Продолжаем рассматривать историю развития графических процессоров компании AMD/ATI. Глава 2: Путь к универсальной архитектуре и появление видеокарт с поддержкой современного DirectX 12. Первая часть: "Эволюция графических решений компании AMD/ATI. Глава 1: Начальные этапы".
Ради Radeon HD2000: Встреча с DirectX 10 и Суперскалярной Архитектурой TeraScale
Слияние AMD и ATI завершилось в конце 2006 года, сразу же после чего NVIDIA выпустила первую волну видеокарт новой линейки GeForce 8000 с поддержкой DirectX 10, впечатлявших своей производительностью. Ответ со стороны ATI не заставил себя долго ждать и пришел в мае 2007 года: это была карта Radeon HD2900 XT, разработка которой была в значительной степени оформлена под руководством AMD.
В основе данной модели лежал чип R600, представлявший собой новую графическую архитектуру TeraScale. Эта архитектура была разработана с учетом требований DirectX 10 и шейдеров версии 4.0. Более того, TeraScale обеспечивала возможности для неграфических вычислений, поддерживая API, известное как ATI Stream. Внутренняя структура графического процессора включала 64 суперскалярных шейдерных кластера, каждый из которых содержал пять универсальных скалярных потоковых процессоров (SP). Из них четыре SP могли выполнить более простые инструкции, в то время как пятый способен был справляться с более сложными задачами. Контроль за вычислительными блоками осуществлялся с помощью второго поколения процессора Ultra-Threaded Dispatch Processor.
Таким образом, полный чип суммировал в себе 320 SP. К нему присоединялись 16 блоков ROP и такое же количество TMU, а также программируемый блок аппаратной тесселяции, который выходил за рамки стандартов DirectX 10. Контроллер памяти оперировал кольцевой 1024-битной шиной, в то время как внешний интерфейс памяти расширился до невиданных 512 бит. Процесс изготовления чипа R600 осуществлялся по 80-нм технологии, позволившей поднять тактовую частоту до 743 МГц. Разновидность HD2900 XT могла оборудоваться как 512 МБ, так и 1 ГБ памяти, включая GDDR3 и более быструю GDDR4 с производительностью 128 ГБ/c.
Внесенные улучшения коснулись анизотропной фильтрации и режимов сглаживания, включая новые возможности, такие как MSAA 8x и CFAA. Однако несмотря на внушительные 320 SP и 512-битную шину памяти, Radeon HD2900 XT так и не смогла догнать своего конкурента, GeForce 8800GTX, и была позиционирована на уровне ниже GeForce 8800GTS. Важно отметить, что энергопотребление этой модели оставалось на высоком уровне для того времени — целых 215 Вт. Для обеспечения питания видеокарты впервые потребовалось использовать два разъема: 6-pin и 8-pin.
Через месяц после выпуска топовой видеокарты на рынке появились средние и более доступные модели из линейки Radeon HD2000. Эти модели включали в себя серии HD2600 и HD2400. Карты оснащались памятью GDDR3 или DDR2 объемом 256 или 512 МБ, а более мощная HD 2600 XT также предлагала вариант с более быстрой GDDR4. Чип RV630 использовался в линейке HD2600 и имел 120 SP и 128-битную шину памяти, в то время как HD2400 на базе чипа RV610 имел 40 SP и 64-битную шину. Оба чипа были изготовлены по технологии 65 нм. В этот раз ассортимент карт был более структурирован, и после предыдущего поколения, где было множество моделей на разных ГП, наконец-то наступил порядок.
Также осенью 2007 года, на основе архитектуры R600, были выпущены две дополнительные карты: HD2900 PRO и HD2900 GT. Версия PRO имела немного пониженные частоты по сравнению с флагманом и предлагалась в двух вариантах: с 512-битной и урезанной 256-битной шиной памяти. В то время как GT была более значительно ограничена: только 240 из 320 SP были активными, а объем памяти составлял 256 или 512 МБ GDDR3 с 256-битной шиной.
Radeon HD3000: DirectX 10.1 и оптимизация
В ноябре 2007 года, всего через полгода после выхода первой модели из серии HD2000, AMD представила новое поколение видеокарт — HD3870 и HD3850.
Сознавая, что в данный момент опережать вершину NVIDIA вряд ли удастся, компания приняла решение оптимизировать и адаптировать свои предыдущие разработки под более эффективный 55 нм техпроцесс. Первой в этом списке оказалась модель наследующая чип R600, который получил имя RV670. Он сохранял аналогичную структуру блоков, однако был дополнен рядом новых особенностей. Среди них были поддержка DirectX 10.1 и шейдерной модели 4.1, а также внедрение интерфейса PCI-E 2.0, удваивающего пропускную способность для передачи данных между видеокартой и системой.
Главным недостатком нового чипа стала уменьшенная ширина шины памяти, которая теперь составляла 256 бит, в то время как внутренний кольцевой интерфейс восстановил свою 512-битную структуру. Это снижение несмотря на 320 SP не оказало серьезного влияния на производительность, так как часто блоки с таким количеством вычислительных единиц не могли полностью загрузить более широкую 512-битную шину памяти. Благодаря уменьшению технологического процесса в два раза, размеры ГП были уменьшены, что позволило снизить его стоимость. Помимо этого, энергопотребление значительно уменьшилось, и самая мощная модель потребляла всего 106 Вт.
Карты серии HD3800 демонстрировали производительность, сопоставимую с предыдущей линейкой HD2900, но немного уступали конкурирующей серии GeForce 8800 на основе чипа G92. Тем не менее, благодаря более доступной цене и сниженному энергопотреблению, они стали более популярными среди пользователей.
Извлекая вышеприведенные сведения, AMD успешно создала свою первую видеокарту с двумя чипами — HD3870 X2. Ее выход состоялся через два месяца после появления первых карт линейки, и данное устройство объединяло две платы с чипами RV670 в одном корпусе. Однако, несмотря на это, тепловая мощность (TDP) у HD3870 X2 составляла всего 165 Вт. Вскоре после этого появилась еще одна двухчиповая модель — HD3850 X2. Благодаря технологии CrossFire, стало возможным объединить две подобные карты, позволяя таким образом на одной системе работать с четырьмя графическими процессорами.
В начале 2008 года, были представлены два дополнительных чипа на техпроцессе 55 нм: RV635 и RV620. Первый из них имел аналогичную конфигурацию с предшественником RV630 и стал основой для создания видеокарты Radeon HD3650. Эти карты, также как и их предшественники, могли быть оснащены разными типами памяти: GDDR4, GDDR3 или DDR2. По прошествии года, на основе чипа RV630 появились еще две модели — HD3730 и HD3750, которые отличались от первоначальной модели частотами. Второй чип, младший RV620, имел аналогичные характеристики с RV610 и использовался для создания бюджетных видеокарт серий HD3400 и HD3500.
Radeon HD4000: больше — лучше
В июне 2008 года, NVIDIA представила свои мощные карты GTX280 и GTX260, основанные на чипе GT200. Через неделю компания AMD ответила двумя видеокартами новой серии — HD4870 и HD4850, построенными на чипе RV770.
Архитектура TeraScale в основе чипа RV770 оставалась прежней, но был изменен баланс блоков. Графический процессор включает в себя 160 шейдерных кластеров, объединенных в 10 больших массивов, известных как SIMD-блоки. Полный чип содержит целых 800 SP, что в 2,5 раза больше, чем в предыдущем поколении. Геометрические шейдеры также были ускорены. Количество TMU значительно увеличилось с 16 до 40, устраняя таким образом недостаток предыдущей версии. В то же время блоки ROP остались в количестве 16, но претерпели улучшения для более эффективной работы.
Система обмена данными также претерпела множество изменений: кэширование было переработано, кольцевая шина была заменена центральным хабом, а контроллер памяти стал поддерживать быструю GDDR5. Несмотря на 256-битную шину, это позволило достичь впечатляющей пропускной способности в 115 ГБ/c, что лишь незначительно уступает 512-битной шине с GDDR4. Верхнему варианту HD4870 была предоставлена память GDDR5, в то время как младшая модель 4850 получила привычную GDDR3 и уменьшенную частоту ядра. Несмотря на все улучшения, видеокарты оказались достаточно эффективными с точки зрения энергопотребления — максимальный уровень TDP для старшей модели не превышал 160 Вт.
Аналогично предыдущему поколению, компания AMD придерживалась стратегии "доступно и эффективно" в линейке видеокарт HD4850 и HD4870, представленных в июне 2008 года. HD4850 конкурировала с 9800GTX, в то время как HD4870 приближалась к GTX260 — карте более дорогой и сложной, при этом она была доступной по цене. Для соперничества с топовой GTX280, компания выпустила двухчиповую модель HD4870 X2 в августе. Эта карта давала серьезную конкуренцию в играх, оптимизированных под CrossFire, но требовала значительное энергопотребление — до 286 Вт. В ноябре была представлена также двухголовая карта HD4850 X2.
В сентябре 2008 года были представлены более недорогие серии видеокарт: Radeon HD4600, HD4500 и HD4300. Эти карты стали последними моделями, поддерживающими AGP-интерфейс. Старшая серия HD4600 была основана на чипе RV730 с 320 SP и 128-битной шиной памяти, совместимой с разными типами памяти: GDDR4, GDDR3 и DDR2. Две младшие серии HD4500 и HD4300 использовали чип RV710 с 120 SP и 64-битной шиной памяти, поддерживающей DDR2 или DDR3. В этой серии только у младших карт были модели с 256 МБ памяти, а средние и старшие версии предлагались с 512 МБ или 1 ГБ.
В октябре появилась первая видеокарта на базе усеченного чипа RV770 — HD4830. Эта карта имела 640 SP и 256-битную память GDDR3. В следующем году к этой модели добавились еще две с аналогичным чипом, но с 128-битной памятью GDDR5 — HD4810 и HD4730.
В апреле 2009 года, серия видеокарт Radeon HD4700 получила новое дополнение — HD4770. Этот вариант оборудован свежим чипом RV740, который изначально включает в себя 640 SP и 128-битную шину GDDR5. Такой чип был разработан с использованием технологического процесса 40 нм. Это было своего рода предварительным этапом перед выпуском новой серии видеокарт. В то же время была представлена обновленная вершина — HD4890, основанная на чипе RV790. Этот чип был улучшен в целях достижения более высоких рабочих частот — вплоть до 850 МГц и выше. В итоге, новая модель успешно соперничала с картой GTX275.
В сентябре 2009 года произошло неожиданное расширение линейки видеокарт Radeon HD4000. В этот период появилось две новые модели. HD4750 стала второй картой, построенной на базе чипа RV740. С другой стороны, HD4860 стала второй моделью, разработанной на чипе RV790. В случае последнего чипа была осуществлена урезка до 640 SP, что позволило достойно соперничать с основным конкурентом GTS250.
Radeon HD5000: первые с DirectX 11
В конце сентября 2009 года компания AMD представила свою новую линейку графических карт Radeon HD5000. Среди первых выпущенных моделей были HD5870 и HD5850. В отличие от предыдущих поколений, эти карты были высокопроизводительными решениями, разработанными для соперничества с флагманскими продуктами конкурентов. Основным нововведением стало внедрение поддержки DirectX 11, которое принесло в арсенал графических возможностей шейдеры версии 5.0, аппаратную тесселяцию и вычисления DirectCompute. Эти инновации стали возможными благодаря обновленной архитектуре TeraScale 2.
Чип, использованный в этих видеокартах, получил кодовое название Cypress и был изготовлен по техпроцессу 40 нм. Организация внутренних компонентов была схожей с чипом RV770, однако количество всех блоков было удвоено: 20 SIMD, 320 шейдерных кластеров, 1600 SP, 32 ROP и 80 TMU.
Блок тесселяции, включенный во все чипы начиная с R600, претерпел улучшения для поддержки стандартной тесселяции в DirectX 11. Шейдерные процессоры были обновлены для поддержки новых видов инструкций, а также быстрее кэшировали данные. Одновременно с этим, шина осталась 256-битной, но контроллер памяти был адаптирован для работы с более высокочастотной памятью, что увеличило полосу пропускания до 153.6 ГБ/c.
Такие характеристики были реализованы в верхней модели HD5870. Модель HD5850, находящаяся на более низком уровне, имела сниженные частоты и урезанный чип с 1440 SP. Все же обе модели превосходили продукты серии GTX200 от NVIDIA. Ответ со стороны NVIDIA пришел через полгода с появлением топовых карт GTX480 и GTX470, которые опережали продукцию AMD в использовании тесселяции, но в остальных аспектах оставались на одном уровне. К тому же, HD5870 потребляла значительно меньше энергии, чем конкурентная GTX480 — 188 Вт против 250 Вт. Более раннее появление на рынке и более экономичное энергопотребление переклонили выбор пользователей в пользу продукции AMD.
Через месяц после выпуска флагманских карт, на рынок поступили HD5770 и HD5750, базирующиеся на менее мощном чипе Juniper, который можно считать уменьшенной версией Cypress. Эти видеокарты имеют 128-битный интерфейс памяти, но используют такую же быструю GDDR5-память, как и более мощные модели. HD5770 и HD5750 пользовались популярностью благодаря производительности, сопоставимой с HD4870 и HD4850, но с намного более низким энергопотреблением. В то время как конкурентская GTS450 была выпущена только через год после этого и обладала меньшей производительностью по сравнению с версией HD5770.
За этими картами последовала новая двухчиповая лидерша — HD5970. Эта видеокарта содержит два чипа HD5870 на одной плате и на протяжении почти полутора лет оставалась самой производительной двухчиповой моделью на рынке. При этом уровень энергопотребления незначительно вырос по сравнению с HD4870 X2, составив 294 Вт.
В феврале 2010 года произошло появление дополнительной версии чипа Cypress — HD5830, с активными 1120 SP. Также были представлены новые видеокарты на двух бюджетных чипах. ГП Redwood, оснащенный 400 SP и 128-битной шиной памяти с поддержкой GDDR5, GDDR3 и DDR2, стал основой для моделей серий HD5600 и HD5500. В этой линейке лишь младшая HD5550 получила урезанную версию чипа. А чип Cedar, наименьший в линейке, с 80 SP и 64-битной шиной памяти, нашел свое место только в единственной модели — HD5450.
Radeon HD6000: последние преставители TeraScale
В октябре 2010 года AMD представила две новые видеокарты, входящие в линейку Radeon HD6000: HD6870 и HD6850. Они основаны на чипе Barts, принадлежащем архитектуре TeraScale 2. В отличие от Cypress, этот чип имеет меньшее количество вычислительных блоков, но усовершенствованный блок для тесселяции. Внутри чипа насчитывается 14 SIMD, 224 шейдерных кластера, 1120 SP, 32 ROP и 56 TMU. Ширина шины памяти составляет 256 бит, с поддержкой GDDR5.
HD6870 оснащена полным чипом Barts, тогда как HD6850 имеет урезанный вариант с 960 SP. Эти карты разрабатывались для замены HD5870 и HD5850, хотя были немного менее производительными, и в то же время были доступнее в цене. В апреле 2011 года появилась дополнительная карта на базе чипа Barts — HD6790. Она утратила около трети SP, оставив активными лишь 800 из них.
В ноябре 2010 года NVIDIA выпустила первую карту серии GTX500 — флагманскую модель GTX580. Эта видеокарта унаследовала архитектуру Fermi от своей предшественницы, однако избавилась от ее основных ограничений, таких как урезанный чип и сниженные частоты. В ответ на этот выпуск, через месяц AMD представила свои флагманские карты нового поколения — Radeon HD6970 и HD6950.
Эти модели построены на основе чипа Cayman, который использует обновленную архитектуру TeraScale 3. Основу чипа всё так же составляют суперскалярные шейдерные кластеры. Однако теперь в каждом кластере находится не пять, а четыре SP, что позволяет более эффективно их использовать. Благодаря этому, несмотря на небольшое уменьшение количества SP в чипе Cayman по сравнению с Cypress, он стал немного более производительным.
Полный чип включает в себя 24 блока SIMD, 384 суперскалярных блока и 1536 SP. Вычислительные блоки разделены на две части, каждой из которых управляет индивидуальный Ultra-Threading Dispatch Processor. Теперь также имеется двойное количество блоков геометрии и тесселяции. Скорость каждого из этих блоков увеличена до полутора раз по сравнению с предыдущей моделью. Полный чип также включает 32 блока ROP и 96 TMU. При сохранении 256-битной шины памяти, благодаря использованию более быстрых чипов GDDR5, пропускная способность увеличилась до 176 ГБ/c. Одной из новых функций стала поддержка сглаживания EQAA.
Флагманская модель HD6970 оснащена полным чипом, в то время как более доступная HD6950 имеет урезанную конфигурацию с 1408 SP. Объем памяти на стандартных картах увеличен до 2 ГБ. Тем не менее, конкуренция с GTX580 оказалась сложной — верхний уровень HD6970 был на паритете с GTX570, а HD6950 была немного менее быстрой. Однако потребление энергии у обоих карт оставалось довольно высоким — до 250 Вт. Через год чип Cayman использовался в еще одной модели — HD6930, с уровнем активных SP, сокращенным до 1280.
В марте 2011 года оба производителя представили свои топовые двухчиповые ускорители: NVIDIA выпустила GTX590, а AMD — HD6990. В этот раз AMD сумела опередить конкурента: карта HD6990 была немного быстрее. Однако HD6990 также установила рекорд по энергопотреблению — аж 375 Вт.
Спустя месяц после этого, появились HD6770 и HD6750. AMD не приняла решение разрабатывать новые чипы для данных карт: обе модели представляют собой переименованные версии HD5770 и HD5750, использующие чип Juniper. То же самое относится и к HD 6350 — это переименованная версия HD5450, использующая ядро Cedar. Однако, чтобы заполнить пробел между средним и бюджетным сегментами, компания внедрила новые чипы: Turks и Caicos.
Несмотря на свою новизну, оба чипа остались верными старой архитектуре TeraScale 2. Чип Turks оснащен 480 SP и 128-битной шиной памяти, которая поддерживает как GDDR5, так и более медленную GDDR3. Этот чип использовался в моделях HD 6670 и 6570. Чип Caicos, который имеет всего 160 SP и 64-битную шину памяти DDR3, был внедрен в единственную модель — HD 6450.
Radeon HD7000: DirectX 11.1 и скалярная GCN
В январе 2012 года начинается новый этап в истории графики AMD, когда появляются первые видеокарты, построенные на совершенно новой архитектуре — Graphics Core Next (GCN). В отличие от предыдущей суперскалярной архитектуры TeraScale, GCN представляет собой скалярную архитектуру. Это означает, что ее вычислительные блоки могут быть намного эффективнее загружены, чем блоки предыдущей архитектуры. Кроме того, данная архитектура более подходит для вычислений общего назначения, не связанных с графикой.
Основой новых графических процессоров (ГП) являются вычислительные блоки (CU). Каждый блок содержит 4 текстурно-модулирующих блока (TMU) и 64 шейдерных процессора (SP), разделенных на четыре группы. Каждая группа работает с собственным потоком команд, который управляется внутренним планировщиком исполнения, присутствующим внутри CU.
Первыми видеокартами, основанными на архитектуре GCN, стали HD7970 и HD7950, использующие графический процессор Tahiti. Этот чип включает в себя 32 блока CU, образующих 2048 SP и 128 TMU. Управление ими осуществляется графическим процессором команд и двумя движками асинхронных вычислений (ACE). Это позволяет ГП поддерживать одновременно три потока команд — один для графики и два для вычислительных задач, каждый из которых может использовать произвольное количество блоков CU.
Подобно своему предшественнику, Tahiti обладает двумя блоками для обработки геометрии и тесселяции. Однако они были переработаны и существенно оптимизированы, что позволило значительно ускорить их работу. Эффективность блоков увеличилась в три-четыре раза по сравнению с аналогичными блоками предыдущего поколения. Таким образом, в данном поколении была успешно устранена одна из основных недостатков видеокарт AMD по сравнению с их конкурентами — медленная производительность в области тесселяции.
Дополнительно, в состав характеристик чипа включается наличие 32 блоков ROP. Архитектура включает 384-битную памятную шину, которая совместно с GDDR5 RAM обеспечивает максимальную пропускную способность в 264 ГБ/c. Графический процессор также оснащен интерфейсом PCI-E 3.0, который вновь удваивает скорость взаимодействия видеокарты с системой. Кроме того, полная поддержка DirectX 11.1 и частичная поддержка DirectX 11.2 входят в спецификации. Несмотря на использование техпроцесса 28 нм для производства, максимальное энергопотребление остается на уровне предыдущих моделей — 250 Вт.
Верхний сегмент HD7970 оснащен полным чипом, в то время как HD7950 имеет урезанную конфигурацию с 1792 SP. Обе карты снабжены 3 ГБ памяти и опережают по производительности GTX580. Однако главным конкурентом для них стала карта GTX680, которая при старте немного опережала HD7970, и позже вышедшая GTX670, превосходящая HD7950.
Тем не менее, видеокарты AMD имели потенциал для работы на более высоких тактовых частотах, и уже в летнее время 2012 года компания представила две улучшенные версии — HD7950 Boost и HD7970 GHz Edition. Эти модели стали первыми, получившими поддержку динамического увеличения частоты ядра, аналогичного технологии GPU Boost от конкурента NVIDIA. Обновленные видеокарты достигли сравнимой производительности с конкурентами и вскоре начали опережать их в новых играх. Это было следствием оптимизации архитектуры, повышенной пропускной способности памяти и ее увеличенного объема.
В феврале 2012 года появился доступный бюджетный чип архитектуры GCN под названием Cape Verde. Он включает в себя 640 SP и снабжен 128-битной шиной памяти. В это же время были выпущены две видеокарты на базе этого чипа: топовая HD7770 с полным чипом и менее мощная HD7750 с урезанными 512 SP. Примечательно, что HD7770 стала первой видеокартой компании, чья частота ядра достигла 1 ГГц. Оба варианта карт оснащены 1 или 2 ГБ памяти GDDR5. В апреле 2013 года на основе этого чипа появится еще одна модель — HD7730, где активными останутся всего 384 SP. К тому же будет предложена версия с более доступной памятью DDR3 вместо GDDR5.
В марте 2012 года появились видеокарты из серии HD7800, использующие чип Pitcairn. Он был оснащен 1280 SP и 256-битной шиной памяти. В модели HD7870, представляющей вершину линейки, использовался полный чип и 2 ГБ памяти. Младшая HD7850 оставила активными 1024 SP, а вариант с 2 ГБ памяти получил дополнительный вариант с 1 ГБ памяти. В ноябре 2012 года появилась HD7870 XT, в основе которой лежит более мощный чип Tahiti с 1536 активными SP. Несмотря на это, ей доступна урезанная 256-битная шина и только 2 ГБ памяти.
Младшие модели новой серии, включающей HD7600, HD7500, HD7400 и HD7300, представляют собой переименованные карты прошлого поколения на архитектуре TeraScale 2. Характеристики этих моделей аналогичны картам из линеек HD6600, HD6500, HD6400 и HD6300.
В апреле 2013 года была выпущена двухчиповая HD7990, которая объединяла две карты HD7970 на одной плате. Хотя она появилась на рынке год спустя после конкурирующей GTX690, она демонстрировала схожую производительность и даже опережала знаковую GTX Titan.
С выходом операционной системы Windows 10 карты серии HD7000 на архитектуре GCN получили частичную поддержку DirectX 12. Однако полная совместимость с этим новым API появится только в следующем поколении карт — Radeon R200. С этого момента начинается завершающий этап истории графики AMD.
