Grafické paměti - honba za propustností

24. 3. 2010 07:00    Rubrika: Technologie    Autor: Bořek Kuzník

Grafické technologie, obzvláště v herním sektoru, se s požadavky na rostoucí výkon stále vyvíjejí - to má za následek stále lepší a výkonnější procesory a grafické čipy. Ovšem celkový výkon nestojí jen na těchto komponentech, důležitá je i rychlá paměť pro grafická data, jelikož bez pořádné propustnosti nám i ten nejmodernější čip nebude mít co počítat. Pojďme si ji přiblížit více.

Grafická karta bývá nejostřeji sledovanou komponentou notebooku především u hráčů 3D her – vždyť především na jejím výkonu záleží, jak plynulý a propracovaný bude (či nebude) výsledný obraz dané trojrozměrné aplikace. A z čeho se takováto karta skládá? Zjednodušeně řečeno obsahuje grafický čip (GPU), jenž se stará o výpočet scény, dále pak paměť, ve které se ukládají veškerá data pro výpočet a nakonec ještě převodník digitálně-analogového signálu. Toto celé je připájeno na PCB a s počítačem komunikuje prostřednictvím sběrnice PCI Express. Tak je tomu u dedikovaných grafických karet, o kterých bude náš článek pojednávat

Zatímco všemožné rozdíly jednotlivých GPU jsou často velmi přísně sledované a diskutované (po právu, protože GPU má na celkovém 3D výkonu největší podíl), na videopaměť se často zapomíná – to se dnes pokusíme změnit.

U grafických karet se používá principiálně stejný typ paměti jako u paměti operační. V dnešní době nemá již cenu uvádět paměti typu SIMM, jelikož jsou několik let zastaralé a dnes již uvažujeme pouze paměti typu DIMM, což jsou, zjednodušeně řešeno, dva moduly SIMM integrované na jedné desce.

Můžeme si je rozdělit stejně jako paměti operační:

"SDR"

První hojně používaná paměť typu SDRAM, po příchodu DDR SDRAM se začala označovat jak SDR. To značí, že je schopna přenést bit pouze jednou v taktovacím impulsu. Je to starý typ, který se dnes již dlouhou dobu nepoužívá. Vyráběla se s frekvencí od 66 MHz do 133 MHz. Provozní napětí bylo od 3,3 V do 5 V.

DDR

Novější typ paměti, na jehož principu staví další vývojové stupně, které používáme dodnes. Je také typu SDRAM, ale zkratku DDR lze přeložit jako double data rate, což znamená, že je schopna přenést bit na náběžné i konečné hraně taktovacího impulzu. Takže například reálný takt 133 MHz má efektivní datovou propustnost stejnou, jakou by měla 266MHz paměť typu SDR. DDR se již spokojí s napětím od 2,5 V do 2,6 V. Tyto paměti dosahují propustnosti 1,6 – 4,8 GB/s podle frekvence. Časování nabývá hodnoty od CL2 - CL4 podle kvality paměťových modulů (u paměti se nejčastěji udává mimo frekvence také časování CL, jenž udává zpoždění dat na výstupu paměti po jejich výběru, nebo zpoždění pro jejich zápis; čím nižší hodnota, tím lépe).

DDR2

Jedná se o evoluci předchozí verze. DDR2 přináší dvojnásobnou frekvenci sběrnice. Takže při základním taktu paměťových čipů 100 MHz je efektivní hodnota frekvence celé paměti 400 MHz. Tyto paměti pracují při napětí 1,8 V, ovšem nevýhoda těchto pamětí spočívá ve velkém časování – CL4 až CL7. Paměti dosahují propustnosti 3,2 GB/s až 9,6 GB/s.

DDR3

U této paměti opět platí, že vychází ze svého předchůdce a opět přidává 2 krát rychlejší sběrnici, takže u nejstandardnější paměti DDR3-800 je skutečný takt paměti opět pouze 100 MHz, ale I/O takt sběrnice je již 400 MHz. Takže ve výsledku paměť efektivně pracuje na frekvenci 800 MHz (400 MHz DDR). Tyto paměti jsou v současnosti nejpoužívanějším standardem a hrají prim v normálních počítačích jako paměti operační. Jsou schopny pracovat na efektivním taktu od 800 MHz až po 2,2 GHz a při tom dosahují propustnosti 6,4-17 GB/s. Navíc při provozu si vystačí s napětím 1,5 V.

Z výše vypsaných pamětí byly vytvořeny paměti speciálně pro grafické karty, které nesou označení GDDR. Oproti paměti DDR mají zvýšené takty a jsou uzpůsobeny pro spolupráci s GPU.

GDDR2

První z pamětí s přídavkem Graphic. Běžela na vyšších taktech pod napětím 2,5 V. Ve srovnání s DDR pamětí ovšem produkovala mnoho tepla. Proto se tato paměť neuchytila a prakticky se dostala pouze do modelů GeForce FX 5700 Ultra a GeForce FX 5800 Ultra. Ovšem i u těchto karet bylo ke konci výroby použito moderních GDDR3 kvůli snížení vyzařování tepla a spotřeby.

GDDR3

Tato paměť vychází z pamětí DDR2 a byla vyvinuta společností ATI Technologies ve spolupráci s JEDEC. Oproti DDR2 má nižší požadavky na spotřebu energie, což dovoluje vyšší takty při menším zahřívání. GDDR3 nijak nesouvisí s JEDEC specifikací DDR3. Oproti GDDR2 přináší navíc podporu odděleného čtení a zápisu, což přináší podstatné zrychlení. Dále je vybavena HW resetem, takže je schopná ihned uvolnit veškerou svou kapacitu, a samozřejmě vyšší taktovací frekvenci. Dnes se ovšem uvažuje nad skutečností, že tyto paměti dosahují podobné propustnosti jako DDR3, které jsou ale řádově levnější.

GDDR4

Tyto čipy vypustila společnost Samsung roku 2006. Oproti jeho předchůdci ovšem přináší mírné zvýšení taktů, bohužel za cenu vysokých latencí. Tato skutečnost tyto paměti odsoudilo do záhuby, jelikož dosahují podobných výsledků jako GDDR3.

GDDR5

Novinka mezi paměťmi v mobilních grafických kartách (v desktopech jí můžeme již delší dobu najít u Hi-End grafických karet). Vychází z DDR3 a přidává přenos 4 bitů v jednou taktovacím impulsu. Z tohoto vyplývá, že tato paměť dosahuje 2 krát vyšších efektivních taktů než DDR3. U GDDR5 dochází k dalšímu snížení napětí (1,35 V) při frekvencích až 7 GHz a propustnost narostla na 200 GB/s. Paměti GDDR5 s oblibou používá ATI.

*hodnoty pro 256bit sběrnici

Je jasné, že záleží i na velikosti samotné paměti. V dnešní době již toto není zdaleka tak omezující prvek a srovnání karet podle obsahu paměti je naprosto nevhodné. Je jednoduše možné, že grafická karta osazena kvalitními pamětmi o velikosti 256 MB porazí stejnou kartu, která bude mít paměť 1 GB, ale horší kvality. Za tento efekt může již výše vzpomínána paměťová propustnost (vyjadřuje, kolik dat je schopná paměť přenést k GPU za jednotku času). Z tohoto plyne, že pokud bude mít karta paměti s nízkou propustností, tak jí žádné množství nezachrání, jelikož paměť zůstane nevyužitá a karta tímto ztratí výkon. Samozřejmě předpokládáme výkonné karty, které jsou schopny využívat vysoké kapacity paměti a propustnosti – jsou s to vykreslovat 3D scénu ve vysokém rozlišení, s vysokou kvalitou textur a pod.

Na propustnost paměti mají vliv dvě veličiny. V prvním případě se jedná o taktovací frekvenci (jak již jistě vyplynulo), ale nesmíme zapomenout ani na stejně důležitou šířku paměťové sběrnice. Takže situace se komplikuje, jelikož i dobrá paměť může být přiškrcena úzkou sběrnicí, což je případ většiny lowendových modelů grafických karet.

V dnešních dnech jsou tak dva trendy jak dosáhnout optimální propustnosti paměti. Společnost ATI sází u svých aktuálních hi-endových modelů na rychlé paměti GDDR5 při standardní šířce sběrnice paměťové sběrnice (128bit), NVIDIA zase používá u svého mobilního hi-endu starší paměti GDDR3, ovšem při větší šířce sběrnice (256bit). Řešení společnosti ATI je efektivnější, jelikož široká datová sběrnice kartu zbytečně prodražuje. Počítá se s tím, že NVIDIA sáhne po pamětech GDDR5u nových karet označených FERMI, s těmi se ale v mobilním segmentu nejspíš ještě dlouho nesetkáme.

Příklad na závěr a porovnání výkonu dvou velmi podobných grafických karet: notebook Acer Aspire 8942G v testu 3D Mark 06 získal 7698 bodů. Tento notebook je vybaven procesorem Core i5 430M (2,26 GHz, 2 jádra) a hlavně grafickou kartou ATI Mobility Radeon HD5850 (800 shaderů na 625 MHz) s pamětmi GDDR3 připojenými 128bit sběrnicí. Jeho konkurent v podobě ASUS ROG G73J dosáhl 12 391 bodů, což je o cca 40% lepší výsledek. Pod jeho kapotou najdeme procesor Core i7 720QM (1,6 GHz, 4 jádra) a grafickou kartu ATI Mobility Radeon 5870 (800 shaderů na 700 MHz), která již využívá paměti GDDR5 (také 128bit). I když vezmeme v úvahu, že ASUS má v některých případech výkonnější procesor a nepatrně rychlejší GPU, na takto vysokém rozdílu má velký podíl i GDDR5.

Můžeme se tak jen těšit na více notebooků s těmito pamětmi.