GDDR6X Technische verbeteringen uitgelegd

Op 1 september^st, 2020 Nvidia kondigde zijn gloednieuwe RTX 3000-serie grafische kaarten aan die ongekende prestatieniveaus beloofden, niet alleen in traditionele gerasterde weergave, maar ook in raytracing. De kaarten uit de RTX 3000-serie zouden enkele van de snelste kaarten op de markt worden en concurreren met AMD's topaanbod in de RX 6000-serie. De op Ampere gebaseerde GPU die in deze kaarten zat, was op zichzelf al snel genoeg, maar de enorm superieure prestaties waren eigenlijk ook het resultaat van een andere verbetering.

Een groot deel van die prestatie kwam van het geheugen dat aan boord van deze kaarten zat. De twee bovenste kaarten van de RTX 3000-serie, de RTX 3080 en RTX 3090, hadden een gloednieuw geheugentype dat nog niet eerder was gebruikt in grafische kaarten van gamingkwaliteit, bekend als GDDR6X. Dit nieuwe type geheugen beloofde een dubbele bandbreedte in vergelijking met de standaard GDDR6 die werd aangetroffen op de RTX 2000-serie en de AMD RX 6000-serie kaarten. Laten we eens kijken wat GDDR6X zo speciaal maakt.

Wat doet VRAM precies?

Het meeste van het "zware werk" in termen van grafische verwerking wordt gedaan door de kern van de grafische kaart die bekend staat als de GPU. De GPU is een zeer krachtig stuk silicium dat is ontworpen en geoptimaliseerd om grafische taken zoals games te verwerken. Het verwerkt het grootste deel van de verwerking die nodig is om de frames die uw monitor weergeeft, te pushen. Maar om grote hoeveelheden data te verwerken en de frames snel genoeg voor te bereiden, heeft de GPU iets nodig om aan te werken. Dit is waar VRAM om de hoek komt kijken.

VRAM of videogeheugen is een zeer snelle geheugenvorm die op de grafische kaart zelf wordt opgeslagen, zodat de GPU er direct toegang toe heeft. De VRAM slaat middelen en texturen op die nodig zijn voor de game, zodat de GPU eraan kan werken wanneer dat nodig is en de frames kan voorbereiden die moeten worden weergegeven. Als de VRAM deze activa en andere cruciale gegevens niet snel genoeg aan de GPU kan leveren, kan de gebruiker vertragingen, stotteringen of zelfs crashes ervaren. Over het algemeen hebben hogere resoluties zoals 1440p en 4K met hoge grafische instellingen meer VRAM nodig om die activa van hogere kwaliteit te beheren en op te slaan, wat betekent dat je een hogere capaciteit VRAM nodig hebt als je met deze instellingen op deze resoluties wilt spelen. Tegelijkertijd hebt u geheugen met hogere snelheid nodig om de gegevens snel genoeg van de VRAM naar de GPU te verplaatsen. Dit is waar geheugentechnologieën zoals GDDR6X nuttig blijken te zijn.

Mechanisme achter GDDR6X

Micron Technology (het bedrijf dat het GDDR6X-geheugen produceert en levert aan Nvidia en andere partners) heeft onlangs enkele details vrijgegeven over het mechanisme achter GDDR6X-geheugen. Dit geeft ons een beter idee hoe deze technologie in staat is om de extreem hoge bandbreedtenummers te halen.

PAM4-signalering

In tegenstelling tot typische datapaden genaamd "bussen" die gegevens 1 bit per keer verplaatsen, gebruikt GDDR6X een techniek genaamd PAM4 (Four-Level Pulse Amplitude Modulation), een methode die in plaats daarvan 1 van de 4 discrete vermogensniveaus tegelijk kan verzenden van 2. Dit betekent dat GDDR6X 2 bits tegelijk kan verplaatsen, wat de bandbreedte dramatisch verhoogt. Micron heeft een geschiedenis van interessante innovatie zoals deze, aangezien het de eerste GDDR5-, GDDR5X- en nu GDDR6X-chips in de branche naar massaproductie bracht. Micron was de enige producent van GDDR5X en is nu de exclusieve fabrikant van GDDR6X. Micron had het volgende te zeggen over de ontwikkeling van GDDR6X met behulp van PAM4:

Deze opwindende nieuwe technologie heeft echter een beperking. GDDR6 heeft een burst-lengte van 16 bytes (BL16), wat betekent dat elk van de twee 16-bits kanalen 32 bytes per bewerking kan leveren. GDDR6X heeft een burst-lengte van 8 bytes (BL8), maar vanwege PAM4-signalering levert elk van zijn 16-bits kanalen ook 32 bytes per bewerking. Dit betekent dat GDDR6X niet sneller is dan GDDR6 op dezelfde kloksnelheden. Dit betekent ook dat, aangezien GDDR6X tijdens elke cyclus twee keer zoveel signalen verzendt als GDDR6, het ook veel efficiënter is. GDDR6X is volgens Micron 15% energiezuiniger dan GDDR6 (7,25 pj / bit versus 7,5 pj / bit) op apparaatniveau.

Nauwe samenwerking met Nvidia

Een grote drijvende kracht achter het streven naar hogere bandbreedte en hogere snelheden is Nvidia zelf geweest, dat nauw heeft samengewerkt met Micron tijdens de ontwikkelings- en testfasen van het GDDR6X-geheugen. Nvidia is de enige lanceringspartner van Micron als het gaat om GDDR6X-geheugen, wat betekent dat het nieuwe geheugentype nog geruime tijd exclusief zal zijn voor Nvidia-kaarten. Nvidia heeft het nieuwe geheugen al geïnstalleerd op hun vlaggenschip GeForce gaming-videokaarten; de RTX 3090 en RTX 3080, die dus hebben gekregen enorme sprongen in bandbreedte over de laatste generatie GDDR6.

Nvidia heeft ook een gloednieuwe geheugencontroller en PHY ontworpen voor de GDDR6X omdat het PAM4-signalering gebruikt, en zo te zien is alles in eigen huis ontworpen door Nvidia zelf. De GDDR6X-technologie zou ook naar meer kaarten moeten komen door Nvidia, met name de TITAN- en Quadro-series, die enorm zouden kunnen profiteren van de grotere bandbreedte van GDDR6X in combinatie met hogere capaciteiten. Micron heeft ook bevestigd dat Nvidia geen exclusieve partner is voor GDDR6X en dat later ook meer bedrijven de nieuwe geheugenstandaard zouden krijgen. Dit betekent dat we kunnen verwachten dat AMD's Radeon-kaarten ook een soort GDDR6X-applicatie zullen hebben wanneer in de toekomst meer van die kaarten worden gelanceerd.

GDDR6X met PAM4 versus HBM2

Hoewel GDDR6X met zijn mooie nieuwe PAM4-technologie nog steeds duurder is om te produceren dan GDDR6, ligt het niet eens in de buurt van de kosten van HBM2-productie. HBM of High Bandwidth Memory leek een paar generaties geleden echt de toekomst van de geheugentechnologie van grafische kaarten. AMD deed er alles aan om HBM naar de reguliere markt te brengen en ze lanceerden ook een reeks echt teleurstellende GPU's met HBM aan boord. De Fury en de Vega-lijn van grafische kaarten gebruikten geheugen met hoge bandbreedte, maar helaas waren hun GPU-kernen niet snel genoeg om hen enig voordeel te geven ten opzichte van Nvidia.

Het flitsende HBM2-geheugen werd opnieuw teruggebracht in de Radeon VII, AMD's nieuwe high-end grafische kaart gebaseerd op de Vega-architectuur maar nu gebouwd op het 7nm-proces. De HBM2 in de Vega-kaarten was extreem duur om te produceren en had een lage opbrengst, wat leidde tot een laag aanbod en zelfs een lagere vraag. De Radeon VII kon niet in de buurt komen van het vlaggenschip van Nvidia, de RTX 2080Ti, en kreeg te maken met EOL binnen een jaar na de lancering. Het veel snellere vlaggenschip van Nvidia maakt gebruik van de standaard GDDR6.

AMD zelf stapte weg van hun HBM-inspanningen na een verandering in de hiërarchie van het bedrijf en verschillende hooggeplaatste leden werden ontheven van hun taken. De nieuwe AMD Radeon stapte snel weg van de HBM-geheugenobsessie naar veel realistischere geheugenkeuzes zoals het GDDR6-geheugen dat te vinden is in de RX 5000 en RX 6000-serie GPU's. Het grootste probleem met HBM2 is de fabricage. Het proces is buitengewoon vervelend en duur omdat de HBM2 KGSD's (bekende goede gestapelde matrijzen) moeten worden geassembleerd op een halfgeleiderfabriek en vervolgens op een tussenlaag naast een GPU in een cleanroom van een andere fabriek moeten worden geplaatst. Dit maakt de productie veel duurder en arbeidsintensiever dan GDDR6 of zelfs GDDR6X, omdat GDDR6X niet hoeft te worden gestapeld en het wordt verzonden als afzonderlijke chips die in een fabriek kunnen worden gesoldeerd.

Er is echter een voorbehoud dat hier moet worden opgemerkt. GDDR6X-chips hebben een zeer schoon en stabiel signaal nodig, daarom zit de Nvidia-geheugencontroller op de GA102 GPU die de geheugenchips voedt nu op een aparte stroomrail. Dit zorgt ervoor dat de chips de benodigde schone en stabiele stroom krijgen die ze nodig hebben om goed te functioneren.

PAM4 voor de toekomst

PAM4-signalering is een interessant en echt opwindend nieuw proces dat zijn toepassingen kan vinden in verschillende gebieden van pc-hardware. Hoewel het op dit moment beperkt is tot de GDDR6X-toepassing in grafische kaarten, kan de signaleringstechniek in de toekomst veel meer worden gebruikt in andere processen. Micron gelooft dat de toekomst van het geheugen de PAM 4-techniek is.

Een andere interessante toekomstige toepassing van de PAM4-signaleringsstandaard is PCIe Gen 6.0, die gepland staat in 2021. Het gebruikt PAM4-signalering om meer efficiëntie en hogere datasnelheden te verkrijgen. Aangezien PCIe een zeer breed acceptatiebereik heeft, zullen CPU- en ASIC-bedrijven uiteindelijk PAM4 en PCIe 6.0 op een bepaald moment moeten adopteren. Misschien zal het ooit ook in HBM2-geheugen worden gebruikt om onwerkelijke bandbreedte en snelheid te bieden, maar dat is slechts speculatie van onze kant.

Waar wordt GDDRX gebruikt?

Zelfs als we de toekomst even opzij zetten, wordt GDDR6X vandaag nog steeds in veel belangrijke toepassingen gebruikt. Enkele van de belangrijkste zijn:

Gamen: Het grootste en meest populaire gebruik van GDDR6X-geheugen is natuurlijk in gaming. Micron heeft de GDDR6X-modules aan Nvidia geleverd voor integratie in hun gloednieuwe RTX 3080 en RTX 3090 grafische kaarten. Met dit geheugen kunnen ze ongekende cijfers behalen in termen van geheugenbandbreedte en snelheid. De eerste generatie GDDR6X kan datatransmissiesnelheden bereiken tot 1 TB / s. Dit kan buitengewoon gunstig zijn in termen van gaming van de volgende generatie.
HPC: De GDDRX-technologie wordt gebruikt in HPC of High Performance Computing. Het wordt gekenmerkt door zeer parallelle berekeningen die geavanceerde applicatieprogramma's betrouwbaar, efficiënt en zo snel mogelijk uitvoeren. Deze computeroplossingen worden gebruikt door wetenschappers, onderzoekers, ingenieurs en academische instellingen om complexe problemen op te lossen.
Professionele virtualisatie: Industrieën zoals de gezondheidszorg en de geneeskunde, professionele videobewerking, financiële simulaties, weersvoorspellingen of olie en gas vertrouwen op zeer hoogwaardige werkstations die de kracht van GDDR6X-geheugen kunnen gebruiken om hun workflow te stroomlijnen en te optimaliseren. Deze krachtige werkstations zijn een belangrijke use case voor de nieuwe GDDR6X.
Kunstmatige intelligentie: De GDDRX-geheugentechnologieën worden gebruikt in kunstmatige intelligentie en zijn afgeleiden zoals Deep Learning. Deze workloads worden steeds belangrijker en komen steeds vaker voor, en high-speed computeroplossingen zoals GDDRX kunnen in dit opzicht zeker helpen.

Laatste woorden

GDDR6X is een nieuw type geheugen dat is ontwikkeld door Micron in nauwe samenwerking met Nvidia. Het geheugen maakt gebruik van een nieuwe technologie genaamd PAM4-signalering, een zeer innovatief architectonisch proces waarbij de effectieve datatransmissiesnelheid wordt verdubbeld. De signaleringstechniek verlaagt ook het energieverbruik en maakt zo het geheugen efficiënter.

Nvidia heeft het geheugen geïmplementeerd in zijn nieuwe RTX 3080- en RTX 3090-kaarten, en dit is nog maar het begin van de uiteindelijke uitrol van het GDDR6X-geheugen op de gamingmarkt. Het geheugen is gemakkelijker en goedkoper te vervaardigen dan HBM2 en geeft enorm veelbelovende resultaten, dus het lijkt erop dat de hele industrie deze standaard vroeg of laat zal overnemen. Op dit moment worden de GDDRX-technologieën in veel sectoren aangetroffen, waaronder gaming, HPC, professionele virtualisatie en AI.