کارت گرافیک GTX 680

گاهی اوقات کارت های گرافیکی جد ید نسبت به نسل پیش از خود تفاوت های ساختاری زیاد ی ند ارند و سازند گان تراشه ها ترجیح می د هند با چند به روزرسانی کلی نسل جد ید ی از پرد ازند ه های گرافیکی را معرفی کنند اما زمانی هم این کارت ها با تراشه هایی وارد بازار می شوند که ساختار آنها تغییر پید ا کرد ه و پیشرفت های اساسی د ر آنها انجام شد ه است. کارت های جیفورس نسل ششم و همچنین نسل جد ید تراشه های گرافیکی AMD شامل همین تغییرات شد ه اند و پیشرفت های قابل توجهی د ر معماری آنها د ید ه می شود .

انوید یا د ر نسل چهارم تراشه های گرافیکی که با مد ل هایی مانند GTX 480 کار خود را آغاز کرد ساختار جد ید ی به نام فرمی (Fermi) را توسعه د اد . فرمی نام خود را از یک فیزیکد ان ایتالیایی گرفته بود که د ر زمینه انرژی اتمی صاحب نام بود اما تراشه های انوید یا تنها حرارت و مصرف بسیار بالا را از این نام به ارث برد ند و عملا نسل چهارم با موفقیت قابل قبولی روبه رو نشد ، هر چند بعد از معرفی مد ل های اولیه، با ورود کارت های متوسط، انوید یا توانست این مشکلات را تا حد ود زیاد ی کاهش د هد . د ر نسل پنجم، تراشه های انوید یا قد رت زیاد ی پید ا کرد ند و علاوه بر بهبود مصرف انرژی و افزایش کارایی د ر زمینه هایی مانند پرد ازش های عمومی توسط تراشه یا GPGPU نیز عملکرد قابل توجهی نشان د اد ند ، به طوری که تا مد ت ها تراشه GTX 580 عنوان قوی ترین تراشه گرافیکی را با خود همراه د اشت. د ر تراشه های گرافیکی نسل ششم، انوید یا با تحولی د یگر د ر ساختار تراشه ها وارد مید ان شد ه و با تغییر پلتفرم از ساختار فرمی، معماری جد ید ی به نام کپلر (Kepler) را مورد استفاد ه قرار د اد ه است. این تراشه ها با فناوری ۲۸ نانومتری تولید می شوند و انوید یا مد عی شد ه است تراشه های GeForce GTX 680 سریع ترین تراشه های موجود با بهترین راند مان مصرف انرژی هستند . این تراشه ها با کد GK104 تولید شد ه اند و البته انوید یا باز هم اعلام کرد ه است این تراشه ها تنها یک راه حل متوسط ولی قد رتمند هستند و امسال راه حل د یگری معرفی خواهد کرد که توانایی بالاتری نسبت به این مد ل د ارد ولی د ر حال حاضر جیفورس GTX 680 قوی ترین تراشه برای اجرای بازی ها و محتوای سه بعد ی.

مهم ترین نقطه عطف این تراشه ها را می توان د ر راند مان مصرف انرژی آنها عنوان کرد که بیشترین کارایی را د ر مقابل هر یک وات مصرف شد ه د ارند که این موضوع علاوه بر کاهش فناوری ساخت به ۲۸ نانومتر، به ساختار معماری کپلر هم مربوط است.

د ر این بین می توان اشاره ای هم به AMD د اشت که اوایل سال میلاد ی تراشه های قد رتمند HD 7970 را معرفی کرد که د ر آنها نیز راند مان مصرف انرژی بهبود پید ا کرد ه و البته تغییرات ساختاری زیاد ی د ر آنها انجام شد ه است. به عنوان مثال معماری VLIW با معماری GCN عوض شد ه است و کارایی بهتری د ر زمینه
GPGPU د ارد . AMD با این معماری تلاش زیاد ی برای استفاد ه از توان کارت های گرافیکی برای پرد ازش های عمومی و محاسباتی سیستم انجام د اد ه است تا کارت گرافیکی بتواند علاوه بر پرد ازش محتوای سه بعد ی د ر سایر کاربرد ها نیز با cpu همراهی کند . این موضوع نکته ای است که انوید یا د و نسل پیش از این و با ساختار فرمی به طور جد ی آن را د نبال کرد و حالا نیز د ر این زمینه مد عی است.

ساختار کپلر شباهت های زیاد ی با ساختار فرمی د ارد بنابراین با نگاهی به گذشته، ابتد ا ساختار فرمی را توضیح می د هیم و سپس به سراغ کپلر می رویم.

راشه های GTX 580 د ارای ۵۱۲ پرد ازند ه جریانی (Stream Processors) هستند که انوید یا نام این پرد ازند ه ها را هسته های کود ا (CUDA) گذاشته است. هسته های کود ا د ر بلوک هایی ۳۲ عد د ی جای می گیرند و به آنها SM گفته می شود . چهار گروه از این SMها د ر یک خوشه پرد ازشی (کلاستر) رد یف می شوند که به این خوشه GPC گفته می شود . د ر نهایت چهار GPC یک تراشه با معماری GF100 را تشکیل می د هند . از این چهار واحد ، د و واحد د ر بالا و د و واحد نیز د ر پایین تراشه قرار گرفته اند و بین آنها را حافظه د رونی L2 پر کرد ه است. این حافظه به صورت ۴۸ واحد د ر میان تراشه قرار گرفته و رد ه بند ی آنها به صورت شش بخش است که د ر هر کد ام از آنها هشت حافظه استفاد ه شد ه است. د ر اطراف تراشه نیز شش واحد کنترل حافظه د ید ه می شود .

۶ واحد SM (بلوک های ۳۲ عد د ی هسته های کود ا) د ر میان چهار واحد GPC مشخص است. این SM ها می توانند د ر هر چرخه فرکانس ۵۱۲ د ستورالعمل را اجرا کنند . د ر انتهای ساختار SM چهار واحد پرد ازش بافتی نیز قرار د اد ه شد ه و علاوه بر آن د ر هر SM یک واحد پرد ازش هند سی هم وجود د ارد که مجموع آنها به ۱۶ واحد می رسد . انوید یا نام این قسمت را موتور پلی مورف یا موتور چند شکلی گذاشته است. موتور PolyMorph و موتور پیکسلی Raster د و بخش مهم اجرایی د ر ساختار فرمی هستند که د ر واقع یکی از تفاوت های مهم این کارت ها با نسل های پیشین ناشی از این د و قسمت است. موتور Raster ترکیبی از تمام روش های پیشین برای پرد ازش تصویر است که شامل تنظیم لبه ها و سه ضلعی ها، تبد یل تصاویر به بیت مپ یا نقشه های بیتی و تبد یل نقشه های د وبعد ی به تصاویر سه بعد ی است. این واحد د ر تراشه هایی که د ارای معماری GF100 هستند می تواند د ر هر چرخه فرکانس تا ۳۲ پیکسل را پرد ازش کند . موتور پلی مورف که انوید یا آن را برای پرد ازش های هند سی اختصاص د اد ه است، چند ین فعالیت اصلی را د ر کارت های گرافیکی انجام می د هد که موارد زیر از نمونه های این وظایف است:

Vertex Fetch: د ر تصاویری مثل سطح آب یا شعله های آتش با وجود اینکه با یک بافت سطحی روبه رو هستیم اما این بافت ثابت نیست و حرکت د ارد . به عنوان مثال امواج بسیار کوچک سطح آب یا زبانه های شعله آتش اگر به صورت بافت پرد ازش شوند نتیجه یک تصویر صاف و بد ون جزییات خواهد بود . موتور پلی مورف پرد ازش این سطوح را انجام می د هد .

Tessellation: تصاویر سه بعد ی از چند ضلعی ها تشکیل شد ه اند و با کمک Tessellation یا موزاییک کاری، این چند ضلعی ها د ر یک ساختار مناسب کنار هم قرار می گیرند و آماد ه پرد ازش می شوند . د لیل این امر هم پیچید گی هایی است که برای پرد ازش مستقیم تصویر وجود د ارد و کارت های گرافیکی با تقسیم یک سطح به چند ضلعی ها کار پرد ازش را آسان تر می کنند . با این حال پرد ازش جزییات ظریفی که د ر برخی اجسام مانند صورت انسان د ید ه می شود نیاز به توان قابل توجهی از سوی کارت گرافیکی د ارد . علت اینکه نام این بخش Tessellation یا موزاییک کاری گذاشته شد ه به د لیل شیوه مشابهی است که د ر پرد اخت گرافیکی انجام می شود و این چند ضلعی ها به طور مرتب د ر کنار یکد یگر قرار می گیرند تا تصویر نهایی تشکیل شود .

Viewport Transform: تصاویر د ر بازی ها و نمایش های سه بعد ی همیشه تولید نمی شوند و اغلب از تصاویر از پیش طراحی شد ه برای نمای سه بعد ی استفاد ه می شود که این شبه عکس ها با قرار گرفتن د ر کنار یکد یگر تصویر نهایی را خلق می کنند . د ر پرد ازش های گرافیکی موضوع جایگیری و چید مان این تصاویر مهم است و این بخش توسط Viewport مد یریت می شود .

موتورهای Raster د ر یک تراشه با مهند سی GF110 چهار عد د هستند یعنی برای هر GPC یک موتور Raster د ر نظر گرفته شد ه د ر حالی که موتورهای پلی مورف د ر هر GPC چهار عد د هستند و مجموع آنها د ر یک تراشه به ۱۶ عد د می رسد . ضمنا باید توجه د اشت بسیاری از این امکانات برای این تراشه یا این کارت های گرافیکی انحصاری نیست بلکه مجموعه ای از توانایی های فراهم شد ه توسط نسخه یازد هم د ایرکت ایکس است که کارت های مختلف توان متفاوتی د ر اجرای آنها د ارند . قبلا د ر تراشه های نسل GT200 از یک موتور Raster بزرگ استفاد ه می شد . به کارگیری ۱۶ موتور پلی مورف به این معنی است که امکان پرد ازش موازی د ر این حالت بیشتر است و البته باید توجه د اشت مد یریت این د اد ه ها به صورت موازی که د ر کانال اطلاعات قرار د ارند کار آسانی نیست. GF110 علاوه بر این موارد ، تکه های مختلف و اجزای کوچک تصویر را نیز بررسی می کند و د ر صورت لزوم آنها را به تکه های کوچک تر تبد یل خواهد کرد تا توسط چند SM به صورت همزمان پرد ازش شوند . د ر این حالت اطلاعات مرتبط با د اد ه د ر حال پرد ازش د رون هسته باقی می ماند و از طریق حافظه سطح L1 د ر میان SMها جابه جا می شود .

معماری کپلر

د ر ساختار کپلر مانند قبل یک موتور GigaThreadEngine، کـنــتـرلرهای حافظه، حافظه L2 cache برای د اد ه ها و د ستورالعمل ها، موتور پیکسلی Raster و کلاسترهای پرد ازشی وجود د ارد و از این نظر تفاوتی با قبل ند ارند . د ر تراشه GTX 680 چهار واحد GPC د ید ه می شود که هر کد ام از آنها د ارای یک موتور
Raster و چند ین پرد ازند ه جریانی هستند . تا پیش از این د ر ساختار فرمی و قبل از آن د ر ساختار تسلا، خوشه های حاوی واحد های کوچک پرد ازشی کود ا د رون تراشه، SM نامید ه می شد ند اما انوید یا د ر ساختار کپلر نام آنها را SMX گذاشته است. د ر فرمی چهار GPC د ر تراشه وجود د اشت که هر کد ام د ارای چهار SM بود ند ، اکنون د ر ساختار کپلر د ر هر کد ام از چهار واحد GPC د و SMX د ید ه می شود .

د ر کپلر، موتورهای پلی مورف ارتقا پید ا کرد ه اند و نسخه د وم آنها به نام PolyMorph Engine 2.0 معرفی شد ه است که سرعت آنها د و برابر شد ه است. این تراشه ها د ارای ۱۹۲ پرد ازند ه کود ا، ۳۲ واحد SFU و ۳۲ واحد load & store هستند که فرکانس آنها نسبت به فرمی د و برابر شد ه است. واحد هایی به نام TMU که مخفف Texture mapping unit هستند می توانند بیت مپ ها را تغییر سایز د هند یا آنها را بچرخانند تا د ر یک قسمت مشخص استفاد ه شوند . این عملیات به توان پرد ازشی قابل توجهی نیاز د ارد و می تواند توانایی کارت را محد ود کند . د ر کپلر این واحد ها د و برابر شد ه اند و به ۱۶ عد د رسید ه اند .
استفاد ه از فناوری ۲۸ نانومتری تاثیر زیاد ی روی تراشه د اشته است که این موضوع را د ر ترکیب با معماری کپلر باید بررسی کرد . به عنوان یک اصل کلی هر چقد ر تعد اد ترانزیسورهای استفاد ه شد ه د ر یک ساختار پرد ازشی بیشتر باشد به معنی توانایی آن ساختار محسوب می شود . د ر تراشه GTX 680 تعد اد ترانزیستورها تنها ۱۸ د رصد افزایش د اشته است و از سه میلیارد ترانزیستور د ر تراشه GTX 580 به ۳.۵۴ میلیارد د ر ساختار GTX 680 رسید ه است. بعد از تجربه تلخی که انوید یا د ر مد ل هایی مثل GTX 480 د اشت تاکید زیاد ی روی راند مان مصرف انرژی د ارد که این موضوع د ر ساختار کپلر به اوج خود رسید ه است و توانایی واحد های پرد ازشی به ازای هر وات مصرفی د و برابر شد ه است. د ر این تراشه توان مصرفی واحد های کنترل منطقی و پرد ازند ه های استریم کاهش پید ا کرد ه است و یکی د یگر از پیشرفت ها نیز کاهش فرکانس هسته های کود است. د ر نسل های قبلی فرکانس پرد ازند ه های استریم به د لیل کارایی بافر و ترتیب پرد ازش، حد ود د و برابر فرکانس هسته گرافیکی تعیین می شد اما د ر تراشه های فعلی تمام تراشه با یک فرکانس اجرا می شود .

یکی د یگر از تغییرات کپلر نسبت به قبل، تغییر د ر منطق کنترل و پرد ازش است. د ر ساختار فرمی یک مکانیسم سخت افزاری برای رمزگشایی و مرتب سازی مجد د استفاد ه می شد که د ر کپلر این روش، نرم افزاری شد ه است و انرژی کمتری مصرف می کند ضمن اینکه د ر مکانیسم جد ید فرآیند های کنترل و نظارت هم کاهش پید ا کرد ه اند یا به عبارتی بهینه شد ه اند د ر نتیجه فرآیند های کمتری د ر مسیر پرد ازش د اد ه ها اجرا می شود که این موضوع نیز روی کاهش مصرف توان و افزایش توانایی تراشه موثر است.

مد یریت فرکانس یکی از مهم ترین پیشرفت های انوید یا د ر ساختار کپلر است. برای امنیت بیشتر تراشه و کارت گرافیکی، معمولا یک د امنه امن از حد اقل و حد اکثر توان مصرفی و فرکانس قابل اجرا برای تراشه تعیین می شود که کارت حتی د ر شرایط لود کامل و به رغم توانایی برای افزایش فرکانس نمی تواند از آن محد ود ه تجاوز کند . د ر برخی شرایط نیز برای اجرای یک فرآیند که عملکرد بخش ویژه ای از تراشه را نیاز د ارد یک ظرفیت خالی به صورت رزرو د ر سایر بخش ها باقی می ماند که با وجود مصرف انرژی و تولید حرارت از آن استفاد ه نمی شود . انوید یا د ر کپلر از این ظرفیت برای افزایش فرکانس استفاد ه می کند و نام این فناوری را GPU Boost گذاشته است. توان این فناوری د ر برخی برنامه ها ممکن است بیشتر از سایر کاربرد ها باشد و از طریق آن برخی پارامترهای اصلی تراشه مانند فرکانس، مصرف انرژی، حرارت و بار پرد ازشی کنترل می شود و بر اساس آن فرکانس تراشه گرافیکی و میزان ولتاژ کارت تنظیم خواهد شد . این فناوری د ر واقع نوعی اورکلاک خود کار فرکانس است که د ر پرد ازند ه ها نیز مورد استفاد ه قرار می گیرد و حالا د ر کارت های گرافیکی رواج پید ا کرد ه است. به عنوان مثال فرکانس پایه د ر تراشه GTX 680 معاد ل ۱۰۰۶ مگاهرتز است و تراشه می تواند د ر این فرکانس به طور ایمن اجرا شود . اگر بار پرد ازشی GPU افزایش پید ا کند و نیاز به توان بیشتری باشد کارت به صورت خود کار این فرکانس را تا ۱۰۵۸ و سپس تا ۱۱۰۰ مگاهرتز افزایش می د هد . حتی ممکن است مقاد یر فرکانس بیشتر از این هم افزایش د اشته باشد ولی پس از پرد ازش مورد نظر د وباره فرکانس کارت کاهش پید ا می کند و به مقد ار نرمال بازمی گرد د .

کی از فناوری های د یگر د ر تراشه های جد ید به ورتیکال سینک (V-Sync) اختصاص د ارد که برای همگام سازی سرعت به روزرسانی تصویر د ر کارت گرافیکی و مانیتور است. تکنولوژی V-Sync زمانی استفاد ه می شود که سرعت رفرش یا به روزرسانی تصویر د ر مانیتور پایین تر از سرعت معاد ل آن د ر کارت گرافیکی باشد . به عنوان مثال سرعت اجرای بازی ۹۰ فریم د ر ثانیه است ولی مانیتور با توانایی ۶۰ هرتز نمی تواند این سرعت را نمایش د هد . د ر این حالت سرعت کارت را کاهش می د هند تا منطبق با سرعت مانیتور باشد . این روش با اینکه خود برای حل مشکل ایجاد شد ه است اما مشکلات د یگری را هم به وجود می آورد ، به عنوان مثال زمانی که سرعت کارت پایین تر از سرعت مانیتور باشد آنگاه برای تطبیق سرعت ممکن است تعد اد فریم ها د ر یک ثانیه به ۳۰، ۲۰ یا حتی ۱۵ فریم د ر ثانیه کاهش پید ا کند . د ر تراشه های GTX 680 فناوری V-Sync فقط زمانی اجرا می شود که واقعا لازم باشد ؛ مثل زمانی که د ر یک قسمت از بازی تعد اد فریم ها د ر یک ثانیه از فرکانس مانیتور بیشتر باشد .

Asus GTX680-2GD5

کارت های گرافیکی ایسوس از اولین مد ل های مجهز به تراشه های نسل ششم انوید یا بود ند که وارد بازار شد ند . البته هنوز این مد ل ها تنوع و توزیع گسترد ه ای ند ارند ولی به زود ی جایگزین کارت های نسل پنج خواهند شد . ایسوس از نماد ROG که نشان د هند ه محصولات مخصوص بازی است روی این کارت ها نیز استفاد ه کرد ه است و حد اقل می توان روی بسته بند ی محصول این نشان را مشاهد ه کرد . نشان ROG خصوصیات ویژه کارت برای گیمرهای حرفه ای را نشان می د هد و د ر اغلب این مد ل ها برخی از خصوصیات سخت افزاری برای اجرای بازی ها بهینه شد ه است.

ر مشخصات اصلی این کارت برخی از ویژگی های اصلی تراشه مانند افزایش خود کار توان برای اجرای بازی ها، ورتیکال سینک و نمایش سه بعد ی بازی ها عنوان شد ه است و علاوه بر آن می توان به نرم افزار طراحی شد ه توسط ایسوس اشاره کرد که GPU Tweak نام د ارد و برای اورکلاک کارت به کار می رود . از طریق این نرم افزار می توان موارد ی همچون فرکانس و ولتاژ را تغییر د اد و بر حرارت نظارت د اشت.

کارت های مجهز به تراشه GTX 680 مانند سایر مد ل های حرفه ای نسل ششم بر پایه رابط نسل سوم PCIe هستند و د ر این مد ل از د و گیگابایت حافظه GDDR5 استفاد ه شد ه است. حد ود ۳.۵ میلیارد ترانزیستور د ر این تراشه به کار رفته است و ۱۵۳۶ هسته کود ا وظیفه اصلی پرد ازش اطلاعات را بر عهد ه د ارند . نکته قابل توجه این است که فرکانس پرد ازند ه گرافیکی با اینکه توانایی اورکلاک خود کار د ارد اما فرکانس پایه نیز د ر این کارت نسبت به مد ل های پیشین د ر رد ه بالایی تنظیم شد ه و به ۱۰۵۸ مگاهرتز رسید ه است. د ر کارت های نسل ششم با اینکه از نظر توان پرد ازشی با افزایش کارایی مواجه هستیم اما به د لیل استفاد ه از فناوری ساخت ۲۸ نانومتری و معماری کپلر، میزان مصرف انرژی کاهش پید ا کرد ه است که د ر این مد ل از ایسوس نیز همین مشخصات د ید ه می شود . د ر بخش حافظه می توان د و گیگابایت حافظه از نوع GDDR5 را مشاهد ه کرد که د ر فرکانس ۶۰۰۸ مگاهرتز اجرا می شوند . این مقد ار، حافظه موثر است که به صورت ضریبی از عد د چهار عنوان می شود و حافظه اصلی کارت ۱۵۰۲ مگاهرتز است. یک رابط ۲۵۶ بیتی نیز برای انتقال د اد ه ها د ر نظر گرفته شد ه است. د ر مورد فرکانس تراشه این توضیح ضروری است که فرکانس پایه ۱۰۰۶ مگاهرتز است و د ر حالت اورکلاک این مقد ار به ۱۰۵۸ مگاهرتز می رسد .

د ر قسمت پشت کارت می توان یک رابط HDMI نسخه ۱.۴a و یک رابط Display Port نسخه ۱.۲ را مشاهد ه کرد که د ر کنار د و رابط DVI قرار گرفته اند . این رابط ها می توانند از چهار مانیتور با د قت تصویر ۵۷۶۰×۱۰۸۰ به طور همزمان پشتیبانی کنند البته برای نمایش بازی ها می توان از سه مانیتور د ر کنار یکد یگر استفاد ه کرد و مانیتور چهارم را به موارد د یگر اختصاص د اد که این مورد د ر اجرای بازی ها د ر محیط شبکه می تواند سود مند باشد .

ارت GTX 680 ایسوس بر اساس طراحی مرجع تولید شد ه است به همین د لیل می توان گفت به سایر کارت های تولید شد ه توسط سایر سازند گان شباهت بسیار بالایی د ارد . د ر این مد ل ها از یک سینک آلومینیومی استفاد ه می شود که د ر حالت عاد ی روی د و شکاف PCIe د ر ماد ربورد را می پوشاند . این سینک ها با د ریافت حرارت تولید شد ه توسط تراشه از طریق سه لوله مسی، سطح تماس با هوا را افزایش می د هند و باعث خنک شد ن تراشه می شوند . جریان هوای تولید شد ه توسط فن از میان این پره ها عبور می کند و پس از عبور از محفظه د رون کارت از طریق براکت های پشت خارج می شود . جنس بد نه از پلاستیک فشرد ه است که علاوه بر محافظت از اجزای د رونی کارت و عد م انتقال حرارت به سطح بیرونی، می تواند نویز تولید شد ه توسط فن را کاهش د هد . انوید یا برای این مد ل ها یک بورد به طول ۱۰ اینچ د ر نظر گرفته است که د ر بالای آن می توان د و محل برای اتصال پل SLI را مشاهد ه کرد . د ر نتیجه این مد ل از پیکربند ی سه کارت گرافیکی به شیوه ۳WAY SLI پشتیبانی می کند .

کارت های GTX 680 د ارای د و کانکتور شش پین توان هستند و میزان مصرف آن ۱۹۵ وات عنوان شد ه است که از طریق چهار فاز توان تغذیه می شوند .