Retrospectiva das GPUs NVIDIA lançadas em 2012 para desktop

Com a Fermi, os engenheiros da NVIDIA empregaram todo o seu conhecimento adquirido ao longo das duas últimas gerações, bem como todos os aplicativos, e desenvolveram uma abordagem totalmente nova de design para criar a primeira GPU computacional do mundo. A arquitetura era baseada em pipelines de geometria paralela otimizados para o Tessellation e para o mapeamento de deslocamento, bem como para uma nova arquitetura computacional que oferecia mais velocidade na troca de contexto e aprimoramento no desempenho para operações atômicas.

JÁ a Kepler, encabeçada pelo GK104 (presente na GTX 680/GTX 670), parece dar um passo adiante na evolução dos chips grÁficos da NVIDIA, ao focar na otimização e eficiência de recursos Â– embora construída a partir dos alicerces da Fermi.

A nova geração de GPUs é composta de inúmeros blocos de hardware distintos, cada um especializado em tarefas específicas. Entretanto, o GPC (Graphics Processing Clusters) continua a ser o bloco de hardware de alto nível dominante na arquitetura Kepler, com recursos dedicados para a computação geral, rasterização, sombreamento e texturização. Em outras palavras, quase todas a funções de processamento grÁfico de um núcleo da GPU estão contidas no GPC.

Conforme pode ser visto acima na estrutura de processamento da Kepler, hÁ um grande bloco chamado pela NVIDIA de “Gigathread Engine”, composto de quatro GPCs, quatro controladores de memória, partições ROPs e cache L2. Vale ressaltar que cada GPC, que são na realidade grandes unidades de processamento e se comportam como mini GPUs independentes, possui duas unidades da nova geração de Streaming Multiprocessors, chamados agora pela companhia de SMX (até então a empresa havia batizado os multiprocessadores de Streaming de SM). Diferentemente das duas gerações passadas (GF10x e GF11x), em que cada SM continha 32 CUDA Cores, os SMX da GK104 e suas variantes possuem nada menos do que 192 CUDA Cores! Desta forma, a NVIDIA chega ao número “mÁgico” de 1536 CUDA Cores (4 GPCs x 2 SMXs x 192 CUDA Cores) no chip GK104 da GTX 680.

Como não poderia deixar de ser, a tÁtica de desativar conjuntos de recursos se repete com a geração Kepler. Assim, ao invés de 8 unidades de SMX, a GK104 da GTX 660 Ti possui 7 unidades. Com isso, a quantidade total de CUDA Cores cai de 1536 para 1344 (8 SMXs x 192 CUDA Cores). Valor idêntico à GTX 670.

Outra mudança visível na comparação entre as arquiteturas da Fermi e Kepler estÁ na quantidade mÁxima de controladores de memória. Ao invés de seis blocos de 64 bits, hÁ “apenas” quatro, totalizando assim um bus de 256 bits (4 blocos x 64 bits) para a GK104 contra 384 bits das GF100 e GF110. Para diferenciara 660 Ti da GTX 670, a NVIDIA reduziu a quantidade de blocos de 64 bits, de 4 para 3. Com isso, o barramento de memória foi reduzido de 256 para 192 bits.

Em relação à quantidade de unidades de rasterização, a GK104 possui um total de 32 ROPs, contra 48 ROPs das GF100 e GF110. Essa diferença só foi possível pelo fato de estas unidades estarem arranjadas em um bloco funcional separado do SMX. Assim, enquanto a linha Fermi possui seis blocos rasterizadores, cada um composto por oito ROPs – totalizando 48 ROPs -, a GK104 possui “apenas” quatro blocos, explicando-se assim a quantidade mÁxima de 32 ROPs (4 blocos x 8 ROPs). Mais uma vez a NVIDIA alterou o arranjo para manter distância em relação à GTX 670. A GeForce GTX 660 Ti tem 3 blocos de unidades rasterizadoras, totalizando assim 24 ROPs.

Quanto às unidades de texturização, cada SMX é composto por 16 TMUs, o dobro do número de TMUs presentes no Streaming Multiprocessor da geração Fermi. Com um total de 8 SMX (4 GPCs x 2 SMXs), a GK104 tem, portanto, um total de 128 unidades de texturização (8 SMXs x 16 TMUs), contra 64 TMUs da GF110 (16 SM x 4 TMUs).

Tecnologias – GPU Boost, FXAA, TXAA e Adaptive V-Sync

A nova geração Kepler trouxe gratas surpresas para os usuÁrios. Algumas exclusivas, como é o caso dos novos filtros FXAA e TXAA, do GPU Boost, Adptive VSync e 3D Vision Surround com apenas uma VGA. Detalharemos a seguir as novidades:

GPU Boost

Exclusivo das GeForces, trata-se da tecnologia combinada de harware com software de ajuste dinâmico nos clocks.

Semelhante ao Turbo Boost da Intel e ao TurboCore da AMD, o GPU Boost tem como objetivo disponibilizar a quantidade de megahertz necessÁria para o bom funcionamento das tarefas, a depender, claro, de certas condições, como consumo de energia e temperatura da GPU.

Com a Kepler, hÁ agora os conceitos de clocks base (base clock) e clock de impulso (boost clock). Dessa forma, a placa opera por padrão em 915Mhz, podendo ir a 980Mhz (overclock de 7%) quando for preciso um maior poder de processamento (como a renderização de grÁficos complexos), desde, claro, que haja condições para isso (TDP e temperatura abaixo do mÁximo permitido). Em outras palavras, a tecnologia utiliza a diferença entre o consumo atual (varia de acordo com o software executado) e o TDP mÁximo da placa, para alavancar o clock base e aumentar a performance, chegando assim ao patamar que a NVIDIA denominou de “boost clock”.

FXAA
Embora não seja um filtro de Anti-Aliasing (antisserrilhado) inédito, a NVIDIA aprimorou o FXAA (Fast Approximate Anti-Aliasing) na nova geração Kepler. O FXAA é uma técnica de pós-processamento, isto é, que aplica o filtro de anti-aliasing na imagem após esta ter sido gerada pela GPU. Com a chegada da Kepler, a NVIDIA passou a adotar o FXAA via driver (geração R300), possibilitando a utilização do filtro em centenas de jogos.

Um fato que chamou bastante a atenção da comunidade foi a apresentação do Samaritan Demo (demonstração de um vídeo da Epic que ressalta o poderio grÁfico do DirectX da Unreal Engine) na Game Devolpers Conference – GDC 2011. Na ocasião, a Epic necessitou de três GeForces GTX 580 para rodar o demo a contento. Passado um ano, ou seja, na GDC 2012, a Epic fez uma nova apresentação do Samaritan Demo. Contudo, para a surpresa de todos, foi necessÁrio apenas uma GeForce GTX 680 e a utilização do FXAA para “dar conta do recado”.

TXAA
Considerado pela NVIDIA como a próxima geração de filtros de antisserilhamento (responsÁvel pela geração do próximo nível em termos de qualidade de imagem), o TXAA (Temporal Anti-aliasing) promete disponibilizar muito mais qualidade e performance se comparado com o MSAA.

Segundo a companhia, o antisserilhamento temporal foi criado com o objeto de explorar toda a capacidade de processamento de texturas da geração Kepler (mais especificamente nas placas baseadas no chip grÁfico GK104, ou seja, nas GTX 680/670/660).

O TXAA é um misto de anti-aliasing de hardware com filme GC estilo AA, e para o caso do filtro em 2X, um componente temporal opcional é empregado, para melhorar a qualidade da imagem.

Adptive V-Sync

Presente na geração de drivers R300 da companhia, a tecnologia dinamicamente liga e desliga o sincronismo vertical, de forma a gerar FPS mais regulares e cadenciados, o que minimiza os lags nos games e previne a mÁ sincronização das imagens.

Mais especificamente, quando a taxa de quadros por segundo cai para menos de 60 FPS, o Adptive V-Sync entra em cena e desliga o sincronismo vertical, possibilitando que os frame rates funcionem em sua taxa natural, o que reduz as chances de ocorrer lag. Quando os FPS voltam para 60 quadros por segundo, o Adptive V-Sync atua novamente ao ligar o sincronismo vertical, reduzindo a possibilidade de ocorrerem artefatos fora de sincronismo.