Architettura delle GPU e Pipeline di Rendering

1. Architettura delle GPU e Pipeline di Rendering Prof. Roberto Pirrone

2. Sommario • Pipeline di rendering • Cenni storici sui controllori grafici • Implementazione della pipeline di rendering • Pipeline logica programmabile • Pipeline mappata sul processore • Architetture dei sistemi GPU • Cenni alla programmazione delle GPU

3. Pipeline di rendering

4. Cenni storici sui controllori grafici • Video and Graphics Array controller - VGA (<1990) • Controllore di una memoria DRAM chiamata framebuffere generatore di segnali (RAMDAC) collegato direttamente al video • Basato sul principio della grafica vettoriale • Implementa l’aritmetica intera indicizzata • 1990 – 1997 circa • Si aggiungono funzioni al controllore VGA • Gestione triangoli • Rasterizzazione triangoli • Shading

5. Cenni storici sui controllori grafici

6. Cenni storici sui controllori grafici • Anni 2000 • Chip integrato che incorpora praticamente tutti gli elementi di una pipeline di rendering • Nasce la Graphics Processing Unit (GPU) • > 2005 • GPU con implementazione dell’aritmetica in virgola fissa e mobile • GPU programmabili • API di alto livello (OpenGL, Direct3D) • shadersdelle geometrie, dei vertici e dei pixel

7. Cenni storici sui controllori grafici Variante: Architettura UMA (Unified Memory Architecture) CPU e GPU condividono la stessa DDR2 RAM

8. Architettura GPU Unificata di base • Adesso (>2008 circa) • Da luogo a differenti implementazioni tutte compatibili “verso l’alto” • I processori sono massicciamente paralleli e multithread • Streaming Processors (SP) a flusso continuo • Gli SP sono organizzati in Streaming Multiprocessors(SM) • La memoria è condivisa due livelli • Dentro lo SM tra gli SP • Tramite rete di interconnessione tra gli SM • Soluzione scalabile

9. Pipeline mappata su schiera di processori • Adesso (>2008 circa) • L’esecuzione degli shaders viene mappata sulla “schiera di processori unificati”

10. Architettura di una GPU unificata Arch. TESLA 112 SP 14 SM 1 SP  96 thread DRAM 64 bit NVIDIA GeForce 8800

11. Programmazione Grafica • Tre livelli • API grafiche • OpenGL • Direct3D • Linguaggi di shading • GLSL • HLSL • Cg • API di programmazione diretta dei core SP • CUDA • OpenCL

12. API grafiche • Sono API di alto livello che definiscono logicamente la pipeline di rendering • L’applicazione si sviluppa definendo i vari stadi con primitive di alto livello • I dettagli sono nascosti allo sviluppatore e gestiti dalle API

13. Linguaggi di shading • Gestiscono i tre tipi di shader • Shader dei vertici • Mappano la posizione dei vertici dei triangoli nello schermo, modificando posizione, colore e orientamento • Shader delle geometrie • Lavorano sulla base di primitive geometriche (ad es. interi triangoli) definite come insiemi di vertici; le modificano ovvero ne aggiungono di nuove • Shader dei pixel (o dei frammenti) • Dipingono il pixel sullo schermo e gestiscono gli artefatti visivi

14. Linguaggi di shading Gli shader sono programmati a “a flusso continuo” cioè su sequenze ininterrotte di dati; l’I/O è implicito Le strutture di dati su cui operano consentono un elevato parallelismo e quindi possono essere lanciati più thread dello stesso shader Hanno primitive per operazioni trigonometriche e su matrice, interpolazione, filtraggio …

15. Linguaggi di shading Shader Cg per environmentmapping

16. Programmazione dei core SP • Sono API per programmazione general purpose su GPU • GPGPU: General Purposecomputing on GPU • Il problema viene parallelizzato mappandolo sull’architettura • Il programmatore CUDA scrive una procedura detta kernel che istanzia tante esecuzioni di thread paralleli

17. Programmazione CUDA I thread sono organizzati gerarchicamente in blocchi1D, 2D o 3D i quali sono organizzati in griglie 1D, 2D o 3D Il mapping dipende dai core SP disponibili ed è scelto dal programmatore

18. Programmazione CUDA Calcola n valori in parallelo con nthread organizzati in blocchi da 256 thread ciascuno