KOMPIUTERIŲ ELEMENTAI ir ARCHITEKTŪRA

1. KOMPIUTERIŲ ELEMENTAI ir ARCHITEKTŪRA ŠIUOLAIKINIŲ KOMPIUTERIŲ ARCHITEKTŪRA Doc. Stasys Maciulevičius Kompiuterių katedra stasys.maciulevicius@ktu.lt

2. Ankstesnėje paskaitoje • Magnetiniai diskai • Informacija magnetiniame diske • MD įrašymo būdai • Flash atmintis • SSD • Hibridiniai diskai • CD • DVD • Naujieji DVD tipai

3. Šioje paskaitoje • Grafinė plokštė • Grafinė atmintis • Grafinės atminties tipai • Grafikos procesorius • Įterptinė grafika • SLI ir CrossFire • Skaičiavimų spartinimas • Intel Larrabee • Bendrosios paskirties GPU • Nvidia CUDA

4. Grafikos aktualumas • AMD http://www.amd.com/us/products/technologies/fusion/Pages/training-course.aspx teigia: • Kiekvieną sekundę į Facebook įkeliama daugiau nei 1000 nuotraukų • Kiekvienąminutę į YouToube įkeliama apie 20 valandų video medžiagos • Kiekvieną dieną vartotojai į savo skaitmenines media bibliotekas įkelia apie 50 mln failų • Šiandien vartotojų asmeninėse bibliotekose 9 mlrd video failų yra didelės raiškos (HD) • Tai smarkiai įtakoja vartotojų pasirinkimą perkant kompiuterius

5. Ko nori vartotojai • Remiantis šiuolaikinių technologijų naudojimo praktika galima sakyti, kad vartotojai iš kompiuteriolaukia: • Ryškaus ir švaraus vaizdo, atkuriamo realiu laiku • Galimybės vienu metu vykdyti keletą naujausių taikomųjų programų • Elegantiškos išvaizdos ir prieinamos kainos • Energetinio efektyvumo, tylos, tačiau ne našumo sąskaita • Turtingos grafikos ir vaizdo

6. Grafinė plokštė Grafinė plokštė – svarbus PC įtaisas, kuris kompiuterio apdorotą informaciją mums pateikia akiai maloniu vaizdu Anksčiau kompiuterių grafinė plokštė transformuodavo skaitmeninę informaciją į analoginę, kurią išvesdavo į ekraną Šiuolaikiniuose LCD displėjuose informacijos transformuoti į analoginę nereikia Vaizdas ekrane sudaromas iš taškų – pikselių. Šie gali būti vienspalviai arba spalvoti Aukščiausios kokybės vaizdą (full-color arba true color) užtikrina 1 pikseliui koduoti skirti 24 arba 32 bitai – 16,8 mln. spalvų

7. Grafinė plokštė Video jungtis Atmintis Jungtis su kompiuteriu

8. Grafinė plokštė Grafinės plokštės vadinamos įvairiais vardais: • video plokštėmis, • video kortomis, • grafinių adapterių plokštėmis, • video adapterių plokštėmis. Ankstesnių PC grafinė plokštė buvo sudaryta iš4 pagrindinių komponentų: • grafikos procesoriaus • video atminties • tvarkyklės programos (driver) • keitiklio, transformuojančio RAM skaitmeninę informaciją į analoginę (RAMDAC)

9. Grafinė plokštė

10. Grafinių adapterių standartai Į turinį

11. Video atmintis Video atmintis –speciali atminties sritis, skirta monitoriuje atvaizduojamai informacijai laikyti; iš jos ekrano kontroleris cikliškai skaito informaciją ir regeneruoja vaizdą.Dar vadinama kadrų buferiu (frame buffer). PC atmintyje ši sritis pagal tradiciją užima sritį A0000-BFFFFh (128 KB). Paprastesniems adapteriams (MDA, CGA, EGA) tokios srities pakako. VGA ir SVGA – ne, todėl čia teko panaudoti bankų perjungimo principą. Reikalingos atminties apimtys – lentelėje:

12. Reikalinga video atminties talpa

13. Grafinė atmintis Anksčiau buvo sudaroma iš paprastų DRAM mikrochemų. Tačiau regeneravimo metu operacijos negalėjo būti vykdomos. Vėliau PC video atmintyse buvo naudojamos tokių tipų atmintys: • VRAM – Video RAM; tai dviejų portų DRAM, kuriose tuo pačiu metu informacija gali būti įrašoma ir skaitoma • WRAM – Windows RAM; taip pat dviejų portų DRAM, kuri spartesnė nei VRAM

14. VRAM SM55161A struktūra A0-A8 Duomenų buferiai Stulpelio dešifratorius Stulp. adr. buferis Data D0-D15 Stiprintuvai Regener. skaitiklis DRAM matrica 512 x 512 x 16 A0-A8 A0-A8 Eil. adr. buferis Eil. dešifrat. 512x16 NA adr. buferis A0-A8 Nuoseklioji Atmintis (NA) NA buferis SDQ 0-15 Į turinį

15. Grafinės atminties tipai

16. Grafinės atminties tipai Šiuolaikinėse grafinėse atmintyse dideliam pralaidumui pasiekti naudojami tie patys principai, kaip ir RAM • GDDR3 – Graphics Double Data Rate3–naudoja tą pačią technologiją kaip ir DDR2, tačiau kartu sunaudoja mažiau energijos ir išskiria mažiau šilumos. Per vieną kontaktą per 2 taktus persiunčiami 4 bitai

17. Grafinės atminties tipai • GDDR4dvigubai našesnė už GDDR3. Tai pasiekta padvigubinus išrinkimo plotį nuo 4 iki 8 bitų, maksimalus bankų skaičius taip pat padidintas iki 8 • Maitinimo įtampa sumažinta iki 1.5 V • GDDR4, dirbanti 2.4 Gb/s sparta, sunaudoja 45% mažiau energijos lyginant su GDDR3, dirbančia 2.0 Gb/s sparta • Tikimasi, kad GDDR4 pasieks 1.4 GHz dažnį (2.8  Gb/s), o Samsung planuoja pasiekti 1.6 GHz (3.2 Gb/s), padidinus maitinimo įtampą

18. Grafinės atminties tipai • GDDR5naudoja tą pačią technologiją kaip ir DDR3, todėl yra dvigubai našesnė už GDDR4 • Qimonda 2008 m. pristatė 512 Mb GDDR5 kristalus, užtikrinančius 3.6 Gb/s (900 MHz), 4.0 Gb/s (1GHz) ir 4.5 Gb/s (1.125GHz) spartą • Samsung 2008 m. pristatė 512 Mb kristalus, užtikrinančius 6.0 Gb/s spartą Į turinį

19. Grafinės atminties pralaidumas Atminties pralaidumas (Gb/s) vienam išvadui

20. GDDR5 palyginimas su DDR3

21. Kiek grafinės atminties reikia? • Laikoma, kad idealus sparčiausios GDDR5 atminties kiekis masiniuose nešiojamuose kompiuteriuose yra nuo 512MB iki 1GB • GPU su tokia GDDR5 užtikrina didesnę spartą lyginant su GPU, turinčiu didesnę ir didesniu dažniu dirbančią DDR3 atmintį • Papildoma nenaudojama grafinė atmintis reikalauja didesnių energijos sąnaudų, generuoja daugiau šilumos, gali paveikti baterijos gyvavimo laiką, kartu nedidėjant sistemos našumui

22. Grafikos svarba Svarbi kompiuterių industrijos varomoji jėga šiais laikais – kompiuterinė grafika. Kiek keista, bet atrodo, kad pagrindinis progreso variklis - kompiuteriniai žaidimai Tetrio laikai, kai pradžioje apskritai buvo apsieinama be grafikos, negrįžtamai praėjo Atėjo laikai, kai modeliuojama realybė. Kuo ji sudėtingesnė, kuo daugiau tenka modeliuoti judančių objektų, perpiešti didesnes ekrano sritis, tuo didesni reikalavimai techninei įrangai

23. Grafikos svarba Pasirodžius Quake tipo kompiuteriniams žaidimams ir įvairiausiems “simuliatoriams”, kur modeliuojami realūs trimačiai objektai, paviršiams vaizduoti naudojamos įvairiausios tekstūros, šešėliai, užtemdymas, dūmų efektai, panaudojamas skaidrumas, reikia labai didelių skaičiavimo resursų Centrinio procesoriaus galios jau nebepakanka, todėl buvo sukurti specializuoti grafiniai procesoriai - grafiniai akceleratoriai Jiems perduodama dalis operacijų, susijusių su trimačių objektų modeliavimu. Jie realizuoja daugelį efektų aparatiniu būdu, naudojant nesudėtingą matematinį aparatą.

24. Grafika ir CPU Fizinius efektus, kurie reikalingi dirbant su vaizdais, grafinis procesorius apskaičiuoja žymiai sparčiau, nei tai daro centrinis procesorius, pavyzdžiui:

25. Grafikos kokybė Tai kompiuteriu sukurtas aktorės Adrianne Curry paveikslas, naudojant NVIDIA GeForce 8800 GTX

26. Grafikos procesorius Anksčiau viską darydavo CPU, bet grafika jį pernelyg apkraudavo. Šiuolaikinių PC grafikos plokštėse tam įdėtas specialus grafikos procesorius, kuris atlieka tokias operacijas: • taškinio (bitmap) vaizdo perdavimas ir piešimas, • langų didumo ir vietos keitimas, • linijų braižymas, • daugiakampių braižymas, • mastelio keitimas

27. GPURadeon HD 5800

28. NVIDIA GeForce 8800 GPU

29. NVIDIA GeForce 8800 GPU Į turinį

30. Įterptinė grafika Ne viada reikalingi dideli grafikos pajėgumai. Pavyzdžiui, dirbant su raštinės programų paketais, turime tik dvimatę grafiką Todėl kompiuterių ir jų procesorių projektuotojai numatė dvi galimybes grafikos posistemiui supaprastinti: • supaprastintą grafikos itaisą įkelti į valdymo schemų rinkinio šiaurinį tiltą • supaprastintą grafikos itaisą įkelti į paties CPU kristalą

31. Intel: CPU ir integruota grafika

32. Įterptinė grafika Nešiojamiems kompiuteriams skirtas AMD VSR M880G turi integruotą grafinį branduolį RV620 (tai diskrečiojo Mobility Radeon HD 4250 modifikacija) Šis grafinis branduolys turi 40 universalių procesorių (8х5), keturis tekstūrinius blokus ir keturis rastro formavimo blokus Grafinis branduolys dirba 500 MHz dažniu. Kadrų buferiui naudojama iki 512 MB RAM (DDR2 arba DDR3) Grafinis branduolys palaiko API DirectX 10.1 ir OpenGL 2.0

33. Intel: CPU ir integruota grafika Kairėje – “senasis” Penryn, dešinėje – 32 nm Westmere

34. Įterptinė grafika Nešiojamiems kompiuteriams skirti Core i3/i5/i7 turi integruotą grafinį branduolį GMA HD (GMA 5700MHD). Jame yra 12 universalių procesorių Grafinio branduolio dažnis nuo 500 MHz iki 766 MHz Kadrų buferiui naudojama iki 1,5 GB RAM Grafinis branduolys palaiko API DirectX 10 ir OpenGL 2.1

35. Perjungiama grafika Kadangi nešiojamiems kompiuteriams svarbu taupyti energiją, o kartais reikalinga ir galingesnė grafika, gali būti panaudotas toks sprendimas: • grafinis procesorius įstatomas į pagrindinę plokštę su integruota grafika • kai kompiuteris maitinamas iš elektros tinklo, dirba grafinis procesorius, kai kompiuteris maitinamas iš baterijos – naudojama integruota grafika (Nvidia Optimus)

36. Perjungiama grafika (NVIDIA)

37. Perjungiama grafika (NVIDIA) Perjungiamos grafikos darbo scenarijai Į turinį

38. SLI (Scaleable Link Interface) 2004 m., siekdama padidinti grafikos pajėgumus, nVidia pristatė sistemą, pavadintą SLI PagrindinėSLI idėja - leisti dviems ar daugiau GPU bendrai dalintis darbą kuriant tikroviškus trimačius vaizdus (rendering) Dvi grafinės plokštės įstatomos į PCI-Express x16 lizdus sisteminėje plokštėje; jos dirba master-slaveprincipu Dalis vaizdo per specialią jungtį (SLI Bridge) perduodama į kitą plokštę. Apdorojusi informaciją, ši grąžina ją vedančiajai, kuri apjungia vaizdus ir perduoda į ekraną

39. SLI (Scaleable Link Interface) Darbo pasidalijimas tarp dviejų GPU gali būti atliekamas vienu iš trijų būdų: • Split Frame Rendering (SFR) – darbas tarp GPU padalijamas 50/50 santykiu; tai gali būti dalijama horizontaliu pjūviu, tačiau atsižvelgiant į vaizdo geometriją – jei kurioje dalyje daugiau tuščių vietų (mėlynas dangus), tai ta dalis bus didesnė • Alternate Frame Rendering (AFR) – vienas GPU apdoroja lyginius kadrus, kitas – nelyginius. Tai duoda beveik dvigubą spartą (Nvidia tvirtina, kad sparta išauga iki 1.9x)

40. SLI (Scaleable Link Interface) • SLI Antialiasing.Čia pasidalijamas darbas glotninant laiptuotas linijas. Išauga vaizdo kokybė, bet ne darbo sparta. SLI technologiją palaiko Windows XP, Windows Vista ir Linux (visos 32 ir 64 bitų)

41. Triple SLI Kaip "Triple SLI" sistemos dalys galės būti naudojamos vaizdo plokštės su nVidia GeForce 8800 Ultra ir GeForce 8800 GTX

42. Triple SLI Oficialiai teigiama, kad trijų vaizdo plokščių SLI konfigūracijoje naudojimas turėtų padidinti žaidimų spartą iki 2.8 karto bei leisti pasiekti 60 FPS spartą esant net 2560x1600 raiškai Kompiuterio su tokia vaizdo posisteme kaina nebus maža - daug kainuoja ne tik trys vaizdo plokštės, bet ir daugiau nei 1000 W galios maitinimo blokas, nauja pagrindinė plokštė Amerikiečiai paskaičiavo, kad neperkant pigiausių sistemos komponentų sistema kainuoja apie 2828 JAV dolerius neskaitant korpuso, kietojo disko, DVD įrenginio kainų

43. Quad SLI 2006 m., siekdama grafikos pajėgumus didinti kartu su CPU, nVidia pristatė keturių grafikos procesorių sistemą, pavadintą Quad SLI Sistemą sudaro dvi plokštės, po du GPU kiekviena; plokštės tarpusavyje sujungtos 10kontaktų jungtimi Kiekvienas GPU turi 512 KB GDDR3atminties

44. Quad SLI

45. CrossFire 2005 m. ATI pristatė dviejų grafinių plokščių tandemą, pavadintą CrossFire. Jį sudarė: • Radeon CrossFire Edition grafinė plokštė su Compositing Engine • antra PCI Express grafinė plokštė su Radeon X800 ar X850 serijų GPU • CrossFire Ready sisteminė plokštė su dviem PCI Express jungtimis grafikai • CrossFire tvarkyklė

46. CrossFire Į turinį

47. Procesorių našumas ir galia

48. Amdahl dėsnis ir lygiagretumas

49. Skaičiavimų spartinimas Skaičiavimų industrija susiduria su tokiomis problemomis: • Plėtojami komerciniai ir vartotojiški uždaviniai (t.t. virtualizacija ir multimedijos elementus turintys uždaviniai), kuriems reikia nebrangių, energijos sąnaudų atžvilgiu efektyvių ir labai našių skaičiavimų • Sutinkami ir išlygiagretinti algoritmai, kurie gali būti realizuojami daugiabranduolinėse architektūrose • Stokojama programuotojų, turinčių žinias ir įgūdžius lygiagrečioms programoms rašyti, ir priemonių tokioms programoms derinti

50. Skaičiavimų spartinimas: x86