Procesory z grafiką

Zabieg ujednolicania różnych typów jednostek obliczeniowych stosuje się od kilku lat. Celem jest doprowadzenie do pełnego wykorzystania udostępnianej mocy obliczeniowej i zapobieganie sytuacji, kiedy jeden rodzaj jednostek „nudzi się”, oczekując na dane przetwarzane przez inne jednostki. Przykładem jest unifikacja jednostek cieniowania pikseli (pixel shader) i wierzchołków (vertex shader) w najnowszych układach graficznych. W układach, w których były oba rodzaje jednostek, często zdarzało się, że pixel shadery były wykorzystywane w pełni, a vertex shadery w minimalnym stopniu. Uniwersalne shadery mogą operować na wielu typach danych – w zależności od wymagań aplikacji mogą obliczać kod pisany zarówno dla jednostek cieniowania pikseli, jak i wierzchołków.

W naszych komputerach najczęściej znajdują się dwie jednostki przetwarzania. Pierwszą jest procesor główny, czyli CPU (Central Processing Unit), a drugą – procesor graficzny GPU (Graphics Processing Unit). Układy te mają wiele podobnych cech – m.in. oba muszą korzystać z pamięci o dużej przepustowości, pojemności i krótkich opóźnieniach. To właśnie podobieństwa umożliwiają integrację obu procesorów. Dzięki niej procesor graficzny będzie mógł przejąć różne zadania od procesora i na odwrót. Efektem ma być wzrost wydajności (m.in. w grach) komputerów wyposażonych w procesor z grafiką, szczególnie w porównaniu z pecetami korzystającymi z grafiki zintegrowanej z płytą główną.

• dużo wyższa wydajność niż grafiki zintegrowanej z płytą główną
• porównywalna wydajność z kartami grafiki ze średniej półki przy niższej cenie zakupu
• miniaturyzacja komputerów

Przejmowanie przez procesor graficzny pewnych zadań jednostki centralnej nie jest nowym pomysłem. Najnowsze układy graficzne firmy AMD wykorzystują tzw. przetwarzanie strumieniowe, czyli równoległą obróbkę danych przez zespół wyspecjalizowanych jednostek (shaderów ). Dzięki temu układ graficzny może się zajmować jednocześnie generowaniem trójwymiarowego obrazu (renderingiem) oraz innymi zadaniami.

Na przykład w ogólnoświatowym programie Folding@Home (uruchomionym przez Uniwersytet Stanforda) internauci dysponujący komputerem z kartą grafiki Radeon X1900 podczas korzystania ze swojej maszyny wykonują na niej jednocześnie skomplikowane symulacje biochemiczne, mające pomóc w znalezieniu lekarstwa na choroby nowotworowe.

Ewolucja możliwości procesorów o architekturze x86 postępuje wolno. W 1989 ro ku w procesor wbudowano jednostkę zmiennoprzecinkową FP, wspierającą CPU w skomplikowanych obliczeniach. W latach 90. ubiegłego stulecia doda no kilkadziesiąt nowych rozkazów, zebranych w multimedialne instrukcje MMX i SSE . Rewolucją było pojawienie się pierwszych 64-bitowych procesorów AMD. Kolejny krok to integracja z procesorem jednostek graficznych.

Innym pomysłem jest wykorzystanie GPU do obliczania skomplikowanych efektów fizycznych, np. zjawisk atmosferycznych, oraz symulowania zachowań wirtualnych przeciwników w grach. Rozwiązania tego typu (mówiło się o nich już ponad dwa lata temu) nie mają wersji komercyjnych, znalazły się jedynie w demach koncepcyjnych producentów układów graficznych – ATI (obecnie AMD) oraz Nvidia.

Nvidia zapowiedziała też rozwiązanie 3-way SLI, umożliwiające wykorzystanie trzech kart graficznych w jednym komputerze. Na razie służy ono jedynie do zwiększania wydajności grafiki, ale być może już niedługo jeden z akceleratorów przejmie od procesora głównego kilka dodatkowych zadań, np. symulacje występujących w świecie rzeczywistym sił fizycznych.

W ramach projektu Fusion dwie osobne jednostki obliczeniowe – tradycyjny procesor i układ graficzny – zostaną umieszczone w jednej strukturze krzemowej, a obudowa nowego układu będzie taka jak obudowa procesora. Jednostki te będą korzystały ze wspólnej bądź rozdzielnej pamięci podręcznej (lub bufora ). Układy będą połączone przez przełącznik krzyżowy i wspólny kontroler pamięci . Obie jednostki mają korzystać z tej samej pamięci RAM . Obawy, że będzie jej za mało, by oba układy działały sprawnie, nie muszą się sprawdzić, gdy bierzemy pod uwagę procesory AMD (gorzej byłoby w przypadku Intela). Same procesory AMD nie wymagają dużej przepustowości pamięci. Dzięki temu zostaje jej więcej dla układu graficznego.

Co więcej, według testów wykonanych w laboratorium PC Formatu, różnica wydajności tych samych procesorów AMD przy zastosowaniu pamięci RAM: DDR 400 i szybszej DDR2 800 jest niewielka. Oznacza to, że im szybsza pamięć, tym większą jej przepustowość będzie miał do dyspozycji układ graficzny. Ponieważ pod koniec bieżącego roku pojawią się pamięci DDR3 o znacznie wyższej przepływności niż dotychczasowe układy DDR2, zintegrowany z CPU procesor graficzny zyska spory zapas.

Nehalem to nazwa kodowa nowej architektury procesorów Intela, która zadebiutuje w czwartym kwartale 2008 roku. Procesory będą wymagały zupełnie nowej podstawki, LGA 1366. Najciekawszą informacją jest jednak integracja układu graficznego obok czterech fizycznych rdzeni procesora. Wysoką wydajność rozwiązania ma zagwarantować wbudowany kontroler pamięci (ICM) i współpraca z pamięciami DDR3 w trybie trójkanałowym.

Oczywiście i tak przepustowość wspólnego RAM-u (5–6 GB/s) wydaje się niewielka w porównaniu z szybkością połączenia między pamięcią lokalną karty graficznej a jej procesorem (nawet ok. 50 GB/s) i dorównuje tu co najwyżej kartom graficznym z niższej półki. Jednak buforowanie pamięci cache powinno usprawnić przepływ danych. Ten sposób zastosowano już w konsoli Xbox 360, w której GPU oprócz własnej pamięci lokalnej wykorzystuje niewielki bufor danych.

Nie jest jasne, jak AMD zrealizuje integrację, ale prawdopodobnie z czterordzeniowych procesorów Phenom zostaną usunięte dwa rdzenie, pozostawiając obszar, w którym można zmieścić nawet 200–250 milionów tranzystorów GPU. Nie jest to liczba pozwalająca na konkurencję z dzisiejszymi najpotężniejszymi układami graficznymi (niektóre liczą po 750 mln tranzystorów), ale wyższą wydajność graficzną nowego układu można uzyskać inną drogą. Wszystkie jednostki obliczeniowe układu GPU będą prawdopodobnie pracowały z takim samym zegarem jak CPU, dzięki czemu osiągnie on znacznie lepszą wydajność niż taktowany niskim zegarem GPU o większej liczbie jednostek.

Dla najbardziej wymagających użytkowników nadal najlepszym rozwiązaniem pozostaną zewnętrzne karty graficzne. Jednak producenci notebooków oraz mniej wymagający gracze mogą się skusić na układ Fusion, tym bardziej że cena procesora ze zintegrowanym układem graficznym będzie niższa niż koszt zakupu procesora i karty grafiki. Do innych korzyści można zaliczyć obniżenie poboru mocy przez komputer w porównaniu z maszyną wykorzystującą oddzielne: procesor i kartę grafiki, a także możliwość budowania mniejszych komputerów o wysokiej wydajności grafiki. Takiej możliwości z pewnością nie dają powolne chipsety płyt głównych ze zintegrowaną grafiką.

W pierwszej wersji układu o nazwie kodowej Fusion procesor główny CPU i procesor graficzny GPU zostaną umieszczone we wspólnej obudowie procesora. Układy będą korzystały z własnych, oddzielnych pamięci podręcznych i komunikowały się przez przełącznik krzyżowy oraz wspólny kontroler pamięci. Pamięć RAM pozostanie do dyspozycji zarówno CPU, jak i GPU. Będą w niej przechowywane jednocześnie dane aplikacji i np. tekstury gier.

Połączenie CPU i GPU na dłuższą metę uprości również proces produkcji samych układów, których nie trzeba będzie produkować w kilku niezależnych fabrykach.

Intel od jakiegoś czasu pracuje nad analogicznym rozwiązaniem, ale nie ujawnia zbyt wielu informacji. Wiadomo, że nowy procesor o nazwie kodowej Nehalem (45 nm), zbudowany w nowej architekturze, w niektórych wersjach będzie miał wbudowany moduł graficzny. Ma być montowany w obudowie procesora (obok niego), czyli podobnie jak w projekcie AMD. Jednak w przeciwieństwie do AMD – jak chwali się Intel – wbudowana grafika będzie miała wysoką wydajność. Nie oznacza to, że dorówna najszybszym kartom graficznym, ale że uplasuje się w segmencie kart graficznych o średniej wydajności.

Za takie rozwiązanie trzeba będzie zapłacić więcej niż za procesor i płytę ze zintegrowaną grafiką, ale też wydajność w obu przypadkach będzie diametralnie różna – procesory z grafiką będą wielokrotnie szybsze. Intel bardzo poważnie przygotowuje się do integracji grafiki: procesory oparte na architekturze Nehalem będą miały zintegrowany kontroler pamięci (nie będzie wbudowany w płytę główną) i niezwykle wysoką przepustowość dla pamięci DDR3.

Na właściwą integrację, czyli zastąpienie procesora głównego i graficznego jednym uniwersalnym układem, przyjdzie nam jeszcze poczekać. Najpierw nastąpi ona na poziomie oprogramowania (przez tworzenie kodu danej aplikacji dla jednego układu integrującego funkcje procesora głównego i graficznego), dopiero później na poziomie krzemu.