Архитектурные особенности Radeon HD 7970

Основа новая архитектура графического процессора Graphics Core Next (GCN). По заявлению AMD новые GPU предлагают отличные возможности и производительность по обработке графики, но сделанные архитектурные изменения предназначены, прежде всего, для улучшения позиций в неграфических вычислениях - увеличению производительности и эффективности в сложных универсальных задачах.

Новый дизайн GPU предназначен для так называемых гетерогенных вычислений - смеси графических и универсальных в мультизадачной среде. Архитектура GCN стала гибче и должна ещё лучше подходить для энергоэффективного выполнения различных задач.

Базовым блоком в новой архитектуре является блок GCN. Именно на таких «кирпичиках» основаны все новые графические процессоры серии Southern Islands. Архитектура впервые для графических чипов компании AMD использует не VLIW-дизайн, в нём применяются векторные и скалярные блоки, и одним из самых важных изменений стало то, что каждый из вычислительных блоков GCN имеет свой планировщик и может выполнять инструкции из различных программ (kernel).

***

Примечание

VLIW (англ. very long instruction word — «очень длинная машинная команда») - архитектура процессоров с несколькими вычислительными устройствами. Характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно. Фактически это «видимое программисту» микропрограммное управление, когда машинный код представляет собой лишь немного свёрнутый микрокод для непосредственного управления аппаратурой.

В суперскалярных процессорах также есть несколько вычислительных модулей, но задача распределения между ними работы решается аппаратно. Это сильно усложняет дизайн процессора, и может быть чревато ошибками. В процессорах VLIW задача распределения решается во время компиляции и в инструкциях явно указано, какое вычислительное устройство должно выполнять какую команду.

VLIW можно считать логическим продолжением идеологии RISC, расширяющей её на архитектуры с несколькими вычислительными модулями. Так же, как в RISC, в инструкции явно указывается, что именно должен делать каждый модуль процессора. Из-за этого длина инструкции может достигать 128 или даже 256 бит.

Процессор Itanium 2 в корпусе PAC — один из представителей VLIW-архитектур

***

Новая вычислительная архитектура разработана для высокой эффективности загрузки вычислительных блоков в многозадачной среде.

Вычислительный блок GCN разделён на четыре подраздела, каждый из которых работает над своим потоком команд каждый такт. Потоки могут использовать и скалярный блок, имеющийся в GCN, для управления потоком данных или операций над указателями. Комбинация векторных и скалярных блоков предлагает очень простую программную модель. Например, указатели на функции и стек (function pointers и stack pointers) программируются гораздо проще, да и задача компилятора теперь значительно упрощена, так как исполнительные блоки скалярные.

Каждый блок GCN имеет выделенное локальное хранилище данных объёмом 64 КБ для обмена данными или расширения локального стека для регистров. Также блок имеет в своём составе и кэш-память первого уровня с возможностью чтения и записи, и полноценный текстурный конвейер (блоки выборки и фильтрации). Поэтому новый вычислительный блок способен работать самостоятельно, без центрального планировщика, который в предыдущих архитектурах отвечал за распределение работы по блокам. Теперь каждый из блоков GCN способен заниматься планированием и распределением команд сам, один вычислительный блок может исполнять до 32 разных потоков команд, которые могут быть из разных виртуальных адресных пространств в памяти и полностью защищены и независимы друг от друга.

Предыдущие архитектуры GPU компании AMD использовали архитектурные модели VLIW4 и VLIW5, и хотя они достаточно хороши для графических задач, но являются недостаточно эффективными для универсальных вычислений, так как загрузить все исполнительные блоки работой в таких условиях очень непросто. Новая архитектура GCN предлагает столь же большое количество исполнительных блоков, но при скалярном исполнении, которое убирает ограничения и зависимости регистров и инструкций. Переход от архитектуры VLIW к скалярному исполнению даёт заметное упрощение задач по оптимизации кода.

При исполнении инструкций на предыдущей VLIW4 архитектуре компилятору приходится заниматься решением конфликтов регистров, выполнять сложное распределение инструкций на исполнительные блоки на стадии компиляции кода и т. д. При этом для достижения высокой производительности зачастую требуется нетривиальная оптимизация, что подходит для большинства графических задач и гораздо менее гибко для других вычислений. Новая же архитектура предлагает значительное упрощение разработки и поддержки, упрощённое создание, анализ и отлов ошибок в низкоуровневом коде, стабильную и предсказуемую производительность.

Дата добавления: 2014-01-15