[Edito] Supériorité de l'architecture DX9 ATI : une nouvelle hypothèse

Il aura suffit d’un bench pour remettre le feu aux poudres dans une rentrée plutôt calme du côté des cartes 3D. Oui mais voilà il ne s’agit pas de n’importe quel bench : c’est celui de Half Life 2 le jeu qu’une foule de joueurs attend impatiemment. Et les résultats sont sans appels : la dernière génération de cartes ATi est nettement au dessus de celle de nVidia. Pire : la carte de milieu de gamme de la firme Canadienne se paie le luxe de surpasser le haut de gamme de son concurrent, lequel doit compter sur un code spécifique pour obtenir des performances honorables.

Si l’on pressentait cette situation depuis quelques temps, cette fois les choses sont claires et sans appel. Il était toujours possible de critiquer la validité d’un test théorique, on pouvait toujours douter de jeux proposant des effets DirectX 9 ajoutés à la va vite. Mais on parle ici de Valve, des développeurs réputés dont personne de censé n’irait remettre en question les compétences ou l’impartialité. Comment en est on arrivé à cette situation ? Ce mini article présente une hypothèse sur les différentes architectures de nVIDIA et d’ATI pouvant expliquer ces résultats.

Revenons un an et demi en arrière : nVIDIA vient de présenter son dernier chip graphique le NV25 (GeForce 4 Ti) et sa toute nouvelle gamme de cartes graphiques incorporant ce GPU, détrônant pour ainsi dire son propre produit comme carte de référence pour les joueurs. Oh, ATi a bien tenté de venir jouer les troubles fêtes avec ses Radeon 8500 basées sur le R200, mais nVIDIA vient de balayer cette maigre concurrence grâce aux performances de ses nouvelles cartes graphiques. A ce moment on se demande bien ce qui pourra venir perturber la belle mécanique de la firme Californienne. Il faut en effet reconnaître que depuis le TnT nVIDIA a enchaîné les succès et étouffé petit à petit tous ses concurrents, en offrant la combinaison des performances et des fonctionnalités.

C’est durant l’été 2002 qu’est présenté le nouveau GPU d’ATI : le R300. Celui-ci reçoit un excellent accueil sans pour autant provoquer un enthousiasme débordant. Il faut dire que des processeurs graphiques annoncés comme des « GeForce killer », il y en a eu d’autres et le dernier en date, le Parhelia de Matrox, n’aura même pas pu fait illusion lors des tests. Et puis l’on se souvient aussi du R200 de ce même ATI, présenté à peu de choses près un an auparavant, et qui aura connu des débuts pour le moins difficiles. Le chip était bon, là-dessus tout le monde s’accorde, mais entre retards et problème de drivers à sa sortie sa carrière aura été un peu entachée. Ceci l’empêchant de concurrencer les GF3 comme il aurait du pouvoir le faire. Alors tout le monde reste méfiant sur cette soit disant nouvelle bombe d’ATI, et puis les premières rumeurs du NV30 commencent à circuler…

Finalement le R300 sortira non seulement en temps et en heure, mais en plus il tiendra toutes ses promesses au niveau des performances, reprenant la couronne des performances à nVIDIA de façon incontestable ce qui n’était plus arrivé depuis très longtemps. De son côté le NV30 connaît problème sur problème, entre les retards, les ennuis avec le 0.13µ qui s’avère moins fiable que prévu, les choix technologiques douteux (le bus 128 bits, la DDR2…) il ne connaîtra jamais de véritable carrière commerciale.

Comment nVIDIA que tout le monde croyait intouchable a pu en arriver là ? Et d’un autre côté comment les choses ont-elles pu si bien se passer pour ATi qui jusqu’ici traînait en permanence un retard de plusieurs mois sur son concurrent ? Tout le monde a sa petite idée sur la question : pour certains nVIDIA a pris la grosse tête et a tout simplement cherché à imposer sa vision, persuadé d’être une fois de plus seul sur le marché. Pour d’autres nVIDIA n’a pas su faire évoluer son architecture GeForce pour la mettre a niveau et n’a été capable que d’offrir un chip DirectX 8 avec quelques fonctions de Direct X 9. On peut aussi aller chercher des explications du côté du XGPU, le processeur graphique de la XBox qui aurait mobilisé des ressources importantes. Ces hypothèses sont peut être exactes, il est impossible de savoir ce qui s’est vraiment passé mais je vais vous en présenter une autre qui mérite aussi d’être examinée.

Voici un diagramme provenant d’ATI sur les différentes versions des Pixels Shaders :

L’idée était de montrer que les PS1.4 était déjà un grand pas en direction des PS2.0. Sur le moment tout le monde avait pris ça comme un joli discours marketing et personne n’y avait prêté une grande attention. Mais aujourd’hui que les chips DirectX 9 sont sur le marché cela mérite de s’y intéresser de plus près car c’est peut être ici que se dessine l’explication de la facilité avec laquelle ATi a pu implémenter les PS2.0 dans sa nouvelle architecture. Voici le schéma décrivant la structure d’un PS1.4 comparée à celle d’un PS2.0 :

Le nombre d’instructions de texture ou arithmétiques a augmenté mais fondamentalement la structure conserve tout de même un certain air de famille et c’est justement là où je souhaite en venir : pour parvenir à offrir un chip DirectX 9, tout ce qu’ATI avait à faire c’était justement de remanier une architecture d’ores et déjà prête. Il suffisait d’étendre certaines limites hardware et de remplacer le format FX16 par du FP24 tout au long du pipeline. Alors évidemment, mon discours est très simplifié et ce n’est pas une mince affaire mais disons qu’ATI peut s’appuyer sur une technologie existante. A l’inverse nVIDIA ne le pouvait pas, les PS1.1-1.3 ne sont que des extensions des Registers Combiners apparus avec le NV10 et présentent des limitations évidentes qui ne leur permettent pas d’être étendus pour s’adapter à la structure des PS2.0. Le manque de flexibilité dans leur structure (toutes les instructions de texture en début de shader, une implémentation très limitée des lectures de texture dépendant) condamne nVIDIA à repenser entièrement son modèle.

Et le résultat c’est le NV30, et d’un point de vue purement théorique son architecture est clairement une réussite. La structure des Pixels Shaders n’est plus figée, il est désormais possible d’exécuter 1024 instructions différentes qui peuvent être aussi bien des opérations de texture que des opérations arithmétiques. Ce n’est pas le seul avantage de l’architecture CineFX qui offre également un support natif pour des fonctions mathématiques comme COS ou SIN ou de dérivées partielles comme DDX et DDY.
Mais, car il y a un mais, si nVIDIA a mis l’accent sur la flexibilité il y a un point sur lequel cette architecture est très clairement en dessous du R300 c’est la puissance de calcul flottant. nVIDIA a sans doute pensé que ce ne serait pas nécessaire pour cette génération, ou tout du moins que ce ne serait utilisé que modérément. On peut dire aujourd’hui qu’ils ont clairement eu tort et au final il s’avère que c’est le point le plus important pour évaluer les performances d’une architecture et là ils ne peuvent pas lutter face à ATI.

Maintenant examinons la situation : lorsque DirectX 8 apparaît, nVIDIA présente son premier GPU compatible en étendant les fonctionnalités de son architecture DirectX 7 alors qu’ATI doit concevoir une toute nouvelle architecture. Il en résulte que les choix d’ATI sont clairement supérieurs en terme de flexibilité mais au final ce ne sera pas déterminant dans la guerre qui l’oppose à nVIDIA tout le monde se limitant aux spécifications de base.

En contrepartie lorsque DirectX 9 apparaît, ATi est en meilleure position, ses choix supérieurs lui permettent de s’adapter très rapidement. nVIDIA de son côté doit repenser son architecture qui au final s’avère de manière incontestable plus flexible… mais aussi beaucoup plus lente pour les opérations sur lesquelles les API mettront finalement l’accent ! Alors peut on en déduire que l’histoire va se répéter ? nVIDIA qui a déjà repensé son architecture sera-t-il en meilleure position pour s’adapter aux PS3.0 ? ATi fera-t-il aussi bien à la prochaine génération ? Difficile à dire mais la question mérite d’être posée. nVIDIA n’a plus le droit à l’erreur et ils le savent. Leur architecture n’est pas mauvaise, mais elle n’est clairement pas adaptée aux API actuelles du fait de ses performances flottantes très faibles. Cela dit, du fait de sa flexibilité, améliorer ceci ne devrait pas être très complexe pour le NV40, c’est juste une question de puissance brute alors qu’avec le NV30 il fallait repenser toute l’architecture.

Entendons nous bien : je ne cherche pas à minimiser les défauts de la génération actuelle de GPU nVIDIA et actuellement je ne saurais que trop conseiller de se tourner vers ATI. Je ne cherche pas non plus à dire « vous verrez avec le NV40 » car je ne sais pas ce que ce GPU nous réserve. Tout ce que je souhaite par l’intermédiaire de ce mini article c’est introduire une nouvelle piste pour expliquer les raisons de la débâcle actuelle des GPU nVIDIA dans les applications DirectX 9. Je n’ai pas la prétention de dire que cette hypothèse est correcte, je pense juste qu’elle a le mérite d’être cohérente. J’aimerais aussi montrer combien le succès d’un GPU tient finalement à peu de choses, car soyons honnêtes : malgré les discussions enflammées dont ils sont l’objet, l’utilisateur n’a finalement que peu d’idées sur la véritable utilité des flottants dans les Pixels Shaders. Tout ce qui lui importe avant tout c’est que sa carte 3D fasse fonctionner les derniers jeux le mieux possible, et si Gabe Newell avait annoncé qu’il avait besoin de la flexibilité offerte par le NV3x pour HL2 nous serions sans doute en train d’aduler nVIDIA pour leurs choix judicieux. Mais malheureusement pour nVIDIA et heureusement pour ATi c’est la performance flottante qui aura été déterminante pour cette génération. En attendant la prochaine bataille…

Glossaire

* Lecture de texture dépendante : Ce terme revient à plusieurs reprises dans cet article et il est donc important de bien comprendre à quoi il fait référence. Lors de l’adressage d’une texture on passe des coordonnées à une unité appelée Texture Sampler (ou Texture Look up unit) et celle ci renvoie la valeur du texel à cette adresse en fonction de plusieurs paramètres comme le filtrage, etc. Pour certains effets il est nécessaire de pouvoir modifier la valeur de ces coordonnées de texture avant de les passer au sampler. C’est de là que vient le terme « dépendante » : la prochaine lecture de texture dépendra du résultat d’un calcul précédent. Quand je dis que l’implémentation est limitée dans le cas des PS1.1-1.3 c’est tout simplement que seules certaines instructions de texture bien spécifiques peuvent modifier les coordonnées placées en entrée selon un comportement bien défini. A l’inverse les PS1.4 sont plus flexibles à ce niveau, car grâce aux deux phases il est possible d’effectuer un calcul classique utilisant les coordonnées de texture lors de la première phase (dans la limite des 8 instructions arithmétiques disponibles) et ensuite venir se servir du résultat de ce calcul pour adresser la texture. Le programmeur n’est donc plus limité à quelques modes d’adressage particuliers « câblés ».

Auteur : Fedy ABI-CHAHLA