AMD Vega: l'architettura di GPU di nuova generazione

E' il primo giorno di apertura ufficiale del CES di Las Vegas quello scelto da AMD per rendere pubbliche alcune delle principali caratteristiche tecniche della propria architettura per le GPU di prossima generazione, indicata con il nome in codice di Vega e che vedremo al debutto in schede video desktop nel corso della prima metà del 2017.

AMD ha già annunciato nelle scorse settimane le schede video della famiglia Radeon Instinct, soluzioni sviluppate specificamente per il calcolo parallelo in datacenter e che nella offerta dell'azienda americana sono specificamente indirizzate all'ambito dell'intelligenza artificiale. Tra le prime 3 schede Radeon Instinct presentate da AMD troviamo il modello MI25, soluzione che è la prima ad essere dotata di GPU basata su architettura Vega

La scheda MI25 è stata al momento attuale solo annunciata e verrà resa disponibile sul mercato nel corso della prima metà del 2017. Le tempistiche di debutto sono presumibilmente vicine a quelle delle schede desktop basate su GPU Vega che AMD renderà disponibili attraverso la gamma Radeon, anche se non è da escludere che AMD possa privilegiare il debutto delle proposte Vega destinate al mercato professionale rispetto alle declinazioni desktop: le prime vengono infatti tipicamente vendute con dei margini ben più elevati rispetto alle seconde.

Raja Koduri, CTO di AMD per il Radeon Technologies Group, mostra un prototipo di scheda Radeon Instinct MI25

Quest'oggi quindi AMD non annuncia quali saranno le versioni di scheda Radeon basate su architettura Vega che debutteranno sul mercato nel corso dei prossimi mesi, tantomeno le specifiche tecniche dettagliate. L'annuncio odierno riguarda informazioni alla base dell'architettura Vega che aiutano a meglio capire quali siano le novità che differenziano Vega da Polaris, cioè dall'architettura utilizzata nelle schede AMD Radeon RX 480, RX 470 e RX 460 attualmente in commercio. Alla luce delle indiscrezioni emerse online negli ultimi mesi si è stati portati a pensare che Vega potesse in qualche senso venir sintetizzata come una GPU costituita da due soluzioni Polaris, nella quale cioè l'architettura alla base non fosse stata cambiata raddoppiando il numero di stream processors e di unità di elaborazione così da assicurare un sensibile incremento nelle prestazioni velocistiche. Come vedremo però così non è: Vega introduce significative novità che vanno ben oltre quanto inizialmente anticipato.

Il primo elemento tecnico implementato in Vega è la memoria HBM, High Bandwidth Memory, della cui esistenza eravamo già ben a conoscenza da tempo. Rispetto all'implementazione adottata da AMD nelle schede della faiglia Radeon Fury di precedente generazione troviamo in Vega memoria HBM2, capace di offrire una superiore capacità complessiva rispetto al limite di 4 Gbytes dell'implementazione HBM. Con Vega quindi AMD può abbinare grazie alla memoria HBM2 bandwidth e capienza, il tutto con una positiva ricaduta in termini di consumo e dimensioni delle schede video rispetto a memorie GDDR5X.

Parlare di memoria video in Vega implica anche verificare quali siano gli scenari d'uso tipici di una scheda video al momento attuale, e questi si possono ricondurre a 3 categorie:

•    Gaming: 4k VR, consoles, nuove pipeline di rendering, nuove API;
•    Workstation: phisically based rendering, physics modeling, high resolution content creation;
•    Compute: machine learning, image recognition, computer vision, natural data processing.

Le esigenze di calcolo legate a questi 3 differenti scenari di utilizzo sono legate da alcune barriere che devono venir superate: aumenta la mole di dati da gestire in misura esponenziale e la capacità di memoria locale delle schede non è cresciuta nel corso degli anni allo stesso ritmo dell'aumento nella potenza di elaborazione delle GPU. L'utilizzo di memoria HBM2 in Vega è per AMD la via tecnica per poter far fronte a questa necessità di superiori prestazioni complessive dal comparto memoria, sia in termini di capacità sia di pura bandwidth.

Nell'identificare la memoria HBM2 in abbinamento alla GPU Vega AMD parla di High-Bandwidth Cache, memoria che per le sue caratteristiche di consumo ridotto ed elevata velocità è equiparata ad una vera e propria memoria cache interna alla GPU che si affianca a quella L1 e L2 già presenti. Cambia il nome ma non la sostanza: la tecnologia HBM2 è per AMD, così come lo era stata quella HBM di prima generazione per le proposte della famiglia Fury, la strada attraverso la quale poter far fronte a quella elevata richiesta di prestazioni (sia in termini velocistici sia di capacità) che è alla base dello sviluppo delle GPU di futura generazione, fondamentale per far fronte alle necessità di elaborazione che i 3 distinti scenari di utilizzo di riferimento sopra indicati richiedono.

La High Bandwidth Cache Controller è la seconda novità architetturale implementata nelle GPU VEGA, grazie alla quale poter gestire al meglio la High-Bandwidth Cache interna alla GPU. Opera come interfaccia tra la memoria presente nella GPU in chip e quelle che sono le soluzioni di storage esterne al chip video: memoria video presente sulla scheda, memoria di sistema ed eventuale soluzione di storage di networking. Quest'ultima modalità è riconducibile anche all'utilizzo di SSD montati direttamente sulle schede video, seguendo l'approccio introdotto alcuni mesi fa da AMD con le schede Radeon Pro SSG (Solid State Graphics) e che sicuramente vedremo sfruttato anche con le proposte Vega.

L'High Bandwidth Cache Controller integrato in Vega permette di indirizzare sino a 512 Terabyte di spazio di gestione virtuale della memoria. Implementa data movement di tipo adattivo e fine-grained, tecniche che permettono di gestire in modo ottimale in termini sia di prestazioni velocistiche sia di efficienza le comunicazioni tra GPU e le differenti tipologie di memoria che le unità di elaborazione possono sfruttare. E' in questo modo che AMD vuol far fronte a quanto indicato in precedenza, offrendo oltre ad un incremento nella capacità di elaborazione propria della GPU anche un sensibile incremento della quantità di memoria indirizzabile dalla GPU.

Altra importante novità architetturale che AMD ha inserito in Vega riguarda la programmable geometry pipeline, per la quale è stato fissato quale obiettivo il superare il raddoppio del throughput della unità di gestione dei poligoni per ogni ciclo di clock. Le scene dei giochi 3D stanno diventando sempre più complesse dal punto di vista geometrico, con il fine di ricostruire ambienti che siano sempre più fedeli al mondo reale; il carico di lavoro è diventato così elevato da richiedere un radicale salto in avanti per questa unità di elaborazione. La geometry pipeline implementa nella parte frontale un nuovo Intelligent Workgroup Distributor, grazie al quale viene gestito in modo più efficiente il bilanciamento tra i vari task.

A completare le novità dell'architettura Vega troviamo un compute engine di nuova generazione che introduce un approccio differente rispetto al compute engine delle precedenti architetture AMD. Il nuovo engine è ottimizzato per operare a frequenze di clock più elevate cercando di abbinare a questo un superiore valore di IPC, cioè la capacità di elaborare un maggior numero di istruzioni per ciclo di clock.

Il livello di doppia precisione con il quale il nuovo compute engine opera può venir configurato in tempo reale dalla GPU: questo permette di gestire in modo più efficiente le risorse di calcolo a disposizione a seconda del tipo di elaborazione che viene eseguito. Ad esempio il nuovo NCU permette di eseguire:

• 512 8-bit ops per clock
• 256 16-bit ops per clock
• 128 32-bit ops per clock

Questa modalità di gestione delle risorse si rivela essere particolarmente utile pensando ad una serie di scenari di elaborazione che stanno emergendo, i quali richiedono di eseguire operazioni a 16bit e altre a 32bit con un'alternanza non prevedibile a priori. L'approccio adottato con il nuovo NCU permette di ottenere quella flessibilità che porta ad una maggiore saturazione delle risorse di calcolo a disposizione, quindi ad un incremento dell'efficienza. Detto in altro modo, le compute unit tendono ad essere meglio sfruttate per le loro capacità di elaborazione, limitando i casi in cui la sequenza di operazioni richieste è tale per pattern da lasciare alcune delle compute unit non sature.

Ultima novità architetturale dell'architettura Vega è l'inserimento di un nuovo advanced pixel engine, grazie al quale è stato ottenuto un contenimento dei consumi e un incremento delle prestazioni velocistiche. A tale esito si è giunti implementando una migliore gestione dei pixel della scena che non sono visibili, in quanto coperti da altri oggetti e che per questo motivo non devono essere elaborati al fine del risultato visivo finale.

Osservando l'architettura Vega nel suo complesso emerge anche una importante differenza rispetto alle proposte GCN di precedente generazione: i render back-ends sono ora dei client della cache L2, evitando che vi siano accessi non coerenti di pixel e texture alla memoria. Questo approccio si rivela molto utile con quelle applicazioni che utilizzano deferred shading, incrementandone le prestazioni velocistiche.

In sintesi, quello che possiamo derivare dall'annuncio odierno di AMD sono numerose informazioni architetturali a basso livello su come l'architettura Vega sia stata sviluppata da AMD. Quello che si pensava potesse essere un approccio riconducibile ad un "Polaris x2" si rivela in realtà essere uno ben più rivoluzionario.

Quest'oggi AMD non rilascia informazioni su quelle che saranno le versioni di schede basate su architettura Vega che debutteranno in commercio, e in modo particolare le declinazioni per sistemi desktop destinate ai videogiocatori più appassionati. Dovremo attendere ancora alcuni mesi prima di vedere al debutto queste schede, oltre che conoscerne le effettive potenzialità dal punto di vista prestazionale.

Dai dati al momento disponibili possiamo però derivare come la scelta di AMD con Vega sia quella di offrire una GPU top di gamma che sia in grado di ben operare tanto con applicazioni videoludiche come nel calcolo parallelo e nel settore delle workstation grafiche. Questi due ultimi sono ambiti che da tempo vedono NVIDIA beneficiare di una quota di mercato significativa e che possono rappresentare per AMD un importante terreno di conquista.

Se alcune settimane fa indicavamo per AMD come il 2017 fosse l'anno del ritorno ai fasti di un tempo, alla luce delle novità implementate con l'architettura Zen e con i processori della famiglia RyZen, non diversa è la sintesi alla quale si può giungere con Vega. L'azienda americana è stata alle prese, negli ultimi anni, con un importante processo di rinnovamento interno che proprio nel 2017 vedrà alla luce i primi frutti importanti tanto nel settore dei processori come in quello delle schede video.

Si può forse pensare che a questo risultato AMD stia giungendo un po' in ritardo rispetto a quanto ci si poteva attendere, ma da un certo punto di vista vale sempre il vecchio adagio del "meglio tardi che mai". E' indubbio che il 2017 riserverà molte importanti novità tanto nel settore delle CPU come delle schede video: resta ora da vedere cosa avranno in serbo le storiche rivali Intel e NVIDIA, che sembrano aver trovato ora in AMD la rivale di un tempo.