сила — в нанометрах / Видеокарты

В последние годы мы уже привыкли, что AMD в соревновании с NVIDIA неизменно занимает позицию догоняющего. Последний раз, когда игровые видеокарты под марками GeForce и Radeon обладали равными возможностями в верхнем ценовом сегменте, был во времена противоборства GeForce GTX 980 Ti и Radeon R9 Fury X. Слабость графического подразделения AMD и архитектуры Graphics Core Next, которая существует уже без малого десять лет, стала особенно заметной после того, как NVIDIA выпустила устройства серии GeForce RTX. Детище Дженсена Хуанга не только безраздельно властвует на рынке высокопроизводительных GPU, но уже задает курс развития всей индустрии за счет технологий трассировки лучей в реальном времени и машинного обучения.

К чести AMD, в бюджетном и среднем классе игровых видеокарт ее продукты по-прежнему востребованы, а модели семейства Radeon RX Vega прекрасно зарекомендовали себя в качестве ускорителей расчетов общего назначения. А теперь у «красных» появился еще один повод для оптимизма: старший графический процессор семейства Vega мигрировал на прогрессивный стандарт 7 нм FinFET. Обновленный чип Vega 20, который был представлен публике осенью в составе ускорителей вычислений Radeon Instinct, стал первым дискретным GPU, произведенным по этой технологии, в то время как NVIDIA лишь сравнительно недавно отладила производство по норме 12 нм.

Учитывая, как далеко впереди соперника оказалась AMD по темпу освоения новых техпроцессов, только самые преданные сторонники компании могли ожидать появления игровой видеокарты, основанной на кремнии Vega 20. Но подчас даже самые смелые мечты сбываются, ведь AMD решила поступить именно так. Что это — демонстрация силы или жест отчаяния? Попробуем выяснить.

Главные нововведения, которые характеризуют кремний Vega второго поколения, напрямую вызваны переходом с узла 14 нм FinFET на 7 нм. Производством чипов Vega 20 занимается тайваньская TSMC — похоже, что в этом у AMD не было иного выбора, ведь GlobalFoundries, которая сейчас выпускает большую часть графических чипов архитектуры Graphics Core Next, свернула работы над собственной линией 7 нм, а Samsung запустила ее позже, чем тайваньцы.

«Апгрейд» графических процессоров за счет нового техпроцесса или просто доработки схемотехники для AMD уже превратился в традицию. Возьмем семейство чипов Polaris: старший из этих GPU — Polaris 10 — не так давно пережил свое третье рождение, уже по технологии 12 нм. Однако микросхемы стандартов 14 и 7 нм отличаются друг от друга намного сильнее, нежели 14 и 12 нм. У TSMC никогда не было производственной линии 14 нм, но для того, чтобы оценить масштаб изменений, которые претерпел графический процессор Vega, можно взять за точку отсчета характеристики техпроцесса 16 нм на фабриках TSMC. По сравнению с ними стандарт 7 нм в 3,2 раза увеличивает плотность микросхем, а энергопотребление снижается на 61 %.

Подобные числа недостижимы на практике, ведь не все микросхемы настолько хорошо масштабируются, тем более столь сложные, как современные процессоры, будь то CPU или GPU. Однако AMD удалось сократить площадь своего флагманского чипа ровно в полтора раза — с 495 до 331 мм², несмотря на то, что в нем стало на 0,7 млрд транзисторов больше. Как это повлияло на тактовые частоты и удельную мощность чипа, мы обсудим на примере самой видеокарты Radeon VII, но миниатюризация графического ядра дала Vega 20 еще одно важное преимущество.

В ускорителях высшего эшелона AMD давно отказалась от памяти GDDR в пользу микросхем HBM, которые размещаются вместе c GPU на кремниевой подложке (interposer). Последняя фактически представляет собой редуцированную микросхему, в которой есть только линии проводников и нет транзисторов. Как следствие, подложку производят на стандартном фотолитографическом конвейере, а ее размер ограничен фотомаской. По снимку Vega 10 хорошо видно, что гигантский GPU просто не позволил AMD разместить на подложке больше двух стеков HBM2. Именно поэтому у Vega 10 вдвое меньше разрядность шины памяти сравнительно с чипом Fiji (первым GPU, в котором AMD использовала память HBM), пусть даже увеличенные частоты второго поколения HBM компенсируют невольный шаг назад.

С другой стороны, на подложке вокруг Vega 20 уже достаточно места для четырех сборок HBM2. AMD воспользовалась этой возможностью, чтобы одновременно удвоить пропускную способность (которая теперь достигает невероятных показателей в 1 Тбайт/с) и объем оперативной памяти: ускорители вычислений Radeon Instinct на чипах Vega 20 получили вплоть до 32 Гбайт RAM, а Radeon VII — 16 Гбайт.

В дополнительных контроллерах памяти сосредоточена часть тех 0,7 млрд транзисторов, которые появились в новой версии процессора, но архитектура GPU претерпела и другие изменения. AMD поработала над эффективностью конвейера — как в 3D-рендеринге, так и расчетах общего назначения. В частности, была увеличена производительность блоков ROP, чтобы они могли в полной мере воспользоваться расширенной шиной памяти, а со стороны шейдерных ALU — скорость исполнения FMA (Fused Multiply-Add), пожалуй самой важной операции для множества вычислительных задач. В остальном  Vega 20 по-прежнему относится к пятому поколению GCN и не содержит изменений на уровне ISA (Instruction Set Architecture). Последняя особенность чипа, о которой стоит упомянуть, это исполнение расчетов двойной точности (FP64) на скорости 1/2 от пиковой производительности в FP32. В теории такая способность есть у любых ускорителей архитектуры GCN, но на стадии проектирования кристалла AMD решает, как сильно будет ограничено быстродействие FP64 в соответствии с рыночным позиционированием устройства. Но коль скоро главным назначением Vega 20 являются приложения GPGPU (General Purpose GPU), эта функция не была урезана на уровне кремния.

⇡#Технические характеристики, цена

Хотя графический процессор Vega 20 соответствует по набору главных вычислительных блоков от старшей «Веги» первого поколения, Radeon VII не досталась полностью функциональная версия GPU. Чип Vega 20 в конфигурации с 64-мя активными CU (Vega 20 XT) пока можно найти лишь на плате Radeon Instinct MI60, а в составе Radeon VII применяют такую же версию чипа, как в Instinct MI50 — Vega 20 XL. В ней осталось 60 работоспособных CU, а это значит 3840 шейдерных ALU (потоковых процессоров, в терминологии AMD) и 240 блоков наложения текстур. Если провести сравнение с модельным рядом прошлого поколения, то Radeon VII стоит точно посередине между Radeon RX Vega 56 и Vega 64, а значит у AMD еще осталась возможность выпустить более производительную видеокарту, если компания посчитает это целесообразным.

В том, что графический процессор Vega 20 появился на потребительском рынке лишь в «урезанном» варианте, нет ничего удивительного. Выход годных микросхем с таким количеством транзисторов по норме 7 нм еще наверняка оставляет желать лучшего, и полностью работоспособные кристаллы AMD бережет для своих серверных продуктов. С другой стороны, нет и повода для разочарования, ведь геймерская версия Vega 20 сохранила 94 % своей полной вычислительной мощности. Судя по тому, как в играх соотносятся Vega 56 и Vega 64, а они с точки зрения железа различаются гораздо сильнее, потерю четырех Compute Unit’ов Radeon VII совершенно точно переживет.

Производитель	AMD
Модель	Radeon RX Vega 56	Radeon RX Vega 64	Radeon RX Vega 64 Liquid Cooled	Radeon VII
Графический процессор
Название	Vega 10 XL	Vega 10 XT	Vega 10 XTX	Vega 20 XL
Микроархитектура	GCN 1.4	GCN 1.4	GCN 1.4	GCN 1.4
Техпроцесс, нм	14 нм FinFET	14 нм FinFET	14 нм FinFET	7 нм FinFET
Число транзисторов, млн	12 500	12 500	12 500	13 200
Тактовая частота, МГц: Base Clock / Boost Clock	1156/1471	1247/1546	1406/1677	1400/1750
Число шейдерных ALU	3584	4096	4096	3840
Число блоков наложения текстур	224	256	256	240
Число ROP	64	64	64	64
Оперативная память
Разрядность шины, бит	2048	2048	2048	4096
Тип микросхем	HBM2	HBM2	HBM2	HBM2
Тактовая частота, МГц (пропускная способность на контакт, Мбит/с)	800 (1600)	945 (1890)	945 (1890)	1000 (2000)
Объем, Мбайт	8096	8096	8096	16192
Шина ввода/вывода	PCI Express 3.0 x16	PCI Express 3.0 x16	PCI Express 3.0 x16	PCI Express 3.0 x16
Производительность
Пиковая производительность FP32, GFLOPS (из расчета максимальной указанной частоты)	10544	12665	13738	13440
Производительность FP32/FP64	1/16	1/16	1/16	1/4
Пропускная способность оперативной памяти, Гбайт/с	410	484	484	1024
Вывод изображения
Интерфейсы вывода изображения	HDMI 2.0, DisplayPort 1.4	HDMI 2.0, DisplayPort 1.4	HDMI 2.0, DisplayPort 1.4	HDMI 2.0, DisplayPort 1.4
TDP, Вт	210	295	345	300
Розничная цена (США, без налога), $	От 329 (newegg.com)	От 399 (newegg.com)	От 599 (amazon.com)	699 (рекомендованная на момент выхода)
Розничная цена (Россия), руб.	От 23 000 (market.yandex.ru)	От 35 910 (market.yandex.ru)	От 38 650 (market.yandex.ru)	НД

Переход на «тонкую» норму 7 нм позволил радикально увеличить тактовые частоты: рабочий диапазон Vega 20 на плате Radeon VII составляет 1400–1800 МГц. Любопытно, что именно последнее число фигурирует в официальных материалах, когда идет речь о верхней частоте, доступной видеокарте, в то время как ускорители Vega первого поколения чаще характеризуются термином Boost Clock (максимальной частотой при типичной вычислительной нагрузке), а ведь новая «Вега» потяжелела на 0,7 млрд транзисторов. Похоже, AMD как никогда уверена в достоинствах нового техпроцесса.

Впрочем, если отвлечься от абсолютных показателей и сравнить Radeon VII с Vega 64 в процентном выражении, то AMD сумела разогнать GPU лишь на 10 % по максимальной частоте, а межпоколенческая разница в пропускной способности шейдерных операций стандартной точности (FP32) и скорости наложения текстур составляет 12 и 7 % соответственно — не так уж много даже с поправкой на четыре пропавших Compute Unit’а. Но конечно, в последние годы стало как никогда очевидно, что титульный «нанометраж» (длина затвора транзистора) — далеко не полная характеристика фотолитографического процесса. Поэтому мы не можем с уверенностью рассуждать о том, как сильно кремний, выпущенный по норме 7 нм на фабриках TSMC, должен отличаться в теории от 14-нанометровых чипов Vega 10 производства GlobalFoundries.

Как бы то ни было, AMD утверждает, что быстродействие Radeon VII на 25 % выше, чем у Vega 64 при равной потребляемой мощности, а средний прирост FPS в играх составляет от 20 до 42 %. Так это в действительности или нет, мы узнаем из тестов, но известно, откуда берутся такие числа: благодаря четырем каналам памяти HBM2 чип Vega 20 располагает пропускной способностью шины памяти более чем в два раза выше по сравнению с Vega 10. А наибольших значений разрыв между новинкой и Radeon RX Vega 64 достигает в том случае, когда приложение может освоить больше 8 Гбайт VRAM. Впрочем, для Radeon VII 16 Гбайт памяти — это по большей части запас на будущее, ведь пока лишь немногие игры и только в режиме 4К с агрессивными настройками качества графики выходят за рамки 8 Гбайт. Другое дело — рабочие приложения для 3D-рендеринга, видеомонтажа и подобных ресурсоемких задачи, в которых архитектура Vega уже отлично себя проявила, но подчас была ограничена объемом локальной памяти.

Коль скоро зашла речь о вычислениях общего назначения, стоит заметить, что Radeon VII обладает уникальной для своей цены возможностью исполнять операции двойной точности (FP64) на скорости 1/4 от пропускной способности в FP32. Как было сказано выше, у самого чипа Vega 20 эта характеристика равна 1/2 от FP32. Потребительскую версию кремния AMD решила искусственно ограничить, но даже в таком виде Radeon VII не знает себе равных по соотношению цена/быстродействие в расчетах двойной точности. В то же время для того, чтобы оставить между Radeon VII и ускорителями семейства Radeon Instinct подобающую дистанцию, новинку избавили от ряда других регалий серверного продукта: в частности, здесь нет разъема шины Infinify Fabric для объединения нескольких GPU в кластер и поддержки PCI Express четвертого поколения — отсутствие последней немало обескураживает в свете того, что грядущая платформа Zen 2 воспользуется ею в полной мере.

Radeon VII поступил в продажу по рекомендованной стоимости $699. Цена однозначно указывает на видеокарту конкурирующей фирмы, с которой новинке предстоит бороться в бенчмарках — GeForce RTX 2080. AMD заверяет, что по игровому быстродействию эти устройства эквивалентны. Так это или нет, мы узнаем уже сегодня. А вот есть ли у AMD возможность удовлетворить спрос на Radeon VII со стороны изголодавшихся поклонников, по прежнему вопрос открытый. Цена в без малого $700 — это рекорд для однопроцессорных ускорителей Radeon. Однако согласно неофициальным, но вполне убедительным расчетам производство одного экземпляра Radeon VII (с учетом выхода годных чипов по норме 7 нм и текущих расценок на память HBM2) обходится компании в $650, и на первых порах видеокарта будет в жестком дефиците.

⇡#Конструкция

Референсные ускорители на «красных» чипах, предназначенные для массового производства, никогда не отличались изысканным дизайном. Инженеров AMD (а точнее, SAPPHIRE, ведь именно эта компания всегда выпускает для AMD эталонные образцы) нельзя упрекнуть в пренебрежении качеством, но, как правило, об эстетике продукта они думают в последнюю очередь — даже если речь идет о таких недешевых и в каком-то смысле статусных вещах, как высокопроизводительные графические карты. Исключением были только отдельные модификации Radeon RX Vega (ограниченные серии Frontier Edition, Limited Edition и Vega 64 Liquid Cooled), высокая цена которых оправдывает для производителя затраты на дизайн и дорогие материалы. Однако Radeon VII тоже не предназначен для массового рынка, для AMD это в первую очередь сигнал о готовности бороться за рынок видеокарт высшего эшелона. А значит, устройство должно произвести благоприятное впечатление при знакомстве.

В облике Radeon VII слышен тот же «язык дизайна», но котором говорят «премиальные» версии Radeon RX Vega. Оболочка видеокарты целиком выполнена из анодированного алюминия, а из пластиковых элементов остался только логотип Radeon и кубик с буквой R в углу корпуса — и то, и другое светится красным цветом, когда устройство получает питание. Примечательно, что даже на вентиляторах охлаждения есть алюминиевые крышки.

Но, конечно, главное отличие Radeon VII от прошлых референсных карт на крупных чипах архитектуры GCN, это система охлаждения открытого типа. У SAPPHIRE получаются добротные кулеры с радиальным вентилятором — даже Vega 64 со штатным энергопотреблением в районе 295 Вт обслуживается подобной СО. Слабое место «турбинки» — это уровень шума, и коль скоро Radeon VII перешагнул отметку в 300 Вт, AMD пришлось создать для референсной версии более эффективную конструкцию.

Длина печатной платы и корпуса Radeon VII — по этим параметрам новинка не отличается от Vega 64 — позволили разместить над радиатором три крыльчатки диаметром 75 мм. По сравнению с большинством вентиляторов, которые применяют партнеры AMD и NVIDIA в устройствах оригинального дизайна, SAPPHIRE выбрала необычайно мощную модель, которая может развивать скорость выше 3000 об/мин — забегая вперед, признаем, что новинке это очень подходит, но про температурный режим чипа Vega 20 мы поговорим несколько позже.

По сравнению с референсными версиями Vega 64 новый флагман AMD вырос в ширину: теперь корпус выступает за границы панели с видеовыходами. В первую очередь это связано с увеличенной площадью печатной платы, и в то же время под фронтальной панелью кожуха появилось больше места для радиатора GPU. Система охлаждения Radeon VII устроена добротно, но разочаровывающе просто: графический процессор и микросхемы памяти HBM2 накрыты испарительной камерой, а распределять тепло по радиаторным ребрам помогают пять сплющенных тепловых трубок шириной 10 мм. AMD обошлась без таких изысков, как испарительная камера на всю площадь печатной платы, а компоненты регулятора напряжения охлаждаются за счет плоской металлической рамы. Последняя деталь отделена от основного радиатора: между нею и нижней поверхностью тепловых трубок есть контакт, но он едва ли способствует передаче тепла, т.к. в промежутке нет термопрокладок.

В целом можно констатировать, что кулер новой конструкции вполне достоин охлаждать столь мощный и горячий GPU, как Vega 20, но вряд ли проявит в тестах экстраординарную эффективность. Как ни крути, для 300 Вт мощности у Radeon VII довольно-таки небольшой радиатор, а направление ребер радиатора и закрытая форма кожуха позволяют выпускать воздух только перпендикулярно материнской плате.

Однако эти недостатки в какой-то степени компенсирует необычный термоинтерфес между радиатором и кристаллом GPU. Вместо термопасты основание испарительной камеры покрыто особенным плотным составом. Со слов AMD известно, что это термопрокладка Hitachi TC-HM03 на основе графитовых волокон. Но с обычными термопрокладками, которые в Radeon VII наклеены на полевые транзисторы VRM, она имеет мало общего. Паспортная теплопроводность Hitachi TC-HM03 (25-45 Вт/м·К) существенно выше, чем у качественных минеральных термопаст (12,5 Вт/м·К). Единственный минус этого решения в том, что прокладку нельзя использовать повторно после снятия радиатора — материал обязательно порвется и не факт, что его можно заменить на обычную термопасту. Дело в том, что зазор между подошвой испарительной камеры и поверхностью GPU рассчитан на толщину прокладки — после того, как пользователь удалит с чипа ошметки Hitachi TC-HM03, придется нанести термопасту избыточно толстым слоем, и никто не гарантирует равномерность прижима радиатора. В теории, можно усилить давление за счет винтов на обратной стороне PCB, но они, кажется, уже и так закручены до основания.

Среди первых обладателей Radeon VII обязательно найдутся смельчаки, которые демонтируют систему охлаждения, и тогда станет известно, допускает ли новинка безопасную смену термоинтерфейса. Но мы решили поберечь дорогое и потенциально дефицитное устройство, оставив радиатор на месте.

⇡#Печатная плата

Поскольку мы не стали разбирать тестовый экземпляр Radeon VII из-за опасений нарушить работу системы охлаждения или расколоть GPU в результате замены термоинтерфейса, а AMD не предоставила фотографий внутреннего устройства видеокарты, в этом вопросе пришлось прибегнуть к сторонним источникам. Однако PCB различных образцов Radeon VII вряд ли отличаются в пределах одной партии, а единственное фото фронтальной поверхности несет почти всю интересную нам информацию.

Благодаря тому, что стеки оперативной памяти HBM2 расположены на общей кремниевой подложке с графическим процессором (в отличие от первых образцов Radeon RX Vega 64, промежутки между чипами уже залиты эпоксидным компаундом), значительная часть текстолита в Radeon VII пустует, но сразу видно, с какой целью печатную плату сделали шире по сравнению с референсными образцами Radeon RX Vega. Дополнительная площадь понадобилась для того, чтобы разместить компоненты усиленной системы питания. Здесь есть посадочные площадки для дросселей, конденсаторов и MOSFET’ов восемнадцати отдельных фаз — AMD отказалась от сдвоенных драйверов полевых транзисторов. Кроме того, текстолит Radeon VII необычно толстый — пожалуй толще, чем у любой другой видеокарты, с которой мы имели дело. А поскольку дорожки на плате для связи с оперативной памятью чипу Vega 20 не нужны, причина наверняка в регуляторе напряжения.