AMD'nin yeni nesil GPU mimarisi detaylandı

Yorumlar

Erdi Özüağ

İnceleme, Test ve Analiz Editörü

AMD, Fusion Geliştiriciler Zirvesi 2011 etkinliğinde önemli açıklamalar yaptı. Fusion platformunun detaylarını açıklayan ve önümüzdeki yıla ilişkin Fusion planlarını paylaşan AMD, ilk defa Southern Islands kod adını taşıyan ve Radeon HD 7000 serisi ekran kartlarına güç verecek olan grafik işlem birimlerinde kullanılacak yeni nesil grafik mimarisinin detaylarını da paylaştı. AMD'nin Grafik Bölümü Teknoloji Genel Müdürü ve Başkan Yardımcısı Eric Demers tarafından açıklanan yeni nesil grafik işlemci mimarisi, Southern Islands serisiyle ilgili spekülasyonları boşa çıkardı ve AMD'nin radikal değişikliker planladığını ortaya koydu.

AMD'yi bir GPU üreticisi olarak ele aldığımızda, firma tarafından pazara sunulan en yenilikçi GPU tasarımının, ilk defa Radeon HD 2900 serisinde kullanılan R600 olduğunu görüyoruz. Ağırlıklı olarak ATi tarafından (AMD satın almadan önce) tasarlanan R600 GPU'su, şirketi DirectX 10 dünyasına taşıyan ilk yonga olmuş ve pek çok ilki de bünyesinde barındırmıştı. VLIW-5 tasarımını baz alan bu GPU, HD 2000 serisi ekran kartlarından DirectX 11 destekli ikinci nesil ekran kartlarını içeren Radeon HD 6800 serisine kadar olan süreçte geliştirilerek kullanıldı. Geçtiğimiz yılın sonlarına doğru lanse edilen Radeon HD 6900 serisi ise R600'den bu yana yani 2007'den günümüze AMD'nin sunduğu en yenilikçi tasarımı içeriyordu zira hazırlanan Cayman kod adlı grafik yongası ile birlikte VLIW-5 yerine daha verimli olan VLIW-4 tasarımına geçilmişti.

AMD'nin Radeon HD 7000 serisine güç verecek yeni nesil GPU mimarisi detaylandı

Eric Demers, AMD Grafik Bölümü Teknoloji Müdürü ve Başkan Yardımcısı

Cayman GPU'sunun kullanıldığı Radeon HD 6900 serisinden sonran kuşkusuz tüm beklentiler Radeon HD 7000 serisine çevrilmişti. Southern Islands kod adlı grafik işlem birimlerinin kullanılacağı yeni seri için şimdiye kadar ki genel kanı, Cayman tasarımının 28nm üretim teknolojisine uyarlanacağı ve performans arttırıcı geliştirmeler ve yeni özelliklerle donatılacağı şeklindeydi. Ancak Washington'da düzenlenen Fusion Geliştiriciler Zirvesi, yukarıda da belirttiğimiz gibi bu iddiaların aksine Southern Islands serisinin çok daha fazlasını sunacağını gözler önüne serdi. Yazımızın bu kısmında sonrası, yeni nesil grafik işlemci mimarisinin detaylarını ve kısaca FSA olarak tanımlanan Fusion Sistem Mimarisi'ne ilişkin bilgileri içeriyor. Bu arada, detaylarını aşağıda bulacağınız yeni mimarideki özelliklerin tamamının Southern Islands serisinde yer almayacağını ve AMD'nin kademeli olarak GPU'ları yeni özelliklerle donatacağını belirtmekte de fayda var.

Donanım dünyasını özellikle de ekran kartı pazarını yakından takip edenlerin bildiği üzere, AMD ve Nvidia'nın yeni GPU stratejileri farklılık göstermektedir. CUDA ile birlikte GPU tasarımında birinci önceliği GPGPU ve GPU tabanlı hesaplama özelliklerine veren ve bunu Fermi jenerasyonunda iyiden iyiye hissetiren Nvidia'nın aksine AMD, grafik performansını öncelik vermiş ve GPGPU gibi fonksiyonları ise ikinci planda değerlendirmişti. Teorik işlem gücü (tek ve çift hassasiyetli hesaplamalar) açısından Nvidia çözümlerine göre ciddi oranda üstün olan AMD GPU'ları için birinci öncelikli pazar son kullanıcı segmenti olduğundan bu alanda hiç bir zaman Nvidia çözümleri kadar etkin bir portre çizemediler. Ancak AMD bu durumu değiştirmeye kararlı gibi gözüküyor zira firma cephesindeki gelişmeler, bundan sonraki nesillerde grafik performansı kadar GPU tabanlı hızlandırmaya da büyük önem verileceğini gösteriyor. Açıkçası bu şaşırtıcı bir gelişme değil zira Fusion platformuyla birlikte AMD'nin bu yönde adım atacağı biliniyor ancak ne zaman ve hangi ürünle olacağı bilinmiyordu ki artık tüm bu detaylar netleşmiş oldu.

AMD'nin yeni nesil GPU mimarisi detaylandı

Netbook'lar ve düşük maliyetli bazı mobil sistemler için geliştirdiği Brazos kod adlı Fusion platformunu Ocak ayında, performans odaklı mobil sistemler için hazırladığı Sabine kod adlı Fusion platformunu ise birkaç gün önce pazara sunan AMD, OpenCL, Direct Compute, ve duyurusu yeni yapılan C++ AMP desteğine daha önce hiç olmadığı kadar yoğun bir şekilde eğilmeye başlıyor. Fusion teknolojisinin yani CPU+GPU konseptini baz alan yeni nesil işlemcileriyle AMD'nin hedefi, işlemciye entegre olarak gelen yüksek performanslı grafik işlem birimlerini, paralel iş yükleri için yardımcı işlemci olarak kullanabilmek zira Intel ile kıyaslandığında GPU tasarımında ciddi bir avantaja sahip olan AMD, bu hedef üzerine giderek ciddi bir avantaj sağlamayı ve pazar payını ciddi oranda arttırmayı planlıyor.

Kağıt üzerinde güçlü görünen detayları pratikte bir araya getirip yüksek verimilik seviyesinde işlerlik kazandırabilmek mümkün olmasına mümkün ama çok ciddi çalışmaları gerektiriyor. AMD'nin Fusion platformuyla ortaya koyduğu hedefleri gerçekleştirebilmesi için işletim sistemi seviyesinde ve uygulama geliştirme ortamlarında ciddi destek alması gerekiyor. CPU ve GPU ile heterojen bilgi-işlemi işlemci pazarının geleceği olarak gören AMD, arkasında ciddi bir yatırım ve yıllara dayanan bir çalışma olan Fusion Sistem Mimarisini, şirketin gelecek vizyonu olarak duyurdu.

Nvidia'nın Fermi mimarisinden önceki en radikal GPU tasarımı olan G80, Vec4+Skalar formundaki operasyonlara destek sunan VLIW mimarisi yerine tamamiyle skalar bir mimari anlayışı temel alıyordu. Tasarımdaki bu yaklaşım değişikliğinin sonucunda ise operasyon tipleri için esneklik, zamanlamalarda kolaylık ve işlem birimlerinden yüksek oranda faydalanma gibi sonuçlar ortaya çıkıyordu. AMD de yeni mimarisi ile birlikte buna benzer bir adım atıyor ve ileri seviyede özelleştirilmiş önemli özellikleri, yeni mimari ile birlikte GPU'lara entegre etmeye hazılanıyor. AMD'nin yeni mimarisi, Nvidia'nın aksine saf skalar kurulum yerine vektör + skalar çözüm olarak nitelendiriliyor.

Yeni grafik işlem mimarisi, Compute Unit (CU) yani İşlem Birimleri etrafında şekilleniyor. Bu birimler, fonksiyonel ünitelerin hepsini içeriyorlar. Neredeyse bağımsız birer işlemci olarak nitelendirebileceğimiz bu birimler kendi L1 belleklerine, dallanma ve MSG ünitelerine, kontrol ve kod çözme ünitelerine, komut getirme fonksiyonalitesi ile birlikte tabi ki skalar ve vektör ünitelerine sahipler. İşlem Birimlerinde, öncelikli çalışan olarak vektör üniteleri geliyor ve her ünitede dört adet çekirdek bulunuyor, herhangi bir zamanda işleme üzeri dört adet aynı faz dalgasına izin verilebiliyor.

VLIW4 ve VLIW5 tabanlı önceki AMD GPU'larına göre işlem birimlerinin daha verimli ve efektif kullanılacağı belirtilen yeni tasarımda, skalar ünite ise işaretçi operasyonlar ve dallanma kodlarından sorumlu olacak. Bu açıdan değerlendirildiğinde bu özel kurulumun 1980'lerdeki Cray süperbilgisayarlarını anımsattığını da söylemek gerekiyor. O dönemde skalar ve vektörel işlemcilerin kombinasyonu iş yükleri için çok sezgiselken onu AMD'nin işaret ettiği günümüzün modern iş yükleri takip etti.

Skalar ve vektör işlemcilerinin kombinasyonu ve CU yani İşlem Birimleri'nin genel dizaynı, mimariye farklı tipteki ünitelerin özelliklerini kazandırıyor. Açıklamak gerekirse, bu özelliklerle mimari hem MIMD yani çoklu veri paralelliği sağlayan çok çevrimli komutlar ile farklı uygulamalarda her vektör için her döngüde dört izlek adresleyebiliyor hem de daha önceki GPU tasarımlarıyla benzer şekilde SIMD yani çoklu veri paralelliği sağlayan tek çevrimli komutlar gibi de davranabiliyor.

SIMD ve MIMD ile birlikte yeni mimarinin bir diğer önemli özelliği de SMT yani simetrik çoklu izlek ya da eşzamanlı çoklu izlek desteğini kazanıyor olması. Bilindiği üzere bu özellik Intel'in modern işlemcilerinde de kullanılıyor ve her çekirdeğe çift izlek desteği kazandırıyor. AMD'nin yaptığı açıklamalara göre 4 vektör ünitesinin tamamı farklı komutlar üzerinde çalışabiliyor ve herhangi bir zamanda her işlem biriminde (CU) aktif 40 dalga olabiliyor. Diğer taraftan yeni tasarımla birlikte çoklu asenkron ve bağımsız komut akışlarına da destek sunuluyor. Esasen bu ünite veri ya da komutun kaynağı her ne olursa olsun tüm iş yükleri üzerinde çalışabiliyor.

Yenilikler dikkat çekici ancak belirsizliği süren bazı detaylar var. Southern Islands GPU tasarıına sahip olacak Radeon HD 7000 serisi ekran kartlarındaki GPU'ların ne kadar İşlem Birimi'ne sahip olacağı, bunların nasıl düzenleneceği ve doku üniteleriyle bağlantı şekli bilinmiyor. Diğer taraftan ROP birimlerinde ne gibi yenilikler olacağı da henüz açıklanmıyor. AMD'nin yeni grafik işlemci mimarisi için Fusion Geliştiriciler Zirvesi'nde üzerinde en çok detaylardan biri de yeni bellek sistemi idi. Dahili bellek sisteminde önemli değişiklikler yapan AMD, tamamiyle sanallaştırılmış bellek tasarımına da büyük önem veriyor. Yukarıda da belirttiğimiz gibi İşlem Birimleri'nin hepsi veri, komut ve yük/depolama olarak ayrılan kendi L1 belleklerine sahip. Diğer taraftan GPU tamamiyle birbirine yapışık L2 belleğe sahip. Her L1 bellek, L2 belleğe 64-bit veri yolu ile bağlanıyor. Buradan hareketle bellekler arasında saniyede terabytelar seviyesinde oldukça büyük bir bant genişliğinden söz edebilmek mümkün.

Yeni mimarinin bellek alt sistemindeki değişikliklerden biri de, daha önceki mimarilerde sadece okuma özelliğine sahip olan L1 bellek ve doku belleklerinin artık hem okuma hem de yazma özelliklerine sahip olması şeklinde. AMD'nin hedefleri dikkate alındığında bu önemli bir detay çünkü bu sayede, performans ve verimlilik ile birlikte yüksek işlem gücü gerektiren iş yükleri için gerekli olan bellek özelliklerini sağlıyor olacak. Bellek desteğindeki bir sonraki seviye ise merkezi işlem birimi ile tamamiyle sanallaştırılmış olan bellek olacak. Daha önceki jenerasyonlarına ait ürünlerde, ekran kartlarında hangi bellek ve tampon belleğin olacağı sınırlıydı ve bu durum grafik odaklı içeriğe ek olarak işlem gücü gerektiren diğer iş yükleri için de problem yaratıyordu. Büyük veri blokları bir hayli zorlayıcı oluyor ve merkezi işlem biriminin sanal belleğinden ayrı bir bellek sanallaştırma sistemi gerektiriyordu.

Yeni mimaride bu sorunu çözen AMD, GPU üzerinde x86-64 sanal bellek desteğine giderek önceki jenerasyonlarda yaşanan büyük veri sıkıntılarını aşmayı hedefliyor. Bu değişiklik ile birlikte GPU, sanal bellek alanını paylaşıyor ve bu, veri kullanma ile yerellik geliştirmeleriyle sayfa hatalarına ile sağlanabilenden daha fazla veri talebine karşı daha daha fazla alan sunuyor. Bu değişiklikler ile hedeflenen programlama modelini geliştirmek. Sanal bellek ile birlikte GPU'nun durumu gizli değil ve bu, hızlı içerik değişimine olanak tanıyor ki hem grafik tabanlı hem de işlem gücü tabanlı iş yüklerinin olduğu bir çalışma ortamında, yukarıda saydığımız yeni özellikler sayesinde işlemlerin daha akıcı bir şekilde gerçekleştirilmesi mümkün kılınıyor, daha fazla performans artışı getiriliyor.

Bellek altı sisteminde yapılan bu yeniliker, yoğun işlem gücü gerektiren uygulamalardaki kazanımlara ek olarak oyunlar gibi grafik odaklı iş yükleri için de önemli avantajlar sağlıyor. Örneğin ekran kartının ön belleğine sığmayan yüksek boyutlu kaplamalar, yeni tasarımda sanal bellekte tutulabilecek ve bu sayede sabit diskten doku çağırmak ile kıyaslandığında çok ciddi bir hız kazanımı sağlanmış olacak. Yeni mimarideki bellek sanallaştırma özelliği, harici GPU ile entegre grafik birimi arasında paylaşılabilir olacak. Tabi ki işlemciye entegre grafik birimleri, merkezi işlem biriminin -CPU- bellek kontrolcüsüne erişebiliyor hatta Fusion ailesinde, öncelik GPU'ya veriliyor.

AMD'den Eric Demers'in açıklamalarına göre, şu anki dört çekirdekli işlemciler, tam yük altındayken 8-12GB/saniyte bant genişliği sunabiliyorlar. Bu aslında önemli bir açıklama zira 1333MHz'den 1600MHz DDR3 bellek kullanımına geçildiğinde AMD tarafında neden kaydadeğer performansı artışı yaşanmadığını da açıklıyor. Intel tarafında ise zaten şu an için 1333MHz üstü hızlara resmi destek sunulmuyor. Bu konu üzerinde ciddi bir çalışma yapan AMD, entegre grafik biriminin bunu değiştirdiğini ve bellek kontrolcüsünü, GPU'ya saniyede 30GB veri sağlayacak şekilde yeniden tasarladığını açıkladı. Entegre bellek kontrolcüsündeki gelişme ortada, peki ayrık ekran kartlarında bu sistem nasıl işleyecek? Açıklamalara göre sanal bellek PCIe bağlantısı üzerinden sağlanacak.

CPU ve GPU arasındaki parallelik, karşıt yerine destekleyici bir unsur olacak. Bilindiği üzere CPU sıralı işlemleri, GPU ise daha paralel işlemleri üstlenebiliyor. Paylaştırılmış sanal bellek alanı ile CPU ve GPU birbiri için iş zamanlaması yapabilecek. AMD genel bellek performansını yükseltmek için yoğun bir çalışma gerçekleştirdiğini, bunun sadece önbellekle sınırlı olmadığını, bellek kontrolcüsü ve sanallaştırmayı da kapsadığını söylüyor. Yeni mimaride çift hassasiyetli hesaplama diğer jenerasyonlarda olduğu gibi destekleniyor ancak bu defa çok daha esnek bir şekilde yapılıyor.

VLIW-5 ve VLIW-4 mimarilerinin doğası gereği tek hassasiyetli işlem gücünün 1/5'i kadar olan çift hassasiyetli işlem gücü, vektör tabanlı ünteler sayesinde katlanarak artıyor ve tek hassasiyetli işlem gücünün yarısını karşılayabiliyor ki uygulamalar bunu kullanabilirse özellikle işlem gücü gerektiren ortamlarda çok ciddi performans artışlarından söz edeceğiz gibi görünüyor. Ancak burada ölçeklenebilirlik esas olacak ve AMD, örneğin FirePro serisi ekran kartlarında fiyat ve hedef segmente göre farklı seçenekler sunacak. Kabaca örneklendirmek gerekirse, en üst seviye FirePro ekran kartları tek hassasiyetli işlem gücünün yarısı kadar çift hassasiyet seviyesi sunbilecek buna karşın daha düşük maliyetli modellerde bu 1/6'ı seviyesine kadar çekilebilecek.

Yeni mimaride AMD için en önemli öncelik yine grafik performansı olacak ve çıtayı yukarı taşıyacak çok sayıda yenilik sunulacak. Bu noktada pek çok fonksiyonda ciddi geliştirmeler yapıldığı belirtilirken, ROP ve Z-unitesi birimlerinin sayısında da önemli artışlar bekleniyor. Eyefinity ve 3D gibi teknolojiler için piksel doldurma performansını ciddi oranda arttıracağı belirtilen AMD'nin aynı zamanda yeni fabrikasyon sürecine paralel olarak daha fazla kas gücü için daha yüksek frekans seviyelerine - özellikle bellek yongalarında- çıkması bekleniyor.

Yeni mimarinin kullanıldığı grafik birimine sahip Fusion işlemcileri içinse bir süre daha beklememiz gerekecek. Duyurusu yeni yapılan Fusion LIano işlemciler, VLIW-5 tabanlı GPU tasarımını kullanırken, Trinity kod adını taşıyan Bulldozer tabanlı yeni nesil Fusion işlemcilerinde (2012'nin ilk yarısında çıkması bekleniyor) ise AMD'nin mevcut GPU tasarımındaki gibi VLIW-4 tabanlı grafik işlemci mimarisine yer verilecek. Southern Islands tabanlı GPU kullanan Fusion işlemcileri ise en iyi ihtimalle 2012 sonunda çıkacak gibi görünüyor.

AMD'ye yeni tasarım fizik hızlandırma gibi alanlarda büyük avantajlar getirecek. CPU üzerinde yer alan ve aynı bellek kontrolcüsünü kullanarak sistem belleğine çok daha hızlı bir şekilde erişebilen entegre grafik biriminin, ayrık ekran kartı yerine render ve fizik hesaplama ya da bilgi işlem yüklerini aynı anda üstlenebileceği belirtiliyor. Yeni sanal bellek uygulaması ilk etapta sadece AMD platformunda olacak ancak görünüşe bakılırsa AMD bu konsepti diğer üreticilere de lisanslayabilecek. Yani eğer isterse Intel de bu sistemi platformuna entegre edebilecek ancak bu basit bir sürücü güncellemesi kadar kolay olmayacak. Öte yandan Nvidia'nın bu özelliğe nasıl reaksiyon göstereceği ise merak konusu. Firma hali hazırda GPU'ları için sanal bellek moduna sahip ancak bu özellik AMD'nin ki gibi aynı zamanda CPU ile paylaşımlı değil ve aynı sanal alanda olamıyor.

Fusion Geliştiriciler Zirvesi ile AMD, endüstriyi şaşırtan açıklamalarda bulunarak özellikle heterojen bilgi-işlem konusuna çok ciddi yatırımlar yaptığına işaret eden yeniliklerini tanıttı. Bu noktada Intel'in nasıl yanıt vereceği merak konusu zira OpenCL ve OpenGL gibi uygulama dilleri ve endüstrinin bu alandaki yoğun gayretleri ile birlikte yakın gelecekte güçlü grafik birimlerine sahip merkezi işlemcilerin çok daha kritik bir öneme sahip olacağı belirtilirken, AMD'nin mevcut Fusion LIano işlemcileri bile şu anda 500 GigaFLOP seviyesinde teorik işlem gücü sunabiliyorlar. Diğer taraftan AMD, Radeon HD 7000 serisi ile Nvidia'nın Fermi hamlesine benzer, GPGPU odaklı önemli özellikler içeren öte taraftan grafik performansının hala birinci öncelikte tutuluduğu yeni nesil grafik işlem birimlerini de pazara sunacak.

Kısaca özetlemek gerekirse AMD, grafik işlemci tasarımında son yılların en büyük adımını atıyor. Detaylandırılan özellikler daha çok GPGPU üzerine olmakla birlikte doğrudan grafik performansına yönelik açıklanmayan önemli güncellemelerin olduğu ifade ediliyor. Tüm bunların yanında AMD cephesinde heterojen bilgi-işlem'in giderek daha fazla ağırlık kazanacağı ve yeni nesil GPU tasarımlarında Fusion platformunun giderek daha fazla önem kazanacağını da söyleyebiliriz. Hepimizin merak ettiği detay olan Radeon HD 7000 serisi içinse spesifik özellikler ve performans seviyesiyle ilgili olarak bir süre daha beklememiz gerekecek.