تاریخچه کارت‌های گرافیک انویدیا (قسمت سوم و پایانی)

در این قسمت قصد داریم با کارت‌های جی‌فورس سری 100 تا 900 انویدیا که از معماری‌های تسلا (Tesla)، فرمی (Fermi)، کپلر (Kepler) و مکسول (Maxwell) استفاده می‌کردند آشنا شویم و در انتها به تفصیل به معرفی جدیدترین معماری انویدیا یعنی پاسکال (Pascal) بپردازیم.

پس از پایان یافتن توسعه‌ی سری 9000، انویدیا کارت‌های سری GeForce 100 را معرفی کرد و تولید آن‌ها را به طور کامل به OEMها سپرد؛ به این معنا که کارت‌های سری 100 تنها در دستگاه‌های از پیش آماده شده استفاده می‌شدند و کاربران قادر نبودند این کارت‌ها را به صورت مجزا در بازار پیدا کنند. تمامی محصولات سری 100 در واقع همان GPUهای سری 9000 بودند که سرعت کلاک آن‌ها اندکی بهبود یافته و تحت برند جدید GeForce 100 عرضه می‌شدند.

انویدیا هسته‌های GT200 خود را بر اساس معماری بهبود یافته‌ی تسلا در سال ۲۰۰۸ معرفی کرد. در حالی که هسته‌های G92 از ۸ پردازنده‌ی کلاستر تکسچر (TCP) و ۱۶ ROP استفاده می‌کردند، GT200 از ۱۰ TCP و ۳۲ ROP بهره می‌برد. پهنای باس مموری GDDR3 نیز در هسته‌های جدید از ۲۵۶ به ۵۱۲ بیت افزایش پیدا کرده بود.

GT200 برای اولین بار در کارت GeForce GTX 280 استفاده شد که به طرز قابل توجهی از کارت  +GeForce 9800 GTX سریع‌تر بود. اگرچه GTX 280 نمی‌توانست GeForce 9800 GX2 را از لحاظ عملکرد پشت سر بگذارد، اما از آنجایی که 9800 GX2 مصرف انرژی به شدت بالاتری داشت و در عین حال از حافظه‌ی کمتری بهره می‌برد، GTX 280 در مقایسه با آن به عنوان کارت گرافیک برتر در نظر گرفته می‌شد. معرفی کارت گرافیک GeForce GTX 295 با استفاده از دو هسته‌ی GT200 در سال ۲۰۰۹ نیز برتری مشهود و قابل توجه سری 200 را با خود به همراه آورد و میخ آخری بود بر تابوت کارت‌های سری 9000.

سری GeForce 300 نیز مانند سری 100 تنها مختص OEMها بود و کاربران توانایی خرید مجزای کارت‌های این سری در بازار را نداشتند. این سری به طور کامل بر مبنای کارت‌های میان‌رده و پایین‌رده‌ی سری GeForce 200 ساخته شده بودند و از معماری ۴۰ نانومتری تسلا ۲.۰ استفاده می‌کردند.

تسلا بالاخره در سال ۲۰۱۰ توسط معماری جدید انویدیا با نام فرمی (Fermi) جایگزین شد. بزرگ‌ترین چیپ فرمی که ساخته شد GF100 نام داشت و در کارت GeForce GTX 480، اولین پرچمدار فرمی و سری 400، استفاده می‌شد. GTX 480 از ۴۸۰ هسته‌ی CUDA و ۱۵ موتور پلی‌مورف استفاده می‌کرد. مساحت چیپ GF100 به دلیل منابع زیاد استفاده شده در آن بسیار بزرگ (۵۲۹ میلیمتر مربع) بود. GTX 480 همچنین به دلیل مشکل دمای کاری بالای خود مشهور بود. انویدیا و شرکای سخت‌افزاری‌اش برای غلبه بر مشکل دمای بالا به استفاده از سیستم‌های خنک کننده‌ی قدرتمند و پر سروصدا در این کارت گرافیک روی آوردند که باعث شد GTX 480 به یکی از پرصدا ترین کارت‌های گرافیک سال‌های اخیر تبدیل شود.

برای کاهش هزینه‌ی تولید و کوچک‌تر کردن ابعاد GPUهای فرمی، انویدیا چیدمان و تعداد منابع بر روی چیپ را تغییر داد. هسته‌های جدید با نام رمز GF106  از ۴۸ هسته‌ی CUDA با آرایشی جدید استفاده می‌کردند. این کار باعث شد تا ابعاد کلی تراشه کوچک شود، هرچند عملکرد آن نیز تا حدودی تحت تاثیر قرار گرفت. انویدیا با معرفی هسته‌های GF108، بار دیگر تعداد و معماری منابع چیپ جدید خود را تغییر داد.

مشکلات معماری فرمی باعث شدند تا انویدیا برای استفاده از معماری فرمی در کارت‌های سری GeForce 500 خود مجبور شود GPUهای خود را در سطح ترانزیستوری مورد بازنگری قرار دهد. طرح کلی این بازنگری به این صورت بود که در قسمت‌های کمتر حساس GPU که تاثیر کمی بر روی کارایی آن داشتند از ترانزیستورهای کندتر، و در قسمت‌های مهم و حیاتی که تاثیر زیادی بر روی عملکرد داشتند از ترانزیستورهای سریع استفاده شود. این بازنگری در نهایت منجر به کاهش مصرف انرژی و افزایش سرعت کلاک در پردازنده‌های گرافیکی با معماری فرمی شد.

انویدیا چیپ جدید GF110 را در قلب پرچمدار سری 500 خود یعنی کارت گرافیک GTX 580 قرار داده بود. در GF110 علاوه بر استفاده از معماری بازنگری شده‌ی فرمی، از زد بافر بهبود یافته نیز استفاده می‌شد. این تغییرات باعث شدند تا GF110 بتواند از ۱۲ مالتی‌پردازنده‌ی استریم یا SM (هر مالتی پردازنده‌ی استریم از ۳۲ هسته‌ی CUDA و ۱۶ SFU تشکیل شده است) استفاده کند. در نتیجه کارت GTX 580 که از این چیپ استفاده می‌کرد به طرز قابل توجهی از GTX 480 سریع‌تر بود.

GTX 680 با استفاده از هسته‌های GK104، که بر اساس معماری کپلر (Kepler) طراحی شده بودند، به عنوان پرچمدار جدید انویدیا جایگزین GTX 580 شد. با استفاده از فرآیند ساخت ۲۸ نانومتری، هسته‌های GK104 به طرز قابل توجهی از هسته‌های GF110 در مصرف انرژی بهینه‌تر عمل می‌کردند. در مقایسه با هسته‌های قدیمی، تعداد TMUها در GK104 دوبرابر افزایش یافته بود و هسته‌های CUDA نیز سه برابر بیشتر شده بودند. این افزایش چند برابری منابع چیپ البته به معنای افزایش عملکرد کارت گرافیک به همین میزان نبود؛ بطوری که کارایی کارت‌های جدید در بازی‌های ویدئویی تنها بین ۱۰ تا ۳۰ درصد افزایش پیدا کرده بود. البته بهینگی مصرف انرژی بسیار بیشتر از این مقدار افزایش یافته بود.

برنامه‌ی انویدیا برای کارت‌های سری GeForce 700، صرفاً افزایش سایز چیپ بود و GK110 که در اصل برای استفاده در سوپر کامپیوترها توسعه پیدا کرده بود، بهترین گزینه برای این کار به شمار می‌رفت. این GPU غول آسا ۲۸۸۰ هسته‌ی CUDA و ۲۴۰ TMU را در خود جای داده بود. GK110 برای اولین بار به همراه ۶ گیگابایت رم در کارت گرافیک مشهور GTX Titan انویدیا به کار گرفته شد. البته کارت گرافیک تایتان با قیمت نامتعارف ۱۰۰۰ دلاری فروش کمی را تجربه کرد. انویدیا بعدها با کاهش مقدار رم تایتان به ۳ گیگابایت، آن را با نام جدید GTX 780 و قیمتی مناسب‌تر به بازار عرضه کرد.

انویدیا معماری مکسول (Maxwell) خود را در سال ۲۰۱۴ و با تمرکز بر بهینگی مصرف انرژی معرفی کرد. اولین پرچمدار این معماری کارت گرافیک GeForce GTX 980 بود که از چیپ GM204 در قلب خود استفاده می‌کرد. تفاوت اصلی مکسول با کپلر در ساب-سیستم حافظه‌ی آن بود. GM204 از باس با پهنای کمتر ۲۵۶ بیت استفاده می‌کرد، اما انویدیا با استفاده از یک الگوریتم قوی برای فشرده‌سازی مموری، توانسته بود به پهنای باند بالاتری در این باس دست پیدا کند. GM204 همچنین از یک حافظه‌ی کش L2 بزرگ ۲ مگابایتی استفاده می‌کرد تا تاثیر پهنای کم باس را به حداقل برساند.

چیپ‌های GM204 شامل ۲۰۴۸ هسته‌ی CUDA و ۱۶ موتور پلی‌مورف بودند. به دلیل کاهش میزان منابع استفاده شده روی چیپ، کارت‌های بهره‌مند از GM204 با تنها ۶ درصد بهبود کارایی نسبت به GTX 780 Ti، نمی‌توانستند عملکرد چندان بهتری نسبت به پرچمداران نسل قبل داشته باشند، اما برگ برنده‌ی آن‌ها کاهش ۳۳ درصدی در مصرف انرژی بود.

انویدیا بعدها هسته‌های GM200 را در کارت GeForce GTX 980 Ti معرفی کرد. GM200 در واقع نسخه‌ی قوی‌تری از GM204 با ۲۸۱۶ هسته‌ی CUDA بود. چیپ جدید عملکرد کارت گرافیک را بهبود می‌بخشید اما به اندازه‌ی چیپ قدیمی کم مصرف نبود.

در تاریخ ۲۷ می ۲۰۱۶، انویدیا طی مراسمی از کارت گرافیک GeForce GTX 1080 رونمایی کرد. چیپ GP104 که در کارت‌های جدید انویدیا از آن استفاده می‌شود، با استفاده از فرآیند ساخت ۱۶ نانومتری FinFET شرکت TSMC تولید شده و از جدیدترین معماری انویدیا با نام پاسکال استفاده می‌کند.

هسته‌ی GP104 با مساحت ۳۱۴ میلی‌متر مربع، تعداد حیرت انگیز ۷.۲ میلیارد ترانزیستور را در خود جای داده است و با داشتن ۲۵۶۰ هسته‌ی CUDA و ۲۰ موتور پلی‌مورف، بسیار قوی‌تر از کارت GTX 980 Ti عمل می‌کنند.

انویدیا وقت، هزینه و انرژی زیادی را برای توسعه‌ی معماری پاسکال صرف کرده است و امید زیادی به موفقیت آن دارد. جن-سون هوانگ، موسس و مدیر عامل انویدیا در مراسم رونمایی از کارت گرافیک GTX 1080 و معرفی معماری پاسکال ادعا کرد که بودجه‌ی تحقیق توسعه‌ی این کارت چندین میلیارد دلار بوده و توسعه‌ی آن بیش از دو سال زمان برده است. هوانگ همچنین درباره‌ی اهمیت این کارت گرافیک و معماری پاسکال گفت:

«GTX 1080 بزرگترین تلاش برای ساخت یک کارت گرافیک، چیپ و پردازنده در تاریخ است. اگر همین مقدار تلاش را صرف برنامه‌های فضایی کنید، مطمئن هستم می‌توانید به مریخ برسید.»

از جمله ویژگی‌های معماری پاسکال می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• پشتیبانی از ۱۶ گیگابایت حافظه‌ی پهن باند ۲ (High Bandwidth Memory 2) همراه با باس ۴۰۹۶ بیتی و پهنای باندی برابر با 720GB/s
• پشتیبانی از حافظه‌ی GDDR5X با سرعت 10Gbit/s
• پشتیبانی از DisplayPort 1.4 و HDMI 2.0b
• معماری مموری یکپارچه شده (Unified memory) که در آن CPU و GPU می‌توانند هم به حافظه‌ی اصلی سیستم، و هم به حافظه‌ی کارت گرافیکی دسترسی داشته باشند.
• رابط NVLink با قابلیت استفاده بین CPU و GPU یا بین چند GPU. سرعت انتقال داده از طریق این باس بسیار بالاتر از PCI Express و در حدود 80 تا 200GB/s تخمین زده می‌شود.
• رابط SLI بهبود یافته با پهنای باند بیشتر.
• مجموعه قابلیت‌های سخت افزاری جدید با نام PureVideo و NVENC که از جمله توانایی‌های آن می‌توان به اینکود و دیکود کردن ویدئوهای HEVC با فرمت ۱۰ و ۱۲ بیت اشاره کرد.
• GPU Boost 3.0

چیپ‌هایی که از معماری پاسکال استفاده می‌کنند نیز عبارتند از:

• GP100: مختص استفاده در کارت‌های گرافیکی کمکی چند منظوره (GPGPU) تسلا P100. این چیپ از حافظه‌ی پر سرعت HBM2 استفاده می‌کند.
• GP102: استفاده شده در کارت Titan X با ۱۲ گیگابایت حافظه‌ی GDDR5X، باس ۳۸۴ بیتی و پهنای باند 480GB/s. از این چیپ در کارت‌های چند منظوره‌ی Quadro P6000 و Tesla P40 نیز استفاده می‌شود.
• GP104: استفاده شده در کارت‌های GeForce GTX 1070 و GTX 1080. یک چهارم سایه‌زن‌های چیپ GP104 در کارت GTX 1070 غیر فعال شده‌اند و از حافظه‌ی GDDR5 همراه آن استفاده شده است. این در حالی است که تعداد سایه‌زن‌های همین چیپ بر روی GTX 1080 دستکاری نشده و از حافظه‌ی GDDR5X به همراه آن استفاده می‌شود. از این چیپ در کارت‌های چند منظوره‌ی Quadro P5000 و Tesla P4 نیز استفاده می‌شود.
• GP106: از این چیپ در کارت GTX 1060 GeForce به همراه حافظه‌ی GDDR5 استفاده شده است.
• GP107: از این چیپ در کارت GeForce GTX 1050 و GTX 1050 Ti استفاده شده است.

معماری بعدی انویدیا ولتا (Volta) نام خواهد داشت. هنوز مشخص نیست این معماری چه زمانی معرفی خواهد شد و کارت‌های گرافیک طراحی شده بر مبنای آن از چه ویژگی‌هایی بهره خواهند برد.