TeraScale (マイクロアーキテクチャ)

TeraScaleは、 ATI Technologies / AMDが開発したグラフィックス プロセッシング ユニット マイクロアーキテクチャファミリのコード名であり、 Xenosに続く統合シェーダ モデルを実装した2番目のマイクロアーキテクチャです。TeraScaleは、古い固定パイプラインマイクロアーキテクチャに代わるもので、Nvidiaの最初の統合シェーダ マイクロアーキテクチャであるTeslaと直接競合しました。^{[1] [2]}

TeraScale は、80 nm および65 nmで製造されたRadeon HD 2000、65 nmおよび 55 nm で製造されたRadeon HD 3000、55 nm および 40 nm で製造されたRadeon HD 4000、40 nm で製造されたRadeon HD 5000およびRadeon HD 6000で使用されました。TeraScale は、コード名「Brazos」、「Llano」、「Trinity」、「Richland」のAMD Accelerated Processing Unitsでも使用されました。TeraScale は、後継のグラフィック カード ブランドの一部にも使用されています。

TeraScaleはVLIW SIMDアーキテクチャですが、TeslaはRISC SIMDアーキテクチャで、TeraScaleの後継であるGraphics Core Nextに似ています。TeraScaleはHyperZを実装しています。^[3]

LLVMコードジェネレータ（つまりコンパイラバックエンド）はTeraScaleで利用可能ですが^[4]、LLVMのマトリックスには欠けているようです。^[5]例えばMesa 3Dはそれを利用します。

2008年12月のSIGGRAPH 08で、​​AMDの社員であるマイク・ヒューストンがTeraScaleマイクロアーキテクチャの一部について説明しました。^[6]

FOSDEM09では、AMDの技術パートナーであるSUSE LinuxのMatthias Hopf氏が、R600用のオープンソースドライバーのプログラミングに関するスライドを発表しました。 ^[7]

以前の GPU アーキテクチャは固定パイプラインを実装しており、つまりシェーダーの種類ごとに別々のシェーダー プロセッサがありました。TeraScale は、さまざまなシェーダーの種類を処理するようにスケジュールできる多くの柔軟なシェーダー プロセッサを活用しているため、GPU スループットが大幅に向上しています (以下に示すように、アプリケーション命令の組み合わせによって異なります)。R600 コアは、シェーダー モデル4.0 のDirect3D 10.0 仕様で概説されている頂点シェーダー、ジオメトリ シェーダー、ピクセル シェーダーを処理し、さらにOpenGL 3.0 を完全にサポートしています。^[8]

新しい統合シェーダ機能は、コアが並列に演算を実行する超長命令語（VLIW）アーキテクチャに基づいています。 ^[9]

シェーダークラスターは、5 つのストリーム処理ユニットに編成されています。各ストリーム処理ユニットは、クロックごとに完成した単精度浮動小数点 MAD (または ADD または MUL) 命令、ドット積(DP、および ALU の組み合わせによる特殊なケース)、および整数 ADD を実行できます。^[10] 5 番目のユニットはより複雑で、正弦や余弦などの特殊な超越関数も処理できます。 [10]各シェーダークラスターは、クロックサイクル (ピーク) ごとに 6 つの命令を実行でき、5 つのシェーディング命令と 1 つの分岐で構成されています。 [ ^{10 ]}

特に、VLIW アーキテクチャは、VLIW 設計に固有のいくつかの典型的な課題、つまり最適な命令フローを維持するという課題を伴います。^[9]さらに、チップは、一方の命令がもう一方の命令の結果に依存している場合、命令を同時に発行することはできません。GPU のパフォーマンスは、アプリケーションで使用される命令の組み合わせと、ドライバー内のリアルタイム コンパイラがそれらの命令をどれだけうまく整理できるかに大きく依存します。^[10]

R600 コアには 64 個のシェーダ クラスターが含まれますが、RV610 コアと RV630 コアにはそれぞれ 8 個と 24 個のシェーダ クラスターが含まれます。

TeraScale には、テッセレーションを実行できる複数のユニットが含まれています。これらは、Xbox 360 で使用されている Xenos GPUのプログラム可能なユニットに似ています。

テッセレーションは、DirectX 11 と OpenGL 4 から始まる主要な API で正式に指定されました。TeraScale 1 ベースの GPU (HD 2000、3000、4000 シリーズ) は Direct3D 10 と OpenGL 3.3 にのみ準拠しており、ベンダー固有の API 拡張機能を使用する異なるテッセレーション原理を実装しています。^[11] TeraScale 2 ベースの GPU ( Radeon HD 5000 シリーズから始まる) は、Direct3D 11 と OpenGL 4.0 のテッセレーション技術の両方に準拠した最初の GPU でした。^[12] TeraScale 1 テッセレータは設計がよりシンプルですが、AMD では後のテッセレーション標準のサブセットとして説明されています。^[13]

TeraScaleテッセレータユニットを使用すると、開発者は単純なポリゴンメッシュを取得し、曲面評価関数を使用してそれを細分化できます。Nパッチ、Bスプライン、NURBSを使用したベジェ曲面など、さまざまなテッセレーション形式があり、また、通常はディスプレイスメントマップや何らかのテクスチャを含む表面の細分化テクニックもあります。 ^[14]基本的に、これにより、パフォーマンスにほとんど影響を与えずに、シンプルでポリゴンの少ないモデルのポリゴン密度をリアルタイムで大幅に増加できます。Tech ReportのScott Wassonは、AMDのデモ中に、結果として得られたモデルが数百万のポリゴンで非常に密集しているため、ソリッドのように見えると述べました。^[9]

TeraScaleテッセレータは、 Radeon 8500で最初に使用された初期のハードウェアテッセレーションユニットのブランド名であるATI TruFormを彷彿とさせます。^[15]

ATI TruForm はソフトウェア開発者からほとんど注目されなかった。いくつかのゲーム ( Madden NFL 2004、 Serious Sam、 Unreal Tournament 2003および2004、非公式にMorrowindなど) には、ATI のテッセレーション テクノロジのサポートが含まれていた。このように適応が遅いのは、この機能が NVIDIA GPU と共有されていなかったためである。NVIDIA GPU は、主要なゲーム開発者からのサポートがさらに少なかった Quintic-RT パッチを使用した競合するテッセレーション ソリューションを実装していた。 ^[16] Xbox 360 の GPU は ATI のアーキテクチャに基づいているため、Microsoft はハードウェア アクセラレーションによるサーフェス テッセレーションを主要な GPU 機能と見なした。数年後、テッセレーション機能は 2009 年の DirectX 11 のリリースで必須となった。 ^{[14] [17]}

TeraScaleで導入されたテッセレーションの原理はOpenGL 3.3やDirect3D 10.0の要件には含まれておらず、GeForce 8シリーズなどの競合製品には同様のハードウェアがなかったが、MicrosoftはDirectX 10.1の将来計画の一部としてテッセレーション機能を追加した。^[17]最後に、MicrosoftはDirectX 10.1ではなくDirectX 11でテッセレーションを必須機能として導入した。^[18]

GCN ジオメトリック プロセッサは、 GPU を使用してテッセレーションを実行するための AMD (ATI の GPU 事業を買収) の最新ソリューションです。

R600 は以前の設計から大きく逸脱していますが、それでも前身のRadeon R520と多くの機能を共有しています。^[9]ウルトラスレッドディスパッチプロセッサは、 Radeon X1000 GPU と同様に、R600 コアの主要なアーキテクチャコンポーネントです。このプロセッサは、3 つの異なるタイプ (頂点シェーダー、ジオメトリシェーダー、ピクセルシェーダー) の多数の実行中スレッドを管理し、必要に応じて切り替えます。^[9]多数のスレッドを同時に管理すると、シェーダーを最適に活用するためにスレッドの順序を再編成することができます。つまり、ディスパッチプロセッサは、R600 の他の部分に何が入るかを評価し、処理効率を可能な限り高く保とうとします。管理のより低いレベルもあります。80 ストリームプロセッサの各 SIMD アレイには、独自のシーケンサーとアービターがあります。アービターは次にどのスレッドを処理するかを決定し、シーケンサーは各スレッド内で可能な限り最高のパフォーマンスを得るために命令の順序を変更しようとします。^[9]

R600 コア上のテクスチャリングと最終出力は R580 と似ていますが、異なります。R600 には、R520 および R580 GPU と同様に、シェーダー コアから分離された (独立した) 4 つのテクスチャ ユニットが搭載されています。^[9] Radeon HD 2000 シリーズのレンダリング出力ユニット (ROP) は、Radeon X1000シリーズのようにピクセル シェーダーを使用する代わりに、プログラム可能なサンプル グリッドと最大 8 つのサンプル ポイントを使用して、マルチサンプル アンチエイリアシング(MSAA) のタスクを実行します。また、 HDRライティングで人気のある FP16 テクスチャをフル スピードでフィルタリングする機能も新しく追加されました。ROP は、すべてのテクスチャ フォーマットでトライリニアフィルタリングと異方性フィルタリングも実行できます。R600 では、FP16 テクスチャの場合は 1 クロックあたり 16 ピクセルになり、より高精度の FP32 テクスチャは半分のスピード (1 クロックあたり 8 ピクセル) でフィルタリングします。^[9]

R600 のアンチエイリアシング機能は、R520 シリーズよりも強力です。R300 から R580 までの 6× MSAA から 8× MSAA を実行できる機能に加えて、R600 には新しいカスタム フィルター アンチエイリアシング(CFAA) モードがあります。CFAA は、処理対象の特定のピクセルの周囲のピクセルを調べて最終的な色を計算し、イメージにアンチエイリアシングを施す非ボックス フィルターの実装を指します。^[10] CFAA は、ROP ではなくシェーダーによって実行されます。フィルターをカスタマイズできるため、プログラミング性が大幅に向上しますが、シェーダー リソースの使用により、潜在的なパフォーマンスの問題が発生する可能性もあります。R600 のリリース時点で、CFAA はワイド テント フィルターとナロー テント フィルターを使用します。これにより、処理対象のピクセルの外側のサンプルは、そのピクセルの重心からの距離に基づいて線形に重み付けされ、選択されたワイド フィルターまたはナロー フィルターに基づいて線形関数が調整されます。^[10]

メモリコントローラは、プロセッサを取り囲む内部双方向リングバスを介して接続されています。Radeon HD 2900では、1,024ビット双方向リングバス（512ビット読み取り、512ビット書き込み）で、2900 XTでは8つの64ビットメモリチャネルがあり、合計バス幅は512ビットです。^[9] Radeon HD 3800では512ビットリングバスです。Radeon HD 2600とHD 3600では256ビットリングバスです。Radeon HD 2400とHD 3400にはリングバスはありません。

このシリーズは、ダイシュリンク（55nm）のRV670、RV635、RV620という半世代のアップデートを受けました。すべてのモデルで、PCI Express 2.0、 DirectX 10.1（Shader Model 4.1機能付き）、全モデル専用のATI Unified Video Decoder（UVD）^[19]、デスクトップビデオカード用のPowerPlayテクノロジーがサポートされています。 ^[20]

Radeon HD 3800 シリーズを除くすべてのモデルは、2 つの統合 DisplayPort 出力をサポートし、最大 2,560×1,600 の解像度で 24 ビットおよび 30 ビットのディスプレイをサポートします。各出力には、1 出力あたり 1、2、または 4 レーンが含まれ、データ レートはレーンあたり最大 2.7 Gbit/s です。

ATIは、DirectX 10.1のサポートにより、丸め誤差の減少（ 許容誤差としての平均誤差1.0 ULPと比較して0.5 ULP ）、画像の詳細と品質の向上、グローバルイルミネーション（アニメーション映画で使用される技術）、および消費者向けゲームシステムのさらなる改善により、パフォーマンスと処理効率が向上し、よりリアルなゲーム体験が得られると主張しました。^[21 ]

• Radeon HD 2000 シリーズ
• Radeon HD 3000 シリーズ
• Radeon HD 4000 シリーズ

(これらのページのチップのリストを参照してください)

TeraScale 2 (VLIW5) は、「Evergreen」世代のRadeon HD 5000 シリーズGPUとともに導入されました。

HPG10でマーク・ファウラーは「エバーグリーン」を発表し、例えば5870（サイプレス）、5770（ジュニパー）、5670（レッドウッド）は6倍の2560×1600ピクセルの最大解像度をサポートし、5470（シーダー）は4倍の2560×1600ピクセルをサポートし、これはAMD Eyefinity マルチモニターのサポートにとって重要であると述べた。^[22]

Cypressのリリースにより、Terascaleグラフィックスエンジンアーキテクチャは、RV770と比較してストリームコア、テクスチャユニット、ROPユニットの数が2倍にアップグレードされました。ストリームコアのアーキテクチャはほとんど変更されていませんが、新しい命令によりDirectX 11 / DirectCompute 11機能のサポートが追加されています。 ^[23]また、RV770と同様に、4つのテクスチャユニットが16個のストリームコア（それぞれ5つの処理要素を持ち、合計80個の処理要素）に関連付けられています。この組み合わせはSIMDコアと呼ばれます。

前身のRadeon R700とは異なり、DirectX 11では開発者が補間を完全に制御することを義務付けているため、専用の補間器は削除され、代わりにSIMDコアに依存しています。ストリームコアは、単精度と倍精度の両方で、より高い丸め精度の融合乗算加算(FMA) 命令を処理できます。これは、乗算加算(MAD) よりも精度が高く、 IEEE 754-2008標準に準拠しています。 ^[24]絶対差の合計(SAD)命令がプロセッサにネイティブに追加されました。この命令を使用すると、3Dエンジンでのビデオエンコードやトランスコードなど、一部のプロセスのパフォーマンスを大幅に向上させることができます。各SIMDコアには、32 KiBのローカルデータ共有と8 kiBのL1キャッシュが装備されていますが、^[23]すべてのSIMDコアは64 KiBのグローバルデータ共有を共有しています。

各メモリコントローラは、64ビットチャネルごとに1つずつ、2つのクアッドROPと専用の512KiB L2キャッシュに接続されています。 ^[23]

AMD PowerPlay がサポートされています。こちらをご覧ください。

• エバーグリーンチップ:
  • シダーRV810
  • サイプレスRV870
  • ヘムロック R800
  • ジュニパーRV840
  • レッドウッドRV830
• ノーザンアイランドチップ：
  • バーツRV940
  • カイコスRV910
  • タークスRV930
• TeraScale 2 IGP を含む APU:
  • リャノ
  • オンタリオ
  • サカテ

TeraScale 3 (VLIW4) は、以前の 5 ウェイ VLIW 設計を 4 ウェイ VLIW 設計に置き換えます。新しい設計には、Direct3D 11 のパフォーマンスを向上させる追加のテッセレーション ユニットも組み込まれています。

TeraScale 3 はRadeon HD 6900ブランドのグラフィック カードに導入され、 Trinity および Richland APUにも実装されています。

AMD PowerTuneは、 GPUの動的周波数スケーリングであり、2010年12月15日にRadeon HD 6900シリーズで導入され、 AnandTechのいくつかのレビューに記載されているように、継続的な開発が行われています。^{[25] [26] [27] [28]}

• ノーザンアイランドチップ：
  • ケイマンRV970
  • アンティル R900
  • トリニティとリッチランドにはTeraScale 3 IGPが搭載されている

2011年8月のHPG11で、AMDの従業員であるマイケル・マンター（シニアフェローアーキテクト）とマイク・ヒューストン（フェローアーキテクト）が、TeraScaleの後継マイクロアーキテクチャであるGraphics Core Nextを発表しました。 ^[29]

¹ R680（2xRV670）やR700（2xRV770）などのデュオチップは記載されていません。^{[94] [95] [96] [97]}