Architecture

Après nous avoir présenté sa nouvelle architecture avec le NV40 au printemps dernier, nVidia fidèle à la tradition instaurée il y a quelques années nous offre avec le NV43 un dérivé milieu de gamme afin de toucher un plus large public. L’enjeu est ici bien différent de celui du NV40 car si le haut de gamme consiste avant tout en une question de prestige, c’est sur le milieu et le bas de gamme que la firme réalise le plus gros de ses profits. Pas question donc de faire des choix technologiques extrêmes au détriment de la réalité économique comme il semble que cela a été le cas lors de la conception des GeForce 6800 dont l’objectif était de regagner la couronne des performances à n’importe quel prix.

Mais cela ne signifie pas pour autant que le NV43 soit inintéressant, ou que nVidia ait commis les mêmes erreurs que par le passé. Contrairement à la GeForce 4MX qui offrait des performances acceptables mais les fonctionnalités d’une GeForce 2, ou à la GeForce FX5600 qui offrait toutes les fonctionnalités de la 5800 mais une puissance brute insuffisante pour les exploiter, la GeForce 6600 se présente comme une alternative intéressante pour les joueurs ne souhaitant pas se ruiner dans une carte graphique haut de gamme. nVidia a-t-il trouvé la formule magique permettant de combiner performances et fonctionnalités ? C’est ce que nous allons voir.

Dans cette partie nous n’allons pas détailler de nouveau toute l’architecture de la famille NV4x. Au lieu de cela nous allons nous attarder sur les spécificités du NV43 avant de revenir plus précisément sur des technologies déjà présentes dans le NV40 comme le Geometry Instancing ou l’Ultra Shadow mais qui méritent que l’on s’y attarde plus attentivement afin de savoir ce qui se cache derrière ces termes marketing.

La gamme GeForce 6

Avant l’arrivée du NV43, la gamme GeForce 6 était constituée de 4 modèles différents :

Contrairement à ce que laisse penser ce tableau, il faut bien garder à l’esprit que toute cette famille reste basée sur une seule puce : le NV40. C’est flagrant pour les 6800 Ultra et GT mais c’est également le cas pour les 6800 et 6800LE qui sont aussi des NV40 auxquels certaines unités sont désactivées.

Cette façon de créer toute une gamme de cartes autour d’une seule puce n’est pas nouvelle : ATI avait procédé de la même manière avec son R300. L’intérêt de cette stratégie est d’occuper rapidement le marché avec une nouvelle architecture, mais aussi de limiter les pertes engendrées par les puces défectueuses. Mais elle présente également des limitations qui la condamnent à rester une solution temporaire.

Les cartes étant basées sur des NV40, pour nVidia les coûts sont les mêmes pour toute la gamme ce qui lui interdit de baisser le prix de ses puces autant qu’il le souhaiterait. De plus la production est insuffisante pour alimenter le marché milieu de gamme, le marché haut de gamme ayant la priorité et celui-ci n’est déjà pas assez fourni.

C’est pour l’ensemble de ces raisons que nVidia ne pouvait se contenter de la 6800 (la version LE étant réservée aux OEM pour l’instant) pour occuper le marché milieu de gamme. Entre en jeu le NV43 utilisé dans les GeForce 6600GT et GeForce 6600.

Une nouvelle puce, un nouvel équilibre

Cette fois il s’agit bien d’une nouvelle puce et cela se traduit dans le nombre de transistors utilisés : 143 millions contre 222 pour le NV40. Le NV43 ressemble à première vue à un demi NV40 : outre le nombre d’unités de vertex shaders réduit à 3, et le nombre de pixel pipelines qui passe à 8, le bus se retrouve réduit à 128 bits. En pratique toutefois nVidia a mis à profit l’expérience acquise avec le NV40 pour affiner légèrement son architecture et augmenter son efficacité. Ainsi selon les situations les pipes du NV43 seraient de 2 à 10 % plus efficaces que ceux du NV40 à fréquence égale.

Il faut également noter que, dans le but de réduire encore plus les coûts, le NV43 sera le premier GPU de chez nVidia à utiliser le processus de gravure 0.11µ de chez TSMC afin d’augmenter le nombre de puces par wafers (galettes de silicium).

Techniquement, si vous avez lu avec attention jusqu’ici et que vous suivez l’actualité des cartes 3D, quelque chose doit vous choquer. En effet si l’on compare l’ancien haut de gamme de nVidia (la GeForce FX 5950) à la toute nouvelle 6600 GT, on constate que le fillrate est prés de deux fois supérieur pour le nouveau venu (4Gpixels/s pour le NV43, 1.9GPixels/s pour le NV38) alors que sa bande passante elle est presque… deux fois inférieure ! (16 Go/s pour le NV43, 30.4 Go/s pour le NV38). Et ce genre de déséquilibre est en général bien mauvais signe pour les performances. Qui a oublié la GeForce 2 GTS dont le core avait augmenté de 80% comparé à la GeForce DDR alors que sa bande passante n’avait elle progressée dans le même temps que de 10% ?

Oui mais voilà, depuis les choses ont bien changées et le rendu s’est très nettement complexifié avec notamment l’apparition des shaders. Si dans un premier temps leur utilisation restait relativement limitée à certains effets bien spécifique, force est de constater qu’aujourd’hui les jeux commencent à utiliser des shaders de plus en plus complexes, demandant un nombre d’instructions toujours plus élevé. Far Cry et plus récemment Doom 3 ont ouvert la voie mais ce n’est qu’un début. Les shaders utilisés aujourd’hui restent encore relativement simples, mais déjà l’Unreal Engine 3 laisse présager des exigences des futurs moteurs 3D en terme de puissance de shading.

Vous vous demandez sans doute le rapport avec le problème qui nous préoccupe actuellement concernant la bande passante de la GeForce 6600 GT ? C’est simple : le temps où les jeux se contentaient d’appliquer deux textures par pixel et de les écrire dans le frame buffer est révolu, désormais les pixels doivent effectuer plusieurs passages dans le pipeline. Avec des shaders compris entre 50 et 100 instructions pour la prochaine génération de moteurs 3D il est clair que le goulet d’étranglement ne se situera plus au niveau du fillrate brut et de la bande passante mais bien au niveau de la puissance de shading.

Par ailleurs la flexibilité acquise à la génération précédente, et la puissance de traitement des nouvelles puces permet de réaliser des économies de bande passante : il est désormais possible de se passer de textures de pré calcul ou des fameux cube maps de normalisation hérités de l’époque du pipeline fixe. Aujourd’hui les programmeurs peuvent réaliser ces opérations avec de véritables calculs arithmétiques, sans gaspiller de la bande passante pour faire transiter ces textures.

Le choix de nVidia de doter sa puce de 8 pixel pipelines et d’augmenter dans le même temps la puissance de traitement de ses pipelines se comprend donc bien mieux, mais cette réflexion en amène une autre: puisque les pixels doivent effectuer plusieurs passages dans le pipeline, ce qui nécessitera invariablement plusieurs cycles, cela implique donc que dans la plupart des cas il n’y aura pas 8 pixels à écrire dans le frame buffer à chaque cycle. Dans ce cas là, pourquoi gâcher des transistors qui de toute façon resteront inutilisés la plupart du temps ? Nous touchons là à une des particularités du NV43 et pour bien la comprendre il est nécessaire de faire un petit rappel technique.

Il faut tout d’abord cesser de considérer le pixel pipeline comme un ensemble indivisible dans lequel les pixels arriveraient par un bout du setup engine, et ressortirait par un autre bout dans le frame buffer. En pratique derrière tout ça il y a deux unités bien distinctes. Pour être tout à fait exact dans la terminologie employée nous allons faire une distinction qui, si elle est utilisée par l’API OpenGL, n’est pas prise en compte par Direct3D. Techniquement il n’est correct de parler de pixels qu’au niveau du frame buffer, toutes les opérations qui sont effectuées auparavant le sont sur des fragments. Cette précision effectuée, reprenons notre chemin le long du pipeline graphique. Une fois les fragments générés (par quad) par le setup engine, ils passent par les unités de fragment shading et cette opération peut être répétée le nombre de fois nécessaire pour appliquer toutes les opérations du shader.

Après cette étape les fragments ne deviennent pas encore des pixels, ils doivent avant cela passer par une dernière unité : le ROP (Raster Operation Unit). Le rôle de cette unité est multiple : c’est en particulier à ce niveau qu’est effectué le FSAA ainsi que le test de profondeur qui détermine si le fragment est visible ou pas. Mais c’est aussi dans cette unité qu’à lieu le blending qui permet de mélanger la valeur d’un fragment avec celle contenue dans le frame buffer. Enfin c’est ici que se situe la fameuse astuce permettant de doubler le fillrate lorsque les écritures dans le frame buffer sont désactivées. En effet comme vous pouvez le constater sur le schéma ci-dessous, on trouve dans cette unité un ZROP qui réalise l’écriture des valeurs Z dans le ZBuffer mais aussi un CROP (C pour Color) qui se charge de l’écriture du pixel dans le frame buffer. nVidia a cependant doté ce CROP d’une capacité intéressante puisque dans le cas où il n’y a pas d’écriture dans le frame buffer il peut également fonctionner comme un second ZROP.

Maintenant que vous savez ce qu’est un ROP il est inutile de faire durer le suspense plus longtemps : le NV43 ne dispose que de 4 ROP ! 8 pixel pipelines ? 4 ROP ? Les ingénieurs de chez nVidia ont-ils consommés les substances hallucinogènes promises par leur CEO à leur concurrent canadien ? A priori non, et si vous avez bien suivi la partie qui précédait cela doit même vous sembler logique. Puisque dans la majeure partie des cas les unités de shading ne seront pas en mesure de fournir 8 fragments aux ROP et que même si c’était le cas ces derniers n’auraient pas la bande passante nécessaire pour les écrire dans le frame buffer, les ingénieurs ont donc décidé d’opter pour ce compromis.

Pour les jeux utilisant intensivement les shaders ça ne change donc pas grand-chose vu que le goulet d’étranglement ne se situera pas au niveau des ROP, mais que se passe-t-il dans le cas d’un rendu très simple ? Pour répondre à cette question il faut d’abord se poser une autre question : dans quelles conditions effectue-t-on un « rendu très simple » ? Dans une phase d’initialisation du ZBuffer par exemple, pour éviter de faire des calculs redondants sur des fragments qui ne seront pas affichés en utilisant au mieux le hardware d’élimination des parties cachés tôt dans le pipeline. Dans ce cas pas de problème : ce type de rendu peut s’effectuer à 8 valeurs par cycle grâce à l’astuce des ROP. Même principe pour le rendu des volumes d’ombre ou le rendu dans un shadow buffer. Que reste-t-il ? Et bien typiquement tous les anciens jeux. Et dans ce genre de situations inutile de tergiverser : effectivement les ROP constitueront le principal goulet d’étranglement du NV43. Mais soyons sérieux : vu la puissance dont disposent les puces actuels ce sacrifice n’est pas vraiment dérangeant.

D’autant que dans ce type de situations la configurations particulière du NV43 autorise une astuce intéressante : puisqu’il est inutile de fournir 8 fragments par cycle aux ROP qui seront vite saturés, autant faire deux passages dans le pipeline et donc fournir 8 fragments dual texturés tous les deux cycles. Le ROP est ainsi capable de retirer 4 fragments dual texturés à chaque cycle, ce qui signifie en clair que dans ce cas précis le NV43 se comporte comme une puce… 4x2 !

Alors évidemment, on peut regretter qu’il n’y ait pas 8 ROP, et on peut aussi regretter que le bus ne fasse pas 256 bits mais il faut quand même comprendre que les ingénieurs doivent composer avec un nombre de transistors limités (même si l’on dépasse allègrement les 100 millions dans le cas du NV43). C’est plus particulièrement vrai sur ce segment du marché et par conséquent ils ne peuvent pas se permettre de les gâcher pour accélérer des situations où le gain de vitesse aurait un intérêt des plus limités. Comment auriez vous réagi si l’on vous avait présenté des benchs sous Quake III par exemple ?

Le NV43 s’inscrit donc dans une vision à plus long terme impliquant un rééquilibrage total des ressources qui passent du ratio fillrate/bande passante, à la puissance de shading. Même s’il est plus que probable que vous ne jouiez pas aux jeux issus de l’Unreal Engine 3 sur une 6600GT, on ne peut pas reprocher à nVidia de poser dés aujourd’hui les bases de l’évolution de ses chips 3D.