną PAM4 (czteropoziomowa modulacja amplitudy impulsu), która jest metodą, która zamiast tego może wysyłać 1 z 4 dyskretnych poziomów mocy na raz 2. Oznacza to, że GDDR6X może przenosić 2 bity naraz, co znacznie zwiększa przepustowość. Firma Micron ma historię interesujących innowacji, takich jak ta, ponieważ wprowadził do masowej produkcji pierwsze w branży układy GDDR5, GDDR5X, a teraz GDDR6X. Micron był jedynym producentem GDDR5X i obecnie jest wyłącznym producentem GDDR6X. Micron miał do powiedzenia na temat rozwoju GDDR6X przy użyciu PAM4:

„W firmie Micron już od 2006 roku mieliśmy naukowców badających sposób wykorzystania PAM4 w pamięci” - powiedział Ralf Ebert, dyrektor segmentu grafiki w firmie Micron. „Celowo powiedziałem naukowcom, ponieważ rozróżniam programistów i naukowców. To byli ludzie, którzy naprawdę tworzyli podwaliny pod innowację. Zasadniczo wzięli tę technologię PAM4 i próbowali dowiedzieć się, jak możemy ją wykorzystać w DRAM. Naukowcy musieli pracować ramię w ramię z twórcami GDDR, facetami, którzy podpisali chip ”- powiedział Ebert. „Współpracowali również bardzo blisko z inżynierami systemów i produktów, którzy rozumieją wyzwania z perspektywy systemu i masowej produkcji”.

Ta ekscytująca nowa technologia ma jednak pewne ograniczenia. GDDR6 ma długość serii 16 bajtów (BL16), co oznacza, że ​​każdy z jego dwóch 16-bitowych kanałów może dostarczyć 32 bajty na operację. GDDR6X ma długość serii 8 bajtów (BL8), ale z powodu sygnalizacji PAM4 każdy z 16-bitowych kanałów będzie również dostarczał 32 bajty na operację. Oznacza to, że GDDR6X nie jest szybszy niż GDDR6 przy tych samych częstotliwościach zegara. Oznacza to również, że ponieważ GDDR6X przenosi dwa razy więcej sygnałów niż GDDR6 podczas każdego cyklu, jest również znacznie bardziej wydajny. Według Micron, GDDR6X jest o 15% bardziej energooszczędny niż GDDR6 (7,25 pj / bit w porównaniu do 7,5 pj / bit) na poziomie urządzenia.

PAM4 Signaling to rewolucyjna technika w technologii pamięci - Image: Micron Technology

Ścisła współpraca z Nvidią

Dużą siłą napędową w dążeniu do większej przepustowości i wyższych prędkości była sama Nvidia, która ściśle współpracowała z firmą Micron podczas fazy rozwoju i testowania pamięci GDDR6X. Nvidia jest jedynym partnerem Micron w uruchomieniu, jeśli chodzi o pamięć GDDR6X, co oznacza, że ​​nowy typ pamięci będzie dostępny wyłącznie dla kart Nvidii przez dłuższy czas. Nvidia zainstalowała już nową pamięć na swoich flagowych kartach graficznych do gier GeForce; RTX 3090 i RTX 3080, które w ten sposób otrzymały ogromne skoki w przepustowości w porównaniu z GDDR6 ostatniej generacji.

Pełna specyfikacja pamięci GDDR6X - Image: Micron Technology

Nvidia zaprojektowała również zupełnie nowy kontroler pamięci i PHY dla GDDR6X, ponieważ wykorzystuje sygnalizację PAM4, a wygląda na to, że wszystko zostało zaprojektowane przez samą Nvidię. Technologia GDDR6X powinna być również dostępna w większej liczbie kart firmy Nvidia, szczególnie w seriach TITAN i Quadro, które mogłyby znacznie skorzystać na zwiększonej przepustowości GDDR6X w połączeniu z wyższymi pojemnościami. Micron potwierdził również, że Nvidia nie jest wyłącznym partnerem GDDR6X i że więcej firm również otrzyma nowy standard pamięci później. Oznacza to, że możemy oczekiwać, że karty AMD Radeon również będą miały jakąś aplikację GDDR6X, gdy więcej z tych kart zostanie uruchomionych w przyszłości.

GDDR6X z PAM4 vs HBM2

Chociaż GDDR6X ze swoją fantazyjną nową technologią PAM4 jest nadal droższy w produkcji niż GDDR6, nie jest nawet zbliżony do kosztów produkcji HBM2. HBM, czyli High Bandwidth Memory, naprawdę wydawało się przyszłością technologii pamięci kart graficznych kilka pokoleń temu. AMD bardzo mocno naciskało na wprowadzenie HBM do głównego nurtu rynku i wypuściło serię naprawdę rozczarowujących procesorów graficznych z HBM na pokładzie. Linia kart graficznych Fury i Vega korzystała z pamięci o dużej przepustowości, ale niestety ich rdzenie GPU nie były wystarczająco szybkie, aby dać im jakąkolwiek przewagę nad Nvidią.

Błyskotliwa pamięć HBM2 została ponownie przywrócona w Radeonie VII, nowej wysokiej klasy karcie graficznej AMD opartej na architekturze Vega, ale teraz opartej na procesie 7 nm. HBM2 wewnątrz kart Vega był niezwykle drogi w produkcji i miał niską wydajność, co prowadziło do niskiej podaży i jeszcze niższego popytu. Radeon VII nie mógł zbliżyć się do flagowego modelu Nvidii, RTX 2080Ti, i zmierzył się z EOL w ciągu roku od premiery. Znacznie szybszy flagowiec Nvidii korzysta ze standardowej pamięci GDDR6.

Samo AMD zrezygnowało ze swoich przedsięwzięć HBM po zmianie hierarchii firmy i kilku wysokich rangą członków zostało zwolnionych ze swoich obowiązków. Nowy AMD Radeon szybko odszedł od obsesji na punkcie pamięci HBM i zajął się znacznie bardziej realistycznymi opcjami pamięci, takimi jak pamięć GDDR6 znajdująca się w RX 5000 i Seria procesorów graficznych RX 6000 . Głównym problemem związanym z HBM2 jest jego produkcja. Proces jest niezwykle żmudny i kosztowny, ponieważ HBM2 KGSD (znane dobre matryce układane w stosy) muszą być montowane w fabryce półprzewodników, a następnie umieszczane na interposerze obok GPU w pomieszczeniu czystym innej fabryki. To sprawia, że ​​produkcja jest znacznie droższa i bardziej pracochłonna niż GDDR6 czy nawet GDDR6X, ponieważ GDDR6X nie wymaga układania w stosy i jest dostarczana jako dyskretne układy scalone, które można przylutować w fabryce.

GDDR6X zapewnia wiodące w branży poziomy przepustowości - Image: Micron Technology

Jest jednak jedno zastrzeżenie, na które należy zwrócić uwagę. Układy GDDR6X wymagają bardzo czystego i stabilnego sygnału, dlatego kontroler pamięci Nvidia w GPU GA102, który zasila układy pamięci, znajduje się teraz na oddzielnej szynie zasilającej. Zapewnia to, że chipy otrzymują wymaganą czystą i stabilną moc, której potrzebują do prawidłowego działania.

PAM4 na przyszłość

Sygnalizacja PAM4 to interesujący i naprawdę ekscytujący nowy proces, który może znaleźć zastosowanie w kilku obszarach sprzętu komputerowego. Chociaż obecnie ogranicza się do aplikacji GDDR6X w kartach graficznych, technika sygnalizacji może mieć znacznie więcej zastosowań w innych procesach w przyszłości. Firma Micron wierzy, że przyszłością pamięci jest technika PAM 4.

„Tak więc GDDR6X to miejsce, w którym wprowadziliśmy PAM4 i zdecydowanie widzimy, że postępuje naprzód” - powiedział dyrektor ds. Pamięci graficznej w firmie Micron. „Potencjalnie PAM4 może być używany w innych standardach pamięci. Jest możliwe lub prawdopodobne, że ten typ technologii będzie używany przez korporacje z procesorami lub innymi naszymi procesorami ”.

Innym interesującym przyszłym zastosowaniem standardu sygnalizacji PAM4 jest PCIe Gen 6.0, który ma się pojawić w 2021 r. Wykorzystuje sygnalizację PAM4 w celu uzyskania większej wydajności i wyższych szybkości transmisji danych. Ponieważ PCIe ma bardzo szeroki zakres adaptacji, firmy CPU i ASIC będą musiały ostatecznie przyjąć PAM4 i PCIe 6.0 w pewnym momencie. Być może kiedyś zostanie również użyty w pamięci HBM2, aby zapewnić nierealną przepustowość i prędkość, ale to tylko spekulacje z naszej strony.

Gdzie jest używany GDDRX?

Nawet jeśli odłożymy na chwilę przyszłość, GDDR6X jest dziś nadal używany w wielu ważnych aplikacjach. Niektóre z ważnych to:

• Hazard: Największe i najpopularniejsze zastosowanie pamięci GDDR6X dotyczy oczywiście gier. Micron dostarczył Nvidii moduły GDDR6X do integracji z nowymi kartami graficznymi RTX 3080 i RTX 3090. Ta pamięć pozwoli im osiągnąć bezprecedensowe liczby pod względem przepustowości i szybkości. Pierwsza generacja GDDR6X może osiągnąć szybkość transmisji danych do 1 TB / s. Może to okazać się niezwykle korzystne w przypadku gier nowej generacji.
• HPC: Technologia GDDRX jest używana w HPC lub obliczeniach o wysokiej wydajności. Charakteryzuje się wysoce równoległymi obliczeniami wykonującymi zaawansowane programy aplikacyjne niezawodnie, wydajnie i tak szybko, jak to tylko możliwe. Te rozwiązania obliczeniowe są wykorzystywane przez naukowców, badaczy, inżynierów i instytucje akademickie do rozwiązywania złożonych problemów.
• Profesjonalna wirtualizacja: Branże takie jak opieka zdrowotna i medycyna, profesjonalne przetwarzanie wideo, symulacje finansowe, prognozy pogody lub ropa i gaz polegają na naprawdę wysokiej klasy stacjach roboczych, które mogą wykorzystać moc pamięci GDDR6X do usprawnienia i optymalizacji przepływu pracy. Te wysokowydajne stacje robocze są kluczowym przykładem zastosowania nowej pamięci GDDR6X.
• Sztuczna inteligencja: Technologie pamięci GDDRX są wykorzystywane w sztucznej inteligencji i jej pochodnych, takich jak Deep Learning. Te obciążenia stają się coraz ważniejsze, a także powszechne, a szybkie rozwiązania obliczeniowe, takie jak GDDRX, zdecydowanie mogą w tym pomóc.

GDDR6X znajdzie swoje zastosowanie w wielu innych obszarach przemysłu - Image; Technologia Micron

Słowa końcowe

GDDR6X to nowy typ pamięci, który został opracowany przez firmę Micron w ścisłej współpracy z firmą Nvidia. Pamięć wykorzystuje nową technologię zwaną sygnalizacją PAM4, która jest bardzo nowatorskim procesem architektonicznym, w którym efektywna szybkość transmisji danych jest podwojona. Technika sygnalizacyjna obniża również zużycie energii, a tym samym sprawia, że ​​pamięć jest bardziej wydajna.

Nvidia zaimplementowała pamięć w swoich nowych kartach RTX 3080 i RTX 3090, a to dopiero początek ostatecznego wprowadzenia pamięci GDDR6X na rynek gier. Pamięć jest łatwiejsza i tańsza w produkcji niż HBM2 i daje niezwykle obiecujące wyniki, więc wydaje się, że cała branża prędzej czy później przyjmie ten standard. Obecnie technologie GDDRX można znaleźć w wielu sektorach, w tym w grach, HPC, profesjonalnej wirtualizacji i sztucznej inteligencji.