AMD Radeon HD 7970: per la prima volta a 28 nanometri

Le schede della famiglia Radeon HD 7900 sono le prime sviluppate da AMD ad essere basata sulla nuova generazione di architettura, meglio nota con il nome di Graphics Core Next o GCN. L'approccio prevede, nelle GPU Tahiti, un massimo di 32 Compute Units all'interno delle quali trovano posto 64 stream processors ciascuna.

A monte dell'architettura troviamo due geometry engines, scelta mutuata da quanto visto nelle GPU di precedente generazione basate su architettura Cayman; all'interno di ciascuna è presente una unità di tessellation di nona generazione, responsabile secondo AMD dei notevoli incrementi prestazionali con tessellation che abbiamo evidenziato in una parte specifica di questo articolo.

Nel chip Tahiti sono presenti numerose cache, con differenti livelli: quelle di primo livello sono di due tipologie, da 16 Kbytes per le istruzioni e da 32 Kbytes per i dati. Queste due tipologie di cache sono condivise da 4 Compute Unit, mentre per ogni CU sono presenti registri e data share locali. La bandwidth delle cache L1, di tipo read/write, è pari a 64 bytes per ciclo di clock. In totale sono presenti 128 Kbytes di cache L1 per istruzioni e 256 Kbytes di cache L1 per dati in schede che utilizzano tutti i 32 CU integrati come massimo nel chip Tahiti. La cache L2, presente in quantitativo di 768 Kbytes, è divisa in partizioni; ciascuna è capace di una bandwidth pari a 64 bytes per ciclo di clock. Una global data share mette in connessione le varie CU tra di loro, facilitando lo scambio dei dati tra questi componenti.

Il corpo centrale del chip è rappresentato dalle 32 CU, ciascuna delle quali integra 64 stream processors per un totale di 2.048 di questi componenti nell'implementazione adottata per la scheda Radeon HD 7970. Storicamente AMD utilizza la stessa GPU per differenti schede della medesima famiglia, disabilitando alcuni degli stream processors così da meglio segmentare i prodotti sul mercato: è pertanto ipotizzabile che la scheda Radeon HD 7950, non annunciata quest'oggi da AMD, possa seguire la stessa strada adottando una GPU Tahiti con meno di 32 CU attivate.

Cosa troviamo all'interno di ogni CU? Come segnalato, quella implementata nelle schede Radeon HD 7000 è una nuova architettura che differisce radicalmente sia da quella VLIW-5 delle schede Radeon HD 6000 sino ai modelli 6800 sia VLIW-4 delle proposte Radeon HD 6900. Troviamo 4 moduli SIMD, ciascuno composto da 16 stream processors (per un totale di 64 stream processors per ogni Compute Unit), con uno scheduler programmabile condiviso. Per ogni CU troviamo 4 texture unit, presenti quindi in numero di 128 nella scheda Radeon HD 7970; per ogni SIMD unit interna ad una CU troviamo un vector register da 64 Kbytes; una memoria di local data share sempre da 64 Kbytes è presente in ogni CU, affiancata da una memoria da 4 Kbytes dedicata alla scalar unit per i propri registri.

Ogni Compute Unit è in grado di eseguire contemporaneamente istruzioni da differenti kernels : un design di questo tipo è stato pensato da AMD in funzione di un throughput elevato, di una elevata utilizzazione delle risorse a disposizione e quindi di un notevole parallelismo. E' evidente come un design di questo tipo sia stato sviluppato da AMD tenendo conto anche delle necessità proprie delle elaborazioni di GPU Computing: del resto è presumibile che le architetture Tahiti verranno utilizzate anche per schede proposte nell'ambito professionale.

Confrontando un modulo CN, composto da 4 blocchi SIMD, con uno SIMD VLIW4 troviamo per entrambi la possibilità di eseguire sino a 64 operazioni multiply-add in singola precisione. Nell'approccio VLIW4 questo implica un processo di elaborazione che utilizza 1 istruzione VLIW per 4 ops ALU; in Tahiti abbiamo invece 4 SIMD che possono eseguire la stessa op ALU. La conseguenza è che se l'architettura VLIW4 è limitata dalla dipendenza delle istruzioni, quella Graphic Core Next è limitata dal tasso di occupazione delle SIMD. Il design scelto per l'architettura Graphic Core Next si rivela quindi essere non solo più semplice dal punto di vista di analisi e debug del codice, ma permette di operare con un approccio di compiler standardizzato sia per lo scheduling delle operazioni sia per la loro ottimizzazione.

A chiudere l'architettura troviamo una cache L2 da 768 Kbytes di capacità complessiva, alla quale è direttamente collegato il controller memoria; quest'ultimo componente ha ampiezza di 384bit nella scheda Radeon HD 7970 ottenuta affiancando 6 memory controller dual channel a 64bit ciascuno. L'implicazione diretta è la presenza, in ogni scheda, di 12 chip memoria GDDR5 per un quantitativo complessivo di 3 Gbytes.

Ed ecco uno guardo complessivo all'architettura nello schema a blocchi; segnaliamo come il collegamento con la scheda madre avvenga attraverso link PCI Express 16x anche di tipo Gen 3, interfaccia che diventerà progressivamente popolare nel corso del 2012 con la disponibilità delle architetture Intel della famiglia Ivy Bridge. Nella tabella seguente abbiamo messo a confronto le specifiche tecniche principali delle schede Radeon HD 6970 (Cayman) e Radeon HD 7970 (Tahiti), evidenziandone le principali differenze.

In ottica GPU Computing sono varie le novità introdotte da AMD nell'architettura Southern Island: troviamo due compute engines di tipo asincrono, capaci di schedulare processi in modo indipendente operando in parallelo con il graphics commend processor. Due DMA engines collegano i due compute engines di tipo asincrono con la cache L2: il quantitativo di 768 Kbytes è molto elevato per un'architettura di GPU e lascia intendere come sia un componente implementato proprio per migliorare le prestazioni in ambito di GPU Computing.

Le prestazioni con double precision giungono sino ad un picco di 947 GigaFlops, valore pari a 1/4 della potenza in single precision. Per completare il pacchetto di funzionalità specifiche AMD ha integrato piena protezione ECC sia per la memoria DRAM sia per le cache integrate nella GPU.